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Sicherung für Hochspannungsanlagen.
Man hat schon vielfach versucht, die sehr teuren selbsttätigen Hochspannungsschalter durch billigere Schmelzsicherungen zu ersetzen. Diese Versuche waren indessen vergeblich ; es ist nicht einmal gelungen, Hochspannungsschmelzsicherungen für geringe Leistungen, beispielsweise für Schmelzstromstärken von wenigen Ampere bei einer Betriebsspannung von 30.000 Volt und darüber zu bauen, die zuverlässig wirkten. Fast unüberwindliche Schwierigkeiten bereitete
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transformatoren. elektrostatische Spannungsmesser. vor den Folgen eines in ihnen auftretenden Kurzschlusses zu sichern.
Denn Schmelzsicherungen scheiden in solchen Fällen wegen der Kleinheit der Schmelzstromstärke von vornherein aus. während andere Sicherungsvorrichtungen, wie beispielsweise selbsttätige Schalter. viel zu teuer und umfangreich sind, als dass sie zum Schutze so kleiner Anlagen in Betracht gezogen werden könnten.
Gemäss der Erfindung wird eine zuverlässige Sicherung von Hochspannungsleitungssystemen gegen Überlastung, insbesondere von solchen für geiinge elektrische Leistungen dadurch erzielt. dass in der zu schützenden Leitung eine oder mehrere, vorzugsweise mit umgekehrten Polaritäten zueinander parallel geschalteten Vakuumröhren mit Heizelektroden angeordnet werden.
Legt man an eine Vakuumröhre, deren eine Elektrode auf eine hohe Temperatur erhitzt wird. eine hohe Wechselspannung an. so treten durch die Röhre während derjenigen Halh- perioden der Wechselspannung. innerhalb derer die IIeizelektrode, Kathode und die nicht geheizte, zweite Elektrode.
Anode ist. elektrische Stromstösse hindurch, während innerhalb der anderen Halhperioden, während welcher die Heizelektrode. \node ist. von der Röhre nur ganz
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Halbperiode kommt nämlich nur dadurch zustande, dass die Gasreste in der Vakuumröhre auf dem Wege des Ionenstosses eine Ionisierung erfahren ;
während der Strom durchgang innerhalb derjenigen Halbperioden, während weicher die Heizelektrode Kathode ist, lediglich durch die von der Heizelektrode herrührende Thermoionisation bedingt ist.
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mittleren Stärke des durch je eine Röhre hindurchtretenden gleichgerichteten Stromes und der mittleren Röhrenspannung ein dem in den Kurven nach Fig.
2 veranschaulichten ähnlicher
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zu schützende Leitungssystem höchste zulässige Stromstärke Jm nahe dem Knie der Kurve a liegt, so besteht die Gewissheit. dass der durch das Leitungssystem fliessende Strom keine wesentliche Steigerung erfahren kann, auch wenn, beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses in dem zu schützenden Leitungssystem, die Spannung an den Klemmen der Ventilröhren infolge des stärkeren Stromflusses zunimmt.
Ein vollkommener Schutz ist aber mit einer solchen Vakuumröhre noch nicht erreichbar, da bei einer zu hohen Spannungssteigerung und der dadurch bedingten Stromsteigerung in der Röhre ein plötzliches Weich werden der Röhre infolge unzulässiger Erhitzung der Elektroden, der Glasteile und dgl. eintreten kann. Das hat aber zur Folge, dass die Stromstärke in der Röhre plötzlich Beträge annimmt, die sowohl für die Anlage als auch für die Röhre selbst gefährlich sind.
Eine wesentliche Verbesserung wird erzielt, wenn die Vakuumröhren in ähnlicher Weise hoch evakuiert sind, wie dies beispielsweise bei den Coolidge-Röntgenröhren der Fall ist.
Beträgt nämlich der Gasdruck in der Röhre weniger als i p. oder sogar weniger als 0'1 11, so kann man von der Existenz der in der Röhre noch verbliebenen Gasreste praktisch vollkommen absehen und annehmen, dass eine Stossionisation nicht mehr zustandekommt. In solchem Falle verläuft die Stromstärke als Funktion der Spannung gemäss Fig. 3, d. h. es tritt bei Erreichung einer gewissen Mindestspannung E nun an den Klemmen der Röhre die Sättigungsstromstärke ein, und diese behält ihren Werte unverändert, wie hoch auch die Röhrenspannung E getrieben werden möge.
Mit solchen Vakuumröhren kann ein vollkommen zuverlässiger Schutz des Hochspannungsleitungssystems erzielt werden. Es sind dafür die Röhren so zu bauen, dass zwischen ihren Elektroden die volle Netzspannung bestehen kann. ohne dass sich ein Überschlag ausserhalb der Röhre durch die Luft von Elektrode zu Elektrode vollziehen kann. Dann kann selbst in dem Falle, dass das zu schützende Leitungssystem s (Fig. i) vollkommen kurz geschlossen und die Spannung an den Röhren demzufolge der Netzspannung gleich wäre, durch die Leitungen L kein stärkerer Strom als der Sättigungsstrom der Röhren zustandekommen.
- Solche Vakuumröhren eignen sich insbesondere gut für Wechselstromapparate geringer Leistung, zumal solche Röhren schon bisher für Sätügungsstromstärken ungefähr bis zu
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vornehmlich durch Vergrösserung der Heizelektrode und Erhöhung ihrer Temperatur erzielbar. Fig. 4 lässt eine derartige Vakuumröhre für grössere Stromstärken erkennen. Die Röhre ist in Seitenansicht, die Heizelektrode h noch besonders in Fig. 5 a in Vorderansicht gezeigt. Für den Schutz grösserer Anlagen kann man auch eine grössere Anzahl von Ventilröhren zueinander parallel schalten.
In vielen Fällen empfiehlt es sich, in den Heizstromkreis der Vakuumröhre einen Widerstand zu schalten, der zeitweilig von Hand oder selbsttätig (durch ein Maximalstrom-oder
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die Sättigungsstromstärke für die Dauer gewisser Zeiträume zu verändern.
Vorzüglich eignet sich auch der Gegenstand der Erfindung zum Schutz von Röntgenanlagen und Röntgenröhren, wobei die Vakuumröhre nicht nur als Sicherung, sondern auch noch in ihrer Eigenschaft als Ventilröhre gute Dienste leistet. Schaltet man mit einer Röntgenröhre eine solche Vakuumröhre in Reihe, aus der das Gas praktisch vollständig entfernt ist, und wählt man die Temperatur der Heizelektrode so hoch, dass die Sättigungsstromstärke der für die zu schützende Röntgenröhre zulässigen Höchststromstärke gleichkommt, so kann selbst in dem Falle, wenn die Röntgenröhre im Betriebe das Bestreben haben sollte, weich zu werden, kein stärkerer Strom in der Röhre zustandekommen, da dessen Anwachsen durch die vorgeschaltete Vakuumröhre gehindert ist.
Besonders empfehlenswert ist der Schutz durch eine vorgeschaltete Vakuumröhre für eine Coolidge-Röhre, die ohne Anordnung von einem Gleichrichter an eine Wechselstromquelle angelegt ist. Bekanntlich weist die Coolidge-Röhre, die an und für sich schon eine Vakuumröhre der beschriebenen Eigenschaften ist, eine starke Ventilwirkung auf, so dass sie bei unmittelbarem Anschluss an eine Wchselspannungsnetz von reinem Gleichstrom durchflossen wird. Diese Ventilwirkung besitzt die Coolidge-Röhre aber nur solange, als der Röhrenstrom nicht bestimmte Grenzen überschreitet, und die Antikathode der Röntgenröhre keine zu hohe Temperatur annimmt.
Dann kommt aber eine Thermoionisation auch durch die erhitzte Antikathode zustande, und durch die Röhre beginnt ein Wechselstrom zu fliessen, der eine weitere Temperatursteigerung der Antikathane und unter Umständen die Zerstörung der Röhre zur Folge hat. Diese Gefahr für die Röhre ist behoben, wenn mit ihr in Reihe eine Vakuumröhre geschaltet ist, bei der d. t- < Heisswerden der Anode durch entsprechende Mittel verhütet und
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die Temperatur der Heizelektrode so gewählt ist, dass der Sättigungsstrom gleich oder etwas niedriger als die für den Betrieb der Coolidge-Röhre zulässige Höchststromstärke ist.
Um auch eine Ventilwirkung der als Sicherung dienenden Vakuumröhre zu erzielen und ferner, um die Spannung an den Klemmen dieser Röhre möglichst niedrig zu halten, ist sie mit einer Anode grosser Oberfläche ausgestattet und diese in geringer Entfernung von der Kathode angeordnet.
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in Fig. 5 a in Seitenansicht gezeigte, als Heizspirale ausgeführte Kathode, a die in geringem Abstand davon angeordnete Anode. Bei der ersten Ausführungsform sind Anode und Kathode
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die beispielsweise nicht mehr als i bis 2 cm beträgt, ist zu dem Behufe gewählt, um die Spannung zwischen den Elektroden möglichst niedrig zu halten.
Die in der Heizspirale aufgewandte elektrische Leistung wird zweckmässig gross gewählt, da dadurch ebenfalls eine Herabsetzung der Spannung an den Klemmen der Vakuumröhre erzielt wird.
Zur Speisung der Heizelektrode, die zweckmässig eine aus Wolfram hergestellte Drahtspirale ist, kann eine Akkumulatorenbatterie, ein Gleichstromgenerator, oder noch besser ein Transformator oder ein von einem Transformator gespeister Umformer benutzt werden. Der Transformator und der Transformator mit Umformer bieten den Vorzug, dass die Regelung des Heizstromes ohne Gefährdung des Betriebspersonals im Niederspannungskreise des Transformators vorgenommen werden kann.
Die Vakuumröhre kann weiter als Sicherung gegen Überspannungen und zum Ableiten von starken elektrischen Ladungen in Leitungen benutzt werden. Man schaltet zu diesem Zwecke zwischen eine Hochspannungsleitung und die Erde parallel zueinander mit umgekehrten Polaritäten zwei Vakuumröhren und wählt die Temperatur der IIeizelektroden so niedrig, dass der durch die Röhren von der Leitung nach der Erde abfliessende Strom bei normalen Spannungen nur geringe Beträge annimmt, sich also weit unterhalb des Knies in den Kurven nach den Fig. 2 und 3 hält. Bei auftretender Überspannung wird dann eine starke, der Spannungssteigerung proportionale Steigerung des durch die Röhren nach der Erde abfliessenden Stromes eintreten.
Die Vakuumröhren wirken dann ähnlich, wie ein Wasserwiderstand oder Carbosilitwiderstand oder dgl., jedoch mit dem Unterschied, dass vermöge der Charakteristik der Röhren die Gefahr vermieden ist, dass der Strom über einen gewissen Grenzwert, nämlich die Sättigungsstromstärke, ansteigt.
Da bei solchen zur Ableitung von Überspannungen dienenden Vakuumröhren der Gesichtspunkt, den Spannungsabfall in der Vakuumröhre gering zu halten, nicht in Frage kommt, vielmehr solche Röhren stets der Betriebsspannung und gegebenenfalls noch höheren Spannungen ausgesetzt sind, muss bei diesen der Abstand der Kathode von der Anode sehr gross gewählt werden (Fig. 4).
Die Vakuumröhre kann auch als zeitweise wirkende Überspannungssicherung benutzt werden, wenn man dafür Sorge trägt, dass die Heizelektrode stets nur im Falle auftretender Überspannungsgefahr erhitzt wird. So kann z. B. die Einrichtung getroffen werden, dass jedesmal, bevor eine Fernleitung an das Hochspannungsnetz angeschlossen wird, durch die Ein-
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fähigt ist.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine solche Anordnung. Zwischen die eine
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steht ein Schalthebel c, der Kontakte Cl'c2 im Stromkreis der Batterien b1, b2 trägt. Solange die Fernleitungen LI, L2 stromlos ist. ist der Schalter c geöffnet. Wird der Hauptschalter S für den Anschluss der Fernleitungen LI, L2 an das Hochspannungsnetz N eingeschaltet, so wird in der ersten Phase seiner Bewegung ein Kontakt k1, k2, geschlossen und dadurch der Einschalte- magnet m1 an das Niederspannungsnetz n angeschlossen. Dieser Magnet bringt den Schalter c in die Einschaltestellung, in der er nunmehr vorläufig verbleibt.
Dabei sind nicht nur die Heiz-
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auch ein Kontaktpaar =1. leitend überbrückt und dadurch die Wicklung eines Zeitrelais z mit dem Netz it verbunden. Das Zeitrelais läuft in einer Zeit. die ein Vielfaches der Einschaltezeit des Hauptschalters S beträgt, beispielsweise in einer halben Minute, ab und schliesst dann den Stromkreis des Auslösemagneten m2 der nunmehr den Schalthebel c momentan wieder in die Ansschaltestellung bringt und damit auch den Stromkreis des Zeitrelais s öffnet. Die Heizspiralen der Vakuumröllen sind demnach für die Dauer der Tätigkeit des Zeitrelais z strom-
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durchflossen und die Röhren leitend.
Somit liegt für eine gewisse Zeitdauer, innerhalb der sich die Einschalteerscheinungen abspielen, ein Schutz gegen Überspannungen durch die Vakuumröhren vor. Beim Umlegen des Schalthebels c wird gleichzeitig mit dem Öffnen der Heizstromkreise auch der Stromkreis des Zeitrelais z wieder unterb ochen.
Die Vakuumröhren treten auch für die Dauer des selbsttätigen Ausschaltens der Fernleitungen Lt. L2 in Wirkung. Sowie sich nämlich ein auf den Auslösemagneten a des Hauptschalters S einwirkendes Maximalstromzeitrelais Z unter dem Einfluss eines Überstromes in Bewegung setzt, wird ein dem Kontaktpaar kt, k2 parallel geschaltetes Kontaktpaar dl, d2 geschlossen, so dass der Einschaltemagnet i1l1 wieder Strom erhält, den Schaltarm c wieder in die Einschaltstellung bringt und die Heizstromkreis der Röhren schliesst.
Da auch das Zeitrelais z in Tätigkeit tritt, so sind die Heizspiralen abermals für die Ablaufdauer des Relais z stromdurchflossen und die Vakuumröhren während dieses Zeitintervalles leitend und somit zur Ableitung von
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relais s grösser gewählt sein, als die Ablaufzeit des Maximalstromzeitrelais Z.
Die Einrichtung kann auch so getroffen werden, dass die Heizspiralen den zum Schutze gegen Wanderwellen benutzten Drosselspule, Kapazitäten oder Widerständen oder zu einem Teile dieser parallel geschaltet sind, so dass dann, wenn eine gewisse Spannungssteigerung an den Schutzdrosselspulen oder Schutzkapazitäten auftritt, die Heizelektroden erhitzt und dadurch die zwischen Leitung und Erde geschalteten Vakuumröhren leitend gemacht werden.
Auch kann bei Vakuumröhren, die zum Schutze gegen Überströme oder gegen Überspannungen dienen, die Einrichtung getroffen werden, dass durch ein auf Überströme oder Überspannungen ansprechendes Relais ein im Stromkreise der Heizspirale angeordneter Widerstand zeitweise eingeschaltet oder kurzgeschlossen wird, so dass der Sättigungsstrom entsprechend herabgemindert oder verstärkt wird. So empfiehlt es sich z. B. bei zum Schutze gegen Überströme dienenden Vakuumröhren für die Zeitdauer, wo beispielsweise ein Motor an- läuft, die Stromstärke in der Heizspirale und dadurch die Sättigungsstromstärke zu vermehren.
Auch lässt sich eine zwischen eine Hochspannungswechselstromleitung und Erde gc- schaltete Vakuumröhre mit einem zu ihr in Reihe geschalteten registrierenden Gleichstrommessgerät zur Aufzeichnung des zeitlichen Verlaufes von Überspannungen benutzen. Wie aus der Charakteristik der Vakuumröhre mit Heizelektrode (Fig. 2 und 3) hervorgeht, besteht bei im Vergleich zur Sättigungsstromstärke geringen Beträgen der Röhrenstromstärke zwischen dieser und der effektiven Röhrenspannung ein nahezu linearer Zusammenhang. Dieser ist bloss von der Heizstromstärke der Glühkathode abhängig. Wählt man diese konstant, so besteht zwischen der effektiven Röhrenspannung und der Stärke des durch die Vakuumröhre hindurchtretenden Gleichstromes eine eindeutige und nahezu lineare Beziehung. Also kann man die Röhrenstromstärke als Mass der effektiven Röhrenspannung ansehen.
Schliesst man zwischen die eine Leitung einer Hochspannungsanlage, und Erde eine Vakuumröhre mit Heizelektrode und mit ihr in Reihe ein Messgerät, das die Stärke des von der Vakuumröhre durchgelassenen Gleichstromes zu messen oder'auf einen ablaufenden Papierstreifen aufzuzeichnen gestattet, so können die Aufzeichnungen dieses Messgerätes als Mass für die Spannung angesehen werden, die zwischen jener Hochspannungsleitung und der E] de besteht, vorausgesetzt, dass die Vakuumröhre so bemessen ist, dass die Stärke des durch sie hindurchtretenden Stromes bei den Werten der zu messenden Spannung einen geringen Bruchteil der Sättigungsstromstärke ausmacht.
Solange die Spannung zwischen der Hochspannungsleitung und Erde normal ist, d. h. bei einer Einphasenstromanlage die Hälfte der Betriebsspannung beträgt und bei einer Drehstromanlage der Phasenspannung gleichkommt, tritt durch die Vakuumröhre ein Gleichstrom gleichbleibender Stärke hindurch und das registrierende Messgerät zeichnet eine zur Zeitachse parallele Gerade auf. Treten Erdschlüsse einzelner Hochspannungsleitungen oder Überspannungen auf, so tritt eine Änderung in der Röhrenstromstärke ein, die, wenn die Überspannungen nicht übermässig hoch sind, als annähernd richtiges Mass der auftretenden Spannungsspitzen angesehen werden können. Zweckmässig schaltet man zwischen jede der Hochspannungsleitungen und Erde *} e eine Vakuumröhre und in Reihe mit ihr je ein registrierendes Gleichstrommessgerät ein.
Man kann dann aus dem Vergleich der Aufzeichnungen dieser Messgeräte ohneweiters erkennen, ob Erdschlüsse der einzelnen Leitungen oder Überspannungen im Netz die Ursache der gemessenen Spannungsänderungen sind.
PATENT-ANSPRÜCHE : i. Sicherung von Hochspannungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutze gegen Überströme in die zu schützende Leitung und zum Schutze gegen Überspannungen zwischen die Leitung und Erde Vakuumröhren mit Heizelektrode geschaltet sind, wobei zweckmässig der Gasdruck in den Vakuumröhren weniger als der Druck einer Quecksilbersäule von 1 p., vorzüglich geringer als 0'1 tA Höhe beträgt.