CZ2003856A3 - Separating element - Google Patents

Abstract

In the present invention, there is disclosed a separating element intended particularly for voltage dependent grounding of metal constructions (pipelines) buried in ground, which are to be actively protected against corrosive effect of terrestrial currents and transferred potentials wherein the proposed separating element consists of a semiconductor device embedded in insulating material of high electric strength and enclosed by a plastic cover. The semiconductor device is formed by a common base (1) with at least two anti-parallel oriented stacks (3), (4) of silicon plates (5) with rectifying internal structure disposed thereon. Said silicon plate stacks (3), (4) being provided on one side with a cathode (6) electric contact and on the opposite side with an anode (7) electric contact (7) adhering to each another, wherein the end cathode (6) and the end anode (7) of each stack (3), (4) are electrically connected on one side by the base (1) and on the other side by an output sheet (2), and the stacks (3), (4) are clamped by bolts of a thrust structure.

Description

Oddělovací členSeparating member

Oblast technikyTechnical field

Oddělovací člen je elektrická součástka, která zajišťuje, aby rozdíl potenciálů mezi dvěma definovanými body elektrického zapojení, mezi nimiž může téct proud, nepřekročil předem stanovenou hodnotu (tzv. oddělovací napětí). Oddělovací člen je používán zejména pro napěťově závislé uzemňování kovových konstrukcí (produktovodů) izolovaně uložených v zemi, které mají být aktivně chráněny proti korozívnímu účinku bludných proudů a zavlečených potenciálů.A decoupling element is an electrical component that ensures that the potential difference between two defined electrical wiring points between which current can flow does not exceed a predetermined value (the decoupling voltage). The decoupling element is used in particular for voltage-dependent grounding of metal structures (pipelines) insulated in the ground to be actively protected against the corrosive effect of stray currents and introduced potentials.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Pro napěťově závislé uzemňování kovových konstrukcí (produktovodů) izolovaně uložených v zemi, které mají být aktivně chráněny, se dosud používají diodové oddělovací jednotky. Z konstrukčního hlediska jde o dva antiparalelně uspořádané sloupce výkonových diodových součástek. Diodové součástky jsou v každém sloupci vzájemně orientovány tak, aby sloupec jako celek vykazoval (podle polarity vloženého napětí) propustné nebo závěrné vlastnosti. Konce obou antiparalelně uspořádaných sloupců jsou spojeny dvěma společnými vývody. Diodové součástky jsou v každém sloupci fixovány pomocí robustních přítlačných konstrukcí.Diode isolation units are still used for voltage-dependent grounding of metal structures (pipelines) insulated in the ground to be actively protected. From a constructional point of view, these are two columns of power diode components arranged in an anti-parallel manner. The diode components in each column are oriented relative to each other so that the column as a whole exhibits (according to the polarity of the applied voltage) permeability or closure properties. The ends of the two anti-parallel columns are connected by two common outlets. The diode components are fixed in each column by means of robust clamping structures.

Nevýhody tohoto známého řešení spočívají v množství styčných ploch mezi jednotlivými částmi sestavy. Tím vznikají při průchodu vysokých proudů přechodové odpory, které snižují žádoucí parametry zařízení. Potlačení tohoto jevu vyžaduje výkonové diodové součástky s vyšší proudovou zatížitelností, čímž však dále narůstají rozměry, hmotnost a cena celé oddělovací jednotky.The disadvantages of this known solution are the numerous contact surfaces between the individual parts of the assembly. As a result, transient resistors are created when high currents pass, which reduce the desired device parameters. The suppression of this phenomenon requires power diode components with a higher current carrying capacity, but this further increases the dimensions, weight and cost of the entire separation unit.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Uvedené nedostatky do značné míry řeší oddělovací člen sestavený z polovodičového zařízení zalitého izolační hmotou s vysokou elektrickou pevností v umělohmotném krytu. Polovodičové zařízení je tvořeno společnou základnou, na které jsou umístěny dva antiparalelně orientované sloupce, vzájemně k sobě bezprostředně přiléhajících tenkých (0,2 mm) křemíkových destiček obsahující vysoce efektivní usměrňující vnitřní strukturu, opatřených na jedné straně elektrickým kontaktem katody a na protilehlé straně kontaktem anody. Křemíková destička je na anodové straně vodivě spojena s kovovou elektrodou stejného tvaru, na katodové straně je opatřena tenkým (0,01 mm) kovovým kontaktem. Katoda a anoda každého ze sloupců jsou elektricky spojeny na jedné straně základnou a na druhé straně vývodním plechem. Sloupce jsou sevřeny svorníky přítlačné konstrukce.Pntlačná síla na každý ze sloupců přesahuje 1 kN.These drawbacks are largely solved by a separator formed from a semiconductor device encapsulated with high electrical strength in a plastic housing. The semiconductor device is formed by a common base on which two antiparallel oriented columns are placed, immediately adjacent to each other thin (0.2 mm) silicon wafers containing a highly efficient rectifying inner structure, provided with an electrical cathode contact on one side and an anode contact on the opposite side . The silicon wafer is conductively connected to a metal electrode of the same shape on the anode side and has a thin (0.01 mm) metal contact on the cathode side. The cathode and anode of each of the columns are electrically connected on one side by a base and on the other side by a lead plate. The columns are clamped by bolts of the compression structure. The compression force on each column exceeds 1 kN.

Propustně polarizovanou křemíkovou destičkou teče až do dosažení difúzního napětí (cca 0,5-1 V) jen velmi malý proud (řádu 1-10 mA). Nad hodnotou difúzního napětí propustný proud prudce stoupá a napětí na polovodičovém prvku roste jen zvolna (při • 4 * *44 • · · • 4 4 · 4 4 • · · ♦ · · 4 4 4 4A very small current (of the order of 1-10 mA) flows through the permeably polarized silicon wafer until a diffusion voltage (approx. 0.5-1 V) is reached. Above the value of the diffuse voltage, the forward current rises sharply and the voltage on the semiconductor element increases only slowly (at • 4 * * 44 · 4 · 4 · 4 · 4 · 4 · 4

4444 >44 44 44 44 44 krátkodobém zatěžování je řádu 1V při proudech řádu 1.10³ - 1.10⁴ A). Na této skutečnosti je založena konstrukce oddělovacího členu. Ten je tvořen dvěma antiparalelně uspořádanými sloupci sériově zapojených polovodičových prvků, čímž je v součtu dosaženo oddělovacích napětí v úrovni cca 2,5 - 6 V podle hodnoty procházejícího proudu a počtu polovodičových prvků ve sloupci.4444> 44 44 44 44 44 short-term loading is of the order of 1V at currents of the order of 1.10 ³ - 1.10 ⁴ A). This is the basis of the design of the separating member. This is made up of two antiparallelly arranged columns of series connected semiconductor elements, whereby a total of about 2.5 - 6 V isolation voltages is achieved according to the value of the passing current and the number of semiconductor elements in the column.

Výhodou oddělovacího členu v popsaném provedení je minimalizace přechodových odporů mezi jednotlivými komponenty sestavy, několikanásobné zvýšení proudové zatížitelnosti a více než desetinásobné snížení objemu a hmotnosti proti dosavadnímu stavu.The advantage of the isolating member in the described embodiment is to minimize the transient resistance between the individual components of the assembly, to increase the current load several times, and to reduce the volume and weight by more than a factor of ten over the prior art.

Přehled obrázků na výkreseOverview of the drawings

Technické řešení bude v dalším textu blíže objasněno na příkladu provedení, znázorněno na připojeném výkresu. Obr. 1 boční pohled s detailem polovodičového prvku, obr. 2 čelní pohled.The technical solution will be explained in more detail below with reference to the exemplary embodiment shown in the attached drawing. Giant. 1 a side view with a detail of a semiconductor element, FIG. 2 a front view.

Příklad provedeníExemplary embodiment

Oddělovací člen, je sestaven z polovodičového zařízení zalitého izolační hmotou s vysokou elektrickou pevností v umělohmotném krytu. Polovodičové zařízení je tvořeno společnou kovovou základnou 1, na které jsou umístěny dva antiparalelně orientované sloupce 3,4, vzájemně k sobě bezprostředně přiléhajících tenkých (0,2 mm) křemíkových destiček 5 obsahující vysoce efektivní usměrňující vnitřní strukturu, opatřených na každé straně elektrickým kontaktem. Křemíková destička 5 je na anodové straně vodivě spojena s kovovou elektrodou stejného tvaru, na katodové straně je opatřena tenkým (0,01 mm) kovovým kontaktem. Koncová katoda 6 a koncová anoda 7 každého ze sloupců 3, 4jsou elektricky spojeny na jedné straně základnou £ a na druhé straně vývodním plechem 2, Sloupce 3,4 jsou sevřeny svorníky přítlačné konstrukce.Přítlačná síla na každý ze sloupců přesahuje 1 kN.The separating member is composed of a semiconductor device encapsulated with high electrical strength insulating material in a plastic housing. The semiconductor device consists of a common metal base 1, on which two antiparallelly oriented columns 3,4, of adjacent thin (0.2 mm) silicon wafers 5 containing a highly efficient rectifying inner structure, provided with an electrical contact on each side, are disposed to each other. The silicon wafer 5 is conductively connected to a metal electrode of the same shape on the anode side and has a thin (0.01 mm) metal contact on the cathode side. The end cathode 6 and the end anode 7 of each of the columns 3, 4 are electrically connected on one side by the base 6 and on the other side by the outlet plate 2. The columns 3,4 are clamped by bolts of the thrust structure.

Antiparalelně uspořádané sloupce polovodičových prvků tvoří kompaktní sestavu se společnou kovovou základnou £, která je zároveň jednou elektrodou oddělovacího členu. Druhou společnou elektrodu tvoří vývodní plech 2 spojující katodu a anodu každého ze sloupců. Vytvořená sestava polovodičového zařízení je zvenčí chráněna jediným dutým krytem z plastu a zevnitř zalita vytvrzenou izolační hmotou s vysokou elektrickou pevností.The antiparallel array of semiconductor element stacks forms a compact assembly with a common metal base 8, which is also one electrode of the separating member. The second common electrode consists of an outlet sheet 2 connecting the cathode and anode of each of the columns. The formed semiconductor device assembly is protected from the outside by a single hollow plastic cover and encapsulated from the inside by a cured insulating material with high electrical strength.

Na oddělovací člen lze připojit ploché pásoviny, kabelová oka, případně vodiče kruhového průřezu 50 - 70 mm². Proudová přetížitelnost je minimálně 2 kA/1 s, maximální proudový ráz je až 80 kA (vlna 8/20 gs).Flat strips, cable lugs or conductors of circular cross-section 50 - 70 mm ² can be connected to the separating element. Current overload capacity is at least 2 kA / 1 s, maximum current surge is up to 80 kA (wave 8/20 gs).

Claims (1)

Patentové nárokyPatent claims Oddělovací člen určený zejména pro napěťově závislé uzemňování kovových konstrukcí {produktovodů) izolovaně uložených v zemi, které mají být aktivně chráněny proti korozívnímu účinku bludných proudů a zavlečených potenciálů, je sestaven z polovodičového zařízení zalitého izolační hmotou s vysokou elektrickou pevností v umělohmotném krytu vyznačující se tím, že ^polovodičové zařízení je tvořeno společnou základnou (1), na které jsou umístěny nejméně dva antiparalelně orientované sloupce (3), (4), křemíkových destiček (5) s usměrňující vnitřní strukturou, opatřených na jedné straně elektrickým kontaktem katody (6) a na protilehlé straně kontaktem anody (7) a vzájemně k sobě přiléhajících, přičemž koncová katoda (6) a koncová anoda (7) každého ze sloupců (3), (4) jsou elektricky spojeny na jedné straně základnou (1) a na druhé straně vývodním plechem (2) a sloupce (3), (4) jsou sevřeny svorníky přítlačné konstrukce.In particular, the isolating member intended for the voltage-dependent grounding of metal structures (pipelines) insulated in the ground, to be actively protected against the corrosive effect of stray currents and introduced potentials, is composed of a semiconductor device encapsulated with high electrical strength in a plastic housing. The semiconductor device comprises a common base (1) on which at least two antiparallel oriented columns (3), (4), silicon wafers (5) having a rectifying internal structure are provided, provided on one side with an electrical contact of the cathode (6). and on the opposite side by an anode contact (7) and adjacent to each other, the end cathode (6) and the end anode (7) of each of the columns (3), (4) being electrically connected on one side by the base (1) and on the other the side plate (2) and columns (3), (4) are clamped bolts of pressure structure.