NO780076L - Overspenningsbeskyttelse-anordning og dens anvendelse - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

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

som skal beskyttes er vesentlig storre enn avlederelementets 1 begrensningsspenning. Dette forklares med at mateledningene 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..

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.

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.

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.

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.

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.

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

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,

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.

Fig. 7 viser bruken av et overspenningsavleder-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.

Derved bevirkes at apparatet 32 som skal beskyttes ved sine klemmer bare mottar spenningsfallet via avlederelementet 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 .

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.

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.

Claims (9)

1. Overspennings-beskyttelsesanordning med to elektroder hhv. elektrodesjikt, som omslutter en spennings-begrensnings-strekning og som er forsynt med mateledninger, karakterisert ved at i det minste en av de to elektrodene (19,20,27,27') er forsynt med to adskilt bortledede mateledningsstykker (22-25, 28-31).
2. 2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at to og to mateledninger (22,23; 24,25) er innbyrdes adskilt festet til hver av de to elektrodene (19,20).
3. 3. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at de to mateledningsstykker (28-31) for hver av de to elektrodene (27,27') danner en sloyfe, som er festet til den aktuelle elektrode i minst ett punkt og hvis ender er fort bort adskilt fra hverandre.
4. 4. Anordning som angitt i et av kravene 1-3, karakterisert ved at spennings-begrensnings-strekningen består av en gassutladings-strekning (21) mellom de to elektrodene (19,20).
5. 5. Anordning som angitt i et av kravene 1-3, karakterisert ved at spennings-begrensnings-strekningen består av et halvledermateriale (26) med hoy negativ spennings-eksponent av motstanden.
6. 6. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at halvledermaterialet er utfort"som en metall-oksydvaristor.
7. 7. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at halvledermaterialet (26) inneholder sink som basis.
8. 8. Anvendelse av anordningen som angitt i ett av kravene 1-7 til beskyttelse av et elektronisk apparat mot overspenninger på tilkoblingsledningene til apparatet, karakterisert ved at til enhver tid en mateledning (35,36) for de to elektrodene er forbundet med en av tilkoblingsledningene (33,34) og at den andre mateledning (37,38) for de to elektrodene er forbundet med det apparat (32) som skal beskyttes.
9. 9. Anvendelse som angitt i krav 8, karakterisert ved at de to mateledningene til en elektrode har forskjellig motstand, hvorved mateledningen (37,38) med lave-re motstand til enhver tid er forbundet med apparatet (32) som skal beskyttes, og mateledningen (35,36) med den hoyere motstand er forbundet med tilkoblingsledningen (33,34).