FR2991117A3 - Lighting protector for electrical supply line i.e. feeder, used for e.g. train, has gas discharge devices connected in series, where protector is placed so that sum of residual stress of device is higher than supply voltage applied to line - Google Patents

Abstract

The protector (1) has a set of gas discharge devices (10) that is arranged in an identical manner and is connected in series. The gas discharge devices are arranged in close relation to each other and placed in an isolated housing (6). Each gas discharge device includes a pair of mutually opposite isolated electrodes (11). An electric arc (A) is allowed to occur between the electrodes, where the protector is placed so that sum of residual stress of the gas discharge device is higher than supply voltage applied to an electric supply line i.e. feeder.

Description

PROTECTEUR CONTRE LES TENSIONS TRANSITOIRES DUES A LA FOUDRE La présente invention concerne un protecteur contre les tensions transitoires dues à la foudre. Comme on le sait, les décharges de foudre se caractérisent par le dégagement d'une quantité d'énergie énorme en peu de temps. The present invention relates to a protector against transient voltages due to lightning. As we know, lightning discharges are characterized by the release of a huge amount of energy in a short time.

Presque typiquement, la tension d'une décharge de foudre qui frappe un objet au sol augmente de zéro à sa valeur maximale Vm-d en un temps de commutation T1 (approximativement 10 microsecondes) ; après avoir atteint cette valeur maximale Vm-d, la tension chute à Vm-d/2 en un temps T2, qui est typiquement d'approximativement 350 microsecondes. La première courbe de la tension continue est montrée sur la figure 1. Si l'énergie de la décharge de foudre est reçue par un objet au moyen d'un couplage inductif avec l'objet qui est frappé directement par la décharge de foudre, la tension appliquée indirectement à un tel objet suit une forme d'onde différente, c'est-à-dire qu'elle augmente de zéro à sa valeur maximale Vm-i en un temps de commutation T3 (approximativement 8 microsecondes) ; après avoir atteint sa valeur maximale Vm-i, la tension chute à Vm-i/2 en un temps T4, qui est typiquement d'approximativement 20 microsecondes. La seconde courbe de tension indirecte est montrée dans la figure 2 annexée. Comme le montre la figure 1, l'intégrale de la première courbe entre T1 et T2 (qui représente l'énergie fournie directement par la décharge de foudre, cette aire est marquée sur la figure 1) est bien plus grande que l'intégrale (cette aire est montrée sur la figure 2) de la seconde courbe entre T3 et T4 (qui représente l'énergie fournie indirectement par la décharge de foudre). Les protecteurs existants peuvent limiter la tension indirecte provoquant des problèmes graves en limitant la tension continue en raison des énergies à disposition. Almost typically, the voltage of a lightning strike striking an object on the ground increases from zero to its maximum value Vm-d in a switching time T1 (approximately 10 microseconds); after reaching this maximum value Vm-d, the voltage drops to Vm-d / 2 in a time T2, which is typically approximately 350 microseconds. The first curve of the DC voltage is shown in Figure 1. If the energy of the lightning discharge is received by an object by means of inductive coupling with the object which is struck directly by the lightning discharge, the voltage applied indirectly to such an object follows a different waveform, i.e. it increases from zero to its maximum value Vm-i in a switching time T3 (approximately 8 microseconds); after reaching its maximum value Vm-i, the voltage drops to Vm-i / 2 in a time T4, which is typically approximately 20 microseconds. The second indirect voltage curve is shown in the appended FIG. As shown in Figure 1, the integral of the first curve between T1 and T2 (which represents the energy provided directly by the lightning discharge, this area is marked in Figure 1) is much larger than the integral ( this area is shown in Figure 2) of the second curve between T3 and T4 (which represents the energy indirectly supplied by the lightning discharge). Existing guards can limit the indirect voltage causing serious problems by limiting the DC voltage due to available energies.

Par exemple, si l'objet consiste en une ligne d'alimentation électrique (par exemple une ligne d'alimentation), il est courant de protéger la ligne vis-à-vis d'une tension indirecte en utilisant un varistor. Il est connu qu'un varistor est un composant électronique ayant une caractéristique tension-courant de type diode non linéaire (un varistor est également connu sous le nom de varistor dépendant de la tension ou VDR pour « voltage dependent resistor »). Les varistors sont utilisés pour protéger les circuits vis-à-vis d'un transitoire excessif parce que, lorsqu'une surtension est appliquée à la ligne, le varistor transfère le courant créé par la haute tension loin des composants sensibles. For example, if the object consists of a power line (eg, a power line), it is common to protect the line against indirect voltage by using a varistor. It is known that a varistor is an electronic component having a non-linear diode voltage-current characteristic (a varistor is also known as a voltage dependent resistor or VDR). Varistors are used to protect the circuits against excessive transients because, when an overvoltage is applied to the line, the varistor transfers the current created by the high voltage away from the sensitive components.

Comme montré, bien que les varistors puissent éliminer une énergie considérable, ils ne peuvent pas dissiper l'énergie de tension continue appliquée par une décharge de foudre. En effet, les varistors sont normalement couplés à un dispositif à décharge de gaz dans lequel la tension continue induit un arc électrique entre les deux bornes, l'une couplée à la ligne et l'autre couplée à la masse. As shown, although varistors can eliminate considerable energy, they can not dissipate the DC voltage energy applied by a lightning discharge. Indeed, the varistors are normally coupled to a gas discharge device in which the DC voltage induces an electric arc between the two terminals, one coupled to the line and the other coupled to ground.

Toutefois, le dispositif à décharge de gaz présente aussi des problèmes. En effet, si la ligne d'alimentation porte une tension à courant alternatif, l'arc est éteint lorsque la tension continue produite par la foudre passe à zéro du fait qu'une forme d'onde de courant alternatif passe périodiquement par zéro. Au contraire, si la ligne d'alimentation porte une tension continue, l'arc n'est pas éteint lorsque la tension continue produite par la foudre s'éteint car la tension sur la ligne ne passe jamais par zéro et fournit l'arc. Dans le cas ci-dessus, les protecteurs de ligne d'alimentation externe doivent intervenir pour désactiver la tension d'alimentation à un moment qui est plus long que le temps T2 ci-dessus. Il en résulte une déconnexion de la ligne d'alimentation. However, the gas discharge device also has problems. Indeed, if the supply line carries an AC voltage, the arc is extinguished when the DC voltage produced by the lightning goes to zero because an AC waveform periodically goes through zero. On the contrary, if the supply line carries a DC voltage, the arc is not extinguished when the DC voltage produced by the lightning goes out because the voltage on the line never goes to zero and provides the arc. In the above case, the external power line protectors must intervene to turn off the supply voltage at a time that is longer than T2 time above. This results in a disconnection of the power line.

La reconfiguration de la ligne d'alimentation implique des coûts et requiert du temps. L'objectif de la présente invention consiste à résoudre les inconvénients du dispositif connu. La solution ci-dessus est améliorée par la présente invention qui concerne un 30 protecteur contre la foudre permettant de protéger contre une surtension appliquée/induite sur une ligne d'alimentation électrique à courant continu comprenant : de nombreux dispositifs à décharge de gaz identiques connectés en série, proches les uns des autres et logés dans un logement isolé ; chaque dispositif à décharge comprenant une paire d'électrodes isolées mutuellement opposées à une distance fixée D et configuré pour permettre à un arc électrique de se produire entre les électrodes lorsque la tension limite Vm pour un tel dispositif à décharge est dépassée ; chaque dispositif à décharge étant configuré pour être caractérisé par une tension résiduelle Up qui est la tension présente entre les électrodes lorsque l'arc électrique est éteint ; le protecteur étant ainsi configuré de sorte que la somme des tensions résiduelles Up des dispositifs à décharge de gaz est plus élevée que la tension d'alimentation appliquée à la ligne d'alimentation électrique à courant continu. L'invention concerne un protecteur contre la foudre permettant de protéger contre une surtension appliquée/induite sur une ligne d'alimentation électrique à courant continu comprenant : - un nombre N de dispositifs à décharge de gaz identiques connectés en série, proches les uns des autres et logés dans un logement isolé ; chaque dispositif à décharge comprenant une paire d'électrodes isolées mutuellement opposées à une distance fixée D et configuré pour permettre à un arc électrique de se produire entre les électrodes lorsque la tension limite Vm pour un tel dispositif à décharge est dépassée ; chaque dispositif à décharge étant configuré pour être caractérisé par une tension résiduelle Up qui est la tension présente entre les électrodes lorsque l'arc électrique est éteint ; le protecteur étant ainsi configuré de sorte que la somme N*Up des tensions résiduelles Up des dispositifs à décharge de gaz est plus élevée que la tension d'alimentation appliquée à la ligne d'alimentation électrique à courant continu. Avantageusement, le logement isolant est en forme de tube et s'étend le long d'un axe longitudinal, qui est perpendiculaire aux électrodes, chacune comprenant une partie plate faite d'un matériau conducteur. Reconfiguring the feed line involves costs and time. The object of the present invention is to solve the disadvantages of the known device. The above solution is improved by the present invention which relates to a lightning protector for protecting against an applied / induced overvoltage on a DC power supply line comprising: a plurality of identical gas discharge devices connected in a series, close to each other and housed in an isolated dwelling; each discharge device comprising a pair of insulated electrodes mutually opposed at a fixed distance D and configured to allow an electric arc to occur between the electrodes when the limiting voltage Vm for such a discharge device is exceeded; each discharge device being configured to be characterized by a residual voltage Up which is the voltage present between the electrodes when the electric arc is extinguished; the protector thus being configured so that the sum of the residual voltages Up of the gas discharge devices is higher than the supply voltage applied to the DC power supply line. A lightning protector for protecting against an applied / induced overvoltage on a DC power supply line comprising: - a number N of identical gas discharge devices connected in series, close to each other and housed in an isolated dwelling; each discharge device comprising a pair of insulated electrodes mutually opposed at a fixed distance D and configured to allow an electric arc to occur between the electrodes when the limiting voltage Vm for such a discharge device is exceeded; each discharge device being configured to be characterized by a residual voltage Up which is the voltage present between the electrodes when the electric arc is extinguished; the protector thus being configured so that the sum N * Up of the residual voltages Up of the gas discharge devices is higher than the supply voltage applied to the DC power supply line. Advantageously, the insulating housing is tube-shaped and extends along a longitudinal axis, which is perpendicular to the electrodes, each comprising a flat portion made of a conductive material.

Avantageusement, une structure d'éloignement de type peigne est prévue pour contenir les électrodes dans une position à une distance fixée D les unes des autres ; la structure d'éloignement comportant de nombreuses rainures, à distance équivalente les unes des autres le long dudit axe longitudinal et chacune conçue pour contenir une portion périphérique de l'électrode plate. Avantageusement, la structure d'éloignement de type peigne est faite d'un matériau isolant et est agencée sur la partie interne du logement tubulaire coaxial audit axe. On décrit à présent l'invention en référence aux dessins qui l'accompagnent illustrant un exemple de mode de réalisation non limitatif, dans lequel : les figures 1 et 2 montrent le phénomène physique considéré par le dispositif de l'art antérieur ; la figure 3 montre le comportement électrique des dispositifs de l'art antérieur ; la figure 4 montre un protecteur contre la foudre permettant de protéger contre une surtension appliquée/induite sur une ligne d'alimentation électrique à courant continu ; et la figure 5 montre un exemple d'un protecteur selon la présente invention. Sur la figure 5, la référence numérique 1 indique un protecteur contre la foudre permettant de protéger contre une surtension appliquée/induite sur une ligne d'alimentation électrique à courant continu. Le protecteur 1 comporte une première borne la et une seconde borne lb ; pendant l'utilisation, la première borne la est connectée à une ligne d'alimentation 3 (montrée schématiquement) qui fournit de l'électricité à un véhicule V (montré schématiquement et non à l'échelle) et une borne lb est connectée à une tension de référence 4 (masse). La tension Vline appliquée à la ligne d'alimentation peut afficher différentes valeurs, par exemple 3 400 Volts dans le cas de lignes d'alimentation de train de chemin de fer, 1 500 Volts dans le cas de lignes de train souterrain, 750 Volts dans le cas de lignes d'alimentation de tramway et 500 Volts dans le cas d'autres véhicules électriques. La tension est une tension continue. Advantageously, a comb-like removal structure is provided for containing the electrodes in a position at a fixed distance D from each other; the spacing structure having a plurality of grooves spaced equivalently from each other along said longitudinal axis and each adapted to contain a peripheral portion of the flat electrode. Advantageously, the comb-like removal structure is made of an insulating material and is arranged on the inner part of the tubular housing coaxial with said axis. The invention will now be described with reference to the accompanying drawings illustrating an exemplary non-limiting embodiment, in which: FIGS. 1 and 2 show the physical phenomenon considered by the device of the prior art; Figure 3 shows the electrical behavior of the devices of the prior art; Figure 4 shows a lightning protector for protecting against an applied / induced overvoltage on a DC power line; and Figure 5 shows an example of a protector according to the present invention. In Figure 5, reference numeral 1 indicates a lightning protector for protecting against overvoltage applied / induced on a DC power supply line. The protector 1 has a first terminal la and a second terminal lb; in use, the first terminal 1a is connected to a feed line 3 (shown schematically) which supplies electricity to a vehicle V (shown schematically and not to scale) and a terminal 1b is connected to a reference voltage 4 (ground). The Vline voltage applied to the power supply line may display different values, for example, 3 400 volts in the case of railway power supply lines, 1 500 volts in the case of underground train lines, 750 volts in the case of railway lines, the case of tramway power lines and 500 Volts in the case of other electric vehicles. The voltage is a DC voltage.

Le protecteur 1 comprend un logement isolant 6 qui contient un nombre N (par exemple N = 10, 113, 42, 21) de dispositifs à décharge de gaz 10 identiques connectés en série et proches les uns des autres ; chaque dispositif à décharge 10 comprend une paire d'électrodes isolantes opposées 11 à une distance fixée D et configuré pour permettre à un arc électrique de s'éteindre entre les électrodes 11 lorsqu'une tension limite Vm pour un seul dispositif à décharge 10 est dépassée. Des électrodes libres 11a, llb des dispositifs à décharge de gaz 10 de borne sont connectées à la première/seconde borne la/lb. Chaque dispositif à décharge 10 est configuré par une tension résiduelle Up, qui 10 est la tension présente entre les électrodes 11 lorsque l'arc électrique est éteint (Vm » Up). Par exemple : Vm = 75 [V] et Up = 30 [V] pour Vline = 750 [V]. Le protecteur est ainsi configuré de sorte que la somme (N*Up) des tensions résiduelles Up des dispositifs à décharge de gaz est plus élevée que la tension 15 d'alimentation Vline appliquée à la ligne d'alimentation électrique à courant continu, c'est-à-dire : (N*Up) > Vline. En conséquence, il existe une surtension Vshot (par exemple une surtension induite par une décharge de foudre), qui est appliquée à la ligne d'alimentation 3, et un 20 arc A, qui est créé entre toute paire d'électrodes 11 de sorte que la protection globale 1 conduit le surcourant induit par la surtension à la terre par l'intermédiaire d'arcs ultérieurs A; cela permet de dissiper l'énergie produite par la surtension. Lorsque l'arc est éteint (cela prend approximativement une microseconde), la tension entre les électrodes 11 chute à la valeur Up, qui est déterminée par la structure 25 physique du dispositif à décharge de gaz. En conséquence, aux bornes la, lb du protecteur 1, il existe une tension (N*Up) > Vline, qui ne permet pas à un courant de circuler de la ligne d'alimentation à courant continu 3 vers la terre 4. Cela est décrit sur la figure 4, qui montre que le courant sur la ligne 3 produit par une décharge de foudre vient à un niveau de protection puis chute à une valeur très proche de zéro. The guard 1 comprises an insulative housing 6 which contains a number N (eg N = 10, 113, 42, 21) of identical gas discharge devices 10 connected in series and close to one another; each discharge device 10 comprises a pair of opposed insulating electrodes 11 at a fixed distance D and configured to allow an electric arc to extinguish between the electrodes 11 when a limit voltage Vm for a single discharge device 10 is exceeded . Free electrodes 11a, 11b of the terminal gas discharge devices are connected to the first / second terminal 1a / 1b. Each discharge device 10 is configured by a residual voltage Up, which is the voltage present between the electrodes 11 when the electric arc is off (Vm "Up). For example: Vm = 75 [V] and Up = 30 [V] for Vline = 750 [V]. The protector is thus configured so that the sum (N * Up) of the residual voltages Up of the gas discharge devices is higher than the supply voltage Vline applied to the DC power supply line. that is: (N * Up)> Vline. Accordingly, there is a Vshot overvoltage (for example, a lightning discharge induced overvoltage), which is applied to the power line 3, and an arc A, which is created between any pair of electrodes 11 so that the overall protection 1 conducts the overcurrent induced by the overvoltage to the earth by means of subsequent arcs A; this helps to dissipate the energy produced by the surge. When the arc is off (this takes approximately one microsecond), the voltage between the electrodes 11 drops to the Up value, which is determined by the physical structure of the gas discharge device. Accordingly, at the terminals 1a, 1b of the protector 1, there is a voltage (N * Up)> Vline, which does not allow a current to flow from the DC power supply line 3 to the earth 4. This is described in Figure 4, which shows that the current on line 3 produced by a lightning discharge comes to a level of protection and then drops to a value very close to zero.

Cela résout l'inconvénient du dispositif à décharge de gaz de l'art antérieur qui conduit le courant de la ligne d'alimentation à courant continu jusqu'à la terre lorsque l'arc est éteint (cela est illustré sur la figure 3, dans laquelle le courant présente une courbe qui s'incline graduellement). This solves the disadvantage of the prior art gas discharge device that conducts the DC power line current to the ground when the arc is off (this is illustrated in FIG. which the current has a curve which inclines gradually).

Typiquement, le logement isolant 6 a une forme tubulaire cylindrique le long d'un axe longitudinal 12, qui est perpendiculaire aux électrodes 11, chacune comprenant une paroi plate faite d'un matériau conducteur (par exemple de graphite). Le logement isolant 6 a une ouverture d'extrémité fermée par des capots isolants 13a, 13b respectifs à travers lesquels la première/seconde borne 1a/1b s'étend. Typically, the insulating housing 6 has a cylindrical tubular shape along a longitudinal axis 12, which is perpendicular to the electrodes 11, each comprising a flat wall made of a conductive material (eg graphite). The insulating housing 6 has an end opening closed by respective insulating covers 13a, 13b through which the first / second terminal 1a / 1b extends.

Les électrodes 11 sont maintenues en position à une distance fixée D les unes des autres au moyen d'une structure d'éloignement de type peigne 15 qui comporte de nombreuses rainures 17 à égale distance les unes des autres le long de l'axe 12, chacune conçue pour contenir une portion périphérique de l'électrode plate 11. La structure d'éloignement de type peigne 15 est faite d'un matériau isolant (par exemple d'un plastique) et est agencée sur le côté interne du logement tubulaire 6 coaxial à l'axe 12. The electrodes 11 are held in position at a fixed distance D from each other by means of a comb-like removal structure 15 which has numerous grooves 17 equidistant from each other along the axis 12, each designed to contain a peripheral portion of the flat electrode 11. The comb-like removal structure is made of an insulating material (for example a plastic) and is arranged on the inner side of the coaxial tubular housing 6 to the axis 12.

Claims (4)

REVENDICATIONS1. Protecteur contre la foudre permettant de protéger contre une surtension appliquée/induite sur une ligne d'alimentation électrique à courant continu comprenant : - un nombre N de dispositifs à décharge de gaz (10) identiques connectés en série, proches les uns des autres et logés dans un logement isolé (6) ; chaque dispositif à décharge (10) comprenant une paire d'électrodes isolées mutuellement opposées (11) à une distance fixée D et configuré pour permettre à un arc électrique (A) de se produire entre les électrodes (11) lorsque la tension limite Vm pour un tel dispositif à décharge est dépassée ; chaque dispositif à décharge étant configuré pour être caractérisé par une tension résiduelle Up qui est la tension présente entre les électrodes (11) lorsque l'arc électrique (A) est éteint ; le protecteur étant ainsi configuré de sorte que la somme N*Up des tensions résiduelles Up des dispositifs à décharge de gaz est plus élevée que la tension d'alimentation (Vine) appliquée à la ligne d'alimentation électrique à courant continu. REVENDICATIONS1. Lightning protection device for protecting against an applied / induced overvoltage on a DC power supply line comprising: - a number N of identical gas discharge devices (10) connected in series, close to one another and accommodated in an isolated dwelling (6); each discharge device (10) comprising a pair of mutually opposed insulated electrodes (11) at a fixed distance D and configured to allow an electric arc (A) to occur between the electrodes (11) when the limit voltage Vm for such a discharge device is outdated; each discharge device being configured to be characterized by a residual voltage Up which is the voltage present between the electrodes (11) when the electric arc (A) is off; the protector thus being configured so that the sum N * Up of the residual voltages Up of the gas discharge devices is higher than the supply voltage (Vine) applied to the DC power supply line. 2. Protecteur selon la revendication 1, dans lequel le logement isolant (6) est en forme de tube et s'étend le long d'un axe longitudinal (12), qui est perpendiculaire aux électrodes (11), comprenant chacune une partie plate faite d'un matériau conducteur. 2. A protector according to claim 1, wherein the insulating housing (6) is tube-shaped and extends along a longitudinal axis (12), which is perpendicular to the electrodes (11), each comprising a flat portion made of a conductive material. 3. Protecteur selon la revendication 2, dans lequel une structure d'éloignement de type peigne (15) est prévue pour contenir les électrodes (11) dans une position à une distance fixée D les unes des autres ; la structure d'éloignement (15) comportant de nombreuses rainures (17) à distance équivalente les unes des autres le long dudit axe longitudinal (12) et chacune étant conçue pour contenir une portion périphérique de l'électrode plate (11). The protector of claim 2, wherein a comb-like removal structure (15) is provided to hold the electrodes (11) in a position at a fixed distance D from each other; the spacing structure (15) having a plurality of grooves (17) spaced equivalently from one another along said longitudinal axis (12) and each being adapted to contain a peripheral portion of the flat electrode (11). 4. Protecteur selon la revendication 2, dans lequel la structure d'éloignement de type peigne (15) est faite d'un matériau isolant et est agencée sur la partie interne du logement tubulaire (6) coaxial audit axe (12). 4. Protector according to claim 2, wherein the comb-like removal structure (15) is made of an insulating material and is arranged on the inner portion of the tubular housing (6) coaxial with said axis (12).