DE2423646A1 - Ueberspannungsableiter - Google Patents

Description

41-22.6O2P 15. 5. 1974

THE POST OFFICE, London (Großbritannien)

Überspannungsableiter

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter zum Schutz einer Übertragungsleitung od. dgl.

Eine typische Übertragungsanordnung kann zwischen zwei Endstellen eine Leitung enthalten. Längs der Leitung sind in bestimmten Abständen Verstärker eingefügt, die ein über die Leitung übertragenes Signal verstärken. Eine derartige Anordnung muß mit einer Schutzeinrichtung zum Schutz gegen den Einfluß von Hochspannungs - Stoßwellen bzw. Überspannungen versehen werden, die durch (elektrische) Gewitter od. dgl. induziert werden. Ein Blitzeinschlag in der Nähe einer Leitung kann zwei grundsätzliche Arten von Überspannungen induzieren:

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1) einen Potentialunterschied bzw. eine Spannung längs der Leitung,

2) einen Potentialunterschied bzw. eine Spannung zwischen den Adern der Leitung.

In beiden Fällen können die Verstärker beschädigt werden. Aus diesem Grund müssen Überspannungsableiter eingesetzt werden, die die Verstärker gegen beide Arten von Überspannungen schützen.

Ein häufig verwendeter Überspannungsableiter zum Schutz einer derartigen Anordnung ist eine Gasentladungsdiode. Dieses Bauelement wirkt als doppelspannungsabhängiger Schalter, d. h. wenn der Spannungsabfall an der Diode eine erste Spannung übersteigt, schaltet die Diode vom nichtleitenden in den leitenden Zustand; die Diode bleibt leitend, bis der Spannungsabfall an ihr unter eine zweite Spannung absinkt, die niedriger ist als die erste Spannung, bei der die Diode vom leitenden in den nichtleitenden Zustand schaltet bzw. löscht. Dieses ausgeprägte Verhalten wird durch Bauelemente wie z. B. Gasentladungsdioden, Thyristoren, Thyratrons usw. erzielt. Im Betrieb wird ein derartiges Bauelement zum Schutz einer Anordnung oder eines Gerätes verwendet, indem die Überspannung kurzgeschlossen wird, wenn die Spannung an dem Bauelement die Durchbruchspannung übersteigt. Damit das Bauelement wirksam arbeitet, muß es in den nichtleitenden Zustand zurückkehren, sobald die Überspannung vorbei ist. Dies bedeutet , daß die Spannung, bei der der Übergang vom leitenden in den nichtleitenden Zustand erfolgt, ausreichend hoch sein soll, d. h. sie muß höher sein als eine auf der Leitung im Normalfall vorhandene Spannung, falls diese Spannung einen ausreichend hohen Strom zum Beibehalten des leitenden Zustands liefern kann. Ein üblicher Weg zum

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Erhöhen der sog. "Löschspannung" (d. h. der Übergangsspannung vom leitenden in den nichtleitenden Zustand) bei Gasentladungsdioden besteht darin, daß der Diode ein Kondensator parallelgeschaltet wird. Diese Lösung ist unter der Voraussetzung brauchbar, daß die Übertragungsleitung nicht für Hochfrequenz-Signale verwendet wird. Wenn jedoch Hochfrequenz-Signale übertragen werden, ist sogar eine kleine Kapazität untragbar.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Überspannungsableiter zu schaffen, der sich zum Einsatz in einer Hochfrequenz-Übertragungsleitung eignet, und der einen doppelspannungsabhängigen Schalter enthält, dem ein Kondensator parallelgeschaltet ist.

Diese Aufgabe wird für einen Überspannungsableiter mit einer durch einen Kondensator überbrückten Gasentladungsdiode erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die durch den Kondensator überbrückte Gasentladungsdiode in Reihe liegt mit einem spannungsabhängigen Schalter zwischen zwei Adern.

Durch die Erfindung wird also ein Überspannungsableiter mit einer durch einen Kondensator überbrückten Gasentladungsdiode zum Schutz einer Hochfrequenz-Übertragungsleitung z. B. gegen Blitzentladungen geschaffen. Der Kondensator erhöht die Löschspannung der Gasentladungsdiode. Eine zweite Gasentladungsdiode liegt in Reihe mit der überbrückten Gasentladungsdiode, um zu verhindern, daß der Kondensator die Leitung kurzschließt, wenn die Schaltung nicht arbeitet.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. leinen Überspannungsableiter quer zu einer Nachrichtenübertragungsleitung bzw. einem Kabel,

Fig. 2 Vergleichs-Löschkurven von Überspannungsableitern, und

Fig. 3 eine typische Leitungsübertragungsanordnung mit Verstärkern und Endstellen, die durch Überspannungsableiter geschützt sind.

Der Begriff "Längsüberspannung oder Längsstoßspannung" in der Beschreibung bezieht sich auf eine Überspannung swelle oder Stoßspannungswelle und einen dadurch bewirkten Strom, der sich längs einer Ader oder längs beider Adern einer Leitungsübertragungsanordnung in derselben Richtung ausbreitet und über eine geeignete Erdverbindung zurückkehrt. Der Strom wird also durch einen Potentialunterschied zwischen einer Ader bzw. beiden Adern und Erde verursacht.

Der Begriff "Querüber spannung oder Quer Stoßspannung" in der Beschreibung bezieht sich auf durch einen Potentialunterschied zwischen den Adern verursachten Strom, der im allgemeinen beide Adern einer Leitungsübertragungsanordnung in entgegengesetzten Richtungen durchfließt.

Nach Fig. 1 besteht ein erfindungsgemäßer Überspannungsableiter 1 aus zwei Gasentladungsdioden 2 und 3 zwischen zwei Adern 4 und 5. Die Gasentladungsdiode 3 ist mit einem Widerstand 7 überbrückt, der einen Widerstandswert von 10 kOhm besitzt, sowie mit einem Kondensator 6, dessen Kapazität typischerweise 1 juF beträgt. Als Gasentladungsdioden können z. B. Dioden der Firma Siemens, Type Bl-C90, verwendet werden.

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Die Löschcharakteristik einer typischen Gasentladungsdiode ist in Fig. 2 durch Kurve 10 dargestellt; die Löschspannung ist natürlich eine Funktion des durch die Diode fließenden Stroms. Wenn der Gasentladung sdiode ein Kondensator parallelgeschaltet wird, erhält man die Löschkurve 9. Man erkennt, daß für eine gegebene Spannung der zum Aufrechterhalten des leitenden Zusta nds der Gasentladungsdiode benötigte Strom (mit dem Parallelkondensator) beträchtlich höher ist als für die Gasentladungsdiode allein. Dies bedeutet umgekehrt, daß bei einem gegebenen Strom eine höhere Spannung benötigt wird, um die durch einen Kondensator überbrückte Gasentladungsdiode im leitenden Zustand zu halten, verglichen mit dem Fall, daß die Diode nicht durch einen Kondensator überbrückt ist. Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich ist, läßt sich die Löschspannung wesentlich erhöhen, wenn der Gasentladungsdiode ein Kondensator parallelgeschaltet wird. Durch Reihenschalten einer weiteren Gasentladungsdiode mit der kapazitiv überbrückten Gasentladungsdiode wird die Löschspannung weiter erhöht (vgl. Kurve 8 in Fig. 2). Der Hauptteil an der Erhöhung der Löschspannung ist jedoch durch das Parallelschalten des Kondensators gegeben.

Wenn der Überspannungsableiter der Fig. 1 nicht arbeitet, d. h. wenn sich beide Gasentladungsdioden im nichtleitenden Zustand befinden, ist der Kondensator 6 von der Leitung entkoppelt, so daß die tatsächliche, durch den Überspannungsableiter eingeführte Leitungskapazität durch die Elektrodenkapazität der Gasentladungsdiode 2 bestimmt ist, die typischerweise in der Größenordnung von 2 pF liegt. Diese Kapazität reicht nicht aus, um eine Beeinträchtigung des Hochfrequenzverhaltens einer Nachrichtenübertragungsleitung zu bewirken.

Die Gasentladungsdiode 2 kann als spannungsabhängiger Schalter aufgefaßt werden, dessen primäre Funktion in der Entkopplung des Kon-

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densators 6 von der Leitung im Fall ohne Überspannung besteht. Die einzige Anforderung an diese Diode besteht darin, daß sie vom nichtleitenden in den leitenden Zustand schaltet, wenn eine erste vorbestimmte Spannung an sie angelegt wird, und daß sie vom leitenden in den nichtleitenden Zustand zurückschaltet, wenn die Spannung an der Diode unter eine zweite vorbestimmte Spannung abfällt, die kleiner ist als die erste vorbestimmte Spannung oder gleichgroß.

Wenn im Betrieb eine höhere Spannung als die Durchbruchs spannung der Gasentladungsdiode 2 zwischen den Adern 4 und 5 entsteht, bricht die Gasentladungsdiode 2 durch. Es sei bemerkt, daß vordem Durchbruch der Verbindungspunkt 21 wegen des Widerstands 7 auf demselben Potential wie die Ader 5 liegt. Sobald die Gasentladungsdiode 2 leitend wird, lädt sich der Kondensator 6 auf, und wenn die Spannung am Kondensator 6 die Durchbruchspannung der Gasentladungsdiode 3 übersteigt, bricht auch diese Gasentladungsdiode durch. Somit wird ein leitender Weg zwischen den Adern 4 und 5 hergestellt.

Wenn die Spannung zwischen den Adern 4 und 5 nach einer Stoßspannungswelle absinkt, löscht die Schaltung bei einer durch die Löschkurve der gesamten Schaltung bestimmten Spannung (s. Fig. 2). Somit zündet die Schaltung bei einer Spannung, die gleich oder etwas größer ist als die Durchbruchspannung einer einzelnen Gasentladungsdiode und löscht bei einer Spannung, die wesentlich größer ist als die Löschspannung einer einzelnen Gasentladungsdiode. Zusätzlich wird nur eine sehr kleine Kapazität zwischen den geschützten Adern hinzugefügt, wenn die Schaltung nicht arbeitet.

Derartige Überspannungsableiter können in Form einer einzelnen verkapselten Einheit hergestellt werden. In diesem Fall weisen sie wesentliche wirtschaftliche Vorteile verglichen mit bereits entwickelten Schaltungen auf. 409848/0410

Fig. 3 zeigt eine typische Leitungsübertragungsancrdnung mit zwei Endstellen oder Zwischenstellen 11 und 12, die durch Adern 4 und 5 miteinander verbunden sind. Damit die an den Klemmen eines Verstärkers 13 infolge einer Längsüberspannung zwischen den beiden Stationen 11 und 12 auftretende Spannung einen Sicherheitswert nicht übersteigt, der andernfalls den Verstärker beschädigen würde, wird ein zuvor beschriebener und in Fig. 1 dargestellter Überspannungsableiter 14 an die Klemmen des Verstärkers angeschlossen. Darüber hinaus ist sowohl der Eingang als auch der Ausgang des Verstärkers 13 gegen den Einfluß einer Quer-Stoßspannung zwischen den Adern 4 und 5 geschützt. Dies wird dadurch erreicht, daß zwei Überspannungsableiter 15 und 16 zwischen die Adern 4 und 5 geschaltet werden, wobfi der eine parallel zum Eingang und der andere parallel zum Ausgang des Verstärkers 13 geschaltet ist. Somit können nachfolgende Verstärker 17 und 18 in der Leitung gegen die Beeinträchtigung sowohl der Längs- als auch Quer-Stoßspannung geschützt werden, indem jeder Verstärker in ähnlicher Weise mit drei Überspannungsableitern beschaltet wird, wie oben beschrieben wurde. Die Endstellen oder Zwischenstellen 11 und 12 sind durch Überspannungsableiter 19 und 20 zwischen den Adern 4 und 5 gegen Quer-Stoßspannungen geschützt. Aus der Beschreibung folgt deshalb, daß der Überspannungsableiter 1 nach Fig. 1 entweder parallel zum Verstärker oder direkt parallel zur Leitung geschaltet werden kann, um nachfolgende Verstärker vor Stoßspannungen zu schützen, die andernfalls die Verstärker beschädigen und eine Unterbrechung und damit einen Fehler in der Anordnung bewirken würden.

Selbstverständlich ist der Einbau der Überspannungsableiter jedes Verstärkers in der Leitungsübertragungsanordnung nach Fig. 3 lediglich

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als typisch anzusehen und kann je nach der durch die Verstärker in der Leitung zulässigen Überspannung bzw. Stoßspannung abgeändert werden.

Außerdem kann der Überspannungsableiter 1 für höhere Klemmenspannungen und Durchlaßströme ausgelegt werden, indem andere Gasentladungsdioden 2 und 3 mit höheren Nennwerten gewählt werden, oder indem weitere Dioden in Reihe mit der Diode 3 und parallel zum Kondensator 6 geschaltet werden.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   ( 1.!überspannungsableiter mit einer durch einen Kondensator überbrückten Gasentladungsdiode, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Kondensator (6) überbrückte Gasentladungsiode (3) in Reihe liegt mit einem spannungsabhängigen Schalter (2) zwischen zwei Adern (4, 5) (Fig. l).
2. 2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsabhängige Schalter (2) eine weitere Gasentladungsdiode ist (Fig. l).
3. 3. Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gasentladungsdiode (3) zusätzlich durch einen Widerstand (7) überbrückt ist (Fig. l).
4. 4. Hochfrequenz-Nachrichtenübertragungsleitung mit einem Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

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