DE19522652C1

DE19522652C1 - Overvoltage protection for HF coaxial power line

Info

Publication number: DE19522652C1
Application number: DE1995122652
Authority: DE
Inventors: Manfred Lang
Original assignee: Spinner GmbH
Current assignee: Spinner GmbH
Priority date: 1995-06-22
Filing date: 1995-06-22
Publication date: 1996-07-04
Anticipated expiration: 2015-06-23

Abstract

The overvoltage protection is provided by a self-extinguishing spark path between the inner conductor (1) and the outer conductor (2) of the line. The spark path is provided between a pair of annular electrodes (3,4), respectively attached to the inner and outer conductors and lying in the same radial plane. Pref. the annular electrodes each have a parabolic cross-section with their apices facing one another, so that the min. electrode spacing is obtained at the centre.

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsschutz für lei stungsführende HF-Koaxialleitungen, mit einer zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter angeordneten, selbstlöschen den Funkenstrecke (DE-Hauptkatalog der Firma DEHN Überspannungsschutz, 1994, S. 11, 73).The invention relates to surge protection for lei leading RF coaxial lines, with a between the Inner conductor and the outer conductor arranged, self-extinguishing the spark gap (DE main catalog from DEHN Surge protection, 1994, pp. 11, 73).

Ein Überspannungsschutz dient bekanntlich dazu, nachgeord nete Geräte sowie deren Benutzer vor Überspannungen zu schützen, die durch atmosphärische Entladungen, in der Nähe der HF-Leitung verlaufende Hochspannungsleitungen oder andere Ursachen hervorgerufen werden und eine beträchtliche Gefahr für die Geräte und deren Benutzer darstellen können. Stand der Technik für diesen Zweck sind offene Funkenstrek ken, gasgefüllte Entladungsröhren mit definierter Zündspan nung (z. B. jeweils gemäß DE-Hauptkatalog der Firma DEHN: Überspannungsschutz 1994, S. 11, 73) sowie λ/4 Kurzschluß leitungen.Surge protection is used, as is well known, afterwards devices and their users from overvoltages protect by atmospheric discharges, nearby high-voltage lines running on the HF line or other causes are caused and considerable Can pose a danger to the devices and their users. State of the art for this purpose are open spark arrays ken, gas-filled discharge tubes with defined ignition voltage (e.g. according to the DE main catalog of DEHN: Surge protection 1994, p. 11, 73) and λ / 4 short circuit cables.

Offene Funkenstrecken und gasgefüllte Entladungsröhren, sogenannte Pillen, eignen sich jedoch nur bedingt als Über spannungsschutz für HF-Leitungen, über die HF-Nutzleistungen von einigen Watt bis zu einigen 100 Kilowatt übertragen werden, weil dann die Signalspannung Werte erreicht, bei denen die Funkenstrecke bzw. die Gasfüllung der Entladungs röhre ionisiert wird. Die Folge davon ist, daß die Zündspannung mehr oder weniger stark sinkt, so daß die bzw. die Gasentladung durch die übertragene HF-Leistung weitergespeist, erlöschen also nicht mehr.Open spark gaps and gas-filled discharge tubes, so-called pills, but are only of limited use as excess Voltage protection for HF lines, via the HF useful power from a few watts to a few 100 kilowatts because then the signal voltage reaches values at which the spark gap or the gas filling of the discharge tube is ionized. The consequence of this is that the Ignition voltage drops more or less, so that the or the gas discharge through the transmitted RF power passed on, no longer go out.

λ/4-Kurzschlußleitungen weisen diesen Nachteil nicht auf und können deshalb auch für leistungsführende HF-Leitungen als Überspannungsschutz verwendet werden, dies jedoch nur, wenn die Nutzfrequenz oberhalb von ca. 300 MHz liegt, weil bei niedrigeren Frequenzen die mechanische Länge der λ/4-Kurz schlußleitung unhandlich groß wird und weil dann auch für Überspannungen mit im Verhältnis zu der Resonanzfrequenz der λ/4-Kurzschlußleitung niedriger Frequenz der in diesem Fall induktive Blindwiderstand der Kurzschlußleitung und der dadurch hervorgerufene Spannungsabfall über der Kurzschluß leitung zu hohe Werte annehmen.λ / 4 short-circuit lines do not have this disadvantage and can therefore also be used for high-performance HF cables Surge protection can be used, but only if the useful frequency is above approximately 300 MHz because lower frequencies the mechanical length of the λ / 4-short final line becomes bulky and because then also for Overvoltages in relation to the resonance frequency of the λ / 4 short-circuit line of low frequency in this case inductive reactance of the short-circuit line and the resulting voltage drop across the short circuit Line too high.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Über spannungsschutz der einleitend angegebenen Gattung zu schaf fen, dessen Betriebsfrequenz im Bereich zwischen etwa 1 bis 500 MHz liegt und der ein verbessertes Betriebsverhalten hat.The invention is therefore based on the object of an over voltage protection of the type specified in the introduction fen, whose operating frequency is in the range between about 1 to 500 MHz is and an improved operating behavior Has.

Eine erste Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecke aus einer mit dem Innenleiter ver bundenen, ringförmigen Elektrode und einer in der gleichen Radialebene angeordneten, mit dem Außenleiter verbundenen, ringförmigen Elektrode besteht. Bei dieser Lösung kann der den Überspannungsschutz enthaltende Teil der HF-Koaxiallei tung in beliebiger Richtung zur Horizontalen verlaufen und erfordert auch keine vorgegebene Orientierung in Umfangs richtung, wenn für die ringförmigen Elektroden Querschnitte gewählt werden, die dafür sorgen, daß der Lichtbogen nach dem Zünden in eine Richtung auswandert, in der sich der Ab stand der Elektroden und damit die Länge des Lichtbogens stetig vergrößert. A first solution to this problem is characterized by that the spark gap from a ver with the inner conductor tied, annular electrode and one in the same Radially arranged, connected to the outer conductor, annular electrode. With this solution, the the part of the HF coaxial line containing the surge protection direction in any direction to the horizontal and also does not require a given orientation in scope direction if cross-sections for the ring-shaped electrodes be chosen to ensure that the arc after the ignition migrates in a direction in which the Ab the electrodes and thus the length of the arc steadily enlarged.

Dies ist insbesondere dann sichergestellt, wenn die ringför migen Elektroden einen parabelförmigen Querschnitt haben und die Parabelscheitel sich gegenüberliegen (Anspruch 2).This is particularly ensured if the ring-shaped electrodes have a parabolic cross section and the parabola vertexes face each other (claim 2).

Eine zweite Lösung der vorgenannten Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecke aus einer mit dem Innenleiter verbundenen Elektrode in Form einer Kuppe und einer mit dem Außenleiter verbundenen Elektrode in Form einer Kuppe be steht (Anspruch 3). Auch bei dieser zweiten Lösung spricht der Überspannungsschutz unabhängig von dem Verlauf der Längsachse des betreffenden Abschnitts der HF-Koaxialleitung an, da die Kuppenform der sich gegenüberstehenden Elektroden dafür sorgt, daß der Lichtbogen nach dem Zünden jeweils in Richtung sich vergrößernder Elektrodenabstände auswandern kann, bis er abreißt. Der Vorteil dieser zweite Lösung liegt vor allem darin, daß die mit dem Außenleiter verbun dene Elektrode als von außen in den Außenleiter einschraub barer Stift ausgebildet sein kann, was es auf einfache Weise ermöglicht, den kürzesten Abstand zwischen den Elektroden und damit die Höhe der Zündspannung einzustellen sowie im Bedarfsfall den Zustand der Elektrodenoberflächen durch Ausbau der mit dem Außenleiter verbundenen Elektrode zu kontrollieren.A second solution to the aforementioned object is according to the invention characterized in that the spark gap from a with the inner conductor connected electrode in the form of a dome and one with the Outer conductor connected electrode in the form of a dome stands (claim 3). This second solution also speaks the surge protection regardless of the course of the Longitudinal axis of the relevant section of the RF coaxial line because the dome shape of the opposing electrodes ensures that the arc in each case after ignition Emigrate in the direction of increasing electrode distances can until it breaks off. The advantage of this second solution lies mainly in the fact that they are connected to the outer conductor screw the electrode as from the outside into the outer conductor bar pen can be designed, what it is easy allows the shortest distance between the electrodes and thus adjust the level of the ignition voltage as well as in If necessary, the condition of the electrode surfaces Remove the electrode connected to the outer conductor check.

Fertigungstechnisch besonders einfach ist einer Weiterbil dung dieser Ausführungsform, bei der die Scheitel der kup penförmigen Elektroden sich in der selben Radialebene gegen überliegen (Anspruch 4). Allerdings sollte eine Einbaulage vermieden werden, bei der die kürzeste Verbindungsstrecke zwischen den beiden Elektroden genau in der Vertikalen liegt, damit kein an dieser Stelle stabil brennender Licht bogen entsteht.A further development is particularly simple in terms of production technology extension of this embodiment, in which the apex of the kup pen-shaped electrodes against each other in the same radial plane lie (claim 4). However, an installation position should be avoided at the shortest link between the two electrodes exactly in the vertical so that there is no stable burning light at this point arch arises.

Dieses Problem wird bei einer Weiterbildung vermieden, bei der die mit dem Außenleiter verbundene, kuppenförmige Elek trode gegenüber der mit dem Innenleiter verbundenen kuppen förmigen Elektrode derart axial versetzt ist, daß sich der kürzeste Abstand zwischen den Mantelflächen der Elektroden mit zunehmendem radialen Abstand von dem Innenleiter stetig vergrößert (Anspruch 5). Allerdings ist diese Ausführungs form weniger geeignet, wenn der betreffende Abschnitt der HF-Koaxialleitung im wesentlichen lotrecht verläuft.This problem is avoided with further training which connects the dome-shaped elec trode opposite the crests connected to the inner conductor shaped electrode is axially offset so that the shortest distance between the outer surfaces of the electrodes steadily with increasing radial distance from the inner conductor enlarged (claim 5). However, this is execution less suitable if the relevant section of the RF coaxial line runs essentially perpendicular.

Bevorzugt haben die die Elektroden der Funkenstrecke bil denden Kuppen zumindest näherungsweise die Form von Rota tionsparaboloiden (Anspruch 6).The electrodes of the spark gap preferably have bil end at least approximately the shape of Rota tion paraboloid (claim 6).

Gewünschtenfalls kann die mit dem Außenleiter verbundene Elektrode der Funkenstrecke in Wirkverbindung mit einer durch das Zünden eines Lichtbogens aktivierten, aus der Koaxialleitung herausgeführten Anzeigevorrichtung stehen. (Anspruch 7). Der Begriff Anzeigevorrichtung ist im weite sten Sinn zu verstehen und schließt deshalb ein - gegebenen falls selbstrückstellendes - Schaltelement zur Fernanzeige einer Überspannungsauslösung ein.If desired, the one connected to the outer conductor Electrode of the spark gap in operative connection with a activated by igniting an arc from which Coaxial line led out display device. (Claim 7). The term display device is broad to understand the most meaning and therefore includes the given if self-resetting - switching element for remote display an overvoltage trip.

Abhängig von der Querschnittsgeometrie der Koaxialleitung und der Ausführungsform der Funkenstrecke kann es notwendig sein, den Querschnitt des Innenleiters der Koaxialleitung in Höhe der Funkenstrecke zu vermindern, um genügend Raum zur Anbringung der Elektroden zu schaffen (Anspruch 8).Depending on the cross-sectional geometry of the coaxial line and the embodiment of the spark gap may be necessary be the cross section of the inner conductor of the coaxial line in Reduce the height of the spark gap to provide enough space for To attach the electrodes to create (claim 8).

Vor allem wenn die Betriebsfrequenz der Koaxialleitung verhältnismäßig hoch ist, kann die durch die Funkenstrecke verursachte, zusätzliche Kapazität zu einer meßbaren Ver schlechterung des Reflexionskoeffizienten führen. Dies kann vermieden werden, wenn die Querschnittsverminderung des In nenleiters so bemessen ist, daß der Wellenwiderstand der Leitung am Ort der Funkenstrecke zumindest annähernd kon stant bleibt (Anspruch 9).Especially when the operating frequency of the coaxial line is relatively high, the spark gap caused additional capacity to a measurable ver lead to deterioration of the reflection coefficient. This can can be avoided if the reduction in cross section of the In nenleiters is dimensioned so that the characteristic impedance of the Line at the location of the spark gap at least approximately con Stant remains (claim 9).

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Überspan nungsschutzes nach der Erfindung schematisch vereinfacht im Längsschnitt dargestellt. Es zeigt:In the drawing are exemplary embodiments of the span Protection according to the invention schematically simplified in Longitudinal section shown. It shows:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform, Fig. 1 a first embodiment,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform und Fig. 2 shows a second embodiment and

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform. Fig. 3 shows a third embodiment.

In allen drei Ausführungsformen ist ein kurzer, beidseits mit koaxialen Verbindungsmitteln hier nicht näher inter essierender Konstruktion versehener Koaxialleitungsabschnitt mit einem Innenleiter 1 und einem Außenleiter 2 dargestellt.In all three embodiments, a short coaxial line section with an inner conductor 1 and an outer conductor 2 , which is provided on both sides with a coaxial connection means not of interest here, is shown.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 hat der Innenlei ter 1 einen Abschnitt verringerten Durchmessers 1a, auf dem eine ringförmige Elektrode 3 mit parabelförmigen Querschnitt sitzt. In der gleichen Radialebene ist der Außenleiter 2 mit einer entsprechenden, ringförmigen Elektrode 4 von ebenfalls parabelförmigem Querschnitt versehen. Beim Auftreten einer unzulässig hohen Überspannung kommt es an irgendeiner Stelle des Umfanges der Elektroden 3, 4 zu einem Überschlag zwi schen deren sich gegenüberliegenden Scheiteln. Sofern der Lichtbogen nach dem Abklingen der Überspannung noch weiter brennt, weil er von der von der Leitung übertragenen HF-Leistung gespeist wird, wandert er in Richtung sich ver größernder Abstände zwischen den Elektroden 3 und 4 aus, bis der Abstand so groß geworden ist, daß der Lichtbogen von selbst erlischt.In the embodiment of Fig. 1, the Innenlei ter 1 has a portion of reduced diameter 1 a, on which an annular electrode 3 with a parabolic cross-section sits. In the same radial plane, the outer conductor 2 is provided with a corresponding, ring-shaped electrode 4, which also has a parabolic cross section. If an impermissibly high overvoltage occurs, there is a flashover between their opposite apices at some point on the circumference of the electrodes 3 , 4 . If the arc continues to burn after the overvoltage has subsided because it is fed by the HF power transmitted by the line, it migrates in the direction of increasing distances between the electrodes 3 and 4 until the distance has become so great, that the arc goes out by itself.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform hat der Innenleiter 1 eine Abflachung 1b mit einer radialen Bohrung 1c, in die der Gewindeschaft 23a einer Elektrode 23 einge dreht ist, die die Form eines Rotationsparaboloids hat. Gegenüber steht eine gleichartige Elektrode 24 am Ende eines in den Außenleiter 2 eingedrehten Gewindeschaftes 24a. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen den Scheiteln der Elektroden 23 und 24 eingestellt und die Elektrode dann durch Anziehen einer Kontermutter 24b festgelegt werden. In dem Gewindeschaft 24a befindet sich eine Anzeigevorrichtung, die durch einen Stift 6a symbolisiert wird, den eine Schrau bendruckfeder 6b aus dem Gewindeschaft 24a heraustreten läßt, sobald die durch den Lichtbogen verursachte Erwärmung des Gewindeschaftes 24a einen gewissen Wert überschreitet. Im übrigen entspricht die Funktionsweise dieser zweiten Ausführungsform derjenigen der ersten Ausführungsform.In the embodiment shown in Fig. 2, the inner conductor 1 has a flat 1 b with a radial bore 1 c, into which the threaded shaft 23 a of an electrode 23 is turned, which has the shape of a paraboloid of revolution. Opposite is a similar electrode 24 at the end of a threaded shaft 24 a screwed into the outer conductor 2 . In this way, the distance between the apices of the electrodes 23 and 24 can be adjusted and the electrode can then be fixed by tightening a lock nut 24 b. In the threaded shaft 24a is a display apparatus which is symbolized by a pin 6 a, leaves the a Schrau bendruckfeder 6 b of the threaded shaft 24 a step out once the heating of the threaded shaft 24 caused by the arc a has a certain value exceeds. Otherwise, the mode of operation of this second embodiment corresponds to that of the first embodiment.

Am schnellsten erlischt der Lichtbogen bei der zweiten Aus führungsform jedoch bei einer Einbauorientierung des Ko axialleitungsabschnittes, bei der die gemeinsame Längs achse der Elektroden 23 und 24 näherungsweise horizontal verläuft, da die von dem Lichtbogen selbst verursachte Gas strömung dann im wesentlichen rechtwinklig zur dem Licht bogen gerichtet ist. Sofern die Längsachse des Koaxiallei tungsabschnittes im wesentlichen vertikal verläuft, kommt es dagegen auf eine bestimmte umfangsmäßige Orientierung der gemeinsamen Längsachse der Elektroden 23, 24 nicht an.The arc extinguishes fastest in the second embodiment, however, with an installation orientation of the coaxial line section, in which the common longitudinal axis of the electrodes 23 and 24 runs approximately horizontally, since the gas flow caused by the arc itself then arcs essentially at right angles to the light is directed. If the longitudinal axis of the coaxial line section runs essentially vertically, it does not depend on a certain circumferential orientation of the common longitudinal axis of the electrodes 23 , 24 .

Die Ausführungsform nach Fig. 3 entspricht im Prinzip derjenigen nach Fig. 2, jedoch ist die Elektrode 34 axial versetzt gegenüber der Elektrode 33 am Ende eines Gewinde schaftes 34a angeordnet, dessen Längsachse mit der Läng sachse des Koaxialleitungsabschnittes einen von 90° ver schiedenen Winkel (hier etwa 45°) einschließt. Die Mantel flächen der Elektroden 33, 34 begrenzen somit einen sich in Richtung vom Innenleiter 1 zum Außenleiter 2 stetig erwei ternden Spalt, so daß ein gezündeter Lichtbogen auswandert, sofern der Koaxialleitungsabschnitt mit im wesentlichen waagerechter Längsachse und einer Umfangsorientierung einge baut wird, bei der die Elektrode 34 sich wenigstens oberhalb der die Längsachse des Koaxialleitungsabschnittes enthal tenden Horizontalebene befindet. Der Innenleiter 1 ist in Höhe der Elektrode 34 mit einer Querschnittsverminderung in Form einer Abflachung 1c versehen, die so ausgelegt ist, daß der Wellenwiderstand der Leitung am Ort der Elektroden 33 und 34 zumindest annähernd konstant bleibt.The embodiment of FIG. 3 corresponds in principle to that of FIG. 2, however, the electrode 34 is axially offset from the electrode 33 the shaft at the end of a screw located 34 a, its longitudinal axis with the Läng axis of the coaxial line from 90 ° ver different angle (here about 45 °). The lateral surfaces of the electrodes 33 , 34 thus limit a gap extending continuously in the direction from the inner conductor 1 to the outer conductor 2 , so that an ignited arc migrates, provided that the coaxial line section is built with a substantially horizontal longitudinal axis and a circumferential orientation, in which the Electrode 34 is at least above the horizontal plane containing the longitudinal axis of the coaxial line section. The inner conductor 1 is provided at the level of the electrode 34 with a cross-sectional reduction in the form of a flattening 1 c, which is designed so that the wave impedance of the line at the location of the electrodes 33 and 34 remains at least approximately constant.

Claims

1. Surge protection for high-performance RF coaxial lines, with a self-extinguishing spark gap ( 3 , 4 ) arranged between the inner conductor ( 1 ) and the outer conductor ( 2 ), characterized in that the spark gap from a ver with the inner conductor ( 1 ) connected , annular electrode ( 3 ) and an annular electrode ( 4 ) arranged in the same radial plane and connected to the outer conductor ( 2 ).

2. Surge protection according to claim 1, characterized in that the ring-shaped electrodes ( 3 , 4 ) have a parabolic cross-section and the parabola apex are opposite.

3. Surge protection for high-performance RF coaxial lines, with a self-extinguishing spark gap arranged between the inner conductor ( 1 ) and the outer conductor ( 2 ), characterized in that the spark gap consists of an electrode connected to the inner conductor ( 1 ) in the form of a dome ( 23 ; 33 ) and an electrode connected to the outer conductor ( 2 ) in the form of a cap ( 24 ; 34 ).

4. Surge protection according to claim 3, characterized in that the apex of the dome-shaped electrical ( 23 , 24 ) are opposite in the same radial plane.

5. Overvoltage protection according to claim 3, characterized in that the dome-shaped electrode ( 34 ) connected to the outer conductor ( 2 ) is offset axially relative to the dome-shaped electrode ( 33 ) connected to the inner conductor ( 1 ) in such a way that the The shortest distance between the lateral surfaces of the electrodes ( 33 , 34 ) increases steadily with increasing radial distance from the Innenlei ter ( 1 ).

6. Overvoltage protection according to one of claims 3 to 5, characterized in that the dome forming the electrodes of the spark gap ( 23 , 33 , 24 , 34 ) have at least approximately the shape of a paraboloid of revolution.

7. Overvoltage protection according to one of claims 1 to 6, characterized in that the electrode of the spark gap connected to the outer conductor ( 2 ) is connected in active connection to a display device ( 6 a, 6 b) activated by the ignition of an arc and led out from the coaxial line. stands.

8. Overvoltage protection according to one of claims 1 to 7, characterized in that the inner conductor ( 1 ) of the coaxial line at the level of the spark gap has a reduced cross section ( 1 a, 1 b, 1 c).

9. Overvoltage protection according to claim 8, characterized in that the cross-sectional reduction ( 1 a, 1 b, 1 c) of the inner conductor ( 1 ) is dimensioned so that the wel len resistance of the line at the location of the spark gap remains at least approximately constant.