FR2544923A1 - Device for protecting a line against overvoltages - Google Patents
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Abstract
Description
Dispositif de protection d'une ligne contre les surtensions
L'invention coneerne la protection d'une ligne électrique contre les surtensions, notamment mais non exclusivement contre les surtensions dues à la foudre.Line overvoltage protection device
The invention relates to the protection of an electric line against overvoltages, in particular but not exclusively against overvoltages due to lightning.
Les dispositifs de protection contre les surtensions sont généralement constitués par un éclateur bipolaire connecté entre un fil de ligne et la terre ; un dispositif de découplage constitué par un enroulement est inséré dans le fil de ligne, entre l'éclateur et l'utilisation ; du coté utilisation, après le dispositif de découplage, un élément dont la résistance varie en fonction de la tension est connecté entre le fil de ligne et la terre ; cet élément est par exemple du type varistance ou diode zener. The overvoltage protection devices generally consist of a bipolar spark gap connected between a line wire and the earth; a decoupling device consisting of a winding is inserted in the line wire, between the spark gap and the use; on the use side, after the decoupling device, an element whose resistance varies as a function of the voltage is connected between the line wire and the ground; this element is for example of the varistor or zener diode type.
On utilise également des éclateurs tripolaires, ayant une électrode de commande et deux électrodes principales, pour la protection d'une ligne bifilaire ; chaque fil de ligne est alors relié à une électrode principale de l'éclateur dont l'électrode de commande est reliée à la terre ; un dispositif de découplage est inséré dans chaque fil de ligne. Three-pole spark gaps are also used, having a control electrode and two main electrodes, for the protection of a two-wire line; each line wire is then connected to a main electrode of the spark gap, the control electrode of which is connected to earth; a decoupling device is inserted in each line wire.
Le dispositif de découplage a pour but de permettre l'amorçage de l'éclateur, amorçage qui nécessite que la tension aux bornes de l'écla- teur atteigne une certaine valeur Vo appelée tension d'amorçage. Cette tension d'amorçage doit etre suffisamment élevée par rapport à la tension du fil de ligne pour que l'éclateur ne fonctionne pas de manière intempestive ; elle ne doit pas non plus être trop élevée afin que l'éclateur joue son rôle de protection lors de surtensions parasites. The purpose of the decoupling device is to allow ignition of the spark gap, ignition which requires that the voltage across the spark gap reaches a certain value Vo called ignition voltage. This ignition voltage must be high enough compared to the line wire tension so that the spark gap does not operate inadvertently; nor should it be too high for the spark gap to play its protective role during parasitic overvoltages.
L'invention a pour but d'améliorer la protection d'une ligne en provoquant l'amorçage de l'éclateur à une tension inférieure à sa tension d'amorçage. The object of the invention is to improve the protection of a line by causing the spark gap to ignite at a voltage lower than its ignition voltage.
L'invention a pour objet un dispositif de protection dsune ligne contre les surtensions, comportant un éclateur connecté entre un fil de ligne et la terre et un dispositif de découplage, caractérisé par le fait que l'éclateur comporte une électrode de commande et que le dispositif de découplage comporte au moins un circuit de découplage ayant deux enroulements couplés magnétiquement, un premier enroulement étant parcouru par un courant de surtension lorsqu'une surtension est appliquée au fil de ligne, un deuxième enroulement étant relié d'une part au fil de ligne et d'autre part à l'électrode de commande. The subject of the invention is a device for protecting a line against overvoltage, comprising a spark gap connected between a line wire and the ground and a decoupling device, characterized in that the spark gap comprises a control electrode and that the decoupling device comprises at least one decoupling circuit having two magnetically coupled windings, a first winding being traversed by an overvoltage current when an overvoltage is applied to the line wire, a second winding being connected on the one hand to the line wire and on the other hand to the control electrode.
L'invention va etre décrite à l'aide d'exemples de réalisation illustrés par les figures annexées dans lesquelles - la figure 1 représente une première forme de réalisation d'un dispositif de protection de l'invention, - la figure 2 représente une seconde forme de réalisation d'un dispositif de protection de l'invention - la figure 3 représente une troisième forme de réalisation d'un dispositif de protection de l'invention - la figure 4 représente une impulsion parasite et les tensions d'amor çage d'un éclateur avec un dispositif de protection de l'art antérieur et avec un dispositif de protection de l'invention
Le schéma électrique de la figure 1 représente une première forme de réalisation d'un dispositif de protection de l'invention.Un éclateur tripolaire 1, de tout type connu, a une électrode principale reliée à un fil de ligne F et une autre électrode principale reliée à la terre. Un circuit de découplage 2 est constitué d'un premier enroulement L1 en série avec le fil de ligne F, et d'un deuxième enroulement L2, couplé magnétiquement avec le premier enroulement et relié d'une part au fil de ligne F, et d'autre part à une électrode de commande g de l'éclateur 1 le circuit de découplage 2 peut également comporter, comme représenté figure 1 une résistance R1 en série avec le deuxième enroulement L2. Les deux enroulements L1 et L2 sont deux bobines portées par un mandrin et de préférence l'une sur l'autre afin d'avoir un excellent coefficient de mutuelle inductance.Un élément 4, ayant une résistance variable avec la tension, tel qu'une diode zéner ou une varistance, est reliée d'une part, côté utilisation, à une extrémité du premier enroulement L1 et d'autre part à la terre, l'ensemble premier enroulement et élément 4 étant en parallèle sur l'éclateur 1. L'élément 4 présente une tension VT à ses bornes pour laquelle sa résistance baisse fortement. Quand le fil de ligne F est soumis à une surtension, et en négligeant la chute ohmique dans le premier enroulement, l'élément 4 devient fortement conducteur lorsque la tension V du fil de ligne atteint la valeur VT.Le courant dans le premier enroulement augmente, puisqu'au courant normal s'ajoute un courant du à la surtension, et en désignant par M le coefficient de mutuelle inductance entre les premier et deuxième enroulements, et par
V2 la tension entre l'électrode de commande g et le fil de ligne, on a
V2 = - M dI/dt
Dans un éclateur tripolaire l'amorçage entre les électrodes principales est obtenu en portant l'électrode de commande à une tension suffisante pour provoquer un arc entre cette électrode et une électrode principale , dans le cas d'un éclateur tripolaire symétrique l'arc peut avoir lieu entre l'électrode de commande et l'une ou l'autre des éleotro- des principales selon le sens de la tension, l'arc étant obtenu pour une même différence de potentiel entre l'électrode de commande et une des électrodes principales.The invention will be described using embodiments illustrated by the appended figures in which - FIG. 1 represents a first embodiment of a protection device of the invention, - FIG. 2 represents a second embodiment of a protection device of the invention - Figure 3 shows a third embodiment of a protection device of the invention - Figure 4 shows a parasitic pulse and the ignition voltages of a spark gap with a protection device of the prior art and with a protection device of the invention
The electrical diagram in Figure 1 shows a first embodiment of a protection device of the invention. A three-pole spark gap 1, of any known type, has a main electrode connected to a line wire F and another main electrode connected to the earth. A decoupling circuit 2 consists of a first winding L1 in series with the line wire F, and a second winding L2, magnetically coupled with the first winding and connected on the one hand to the line wire F, and d on the other hand to a control electrode g of the spark gap 1 the decoupling circuit 2 can also include, as shown in FIG. 1, a resistor R1 in series with the second winding L2. The two windings L1 and L2 are two coils carried by a mandrel and preferably one on the other in order to have an excellent coefficient of mutual inductance. An element 4, having a variable resistance with voltage, such as a zener diode or a varistor, is connected on the one hand, on the use side, to one end of the first winding L1 and on the other hand to earth, the assembly of the first winding and element 4 being in parallel on the spark gap 1. L element 4 has a voltage VT at its terminals for which its resistance drops sharply. When the line wire F is subjected to an overvoltage, and by neglecting the ohmic drop in the first winding, the element 4 becomes strongly conductive when the voltage V of the line wire reaches the value VT. The current in the first winding increases , since to the normal current is added a current due to the overvoltage, and by designating by M the coefficient of mutual inductance between the first and second windings, and by
V2 the voltage between the control electrode g and the line wire, we have
V2 = - M dI / dt
In a three-pole spark gap the ignition between the main electrodes is obtained by bringing the control electrode to a sufficient voltage to cause an arc between this electrode and a main electrode, in the case of a symmetrical three-pole spark gap the arc can have place between the control electrode and one or the other of the main electrodes according to the direction of the voltage, the arc being obtained for the same potential difference between the control electrode and one of the main electrodes.
Quel que soit le type d'éclateur tripolaire utilisé, symétrique ou dissymétrique, la tension V1 entre l'électrode de commande g et ltéleo- trode principale reliée à la masse est : V1 : V - V2 - V 9 MdI/dt, en désignant par V la tension du fil de ligne par rapport à terre.Cette relation montre que V1 est dans tous les cas au moins égal à V meme si le couplage magnétique statténue avec la fréquences
Cette tension V1 peut etre égale à la tension d'amorçage Vo de l'éclateur pouV une valeur de la tension V inférieure -à Vo ; on obtient donc l'amorçage de l'éclateur pour une tension à ses bornes V inférieure à Vo, ce qui permet d'abaisser le seuil d'amorçage de l'éclateur comme représenté figure 4. Dans cette figure la courbe S représente l'allure d'une surtension, Vo est la tension d'amorçage de l'éclateur et Vi est la tension à laquelle l'amorçage de l'éclateur est obtenu par le dispositif d'amorçage de l'invention. La zone hachurée z permet l'évaluation du gain en énergie dissipée dans l'éclateur, puisque celui-ci s'amorce à une tension inférieure à la tension Vo.Whatever the type of three-pole spark gap used, symmetrical or asymmetrical, the voltage V1 between the control electrode g and the main electrode connected to ground is: V1: V - V2 - V 9 MdI / dt, by designating by V the tension of the line wire with respect to earth.This relation shows that V1 is in all cases at least equal to V even if the magnetic coupling decreases with the frequencies
This voltage V1 can be equal to the ignition voltage Vo of the spark gap pouV a value of the voltage V lower than Vo; the spark-gap ignition is therefore obtained for a voltage at its terminals V less than Vo, which makes it possible to lower the spark-ignition ignition threshold as shown in FIG. 4. In this figure the curve S represents the appearance of an overvoltage, Vo is the ignition spark ignition voltage and Vi is the voltage at which ignition spark ignition is obtained by the ignition device of the invention. The hatched zone z allows the evaluation of the gain in energy dissipated in the spark gap, since the latter starts at a voltage lower than the voltage Vo.
La figure 2 represente une deuxième forme de réalisation d'un dispositif de protection de l'invention. Comme précédemment l'éclateur tripolaire 1 a deux électrodes principales reliées l'une au fil de ligne F et l'autre à la terre. Un circuit de découplage 3 comporte un condensateur C et un premier enroulement L3 en série, l'ensemble étant connecté entre le fil de ligne F et la terre ; il comporte également une résistance R2 en série avec un deuxième enroulement L4 l'ensemble étant connecté entre le fil de ligne F et l'électrode de commande de l'éclateur 1. Les enroulements L3 et L4 sont couplés magnétiquement, comme dans le circuit de découplage 2 de la figure 1. Figure 2 shows a second embodiment of a protection device of the invention. As before, the three-pole spark gap 1 has two main electrodes, one connected to the line wire F and the other to earth. A decoupling circuit 3 comprises a capacitor C and a first winding L3 in series, the assembly being connected between the line wire F and the earth; it also includes a resistor R2 in series with a second winding L4 the assembly being connected between the line wire F and the control electrode of the spark gap 1. The windings L3 and L4 are magnetically coupled, as in the circuit of decoupling 2 of figure 1.
Une surtension appliquée sur le fil de ligne F, entraine une variation de courant dI1/dt dans l'enroulement L3 qui engendre une tension V3 = - M1 dI1/dt dans l'enroulement L4, tension qui permet l'amor- çage de l'éclateur 1 à une tension inférieure à sa tension d'amor çage Vo, M1 étant le coefficient de mutuelle inductance entre les enroulements L3 et L4. An overvoltage applied to the line wire F, causes a current variation dI1 / dt in the winding L3 which generates a voltage V3 = - M1 dI1 / dt in the winding L4, voltage which allows the ignition of the spark gap 1 at a voltage lower than its ignition voltage Vo, M1 being the mutual inductance coefficient between the windings L3 and L4.
La figure 3 représente une troisième forme de réalisation d'un dispositif de protection de l'invention Comme dans les deux formes de réalisation précédentes l'éclateur tripolaire 1 a deux électrodes principales reliées l'une au fil de ligne F et l'autre à la terre Dans cette figure il y a deux circuits de découplage 2 et 5 ; le circuit de découplage 2, identique à celui de la figure 1 et le circuit de découplage 5, pratiquement identique à celui de la figure 2 à l'exception de la résistance R2 qui est supprimée. L'enroulement LI du circuit de découplage 2 est donc en série dans le fil de ligne F ; l'ensemble enroulement L3 du circuit de découplage 5 en série aveo le condensateur C est connecté entre le fil de ligne F et la terre.Les enroulements L2 et L4 des circuits de découplage 2 et 5 sont en série avec la résistance R1, l'en- semble étant connecté entre le fil de ligne F et ltélectrode de commande g de l'éclateur. L'élément 4, a variation de la résistance avec la tension, est connecté côté utilisation, entre le fil de ligne et la terre. La mise en série des enroulements L2 et L4 permet d'obtenir une tension -V4, entre l'électrode de commande @ g et le fil de li- gne F : V4 - M dI/dt - M1 dil/dt, ce qui permet d'obtenir l'amorçage de l'éclateur à une tension inférieure à celle des dispositifs des figures 1 et 2. FIG. 3 represents a third embodiment of a protection device of the invention As in the two previous embodiments the three-pole spark gap 1 has two main electrodes connected one to the line wire F and the other to the earth In this figure there are two decoupling circuits 2 and 5; the decoupling circuit 2, identical to that of FIG. 1 and the decoupling circuit 5, practically identical to that of FIG. 2 with the exception of the resistor R2 which is deleted. The winding LI of the decoupling circuit 2 is therefore in series in the line wire F; the winding assembly L3 of the decoupling circuit 5 in series with the capacitor C is connected between the line wire F and the earth. The windings L2 and L4 of the decoupling circuits 2 and 5 are in series with the resistor R1, l ' assembly being connected between the line wire F and the control electrode g of the spark gap. Element 4, a variation in resistance with voltage, is connected on the use side, between the line wire and the earth. The placing in series of the windings L2 and L4 makes it possible to obtain a voltage -V4, between the control electrode @ g and the line wire F: V4 - M dI / dt - M1 dil / dt, which makes it possible to prime the spark gap at a voltage lower than that of the devices in FIGS. 1 and 2.
il est bien connu que la tension d'amorçage d'un éclateur est liée à la rapidité de l'impulsion ; plus la pente de montée de la tension appliquée aux bornes de l'éclateur est élevée plus la tension d'amorçage est élevée. it is well known that the ignition voltage of a spark gap is linked to the speed of the pulse; the higher the slope of the voltage applied across the spark gap, the higher the ignition voltage.
A titre d'exemple et dans le cas d'un éclateur tripolaire.pouvant supporter une tension continue de 375 volts, et qui amorce pour une tension Vo = 600 volts, pour une pente de 1 kV par microseconde. By way of example and in the case of a three-pole spark gap. Capable of supporting a direct voltage of 375 volts, and which initiates for a voltage Vo = 600 volts, for a slope of 1 kV per microsecond.
- entre l'électrode centrale et une électrode extrême, on va comparer le fonctionnement d'un éclateur utilisé dans le dispositif de l'invention avec celui d'un éclateur bipolaire de mêmes caractéristiques que ci-dessus et soumis au même type d'agression. Le type d'agression est une onde de choc normalisée 1,2/50 microsecondes, c'est-à-dire ayant un temps de montée de 1,2 microseconde et un temps de descente de 50 microsecondes, et une amplitude de 1200 volts ; on a d V/dt = 1000 V par microseconde.- Between the central electrode and an extreme electrode, we will compare the operation of a spark gap used in the device of the invention with that of a bipolar spark gap with the same characteristics as above and subjected to the same type of attack . The type of aggression is a normalized shock wave 1.2 / 50 microseconds, that is to say having a rise time of 1.2 microseconds and a fall time of 50 microseconds, and an amplitude of 1200 volts ; we have d V / dt = 1000 V per microsecond.
- L'éclateur bipolaire amorce 0,6 microseconde après le début de l'impulsion, à une tension V de 600 volts.- The bipolar spark gap starts 0.6 microseconds after the start of the pulse, at a voltage V of 600 volts.
- Dans le dispositif de l'invention représenté figure 1, la tension V1 a pour expression
dans laquelle VT est la tension aux bornes de l'élément It, et li et 12 sont les self inductances des enroulements L1 et L2 du circuit de décou- plage 2. On en déduit
qui donne la pente de la tension V1 lorsqu'une surtension est appliquée sur le fil F. Avec 11 = 1,6 microhenry, 12 = 50 microhenrys il vient
d V1 dV
= 6,6 = 6,6 kV par microseconde.- In the device of the invention represented in FIG. 1, the voltage V1 has the expression
in which VT is the voltage across the element It, and li and 12 are the self-inductances of the windings L1 and L2 of the decoupling circuit 2. We deduce
which gives the slope of the voltage V1 when an overvoltage is applied to the wire F. With 11 = 1.6 microhenry, 12 = 50 microhenrys it comes
d V1 dV
= 6.6 = 6.6 kV per microsecond.
dt dt
Les caractéristiques de l'éclateur tripolaire donnent, pour une pente de montée en tension de 6,6 kV par microseconde, une tension d'amorçage de l'ordre de 700 volts. Avec V-T = 20 volts par exemple, et en reportant ces valeurs dans l'équation (1) on obtient
V1 = 120 volts.dt dt
The characteristics of the three-pole spark gap give, for a voltage rise slope of 6.6 kV per microsecond, a starting voltage of the order of 700 volts. With VT = 20 volts for example, and by reporting these values in equation (1) we obtain
V1 = 120 volts.
L'éclateur amorce donc à 120 volts au lieu de 600 volts dans le cas d'un éclateur bipolaire. The spark gap therefore ignites at 120 volts instead of 600 volts in the case of a bipolar spark gap.
Le dispositif de l'invention procure donc une protection meilleure que celle qu'on obtiendrait avec un éclateur bipolaire de memes caractéristiques que l'éclateur tripolaire. The device of the invention therefore provides better protection than that which would be obtained with a bipolar spark gap with the same characteristics as the three-pole spark gap.
Le dispositif de la figure 2 donne un résultats analogue à celui du dispositif de la figure 1. The device of FIG. 2 gives results similar to that of the device of FIG. 1.
Dans les trois cas, les résistances R1 ou R2 servent à limiter le courant lorsqu'il y a amorçage entre l'électrode de commande g et l'électrode principale reliée à la terre, cet amorçage déclenchant l'amorçage de l'éclateur entre ses électrodes principales. In all three cases, the resistors R1 or R2 serve to limit the current when there is ignition between the control electrode g and the main electrode connected to earth, this ignition triggering the ignition of the spark gap between its main electrodes.
Dans le cas d'une ligne bifilaire, chaque fil de ligne sera équipé d'un dispositif de protection de l'invention. In the case of a two-wire line, each line wire will be equipped with a protection device of the invention.
L'invention s'applique bien entendu aux lignes électriques et aux lignes téléphoniques, et d'une manière générale à la protection de toute ligne soumise à des surtensions. The invention is of course applicable to power lines and telephone lines, and generally to the protection of any line subject to overvoltages.
Le dispositif de l'invention fonctionne dans une large plage de fréquence dont la valeur limite est déterminée par le type de transformateur utilisé (enroulements L1, L2). Lorsque la fréquence de la surtension dépasse la fréquence de coupure du transformateur les caractéristiques du dispositif sont identiques à celle d'un montage ou le fil de ligne F est relié directement à l'électrode de commande de l'éclateur tripolaire ; le dispositif de l'invention devient alors identique à l'art antérieur, pour les hautes fréquences supérieures à quelques MHz. The device of the invention operates over a wide frequency range, the limit value of which is determined by the type of transformer used (windings L1, L2). When the frequency of the overvoltage exceeds the cut-off frequency of the transformer, the characteristics of the device are identical to that of an assembly or the line wire F is connected directly to the control electrode of the three-pole spark gap; the device of the invention then becomes identical to the prior art, for high frequencies greater than a few MHz.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8306421A FR2544923A1 (en) | 1983-04-20 | 1983-04-20 | Device for protecting a line against overvoltages |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8306421A FR2544923A1 (en) | 1983-04-20 | 1983-04-20 | Device for protecting a line against overvoltages |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2544923A1 true FR2544923A1 (en) | 1984-10-26 |
Family
ID=9288023
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR8306421A Pending FR2544923A1 (en) | 1983-04-20 | 1983-04-20 | Device for protecting a line against overvoltages |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| FR (1) | FR2544923A1 (en) |
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