NO780076L

NO780076L - OVERVOLTAGE PROTECTION DEVICE AND ITS USE

Info

Publication number: NO780076L
Application number: NO780076A
Authority: NO
Inventors: Walter Bosshard
Original assignee: Cerberus Ag
Priority date: 1977-01-10
Filing date: 1978-01-09
Publication date: 1978-07-11
Also published as: FI773876A; BE862700A; JPS5388138A; GB1585041A; FR2377107B3; IT1102960B; AT363542B; FR2377107A1; IT7812404A0; CH607400A5; ATA886377A; SE7800084L

Description

Oppfinnelsen vedrorer en overspenningsbeskyttelsesanordning med to elektroder hhv. elektrodesjikt, som omslutter en spennings-begrensnings-strekning og er forsynt med matekabler, samt denne anordnings anvendelse. The invention relates to a surge protection device with two electrodes or electrode layer, which encloses a voltage-limiting stretch and is provided with feed cables, as well as the use of this device.

Elektriske og elektroniske anlegg og apparater, likesom tele-tekniske innretninger, måle-, styre- og reguleringsanlegg og de tilkoblede apparater er ofte utsatt for overspenninger. Disse oppstår som folge av ytre påvirkning fra atmosfæriske felt og utladinger (tordenvær), elektromagnetiske felt fra kjerneeksplo-sjoner i stor hoyde (NEMP), induktig og kapasitiv påvirkning fra sterkstromsanlegg, statiske oppladinger, beroring av ledere med hoyere driftsspenning og koblinger i anleggene og apparatene selv. Slike overspenninger kan forårsake skader og sette menne-sker i fare. I verste fall kan hele data- og nyhetsformidlingen umuliggjøres og livsnødvendige systemer dermed gjores arbeids-udyktige. Electrical and electronic systems and devices, such as tele-technical devices, measuring, control and regulation systems and the connected devices are often exposed to overvoltages. These occur as a result of external influences from atmospheric fields and discharges (thunderstorms), electromagnetic fields from nuclear explosions at high altitudes (NEMP), inductive and capacitive influences from high-current facilities, static charges, contact with conductors with higher operating voltage and connections in the facilities and the devices themselves. Such surges can cause damage and endanger people. In the worst case, the entire distribution of data and news can be made impossible and vital systems can thus be rendered unusable.

Det er derfor vanlig å beskytte slike innretninger ved hjelp av såkalte overspenningsavledere. Det kan her dreie seg om valgfrie innretninger, hvis motstand synker sterkt eller bryter sammen ved en bestemt spenning, f.eks. om gassfylte overspenningsavledere med en gassutladings-strekning mellom to elektroder, som tenner ved en bestemt spenning, eller om halvledere med bratt motstandsreduksjon i takt med spenningen, f.eks. om varistorer, dvs. motstander med hoye, negative spenningseksponenter av motstanden, som f.eks. sinkoksydskiver med elektroder på begge sider, hvorved det mellomliggende halvleder-legeme danner spen-ningsbegrensnings-strekningen, eller om ikke polariserte be- grensningsdioder, kjent som "clamping-diodes", eller om andre egnede komponenter eller kombinerte koblinger. It is therefore common to protect such devices using so-called surge arresters. This may be about optional devices, whose resistance drops sharply or breaks down at a certain voltage, e.g. about gas-filled surge arresters with a gas discharge stretch between two electrodes, which ignites at a certain voltage, or about semiconductors with steep resistance reduction in step with the voltage, e.g. about varistors, i.e. resistors with high, negative voltage exponents of the resistor, such as e.g. zinc oxide discs with electrodes on both sides, whereby the intermediate semiconductor body forms the voltage limiting section, or if not polarized limiting diodes, known as "clamping diodes", or other suitable components or combined connections.

Som vist i fig. 1 og 2, kobles slike overspenningsavledere 1 eller varistorer vanligvis som topols element mellom mateledningene 3 og 4, som leder til den anleggsdel eller det apparat 2 som skal beskyttes, f.eks. parallelt mellom inngangsklemmene 5 og 6 for det apparat 2 som skal beskyttes. For slik innkobling, f.eks. lodding, er kjente overspenningsavledere 1 forsynt med matetråder 7 og 8, ved hjelp av hvilke elektrodene 9 og 10 for overspenningsavlederen 1 er forbundet med tilknytningspunktene 5 og 6 for matekablene 3 og 4. As shown in fig. 1 and 2, such surge arresters 1 or varistors are usually connected as a two-pole element between the supply lines 3 and 4, which lead to the system part or the device 2 to be protected, e.g. in parallel between input terminals 5 and 6 for the device 2 to be protected. For such connection, e.g. soldering, known surge arresters 1 are provided with feed wires 7 and 8, by means of which the electrodes 9 and 10 of the surge arrester 1 are connected to the connection points 5 and 6 of the feed cables 3 and 4.

En slik, kjent spenningsbegrensningsinnretning er som regel til-strekkelig til å holde unna overspenninger med ringe flankebratthet hhv. spenningsokningshastighet fra apparatet 2 som skal beskyttes. Such a known voltage limitation device is usually sufficient to keep away overvoltages with low flank steepness or voltage rise rate from the device 2 to be protected.

Ved overspenninger med stor flankebratthet, dvs. hurtig spennings-stigning, som undertiden kan forekomme ved lynnedslag eller især atomeksplosjoner, har det dog vist seg at overspenningene som opptrer mellom mateledningene 3 og 4 på den gjenstand 2 In the case of overvoltages with large flank steepness, i.e. rapid voltage rise, which can sometimes occur during lightning strikes or especially nuclear explosions, it has been shown, however, that the overvoltages that occur between the supply lines 3 and 4 on the object 2

som skal beskyttes er vesentlig storre enn avlederelementets 1 begrensningsspenning. Dette forklares med at mateledningene 7 which must be protected is significantly greater than the arrester element's 1 limiting voltage. This is explained by the fact that the supply lines 7

og 8 for spenningsbegrenseren 1 ennå har en merkbar ohmsk motstand, slik at det ved tenning av avlederelementet 1 eller ved stromstigningen som folge av avlederelementet i disse mateledninger 7 og 8 bygges opp en spenningsreduksjon, som er propor-sjonal med motstanden og den flytende strom og som må adderes til avlederelementets begrensningsspenning.. and 8 for the voltage limiter 1 still has a noticeable ohmic resistance, so that when the diverter element 1 is switched on or when the current increases as a result of the diverter element in these supply lines 7 and 8, a voltage reduction is built up, which is proportional to the resistance and the flowing current and which must be added to the arrester element's limiting voltage..

For å redusere denne forstyrrende, ohmske motstand er det som vist i fig. 3, foreslått å oke mateledningenes tverrsnitt sterkt og redusere deres lengde. Dette oppnås f.eks. ved en overspen-ningsavlederholder, hvor overspenningsavlederen 1 anordnes mellom to massive metallskinner 11 og 12, som står i kontakt med avlederens elektroder. Disse skinnene 11 og 12 er anordnet på en isolerende monteringsplate 15, hvorved mateledningene for de elektroniske apparater som skal beskyttes er tilknyttet på fes-testedene 13 og 14. Derved oppnås at den ohmske motstand kan holdes ekstremt lav i metallstrimlene 11 og 12, som virker som mateledninger. In order to reduce this disturbing ohmic resistance, as shown in fig. 3, proposed to greatly increase the cross-section of the feed lines and reduce their length. This is achieved e.g. by a surge arrester holder, where the surge arrester 1 is arranged between two massive metal rails 11 and 12, which are in contact with the arrester's electrodes. These rails 11 and 12 are arranged on an insulating mounting plate 15, whereby the supply lines for the electronic devices to be protected are connected to the attachment test points 13 and 14. It is thereby achieved that the ohmic resistance can be kept extremely low in the metal strips 11 and 12, which act such as feed lines.

Det har imidlertid overraskende vist seg at det ved ekstremt bratte spenningsstot fortsatt oppstår en vesentlig hoyere spenning på tilkoblingsstedene 13 og 14 enn avlederelementets 1 begrensningsspenning. Selv ved eliminasjon av kontakt- og over-gang smot standene ved hjelp av lodding eller sveising av avleder-elektrodene og mateledningene til skinnene, har det ikke vært mulig å eliminere disse overspenninger, slik at man især ved atomeksplosjoner, som preges av ekstremt bratt stigende overspenninger, til tross for lave matemotstander må regne med øde-leggelse av de gjenstander som skal beskyttes. However, it has surprisingly turned out that with extremely steep voltage surges, a significantly higher voltage still occurs at the connection points 13 and 14 than the arrester element 1's limiting voltage. Even with the elimination of contact and transition smot the stands by means of soldering or welding of the arrester electrodes and the feed lines to the rails, it has not been possible to eliminate these overvoltages, so that especially in the case of nuclear explosions, which are characterized by extremely steep rising overvoltages, despite low feed resistances, must be expected to destroy the objects to be protected.

Oppfinnelsen går ut på å eliminere de nevnte ulemper og tilveie-bringe en overspenningsbeskyttelsesanordning, ved hjelp av hvil-ken selv overspenninger med ekstremt stor flankebratthet hhv. spenningsokningshastighet kan begrenses pålitelig til en uska-delig verdi. The invention aims to eliminate the aforementioned disadvantages and to provide an overvoltage protection device, by means of which even overvoltages with extremely large flank steepness or voltage rise rate can be reliably limited to a harmless value.

Anordningen ifolge oppfinnelsen erkarakterisert vedat minst en av de to elektrodene er forsynt med to adskilt bortledede mateledningsstykker. Ved bruk av denne anordning blir til enhver tid ett av de to mateledningsstykker for begge elektroder forbundet med den gjenstand som skal beskyttes, mens de ovrige to mateledninger for begge elektroder forbindes med tilkoblingsledningene. The device according to the invention is characterized by the fact that at least one of the two electrodes is provided with two separately led away feed line pieces. When using this device, at all times one of the two feed line pieces for both electrodes is connected to the object to be protected, while the other two feed lines for both electrodes are connected to the connection lines.

Oppfinnelsen bygger på den erkjennelse at ikke bare matelednin-gens ohmske motstander er ansvarlige for den mangelfulle spen-ningsbegrensning ved kjente overspenningsavleder-anordninger, men også mateledningenes egeninduktivitet. Fig. 4 viser et like-verdig koblingsskjema for en spenningsbegrensningsinnretning inklusive mateledningene. Derved kan disse mateledninger, som er koblet til det egentlige avlederelement A representeres ved en seriekobling av en ohmsk motstand R,R' og en egeninduktivitet L,L'. Spenningsfallet ved den ohmske motstand utgjor UD = R.I og den spenning som bygger seg opp via egeninduktiviteten utgjor UL = L.dl/dt. Den totale spenning som opptrer mellom tilkoblingsledningene er da summen av avlederelementets A begrensnings spenning UAog de spenninger som bevirkes av motstandene og egeninduktiviteten i mateledningene: U = ua+ ur + u'r + ul + U'l* Skjont den spenningsokning som skyldes mateledningenes egeninduktivitet er neglisjerbar ved avlederelementer med langsom-mere stromstigning, vil denne spenningsokning åpenbart overveie ved avlederelementer med særdeles hurtig utlosning-, som ble be-traktet som særlig gunstige for en sikker. overspennings-beskyttelse nettopp på grunn av denne egenskap. Det forhold at slike anordninger i praksis ofte ikke viser det ventede resultat, må åpenbart skyldes at selv de minste egeninduktiviteter i mateledningene blir av betydning som folge av den hurtige stromokning i slike avlederelementer. Til tross for at overspennings-beskyttelses-koblinger har vært kjent i årtier og benyttes i stor utstrekning, har man hittil tilsynelatende ikke tatt hensyn til dette forhold. The invention is based on the recognition that not only the ohmic resistors of the supply line are responsible for the insufficient voltage limitation in known surge arrester devices, but also the self-inductance of the supply lines. Fig. 4 shows an equivalent connection diagram for a voltage limiting device including the supply lines. Thereby, these feed lines, which are connected to the actual arrester element A, can be represented by a series connection of an ohmic resistance R,R' and a self-inductance L,L'. The voltage drop at the ohmic resistance is UD = R.I and the voltage that builds up via the self-inductance is UL = L.dl/dt. The total voltage that occurs between the connection wires is then the sum of the arrester element A's limiting voltage UA and the voltages caused by the resistances and the self-inductance in the supply lines: U = ua+ ur + u'r + ul + U'l* Although the voltage increase due to the self-inductance of the supply lines is negligible in arrester elements with slower current rise, this voltage increase will obviously prevail in arrester elements with extremely fast discharge, which was considered particularly favorable for a safe. surge protection precisely because of this property. The fact that such devices in practice often do not show the expected result must obviously be due to the fact that even the smallest self-inductances in the supply lines become important as a result of the rapid increase in current in such arrester elements. Despite the fact that overvoltage protection couplings have been known for decades and are used to a large extent, apparently no attention has been paid to this aspect until now.

I fig. 5 og 6 ses to utforelseseksempler av overspennings-beskyttelsesanordninger ifolge oppfinnelsen, hvor man har tatt hensyn til den ovenfor omtalte erkjennelse. Fig. 7 viser en kobling til bruk i en anordning ifolge oppfinnelsen. Fig. 5 viser en gassfylt overspenningsavleder i et her hylsefor-met hus 16, f.eks. av keramikk eller glass, som i begge^ender er gasstett lukket med metalliske elektrodeplater 17,18. Elektrode-nes midtpartier 19 og 20, som vender mot hverandre i ringe innbyrdes avstand, danner de egentlige elektroder og mellomrommet 21 danner spennings-begrensnings-strekningen. Derved kan avlederelementets tennings- eller begrensningsspenning bestemmes ved valget av gassfylling eller ved hjelp av tenningsfremmere, som emisjonsfremmende sjikt, radioaktive substanser eller ledende belegg på innerveggen. På baksiden av de to elektrodene 19 og 20 er det festet, f.eks. sveiset fast to mateledningstråder 22,23 hhv. 24, 25,. som hver fores adskilt fra tilsvarende elektrode 19 eller 20. Hvis en av elektrodene er koblet til masse, kan bare den andre elektroden være forsynt med to adskilt bortledede mateledninger. Fig. 6 viser et halvlederelement med spennings-begrensende egen- skaper. Spennings-begrensnings-strekningen dannes av et halvlederlegeme 26 med sterkt negativ spenningskoeffisient av motstanden. Slike elementer er kjent som varistorer. Visse metall-oksyder, f.eks. på basis av sinkoksyd, har vist seg å være særlig velegnet. På begge sider av dette skiveformede element 26 In fig. 5 and 6 show two exemplary embodiments of surge protection devices according to the invention, where the above-mentioned recognition has been taken into account. Fig. 7 shows a connection for use in a device according to the invention. Fig. 5 shows a gas-filled surge arrester in a sleeve-shaped housing 16, e.g. of ceramics or glass, which are gas-tightly closed at both ends with metallic electrode plates 17,18. The middle parts 19 and 20 of the electrodes, which face each other at a small distance from each other, form the actual electrodes and the space 21 forms the voltage limiting stretch. Thereby, the arrester element's ignition or limiting voltage can be determined by the choice of gas filling or by means of ignition promoters, such as an emission-promoting layer, radioactive substances or conductive coating on the inner wall. On the back of the two electrodes 19 and 20 is attached, e.g. welded two feed line wires 22,23 respectively. 24, 25,. each of which is fed separately from the corresponding electrode 19 or 20. If one of the electrodes is connected to ground, only the other electrode can be provided with two separate feed lines. Fig. 6 shows a semiconductor element with voltage-limiting properties. The voltage limiting stretch is formed by a semiconductor body 26 with a strongly negative voltage coefficient of resistance. Such elements are known as varistors. Certain metal oxides, e.g. on the basis of zinc oxide, has proven to be particularly suitable. On both sides of this disk-shaped element 26

er det anordnet metalliske elektrodesjikt 27,27', hvorved det mellomliggende halvlederlegeme virker som spennings-begrensnings-strekning. Fra disse elektroder 27,27' leder igjen to innbyrdes adskilte mateledninger 28,29 hhv. 30,31. Ved det viste eksempel er de to ledningsender forbundet til en gjennomgående sloyfe, the metallic electrode layer 27, 27' is arranged, whereby the intermediate semiconductor body acts as a voltage-limiting stretch. From these electrodes 27, 27' again lead two mutually separate feed lines 28, 29 respectively. 30,31. In the example shown, the two wire ends are connected to a continuous loop,

som kan være buet eller rett. Det vesentlige er at de to mate-ledningsendene 28 og 29 er fort bort adskilt fra hverandre fra befestigelsesstedet på elektroden 27. which can be curved or straight. The essential thing is that the two feeding wire ends 28 and 29 are quickly separated from each other from the attachment point on the electrode 27.

Fig. 7 viser bruken av et overspenningsavleder-element 39Fig. 7 shows the use of a surge arrester element 39

ifolge oppfinnelsen, f.eks. et element ifolge fig. 5 eller 6, til beskyttelse av et elektrisk apparat 32 mot overspenninger, som kan opptre i tilkoblingsledningene 33 og 34. En av mateledningene 35,36 for de to elektroder blir til enhver tid koblet til tilkoblingsledningene 33 og 34, mens den andre mateledning 37,38 kobles.direkte til klemmene for det apparat 32 som skal beskyttes. Da det ved tenning av overspenningsavleder-elementet 39 som folge av en overspenning som opptrer over tilkoblingsledningene 33,,34, bare vil flyte en forsterket strom med hurtig stigning i mateledningene 35 og 36, mens bare den strom som for-brukes av apparatet 32 flyter uforandret i de andre mateledningene 37 og 38, vil det bare i mateledningene 35 og 36 bygge seg opp en uunngåelig induktiv overspenning, derimot ikke i de andre mateledningene 37 og 38. according to the invention, e.g. an element according to fig. 5 or 6, for the protection of an electrical device 32 against overvoltages, which may occur in the connection lines 33 and 34. One of the supply lines 35,36 for the two electrodes is at all times connected to the connection lines 33 and 34, while the other supply line 37, 38 is connected directly to the terminals for the device 32 to be protected. Since when the surge arrester element 39 is switched on as a result of an overvoltage occurring across the connection lines 33, 34, only an amplified current with a rapid rise will flow in the supply lines 35 and 36, while only the current consumed by the device 32 flows unchanged in the other supply lines 37 and 38, an unavoidable inductive overvoltage will only build up in the supply lines 35 and 36, but not in the other supply lines 37 and 38.

Derved bevirkes at apparatet 32 som skal beskyttes ved sine klemmer bare mottar spenningsfallet via avlederelementet 39 This causes the device 32, which is to be protected by its clamps, to only receive the voltage drop via the arrester element 39

uten induktiv overspenning fra dette elements koblinger. Det oppnås således at spenningen på det beskyttede apparat 32 med sikkerhet begrenses til en ufarlig verdi, selv ved ekstremt bratte spenningsendringer og ekstremt hurtigkoblende avlederelementer . without inductive overvoltage from this element's connections. It is thus achieved that the voltage on the protected device 32 is safely limited to a harmless value, even in the case of extremely steep voltage changes and extremely fast switching arrester elements.

Det skal også nevnes at de adskilt bortledede mateledninger 37 og 38 kan bestå av et annet'materiale enn de andre matelednin gene 35 og 36. "Mateledningene som er forbundet med apparatet som beskyttes kan f.eks. være utfort i et godt ledende materiale, f. eks. kobber, mens de mateledninger som er forbundet med tilkoblingsledningene består av motstandstråd. Dette kan ha den fordel at en del av energien ved et oversperiningsstot blir odelagt i motstandstråden og at avlederelementet er beskyttet mot 6de-leggelse. It should also be mentioned that the separate feed lines 37 and 38 may consist of a different material than the other feed lines 35 and 36. e.g. copper, while the feed lines connected to the connection lines consist of resistance wire. This can have the advantage that part of the energy of an over-strain shock is dissipated in the resistance wire and that the arrester element is protected against 6th laying.

Ytterligere en fordel ved bruken av et spennings-begrensnings-element ifolge oppfinnelsen som vist i fig. 7 er at strømforsy-ningen til apparatet 32 automatisk brytes ved et brudd på en av mateledningene 35-38, slik at begrensnings-mateledningenes funk-sjonsevne kan overvåkes. Dette er ikke mulig ved en anordning ifolge fig. 2. A further advantage of the use of a voltage limiting element according to the invention as shown in fig. 7 is that the power supply to the device 32 is automatically interrupted by a break in one of the supply lines 35-38, so that the functionality of the limiting supply lines can be monitored. This is not possible with a device according to fig. 2.

Claims

Overvoltage protection device with two electrodes or electrode layer, which encloses a voltage-limiting stretch and which is provided with feed lines, characterized in that at least one of the two electrodes (19,20,27,27') is provided with two separately led away feed line pieces (22-25, 28-31).

2. Device as stated in claim 1, characterized in that two and two feed lines (22,23; 24,25) are separately attached to each of the two electrodes (19,20).

3. Device as stated in claim 1, characterized in that the two feed line pieces (28-31) for each of the two electrodes (27,27') form a loop, which is attached to the relevant electrode in at least one point and whose ends are quickly separated from each other.

4. Device as set forth in one of claims 1-3, characterized in that the voltage limitation section consists of a gas discharge section (21) between the two electrodes (19,20).

5. Device as set forth in one of claims 1-3, characterized in that the voltage limiting section consists of a semiconductor material (26) with a high negative voltage exponent of the resistance.

6. Device as specified in claim 5, characterized in that the semiconductor material is designed as a metal oxide varistor.

7. Device as stated in claim 5, characterized in that the semiconductor material (26) contains zinc as a base.

8. Use of the device as stated in one of claims 1-7 for protection of an electronic device against overvoltages on the connection lines of the device, characterized in that at all times a supply line (35,36) for the two electrodes is connected to one of the connection lines (33,34) and that the other supply line (37,38) for the two electrodes is connected to the device (32) to be protected.

9. Application as stated in claim 8, characterized in that the two supply lines of an electrode have different resistance, whereby the supply line (37,38) with lower resistance is at all times connected to the device (32) to be protected, and the supply line (35,36) with the higher resistance is connected to the connection cable (33,34).