FR2822600A1 - LIGHTNING RESISTANT ECLATOR - Google Patents
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- H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
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Abstract
Pour concevoir un éclateur résistant au courant de foudre avec plusieurs éclateurs branchés en série, cet éclateur étant constitué de n éclateurs élémentaires (FS), sa tension d'arc étant amenée au nième multiple de la tension d'arc d'un éclateur élémentaire par branchement en série des éclateurs élémentaires (FS) et les éclateurs élémentaires (FS) étant connectés, à l'exception du premier éclateur à réagir en cas de foudre (FS1), à des capacités de telle manière que les éclateurs élémentaires (FS) conduisent successivement, le deuxième éclateur et tous les suivants (FS2 à FSN) étant reliés directement à un potentiel de référence commun par l'intermédiaire des capacités, de telle façon que l'éclateur s'amorce uniquement en cas de surtension causée par la foudre, il est proposé que le dimensionnement des condensateurs de commande soit effectué selon la formule suivante : (n-1) x CE = k x CL x û/ Us , où n est le nombre de condensateurs, CE chaque condensateur de commande, k un facteur de sécurité >= 1, CL la capacité de la ligne entre l'éclateur et la source de la surtension, û la valeur de crête de la surtension et Us le niveau de protection de l'éclateur.To design a spark gap resistant to lightning current with several spark gaps connected in series, this spark gap being made up of n elementary spark gaps (FS), its arc voltage being brought to the nth multiple of the arc voltage of an elementary spark gap by series connection of the elementary spark gaps (FS) and the elementary spark gaps (FS) being connected, with the exception of the first spark gap to react in the event of lightning (FS1), to capacitors in such a way that the elementary spark gaps (FS) conduct successively, the second spark gap and all the following ones (FS2 to FSN) being directly connected to a common reference potential via the capacitors, in such a way that the spark gap is triggered only in the event of an overvoltage caused by lightning, it is proposed that the sizing of the control capacitors be carried out according to the following formula: (n-1) x CE = k x CL x û/ Us , where n is the number of capacitors, CE each control capacitor, k a factor d e safety >= 1, CL the capacitance of the line between the spark gap and the source of the overvoltage, û the peak value of the overvoltage and Us the protection level of the spark gap.
Description
leur mémorisation.their memorization.
r /g9r / g9
D E S C R I P T I O ND E S C R I P T I O N
s L'invention eoncerne un éclateur résistant au courant de foudre avec plusieurs éelateurs branehés en série, eet éelateur étant eonstitué de n éclateurs élémentaires, sa tension d'arc étant amenée au nie multiple de la tension d' are d 'un éclateur élémentaire par branehement en série des éclateurs élémentaires et les éelateurs élémentaires étant eonneetés, à l'exeeption du premier éclateur à ré agir en eas de foudre, à de s imp é danees, not amment d e s eap acit é s, de 0 telle manière que les éclateurs élémentaires eonduisent suecessivement, le deuxième éclateur et tous les suivants étant reliés direetement à un potentiel de réLérenee commun, notamment la terre, par l'intermédiaire des impédances et les impédanees utilisées étant toutes de méme dimension. On eonna^t de tels éelateurs par exemple de DE 197 42 302 A 1 et DE 197 55 082 A 1. On sait qu'un éelateur ou un éelateur multiple peut être utilisé pour la compensation de potentiel transtoire ainsi que pour l'extinction du courant de suite. On peut subdiviser la fonction d'un tel éclateur en quatre fonctions de base: The invention relates to a lightning current resistant spark gap with a plurality of branehed sparkers in series, wherein the spark gap is formed of n elementary spark gaps, its arc voltage being supplied to the multiple of the spark gap voltage of an elementary spark gap. series splashing of the elementary spark gaps and the elemental sparklers being tested, with the exception of the first spark-gap to act in the thunderbolt, with impediments, especially of the actions, in such a way that the spark gaps The second spark gap and all subsequent ones are connected to a common contact potential, in particular the earth, via the impedances and the impedants used being all of the same size. Such elastomers, for example, are known from DE 197 42 302 A1 and DE 197 55 082 A1. It is known that a stirrer or multiple stirrer can be used for the transient potential compensation as well as for the extinction of the generator. current course. The function of such a spark gap can be subdivided into four basic functions:
1. amorçage de 1'éclateur en cas de surtension de foudre. 1. initiation of the eclator in case of lightning surge.
2 dérivation et éeoulement du eourant de foudre entre terre et eonducteur et d'une faible 2 bypass and flow of the lightning current between the earth and the eonductor and a weak
chute de tension le long de l'are.voltage drop along the are.
3. écoulement et extinction du courant de suite. 3. flow and extinguishing of the current.
4 restabilisation de 1'éclateur et résistanee à la tension en retour sur le lieu de 1'éclateur. 4 restabilization of the eclator and resistance to the return voltage at the place of the eclator.
o L' amélioration décrite cIans la suite porte exclusivement sur l ' amorcage de l' éclateur en cas de surtensions transitoires et de surtensions causées par des coups de foudre principaux ainsi que sur l'amorçage de l'éclateur notamment en cas de surtensions qui apparaissent lors de coups de foudre secondaires et présentent une pente plus raide que celles de tels coups de o The improvement described below deals exclusively with the initiation of the spark gap in the event of transient overvoltages and overvoltages caused by major lightning strikes as well as on spark gap initiation, particularly in the event of overvoltages that appear. during secondary lightning strikes and have a steeper slope than those of
foudre principaux.main lightning.
Concernant la première partie du problème, il est à noter que dans toutes les solutions techniques précédentes l'amorçage de l'éclateur du parafoudre par toute tension transitoire a lieu, suite par exemple à des salves d'impulsions lors de la déconnexion de charges inductives, des coupures de fusibles et des surtensions de commutation au sens le plus large, Concerning the first part of the problem, it should be noted that in all the previous technical solutions, the arrester spark gap is ignited by any transient voltage, for example following pulse bursts during the disconnection of inductive loads. , fuse interruptions and switching overvoltages in the broadest sense,
lorsque la valeur de la surtension dépasse la tension d' amorcage de l' éclateur du paraboudre. when the value of the overvoltage exceeds the starting voltage of the spark gap of the parabolage.
o Cela signifie qu'un parafoudre réagit chaque fois qu'une telle surtension survient. I1 peut à cette occasion, selon l ' instant o se produit l' amorçage, appara^tre un courant de suite qui, o This means that a surge arrester responds whenever such an overvoltage occurs. On this occasion, depending on the moment at which the priming occurs, there appears a stream of continuation which,
selon le modèle de parafoudre, sera interrompu par celui-ci ou par un fusible situé en amont. according to the lightning arrester model, will be interrupted by it or by a fuse located upstream.
Le parafoudre devrait pourtant, par définition, s'amorcer uniquement en cas de surtension causée par la foudre. Il serait avantageux de pouvoir éviter un amorçage du fait d'autres surtensions car cela permettrait d'épargner le parafoudre et de soulager le réseau de chutes de The arrester should, however, by definition, start only in case of surge caused by lightning. It would be advantageous to be able to avoid a seizure because of other overvoltages as this would save the arrester and relieve the network of falls.
tension inutiles ou selon le cas d'éviter le déclenchement de fusibles. unnecessary voltage or, as the case may be, to avoid fuse tripping.
Un des obj ectifs de l 'invention est par conséquent de concevoir un éclateur qui s' amorce One of the objectives of the invention is therefore to design a spark gap which is primed
uniquement en cas de surtension causée par la foudre. only in case of surge caused by lightning.
Concernant la deuxième partie du problème, il est à noter quil est connu que la décharge nuage-terre négative représente, avec 90 %, la majorité des coups de foudre. Parmi ces décharges nnage-terre négatives, on observe une proportion de 50 % de coups de foudre Regarding the second part of the problem, it should be noted that it is known that the negative cloud-earth discharge represents, with 90%, the majority of lightning strikes. Among these negative earth-land discharges, we observe a proportion of 50% of thunderbolts
secondaires dont la pente est sensiblement plus forte que celle du coup de foudre principal. secondary schools whose slope is significantly higher than that of the main thunderbolt.
Les éclateurs sont pourtant contrôlés quant à leur réponse à la surtension causée par le coup de foudre principal. La réponse aux coups de foudre secondaires négatifs n'est pas vérifiée selon les normes actuelles. Dans la mesure o les éclateurs y sont tout de méme exposés, il est The spark gaps are nevertheless controlled for their response to the surge caused by the main lightning strike. The response to negative secondary lightning strokes is not verified by current standards. Since the spark gaps are still exposed, it is
nécessaire d'optimiser leur mode de réponse de ce point de vue. necessary to optimize their response mode from this point of view.
L'objectif est donc d'étendre le niveau de protection de l'éclateur, indiqué jusqu'à présent uniquement pour la surtension de foudre 1,2/50 1ls, à la sollicitation par des coups de foudre The aim is to extend the level of protection of the spark gap, indicated so far only for lightning surge 1.2 / 50 1ls, at the solicitation by lightning strikes.
secondaires négatifs et d'atteindre le même niveau de protection dans ce cas. side effects and to achieve the same level of protection in this case.
s Cet objectif est atteint par l'invention par le fait que le dimensionnement des condensateurs de commande s'effectue selon la formule suivante: (n-l) x CE = k x CL x û/Us, o n est le nombre de condensateurs, CE chaque condensateur de commande, k un facteur de sécurité > 1, (: L la capacité de la ligne entre l'éclateur et la source o de la surtension, û la valeur de crête de la surtension et Us le niveau de protection de l'éclateur. Le mode de réponse de l'éclateur multiple est ainsi déLini de telle manière que les surtensions transitoires causées par des man_uvres de commutation ne déclenchent pas l'éclateur multiple tandis que les surtensions causées par la foudre déclenchent l'éclateur multiple lorsque l'énergie de signal de la surtension est suffisamment élevée pour amorcer tous les éclateurs élémentaires. Si l'énergie de signal d'une surtension causée par la foudre, par exemple provoquée par un coup de foudre très lointain, ne suffit pas pour amorcer l'ensemble de l'éclateur multiple, la tension reste tout de même limitée à une valeur inférieure au niveau This objective is attained by the invention in that the sizing of the control capacitors is carried out according to the following formula: (nl) x CE = kx CL x û / Us, we are the number of capacitors, CE each capacitor k, a safety factor> 1, (: L the capacity of the line between the spark gap and the source o of the overvoltage, û the peak value of the overvoltage and Us the protection level of the spark gap. The response mode of the multiple spark gap is thus defined in such a way that the transient overvoltages caused by switching maneuvers do not trigger the multiple spark gap while the overvoltages caused by lightning trigger the multiple spark gap when the energy of the spark gap overvoltage signal is high enough to ignite all elementary spark gaps If the signal energy of an overvoltage caused by lightning, for example caused by a very far-infrared lightning strike, is not enough to start the the whole of the multiple spark gap, the voltage remains nevertheless limited to a value lower than the level
de protection.protection.
Le réamorçage du parafoudre après l'extinction du courant de suite est rendu plus difficile du The reboot of the surge arrester after the extinction of the following current is made more difficult of the
fait que la tension transitoire en retour est consommée par les condensateurs de commande. that the transient voltage in return is consumed by the control capacitors.
Un autre objectif de l'invention est d'étendre le niveau de protection de l'éclateur, indiqué jusqu'à présent uniquement pour la surtension de foudre 1,2/50,us, à la sollicitation par des Another object of the invention is to extend the level of protection of the spark gap, heretofore indicated only for the lightning surge 1,2 / 50, us, to the solicitation by
coups de foudre secondaires négatifs et d'atteindre le même niveau de protection dans ce cas. negative lightning strikes and to achieve the same level of protection in this case.
Tous les éclateurs basés sur des phénomènes de décharge gazeuse montrent une inertie plus ou moins prononcce qui a son origine dans le retard à la décharge dû à la statistique des éleGtrons initiaux dans le gaz. Ce retard à la décharge est donc un inconvénient pour tous les All the spark gaps based on gaseous discharge phenomena show a more or less pronounced inertia which has its origin in the discharge delay due to the statistics of the initial éleGtrons in the gas. This delay in discharge is therefore a disadvantage for all
paratoudres constitués d'un seul éclateur. Cet effet existe aussi dans un éclateur multiple. arrays consisting of a single spark gap. This effect also exists in a multiple spark gap.
C'est par conséquent le dernier éclateur élémentaire d'un éclateur multiple à s'amorcer qui dét ermine la tension de rép on se. C haque éclat eur mont re ce co mportement su r la cou rb e caractéristique de choc qui indique la relation entre tension de claquage et temps de claquage. Ainsi, plus la pente de la tension de choc augmente, plus la tension de réponse de l'éclateur augmente. Cela peut conduire, en cas de surtensions extrémement raides, à un dépassement du niveau de protection qui est déterminé par le mode de réponse à la surtension de foudre 1,2/50 1ls. Un tel dépassement est possible en cas de surtensions causées par des coups de It is therefore the last elementary spark gap of a multiple spark gap to be initiated which determines the tension of rep it is. Each burst has a strong effect on the shock characteristic which indicates the relationship between breakdown voltage and breakdown time. Thus, as the slope of the shock voltage increases, the response voltage of the spark gap increases. This can lead, in case of extreme overvoltages, to exceeding the protection level which is determined by the lightning overvoltage response mode 1.2 / 50 ls. Such an overrun is possible in the event of overvoltages caused by
o foudre secondaires négatifs.o Negative secondary lightning.
Afin de modifier l'éclateur pour de telles conditions, il est proposé de connecter les éclateurs élémentaires, à l'exception du premier éclateur élémentaire, à des varistances branchées en parallèle sur les éclateurs élémentaires, le dimensionnent des varistances s'effectuant selon la i5 formule suivante: (n-1) Ur + UA C < Us, o n est le nombre d'éclateurs, Ur la tension résiduelle de la varistance, UAK la tension au premier éclateur FS 1, donnée par la chute de tension entre anode et cathode In order to modify the spark gap for such conditions, it is proposed to connect the elementary spark gaps, with the exception of the first elementary spark gap, to varistors connected in parallel to the elementary spark gaps, the size of the varistors being effected according to the i5 following formula: (n-1) Ur + UA C <Us, we are the number of gaps, Ur the residual voltage of the varistor, UAK the voltage at the first spark gap FS 1, given by the voltage drop between anode and cathode
et Us le niveau de protection de l'éclateur multiple. and Us the protection level of the multiple spark gap.
La mise en circuit de ces varistances permet d' assurer de façon avantageuse le niveau de The switching on of these varistors makes it possible to ensure advantageously the level of
protection même en cas de très forte pente de la tension de choc. protection even in case of very steep shock voltage.
Des exemples de réalisation sont représentés schématiquement par le dessin et décrits plus en détail dans la suite. On peut y voir: Figure 1 une première structure de circuit conforme à l'invention et son schéma équivalent; Examples of embodiments are shown schematically in the drawing and described in more detail below. It can be seen: Figure 1 a first circuit structure according to the invention and its equivalent diagram;
Figure 2 une configuration modifiée de l'éclateur et son schéma équivalent. Figure 2 a modified configuration of the spark gap and its equivalent diagram.
La figure 1 montre la structure d'un éclateur multiple. La surtension u(t) est appliquée aux bornes de l'éclateur multiple et amorce d'abord seulement le premier éclateur élémentaire FS1 de capacité propre C12. Après l'amorçage du prernier éclateur élémentaire, l'éclateur élémentaire FS2 est soumis à la tension UFS2 (t) = U(t) U(f) car C23 << C2E Figure 1 shows the structure of a multiple spark gap. The overvoltage u (t) is applied across the multiple spark gap and first ignites only the first elementary spark gap FS1 capacitance C12. After the priming of the first elementary spark gap, the elementary spark gap FS2 is subjected to the voltage UFS2 (t) = U (t) U (f) because C23 << C2E
C23 + C2EC23 + C2E
L'éclateur FS va donc s'amorcer aussi. Tous les éclateurs élémentaires suivants vont The FS spark gap will start as well. All the following elementary spark gaps are
o s'amorcer successivement pour la même raison. o start successively for the same reason.
Mais l'amorçage de chaque éclateur élémentaire s'accompagne aussi du prélèvement d'une quote-part de l'énergie de signal de la tension impulsionnelle u(t) pour charger les condensateurs de cornmande C1E... CNE. Si l'énergie de signal est limitée, comme c'est le i5 cas pour toutes les surtensions transitoires causées par des man_uvres de commotation, elle sera entièrement consommée si les condensateurs de commande CIE... C(N-1)E sont convenablement dimensionnés. Le nième éclateur ne pourra ainsi plus s'amorcer, la tension But the priming of each elementary spark gap is also accompanied by taking a share of the signal energy of the pulse voltage u (t) to charge the capacitors C1E ... CNE control. If the signal energy is limited, as is the case for all transient overvoltages caused by switching maneuvers, it will be fully consumed if the CIE ... C (N-1) E control capacitors are suitably dimensioned. The nth spark gap will no longer be able to start, the tension
résiduelle à ses bornes étant inférieure à sa tension d'amorçage. residual at its terminals being lower than its starting voltage.
o Les condensateurs de commande peuvent aussi être dimensionnés selon les critères suivants: Commande linéaire. Tous les CE sont de même dimension. La dimension des condensateurs de commande peut être déterminée d'après la considération suivante: du côté de l'éclateur se trouve la capacité de ligne CL qui serait chargée à U à la suite d'une surtension transitoire. La charge sur cette partie de ligne est alors Qe = CL *U. En présence d'un éclateur multiple, cette charge est consommée par les condensateurs de commande du fait de l'amorçage de celui-ci. Pour que le dernier éclateur élémentaire ne s'amorce pas, il faut que la charge soit répartie sur seulement n- 1 éclateurs élémentaires. Une fois que la charge est répartie, il ne doit plus rester aux bornes de l'éclateur multiple qu'une tension de valeur au plus égale au niveau de protection. Une charge Q = (n-1) * CE * U5 est alors appliquée aux condensateurs de commande. En égalant les charges Q = QL et compte tenu d'un facteur de o Control capacitors can also be dimensioned according to the following criteria: Linear control. All CEs are of the same size. The size of the control capacitors can be determined from the following consideration: on the spark gap side is the line capacitance CL which would be charged to U as a result of a transient overvoltage. The load on this part of the line is then Qe = CL * U. In the presence of a multiple spark gap, this charge is consumed by the control capacitors because of the ignition thereof. In order for the last elementary spark gap not to start, the charge must be distributed over only n- 1 elementary spark gaps. Once the load is distributed, it must no longer remain across the multiple spark gap that a voltage value at most equal to the level of protection. A charge Q = (n-1) * CE * U5 is then applied to the control capacitors. By equalizing the charges Q = QL and taking into account a factor of
sécurité, on peut calculer la valeur de la capacité de commande. security, the value of the command capacity can be calculated.
(n-l)*CE=k*CL*_ Us U = valeur de crête de la surtension Us = rliveau de profectior de l'éclateur k = facfeur de sécurifé 21 (n-l) * CE = k * CL * _ Us U = overvoltage peak value Us = spark gap proficiency level k = safety factor 21
o CL est la capacité de la ligne entre l'éclateur et la source de la surtension. o CL is the capacitance of the line between the spark gap and the source of the surge.
Dans le cas d'un coup de foudre, il apparât une énergie de signal pratiquement infinie qui In the case of a thunderbolt, there appears a virtually infinite signal energy that
provoque dans tous les cas l'amorçage de tous les écIateurs élémentaires. in all cases causes the priming of all elementary ECIs.
On définit ainsi avantageusement un mode de réponse de l'éclateur multiple tel que À Ies surtensions transitoires provoquées par des man_uvres de commutation ne déclenchent Advantageously, a response mode of the multiple spark gap is defined such that transient overvoltages caused by switching maneuvers do not trigger.
pas l'éclateur multiple.not the multiple spark gap.
À les surtensions provoquées par la foudre déclenchent l'éclateur multiple lorsque l'énergie de signal de la surtension est suffsamment grande pour amorcer tous les éclateurs élémentaires. Si l'énergie de signal d'une surtension causée par la foudre (par exemple provoquée par un coup de ffiudre très lointain) ne sufft pas pour amorcer l'ensemble de I'éclateur multiple, la tension reste tout de même limitée à une valeur inférieure au niveau Surges caused by lightning trigger the multiple spark gap when the signal energy of the overvoltage is large enough to prime all elementary spark gaps. If the signal energy of an overvoltage caused by lightning (for example caused by a very far-off blow) is not sufficient to start the whole of the multiple eclayer, the voltage is still limited to a certain value. lower than the level
de protection.protection.
À Le réamorçage du paraboudre après l' extinction du courant de suite est rendu plus difficile du fait que la tension transitoire en retour est consornmée par les condensateurs de cornmande. La figure 2 montre un circuit complété par des varistances. La montée de tension due au retard à la décharge de l'éclateur élémentaire est évitée par la mise en circuit de varistances. Les varistances sont branchées en parallèle sur les éclateurs élémentaires FS2... FS N et maintiennent la tension à leurs bornes quasiment constante, à un o niveau défini par la courbe caractéristique des varistances, jusqu'à ce que les éclateurs élémentaires s'amorcent. Etant donné que les varistances opèrent pratiquement sans retard par rapport à un éclateur à air, on obtient une courbe caractéristique de choc quasiment indépendante de la pente de la tension. Seul le premier éclateur élémentaire FS 1 doit s'amorcer par la décharge de gaz naturelle. Avec un éclateur multiple, il est néanmoins possible de régler le premier éclateur élémentaire FS1 à une valeur inférieure au niveau de protection. Le dimensionnement des varistances s'effectue selon la formule suivante: (n1) Ur + UA C Us n: nombre d'éclateurs Ur tension résiduelle de la varistance UAK: tension aux bornes du premer éclateur élémentaire FS 1, donnée par la chute de tension entre anode et cathode niveau de protection de l'éclateur multiple La mise en circuit de ces varistances permet d'assurer de façon avantageuse le niveau de The resetting of the parabol - late after the extinction of the current is made more difficult because the transient voltage in return is consumed by the capacitors of comand. Figure 2 shows a circuit completed by varistors. The rise in voltage due to the discharge delay of the elementary spark gap is avoided by switching on varistors. The varistors are connected in parallel to the elementary spark gaps FS2 ... FS N and keep the voltage at their terminals almost constant, at a level defined by the characteristic curve of the varistors, until the elementary spark gaps start. Since the varistors operate practically without delay with respect to an air gap, a characteristic shock curve is obtained that is almost independent of the slope of the voltage. Only the first elementary spark gap FS 1 must start with the natural gas discharge. With a multiple spark gap, it is nevertheless possible to set the first elementary spark gap FS1 to a value lower than the protection level. The sizing of the varistors is carried out according to the following formula: (n1) Ur + UA C Us n: number of spark gaps Ur residual voltage of the varistor UAK: voltage across the first elementary spark gap FS 1, given by the voltage drop between anode and cathode level of protection of the multiple spark gap The switching of these varistors makes it possible to advantageously ensure the level of
protection même en cas de très forte pente de la tension de choc. protection even in case of very steep shock voltage.
L'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation et pout avoir de nombreuses variantes dans le cadre de la divulgation. The invention is not limited to the exemplary embodiment and may have many variants in the context of the disclosure.
Toutes les caractéristiques isolées ou combinées divulguées dans la description et/ou le dessin All isolated or combined features disclosed in the description and / or drawing
sont considérées comme essentielles à l'invention. are considered essential to the invention.
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Effective date: 20151130 |