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Hochspannungsgleichrichter und Ventilableiter mit Feldemissionselektroden
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Erfindungsgemäss wird als Kathode eines Gleichrichters ein sehr dünner Draht von z. B. 2. 10-3 mm Durchmesser verwendet. Dieser Draht wird im Inneren eines hochevakuierten Metallzylinders isoliert angebracht und mit isolierten stärkeren Zuführungen versehen. Wird zwischen dem äusseren Zylinder, der zugleich als Anode dient und einen Durchmesser von z. B. 0, 8 cm hat, und der Kathode eine Spannung von 104 V gelegt, so ist die maximale Feldstärke auf der Kathodenoberfläche
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Anodenzylinder b angebracht. Die Spannungszuführung erfolgt über die Halter c, die selbst viel stärker und in die vakuumdichten Verschlüsse d eingeschmolzen sind. Bei stärkeren Strömen ist die Zufuhr von beiden Seiten vorteilhaft.
Durch das Fehlen einer Heizwicklung ist die Schaltung einfacher und billiger.
Auch die Gleichrichter G. und G, sind einfacher und kleiner als entsprechende Dioden mit geheizten Kathoden oder Sperrschichtgleichrichter.
Ventilableiter sind als Überspannungsschutz gegen Überspannungen. atmosphärischen Ursprungs be- kannt. Sie bestehen im wesentlichen aus Ansprechfunkenstrecken und spannungsabhängigen Halbleiterwi - derständen. Die Löschspannung wird durch die Forderung nach niedrigem Schutzniveau und hoher Betriebssicherheit bestimmt. Ableiter der 5 kA-Klasse müssen eine grosse Zahl von Stromstössen bis 5 kA aushalten und auch einzelne Stromstösse, die viel grösser sind, ertragen können.
Die maximale Steilheit der Überspannungswellen beträgt bis zu 500 kV/ts bei Systemspannungen über 200 kV. Die höchste Stromsteilheit kann bis 2 kA/ts betragen. Bei sehr grosser Stirnsteilheit der Wanderwelle soll der Zündverzug des Ableiters klein sein. um die Zündspitze nur sehr kurze Zeit einwirken zu lassen, da alle Isoliermaterialien bekanntlich für extrem kurz dauernde Spannungsspitzen unempfindlich sind. Der Zündverzug von Funkenstrecken ist aber durch physikalische Ursachen in den bekannten Ableitern nur mehr wenig unterschreitbar.
Erfindungsgemäss werden die Eigenschaften besonders geformter und bemessener Elektroden, welche eine starke Feldemission ermöglichen, auch zum Aufbau eines neuartigen Ventilableiters verwendet. Da aber im Gegensatz zu dem beschriebenen Gleichrichter sehr starke Ströme kurzzeitig abgeleitet werden müssen, ist ein anderer, ein grossflächiger Aufbau notwendig.
Wird als Anode ein hochevakuierter Metallzylinder mit z.B.2,4cm innerem Durchmesser verwendet und im Inneren ein Zylinder von 1, 6cm äusserem Durchmesser als Kathode isoliert angeordnet, so tritt an der Kathodenoberfläche folgende Feldstärke auf :
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Diese Feldstärke ist auch bei Spannungen bis 2. 106 V zu klein, um eine brauchbare Emission hervorzurufen. Durch Abstandsverkleinerung der Elektroden könnte die Feldstärke vergrössert werden, doch star- ke Veränderungen der Kennlinie bei unvermeidlichen Schwankungen der Abmessungen durch Temperatur- änderungen wären bei den notwendigen kleinen. Abständen die Folge. Auch die Isolationsfestigkeit der Isolierstoffe würde Schwierigkeiten bereiten.
Wie aus der Formel für die Feldstärke hervorgeht, steigt diese mit kleinem Krümmungsradius ri stark an. Dieser kleine Radius kann aber erfindungsgemäss durch Aufteilung der Kathodenoberfläche in sehr dünne Scheiben k mit grösseren Zwischenräumen l und Stromzuführung durch einen vollen, gut leitenden Kern m. ersetzt werden.
Fig. 2 zeigt einen Ableiter in schematischer Darstellung. Auf dem Kern m sind in Abständen von z. B. 0, 2 cm durch Abstandsringe n fixierte Emissionsscheiben'k angebracht. Diese Scheiben haben z. B. einen Durchmesser von 1, 6 cm, aber nur eine Stärke von 0,01 cm. Auf ihrem dünnen äusseren Umfang entsteht eine hohe Feldstärke, wenn zwischen der Auode o (Zylinder mit 2,4 cm innerem Durchmesser) und der Kathode keine entsprechende Spannung liegt.
Die Feldstärke Emax ergibt sich (bei mindestens doppelt so grossem Scheiben-als Kerndurchmesser und grossem Scheibenabstand 1 im Verhältnis zur Scheibenstärke s) angenähert aus der Formel :
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Die im Beispiel angegebenen Werte ergeben bei einer Spannungsspitze U von z.B. 3,3. 105 V, eine Feldstärke von
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Allgemeine Formeln zur Berechnung der Feldstärke sind nur in einfachen Fällen mathematisch ableitbar, wie z. B. bei der Gleichrichterkathode. Bei verwickelten Anordnungen muss eine graphische Methode angewendet werden und mit Hilfe der konformen Abbildung können verwickelte Feldbilder auf einfachere Fälle zurückgeführt werden.
Die Feldemission tritt bei geeignetem Kathodenmaterial bereits bei kleineren Spannungen und praktisch ohne Verzögerung auf. Es wird sich deshalb nur eine viel kleinere und nur besonders kurz dauernde Spannungsspitze aufbauen können. Das Schutzniveau kann niedriger gewählt werden, da überhaupt keine karzschlussartige Zündung auftritt. Die schwache Feldemission, welche bei besonders hohen betriebsfrequenten Überspannungen einsetzt, stört die Betriebssicherheit nicht und stellt nur eine geringfügige Belastung des Ableiters dar.
Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Feldemission von der Feldstärke in allgemeiner Darstellung. Durch eine entsprechende Länge der Kathode und durch ein Parallelschalten mehrerer Ableiter kann jede gewünsche Emissionsfläche und damit das notwendige Ableitvermögen erzielt werden. Durch eine geeignete Bemessung des Scheibendurchmessers und der Scheibenstärke ist auch die Ansprechspannung in weiten Grenzen veränderbar.
Der Stromübergang zwischen Kathode und Anode wird auch durch die Raumladung begrenzt, da die aus der Kathode ausgetretenen Elektronen das Potential erniedrigen. Bei den hohen Anodenspannungen der Ableiter oder den sehr kleinen Strömen in den Gleichrichtern führt dies aber nur zu kleineren Korrekturen der Feldstärke im Betriebszustand.
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der Wärmeableitfähigkeit ab. Der Kathodenanschluss r wird zweckmässigerweise viel stärker als der Kern m ausgeführt. Ebenso ist durch eine genügende Stärke der Isolation p und eine geeignete Formgebung der Enden und Anschlüsse des Ableiters eine Überschlagsneigung und Koronabildung zu verhindern.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hochspannungsgleichrichter und Ventilableiter mit Feldemissionselektroden und Ausnützung des Feldemissionseffektes für Gleichrichterzwecke und zur Ableitung von Überspannungen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer hohen Feldstärke an der Kathodenoberfläche und einer viel grösseren Kathodenoberfläche als mit den bekannten Spitzenkathoden möglich ist, als Kathoden sehr dünne Drähte a oder Scheiben k aus Metall oder andern geeigneten Stoffen im Inneren von hochevakuierten Metallzylindern verwendet werden, die in bekannter Weise gleichzeitig als Anode dienen, wobei die Drahtstärke oder die Scheibendicke am äusseren Rande nach den bekannten elektrostatischen Gesetzen so bemessen wird, dass bei den vorgesehenen Spannungen eine genügend starke Feldemission auftritt.
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High voltage rectifier and valve arrester with field emission electrodes
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According to the invention, a very thin wire of z. B. 2. 10-3 mm diameter used. This wire is insulated inside a highly evacuated metal cylinder and provided with insulated stronger leads. Is between the outer cylinder, which also serves as an anode and a diameter of z. B. 0.8 cm, and the cathode applied a voltage of 104 V, the maximum field strength is on the cathode surface
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Anode cylinder b attached. The voltage is supplied via the holders c, which are themselves much stronger and melted into the vacuum-tight closures d. In the case of stronger currents, it is advantageous to supply from both sides.
In the absence of a heating coil, the circuit is simpler and cheaper.
The rectifiers G. and G are also simpler and smaller than corresponding diodes with heated cathodes or junction rectifiers.
Valve arresters are used as overvoltage protection against overvoltages. known of atmospheric origin. They essentially consist of spark gaps and voltage-dependent semiconductor resistors. The extinction voltage is determined by the requirement for a low level of protection and high operational reliability. Arresters of the 5 kA class must be able to withstand a large number of current surges up to 5 kA and also be able to withstand individual current surges that are much larger.
The maximum steepness of the surge waves is up to 500 kV / ts for system voltages over 200 kV. The highest current gradient can be up to 2 kA / ts. If the frontal steepness of the traveling wave is very steep, the ignition delay of the arrester should be small. to allow the ignition tip to act only for a very short time, as all insulating materials are known to be insensitive to extremely short voltage peaks. The ignition delay of spark gaps can, however, be undercut only slightly in the known arresters due to physical causes.
According to the invention, the properties of specially shaped and dimensioned electrodes, which enable strong field emission, are also used to construct a new type of valve arrester. But since, in contrast to the rectifier described, very strong currents have to be diverted briefly, a different, large-area structure is necessary.
If a highly evacuated metal cylinder with e.g. 2.4 cm internal diameter is used as the anode and a cylinder with 1.6 cm external diameter is insulated inside as cathode, the following field strength occurs on the cathode surface:
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This field strength is too small to cause a usable emission, even at voltages up to 2. 106 V. By reducing the distance between the electrodes, the field strength could be increased, but strong changes in the characteristic curve with unavoidable fluctuations in dimensions due to temperature changes would be the necessary small ones. Intervals the result. The insulation strength of the insulating materials would also cause difficulties.
As can be seen from the formula for the field strength, it increases sharply with a small radius of curvature ri. According to the invention, however, this small radius can be achieved by dividing the cathode surface into very thin slices k with larger spaces l and power supply through a full, highly conductive core m. be replaced.
Fig. 2 shows an arrester in a schematic representation. On the core m are at intervals of z. B. 0, 2 cm by spacer rings n fixed emission discs'k attached. These disks have z. B. a diameter of 1.6 cm, but only a thickness of 0.01 cm. A high field strength arises on its thin outer circumference if there is no corresponding voltage between the Auode o (cylinder with 2.4 cm inner diameter) and the cathode.
The field strength Emax results (with at least twice the diameter of the disk as the core diameter and a large disk spacing 1 in relation to the disk strength s) approximately from the formula:
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The values given in the example result in a voltage peak U of e.g. 3.3. 105 V, a field strength of
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General formulas for calculating the field strength can only be mathematically derived in simple cases, such as B. in the rectifier cathode. In the case of complex arrangements, a graphical method must be used and with the aid of conformal mapping, complex field images can be reduced to simpler cases.
With a suitable cathode material, field emission occurs even at lower voltages and practically without delay. It will therefore only be able to build up a much smaller and only particularly brief voltage peak. The level of protection can be selected to be lower, since no short-circuit-type ignition occurs at all. The weak field emission, which sets in at particularly high operating-frequency overvoltages, does not disturb the operational safety and only places a slight load on the arrester.
Fig. 3 shows the dependence of the field emission on the field strength in a general representation. With an appropriate length of the cathode and by connecting several arresters in parallel, any desired emission surface and thus the necessary conductivity can be achieved. The response voltage can also be varied within wide limits by suitably dimensioning the pulley diameter and thickness.
The current transfer between cathode and anode is also limited by the space charge, since the electrons that have emerged from the cathode lower the potential. With the high anode voltages of the arresters or the very small currents in the rectifiers, this only leads to minor corrections of the field strength in the operating state.
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the heat dissipation ability. The cathode connection r is expediently made much stronger than the core m. Likewise, a tendency to flashover and corona formation must be prevented by a sufficient thickness of the insulation p and a suitable shape of the ends and connections of the arrester.
PATENT CLAIMS:
1.High-voltage rectifier and valve arrester with field emission electrodes and utilization of the field emission effect for rectification purposes and for the derivation of overvoltages, characterized in that to achieve a high field strength on the cathode surface and a much larger cathode surface than with the known tip cathodes, very thin wires a are possible as cathodes or disks k made of metal or other suitable materials inside highly evacuated metal cylinders, which also serve as an anode in a known manner, the wire thickness or the disk thickness at the outer edge being measured according to the known electrostatic laws so that a sufficiently strong field emission occurs.