DE2350819A1

DE2350819A1 - SURGE ARRESTERS

Info

Publication number: DE2350819A1
Application number: DE19732350819
Authority: DE
Inventors: Roy I Crask; William D Egerer
Original assignee: Buckbee Mears Co
Current assignee: Buckbee Mears Co
Priority date: 1972-12-26
Filing date: 1973-10-10
Publication date: 1974-06-27
Also published as: BE807955A; FR2211782B1; IT998947B; FR2211782A1; US3816802A; NL7316067A; JPS4996251A

Description

Patentanwalt Dipl.-Ing. Ludwig Walter, 6 Frankfurt/M., PostfachPatent attorney Dipl.-Ing. Ludwig Walter, 6 Frankfurt / M., P.O. Box

ÜberspannungsableiterSurge arresters

Gegenstand der Erfindung ist ein Überspannungsableiter, dessen Aufgabe im wesentlichen darin besteht, durch Blitze und sonstige Entladungserscheinungen verursachte Überspannungen auf Übertragungsleitungen, von den an diese Übertragungsleitungen angeschlossenen Einrichtungen fernzuhalten, damit diese Einrichtungen nicht geschädigt oder Personen, die an diesen Einrichtungen arbeiten, nicht verletzt werden.The subject of the invention is a surge arrester, whose task essentially consists in lightning and other discharge phenomena caused overvoltages on transmission lines to be kept away from the equipment connected to these transmission lines, so that these facilities are not harmed or people who work on these facilities, not get hurt.

In dem Aufsatz mit dem Titel " New Gas Tube Protector Technique for Circuits " von C. Bruce Barksdale in der Zeitschrift "Telephony" I7. 10.Ί97Ο werden im einzelnen Blitzschutzeinrichtungen beschrieben, wie sie heute zum Schutz von Übertragungsleitungen verwendet werden. Es handelt sich dabei um den Gebrauch einer gasgefüllten Entladungsröhre mit drei Elektroden, wobei eine dieser Elektroden geerdet und die beiden anderen Elektroden mit je einer Ader einer Übertragungsleitung verbunden sind. Eine solche Übertragungsleitung ist beispielsweise eine zweiadrige Telefonanschlußleitung. Verschiedene für diesen Zweck brauchbare gasgefüllte Entladungsröhren werden in den US-Patenten 3522 570 und 3 535 779 sowohl hinsichtlich ihres Aufbaues als auch ihrer Wirkungsweise beschrieben. Falls die durch einen Blitzschlag in einer Telefonleitung induzierte hohe Spannung der Zündspannung der Gasentladungsröhre gleichkommt oder diese übersteigt, wird diese Röhre zwischen ihremIn the essay entitled "New Gas Tube Protector Technique for Circuits "by C. Bruce Barksdale in the journal" Telephony "17 October 1997 lightning protection devices are described in detail as they are used today to protect transmission lines. It's about the use of a gas-filled discharge tube with three electrodes, one of these electrodes being grounded and the two other electrodes are each connected to a wire of a transmission line. One such a transmission line is, for example, a two-wire telephone connection line. Different for Gas-filled discharge tubes useful for this purpose are disclosed in U.S. Patents 3,522,570 and 3,535,779 both described in terms of their structure as well as their mode of operation. If it's a lightning strike high voltage induced in a telephone line equals the ignition voltage of the gas discharge tube or exceeds this, this tube becomes between her

409826/02 70409826/02 70

ORIGINAL INSPHGTEDORIGINAL INSPHGTED

Elektroden leitend und ermöglicht daher das Abfließen der induzierten Hochspannung nach Erde und verhindert damit, daß diese für die Einrichtungen schädliche Hochspannung in diese Einrichtungen gelangt und etwa "bei Telefona-nparaten den Hörer und das Mikrofon aiefet zerstört kann.Es werden dabei beide Adern der Leitung geerdet, da alle Elektroden in einer einzigen Röhre untergebracht sind und sobald diese Röhre zündet, gelangen alle Elektroden auf dasselbe niedrige, nämlich das Erdpotential. Electrodes conductive and therefore enables the induced high voltage to flow away to earth and thus prevents this high voltage, which is harmful to the facilities, from entering these facilities and about "with Telefona-nparaten The receiver and the microphone can easily be destroyed Both wires of the line are grounded, since all electrodes are housed in a single tube and as soon as this tube ignites, all electrodes reach the same low level, namely the earth potential.

Ein großer Nachteil dieser mehrelektroden-gasgefüllten-Entladungsröhren ist das meist erforderliche hohe Zündpotential, das bei den üblichen Röhren mindestens 200 Volt beträgt und sich öfters im Bereich von 300 bis 500 Volt bewegt. Wenn auch dieser Zündbereich ausreicht, um schwere Beschädigungen von Geräten zu vermeiden und auch verhindert, daß Personen zu Schaden kommen, so werden doch auch oft auf solchen Leitungen Spannungen mit einer geringeren Amplitude induziert, die wenn sie zu den angeschlossenen Einrichtungen gelangen/Schaden hervorrufen können, zumal in diesen Einrichtungen sehr empfindliche Einzelorgane wie Transistoren und andere Halbleiter untergebracht sind. Andererseits kann auch je nach der körperlichen Konstitution von Personen eine Spannung schädlich sein, die unterhalb der Zündspannung der gasgefüllten Entladungsröhre liegt.A major disadvantage of these multi-electrode gas-filled discharge tubes is the usually required high ignition potential, which is at least 200 volts with the usual tubes and which increases frequently moves in the range of 300 to 500 volts. If also this ignition range is sufficient to avoid severe damage to devices and also prevents that people are harmed, there are often voltages with a lower value on such lines Amplitude induced, which if they get to the connected facilities / cause damage can, especially in these facilities, very sensitive individual organs such as transistors and others Semiconductors are housed. On the other hand, it can also depend on the physical constitution of people a voltage which is below the ignition voltage of the gas-filled discharge tube can be harmful.

Um auch solche niedrigere Spannungen von den an eine Übertragungsleitung angeschlossenen Einrichtungen fernzuhalten, schlägt die Erfindung vor, daß bei Verwendung einer gasgefüllten Entladungsröhre als Überspannungsableiter die an die Übertragungsleitung ange-To include such lower voltages from the equipment connected to a transmission line keep away, the invention proposes that when using a gas-filled discharge tube as a surge arrester the connected to the transmission line

409826/0270409826/0270

schalteten Elektroden der Röhre über je einen die Spannung erhöhenden Transformator mit einer weiteren Elektrode der Röhre verbunden sind.Je nach dem Übersetzungsverhältnis des Transformators wird daher eine Zündung der Röhre und damit eine ■Ableitung der Überspannung schon vorgenommen, wenn . die induzierte Spannung an sich zur Zündung der Röhre noch nicht ausreicht- Um eine möglichst große Spannungserhöhung beim Auftreten von Überspannungen zu bewirken, wird außerdem vorgeschlagen, den betreffenden Transformator zu polarisieren.switched electrodes of the tube via one each the voltage-increasing transformer is connected to another electrode of the tube according to the transformation ratio of the transformer there is therefore an ignition of the tube and thus a ■ The surge voltage has already been diverted if. the induced voltage itself to ignite the Tube not yet sufficient - To achieve the greatest possible voltage increase in the event of overvoltages to effect, it is also proposed to polarize the transformer in question.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:Two exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing. Show it:

Fig. 1 ei.ne^ Überspannungsableiter mit einer Fünf-Elektroden-Entladungsröhre und·Fig. 1 a ^ surge arrester with a Five-electrode discharge tube and

Fig. 2 denselben Überspannungsableiter mit einer Drei-Elektroden-Gasentladungsröhre .2 shows the same surge arrester with a three-electrode gas discharge tube .

In der Anordnung nach Fig. 1 erfolgt die Speisung des Verbrauchers 12 mit Information über die Adern 10 und 11 einer Übertragungsleitung. Parallel zum Verbraucher 12 ist die Gasentladungsröhre 13 mit ihren Elektroden 14 und 15 geschaltet. Die Elektrode 14 liegt dabei direkt an der Ader 10 und die Elektrode 15 an der. Ader 11. Die dritte Elektrode 16 liegt an Erdpotential, wobei diese Elektrode auch durch das Röhrengehäuse dargestellt werden kann. Eine weitere vierte Elektrode 17 ist mit der Elektrode 14 über die Primär- und Sekundärwicklung eines Transformators 19 verbunden. In gleicher Weise ist die Primärwicklung eines weiteren Transformators 20 mitIn the arrangement according to FIG. 1, the consumer 12 is supplied with information via the wires 10 and 11 of a transmission line. The gas discharge tube 13 is parallel to the consumer 12 their electrodes 14 and 15 switched. The electrode 14 lies directly on the wire 10 and the electrode 15 at the. Wire 11. The third electrode 16 is at earth potential, whereby this electrode can also be represented by the tube housing. One another fourth electrode 17 is connected to the electrode 14 via the primary and secondary windings of a transformer 19 connected. The primary winding of a further transformer 20 is in the same way

409826/0270409826/0270

der Elektrode 15 und die Sekundärwicklung dieses Transformators mit der Elektrode 18 zusammenge-■schaltet. Beide Transformatoren sind als Spannungserhöher ausgebildet und außerdem polarisiert, um einen möglichst großen Spannungsabfall zwischen den an die Wicklungen der Transformatoren angeschalteten Elektroden hervorzurufen, falls eine Überspannung an die Elektroden 14 und 15 angeschaltet wird.the electrode 15 and the secondary winding of this transformer with the electrode 18 connected together. Both transformers are designed as voltage boosters and also polarized to as large a voltage drop as possible between those connected to the windings of the transformers Cause electrodes if an overvoltage is applied to electrodes 14 and 15.

Im normalen Zustand, d.h. wenn das Potential der Adern 10 und 11 sich im Betriebszustar^ befindet und aie normalen Signalspannungen fühlen, gelangen diese Signal spannungen zum Vertzaucher 12. Sobald aber die Spannung auf den Leitungen 10 und 11 den üblichen Signalpegel wesentlich überschreitet und dabei die Zündspannung der Röhre 13 übersteigt, erfolgt eine Entladung von den Elektroden 14 und 15 zur Elektrode 16 und damit ein Ableiten der Spannungen, Dieser Vorgang stellt sich ein, wenn die Überspannung die Zündspannung der Röhre, also das Spannungsgebiet zwischen 300 und 500 Volt übersteigt.In the normal state, i.e. when the potential of the wires 10 and 11 is in the operating state and feel the normal signal voltages These signal voltages to the Vertzaucher 12. But as soon as the voltage on lines 10 and 11 den The usual signal level is substantially exceeded and the ignition voltage of the tube 13 is exceeded in the process a discharge from electrodes 14 and 15 to electrode 16 and thus a discharge of the voltages, This process occurs when the overvoltage exceeds the ignition voltage of the tube, i.e. the voltage area exceeds between 300 and 500 volts.

Wie Fig. 1 zeigt, wird aber die auf der Ader 10 erscheinende Überspannung über den Transformator 19 audi der Elektrode 17 zugeführt. Wenn nun aufgrund des Übersetzungsverhältnisses des Transformators die Spannung zwischen den Elektroden 14 und 17 die Zündspannung der Röhre 13 erreicht oder übersteigt, so zündet diese Röhre ebenfalls und legt damit das Erdpotential der Elektrode 16 an die Ader 10, wenn man von dem niederohmigen Innenwiderstand der Röhre im Falle der Zündung absieht. Das Wicklungsverhältnis des Transformators 19 ist so gewählt, daß zwar geringfügige Pegeländerungen auf der Ader 10 trotzAs FIG. 1 shows, however, the overvoltage appearing on the wire 10 is via the transformer 19 also supplied to the electrode 17. If now due to the transformation ratio of the transformer the voltage between electrodes 14 and 17 reaches or exceeds the ignition voltage of tube 13, so this tube also ignites and thus applies the ground potential of the electrode 16 to the wire 10, if one disregards the low-ohmic internal resistance of the tube in the case of ignition. The turns ratio the transformer 19 is chosen so that although slight changes in level on the wire 10 despite

409826/0270409826/0270

des Transformators 19 nicht ausreichen, um die Röhre 13 zum Zünden zu bringen, daß aber Überspannungen die Beschädigungen der Organe des Verbrauchers 12 zur Folge haben könnten, zu einer Zündung der Röhre 13 führen, da in diesem Fall eine entsprechend hohe Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 14 und 17 aufgebaut wird. Hat die gasgefüllte Röhre 13 beispielsweise eine Zündspannung von etwa 480 Volt und ist der normale Signalpegel auf der Leitung 10, etwa in der Größenordnung von 5 Volt und wird ferner gewünscht, daß alle Spannungen auf der Ader 10, die 6 Volt überschreiten, als schädliche StörSpannungen behandelt werden, so würde das Übersetzungsverhältnis zwischen der Sekundär- und Primärwicklung des Transformators 19 etwa 80 zu 1 betragen und ein Signal in der Größenordnung von 6 Volt auf der Leitung 10 würde eine Zündspannung von 480 Volt zwischen den Elektroden 14 und -17 der Röhre 13 hervorrufen und damit diese Röhre leitend machen. Ein Signal mit einem Spannungspegel zwischen 5 und 6 Volt würde andererseits nicht ausreichen, um die Röhre 13 zu zünden. Dasselbe gilt für die Übertragungsader 11, da bei dieser ebenfalls ein gleichausgebildeter Transformator 20 zwischen die Elektroden 15 und 18 geschaltet ist. Die Adern 10 und 11 können daher die beiden Adern einer Telefonanschlußleitung sein, zwischen die eine 5-Elektroden-gasgefüllte-Entladungsröhre in Verbindung mit einem Paar von Transformatoren geschaltet ist, wie dies aus Fig. 1 hervorgeht. Wenn auf der Übertragungsleitung eine Überspannung erscheint, so werden beide Adern der Leitung im wesentlichen gleichzeitig geerdet, weil gede Zündung der Röhre 13 für beide Adern eine niederohmige Ableitung zur Erde über die Elektrode 16 bewirkt.of the transformer 19 are not sufficient to the To bring tube 13 to ignite, but that overvoltages the damage to the organs of the consumer 12 could result in a Lead ignition of the tube 13, since in this case a correspondingly high potential difference between the Electrodes 14 and 17 is built up. Has the gas-filled Tube 13, for example, has an ignition voltage of about 480 volts and is the normal signal level on line 10, on the order of 5 volts, and it is also desired that all voltages on wire 10, which exceed 6 volts, are treated as harmful interference voltages, that would be The transformation ratio between the secondary and primary winding of the transformer 19 is approximately 80 to 1 and a signal on the order of 6 volts on line 10 would have an ignition voltage of 480 Volts between electrodes 14 and -17 of tube 13 and thus make this tube conductive. A signal with a voltage level between 5 and 6 volts otherwise would not be sufficient to ignite the tube 13. The same applies to the transmission core 11, since in this case an identically designed transformer 20 is also connected between the electrodes 15 and 18 is. The wires 10 and 11 can therefore be the two wires of a telephone connection line between the a 5-electrode gas-filled discharge tube in connection is connected to a pair of transformers as shown in FIG. If on the Transmission line an overvoltage appears, so both wires of the line are essentially simultaneously grounded because the ignition of the tube 13 is a low-resistance conductor to ground for both wires the electrode 16 causes.

409826/0270409826/0270

⁶ - 2350319 ⁶ - 2350319

In Fig. 2 ist eine einadrige Übertragungsleitung dargestellt und der Überspannungsableiter kann in der in Fig. 2 dargestellten Weise auch an eine einzige Ader einer Doppelleitung angeschlossen werden. Die Informationsübertragung zum Verbraucher 32 erfolgt über die Leitung 30. Die Elektrode 33 der gasgefüllten Entladungsröhre 34· isr mit der Leitung 30 und über den Transformator 35 mit der Elektrode 36 verbunden. Die Elektrode 37 liegt an Erdpotential. Der Transformator 35 entspricht den Transformatoren 19 und 20 in Fig.1 und die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 2 entspricht der der Anordnung nach Fig. 1, wenn man dort nur die eine Hälfte der Schutzvorrichtung betrachtet. Ein ausreichend hohes Signal auf der Leitung 30 führt daher ebenfalls zur Zündung der Rohre 34 und damit zu einer Erdung der Leitung 30 über die Elektrode 33 und 37« Schädliche Überspannungen werden daher vom Verbraucher 32 ferngehalten. Betriebssignale, deren Potential nicht ausreicht, und zwar auch nicht nach erfolgter Spannungserhöhung über den Transformator 35 die Röhre 34 zu zünden, gelangen ungehindert zum Verbraucher 32.In Fig. 2, a single core transmission line is shown and the surge arrester can be in the manner shown in Fig. 2 can also be connected to a single wire of a double line. The transfer of information to the consumer 32 takes place via the line 30. The electrode 33 of the gas-filled discharge tube 34 · isr with the line 30 and via the Transformer 35 connected to electrode 36. the Electrode 37 is at ground potential. The transformer 35 corresponds to the transformers 19 and 20 in FIG. 1 and the mode of operation corresponds to the arrangement according to FIG that of the arrangement according to FIG. 1, if only one half of the protective device is considered there. A sufficiently high signal on the line 30 therefore also leads to the ignition of the tubes 34 and thus to them a grounding of the line 30 via the electrode 33 and 37 «Harmful overvoltages are therefore kept away from consumer 32. Operating signals whose The potential is insufficient, not even after the voltage increase via the transformer 35 has taken place to ignite the tube 34, reach the consumer unimpeded 32.

415/73415/73

20.9.7320.9.73

Wa/Me.Wa / Me.

409826/0270409826/0270

Claims

P atenta η s ρ r ü ch

1.) Surge arrester for electrical devices and / or devices connected to a transmission * - S line with a gas-filled, gas-filled discharge tube igniting by the overvoltage, of which at least one electrode is connected to the transmission line and a further electrode is connected to ground potential, characterized that the to the transmission line (10/11 Pig.1; 30 Fig. 2) connected electrode (14/15 Fig. 1; 33 Fig. 2) of the tube (13 Fig. 1; 34 Fig. 2) via a die Voltage at this electrode increasing transformer (19/20 Fig. 1; 35 Fig. 2) is connected to a further electrode (17/18 Fig. 1; 36 Fig. 2) of the tube.

2. Surge arrester according to claim 1, characterized in that the directly to the transmission line (30 Fig. 2) connected electrode (33 Fig. 2) via the series-connected primary and Secondary windings of a transformer (35 Fig. 2) is connected to the further electrode (36 Fig. 2).

3. Surge arrester according to claim 1, characterized in that. that the transformer is polarized.

4. Surge arrester according to claim 1, characterized in that in the presence of a two-wire Connection line (10/11 Fig. 1) a gas discharge tube provided with 5 electrodes (14, 15, 16, 17, 18 Fig. 1) (13 Fig.1) is used by the two electrodes (14, 15 Fig. 1) directly on the two Cores of the connecting cable, one electrode (16) directly

to earth and two further electrodes (17, 18 Fig. 1) 409826/0270

Via the primary and secondary windings of a transformer (19, 20 Fig. 1) to the directly to the Wire of the transmission line connected electrodes (14, 15) are connected.

5. Surge arrester according to claim 1, characterized in that by such a choice for the transformation ratio of the transformer that when occurring of overvoltages that are not sufficient to ignite the tube, but are sufficient for the transmission line connected devices and / or facilities are harmful between the two over the windings of the transformer connected to each other electrodes voltage is sufficient, the relevant To ignite the tube.

415/73

20.9-73

Wa / Me.

409826/0270