DE1024143B

DE1024143B - Anordnung zum Abschalten eines Gleichstromkreises

Info

Publication number: DE1024143B
Application number: DES38938A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Werner Schmalenberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1954-04-30
Filing date: 1954-04-30
Publication date: 1958-02-13

Description

Die Erfindung bezieht sich auf solche Schalteittrichtungen mit Entladungsgefäß en, wobei in. diesen Entladungsgefäß en, für den, Ablauf des Sohaitvorgangeis von einer Änderung der Ionisierung des· Plasmas des Entladungsgefäßes· Gebrauch gemacht wird. Es ist im Rahmen dieser allgemein! gekennzeichneten Art vom: Schailteraiusführungeni eine Anordnung in Form eines sogenannten Pseudo-Vakuumschalters für hohe Spannungen bekanntgeworden, bei welchem in einem gasgefüllten Entladungsgefäß Elektroden in ihrer Lage zueinander derart verändert werden, daß sie in bekannter Weise als Schalter wirken, und wobei in für Röntgenröhren zur Steuerung des Pseudo*-Vakuums bekannter Weise in der Umgebung der Elektroden. Hilfselektroden so angeordnet und an: eine solche geeignete Spannungsquäle gelegt sind, daß sie nach Aufhebung des gegenseitigen Kontaktes der Hauptelektroden die Erscheinung des Pseudb-Hochvakuums hervorrufein, und dementsprechend den Entladungsvorgang zwischen den beiden Hauptelektroden unterbrechen. Bei dieser Anordnung bilden also die Elektroden der Entladungsstrecke im Hilfsgefäß zugleich die mechanisch zu trennenden Schaltkonitakte. Eine solche Anordnung bringt den Nachteil der Verdampfung von. Material der Schalterelektroden; mit sich, die zu einer allmählichen Metallisierung der Wände des Entladungsgefäßes führen wird. Bei ihr kann; die Wiederzündung der Trennstrecke der Schalterkonitakte in dem Entladungsgefäß durch die elektrostatische Aufladung der Wände des. Gefäßes im Sinne der Bildung eines Pseuido-Hochvakuums,, insbesondere wenn hohe Ströme beherrscht werden sollen, nicht mit Sicherheit vermieden werden.

Bei einer anderen bekannten Anordnung ist einem mechanischen Leistungsschalter ein Entladungsgefäß mit Glühkathode parallel geschaltet, wobei durch, die Öffnung des Leistungsschalters an der Anoden-Kathoden-Strecke des Entladungsgefäßes eine entsprechende; Spannung entsteht, die einen Strom¹ durch das Entladungsgefäß treibt. Der Gasdruck in dem Entladungsgefäß ist nun so bemessen, daß durch Stoßionisation eine genügende Menge positiver Ionen erzeugt wird, um die Raumladung an; der Kathode zu kompensieren, so daß zunächst ohne erheblichen Spannungsabfall sehr großen Strömen der Durchtritt gestattet ist. Der Restlgasdruck wird andererseits so niedrig gehalten, daß bei der Dichte des hindürchgeschickten Stromes das Gas durch die Ionisierung und Ionentransport in kürzester Zeit aufgezehrt wird, und mit der Verarmung des Entladeraumes an ionisierbaren Gasatomen bzw. Molekülen erfolgt ein außerordentlich rasches Absinken des Stromes auf einen sehr geringen Betrag, bei welchem ein entsprechend eingestellter Minimalschalter mit dem Anordnung zum Abschalten
eines Gleichstromkreises

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr.-Ing. Werner Schmalenberg, Berlin-Siemensstadt,
ist als Erfinder genannt worden

Unterschreiten! der Mindeststromgrenze diei Stromführung unterbricht.

Bei dieser, bekannten Anordnung¹ besteht die Gefahr, daß die beim Abschaltproizeß im Gefäß entstehende elektrische Verlustwärme zuir Gasabgabe an, den Gefäßteilen Anlaß geben kann, die dann eine Herabsetzung deis Druckes im Gefäß auf einen zur Abschaltung desselben notwendigen Minimalstrom. ausschließen, kann.

Gegenüber diesen bekannten Anordnungen besteht zur Vermeidung der bei diesen gegebenenfalls, auftretenden Mängel das Wesen der vorliegenden Erfindung bei einer Einrichtung zur Schaltung von, Gleichströmen, insbesondere bei hohen Spannungen, in welcher der Trennstrecke des mechanischen Leistungsschalter« ein Gasentladungsgefäß elektrisch parallel geschaltet ist und in der bei der Durchführung des Schaltvoirganges an dem Entladungsgefäß nach Öffnen des mechanischen Schalters der selbsttätige Ionenverarmungsvorgang der Entladungsistrecke durch den über sie fließenden! Strom ausgenutzt wird und: gegebenenfalls, nach der Herabsetzung auf den gewünschten Stromendwert die endgültige Öffnung des Stromkreises durch einen im, Leitungszug mit dem erwähnten mechanischen Schalter liegendien, Trennschalter vorgenommen wird, darin, daß das- Entladungsgefäß mit einer Gittersteuerung versehen ist, nach oder während der selbsttätigen Ionenverarmung unter Herabsetzung seines inneren Gasdruckes, durch eine besondere Evakuierung auf Hochvakuum gebracht und anschließend durch die Gittersteuerung in seiner Stromführung bis zu dem gewünschten, Stromendwert heruntergesteuert wird.

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Nach der Erfindung wird also an dem gleichen dere Zuleitung an dem Gefäß. Die Steuerung- dieser Entladungsgefäß von zwei zeitlich in Reite liegenden Neufüllung des Gefäßes und seine vorherige Abtrenverscbiedenen Arbeitsweisen! Gebrauch gemacht, näm- nung durch Schließen des Ventils erfolgen zweckl'ich erstens- als. gasgefülltes Entladungsgefäß, in mäßig vorzugsweise in Abhängigkeit von der Bewelchem die Ionisierung· der Gasfüllung verändert 5 tätigung der mechanischen Schaltorgane. Als Füllunwird, und zweitens als ein durch ein Gitter in seiner gen kommen vorzugsweise Edelgase, insbesondere die Stromführung gesteuertes Hochvakuumentladungs- schweren Edelgase, in Frage, wie z. B. Krypton und gefäß. Xenon. Diese Gase erfüllen dabei die Aufgabe, daß

Wenn zufolge der sinngemäßen Polung der an den sie erstens die Entladungsbahn für die Stromführung Elektroden der Entladungsstrecke des Gefäßes mit io genügend leitfähig machen. Zweitens sorgen- sie im dem Öffnen, des Leistungsschalters anliegenden elek- Falle einer in dem Gefäß benutzten Glühkathode datrischen Spannung der zu schaltenden Anlage die Ent- für, daß an dieser die Verdampfung des Kathodenladung in dem Entladungsgefäß eine Eige-n-Ionm- materials weitgehend behindert wird. Es können je-Verarmung der Entladungsstreicke und damit eine doch auch andere Stoffe für die Bildung der Gas-Gasdruckabsenkung nahe der Anode herbeigeführt 15 füllung des Gefäßes benutzt werden«, wenn sie die hat, indem die Ionen zur Kathode getrieben und an. Bedingung erfüllen, daß die positiven Ionen aus der dieser neutralisiert werden, wird zu einem geeigneten Entladungsstrecke in ausreichendem Maße und mit Zeitpunkt der Raum des Entladungsgef äßes auf Hoch- geeigneter Geschwindigkeit neutralisiert und dann vakuum gebracht, wofür er vorzugsweise über eine entfernt werden können. Wird: für die Bereitstellung Ventileinrichtung mit einem bereits auf Hochvakuum 20 der Ionen in der Entladungsstrecke z. B. Quecksilber befindlichen Raum in Verbindung gebracht wird, der benutzt, so muß durch eine ausreichende Anordnung an einer geeigneten] Pumpeinrichtung, wie z. B. Mole- von geeigneten Kondensationsflächen für eine gekular- bzw. Diffusionspumpe, angeschlossen ist und nügende Verringerung des Druckes des die Entladung eine solche Größe hat, daß nach dem öffnen des tragenden Gases bzw. Dampfes gesorgt werden. Als Ventils und dem erfolgten Druckausgleich zwischen 25 geeignete Kathode kann in diesem Falle z. B. eine dem Volumina, der beiden Gefäße der Gasdruck im solche benutzt werden, welche aus einem hoch-Entfcladungsraum den Wert von etwa 10—β Torr nicht schmelzenden Metall schwammigen oder breiigen überschreitet. Es entsteht also dann eine Spannung Charakters mit einer entsprechenden Anreicherung entsprechend dem t/f-Gesetz nach der Langmuiir- von Quecksilber besteht, wie etwa eine Molybdän-Formel an. der Anoden-Kathoden-Strecke des Ent- 30 Amalgam-Kathode.

ladungsgiefäßes, das nunmehr zum Hochvakuumgefäß Es kann also¹ erfindungsgemäß entweder ein Entgeworden ist. Durch entsprechende Steuerung des ladungsgefäß benutzt werden, welches mit Glüh-Gitters des Entladungsgefäßes wird der Strom der kathode arbeitet, oder ein solches mit kalter Kathode, Entladung in Richtung auf den Wert Null bis auf vorzugsweise mit Zündstiftsteuerung, diesen oder nahe diesem heruntergesteuert und als- 35 Die Erfindung ist vorzugsweise geeignet für die dann für den Abschluß des Abschaltvorganges der Beherrschung von, Abschaltvorgängen in. Gleichstrom-Leitung ein mit dem Leistungsschalter in Reihe hochspannutigsaiilagen, obwohl sie natürlich sinniiegender Trennschalter geöffnet, der für leistungs- gemäß auch für den Einschaltvorgang benutzt werden lose Schaltung oder als Leistungstrennschalter aus- kann. Zu diesem Zweck wird das zunächst auf Hochgebildet sein kann. Dem Leistungsschalter können. 40 vakuum befindliche Entladungsgefäß durch Schließen auch im Zuge der Leitung beiderseitig je ein Trenn,- des Trennschalters an die Leitung angeschlossen., schalter zugeordnet sein, wenn sinngemäß eine Ein- dann die Hochvakuumentladung durch die Gitterspeisung über den Leistungsschalter von, beiden steuerung hochges.teuert und anschließend die Füllung Seiten aus stattfinden kann. des Gefäßes mit Gas und dessen Ionisierung herbei-

Die Einleitung des. Ausschaltvorganges kann ent- 45 geführt. Nachdem auf diese Weise das Entladungsweder von Hand oder bei einem Schutzschalter in gefäß auf volle Stromdurchläsisigkeit gebracht ist, Abhängigkeit von elektrischen Betriebsgrößen, ins- wird der parallel zum Gefäß liegende Leistungsbesondere bei auftretenden Überströmen, erfolgen. schalter geschlossen, so daß der Strom auf den Lei-Das Gasentladungsgefäß kann dauernd vorbereitet stungsschalter übergeht und mit dem Zusammenbruch und an den Leistungsschalter angeschaltet sein oder 50 der am Gefäß liegenden Spannung die Entladung ererst für den Schaltvorgang auf diesen geschaltet wer- lischt.

den. Im Falle einer ausschließlich willkürlichen; Be- Die Erfindung ist sowohl in der Form anwendbar,

dienung kann, das Entladungsgefäß auch mit der daß die Schalteinrichtung nur für den Abschaltvor-Hanidbedienung der Steuereinrichtung der Schalt- gang mit dem Entladungsgefäß benutzt wird, wähleinrichtung betriebsbereit gemacht werden. Die Steue- 55 rend der EinschaltvO'rgang unmittelbar mit dem Leirung der Ventileinrichtung zwischen voTevakuiertem stungsschalter durchgeführt wird, als auch in der Raum und dem Raum des Entladungsgefäßes kann Form, daß der Leistungsschalter in Verbindung mit beim Schaltvorgang abhängig von der Bewegung des dem Entladungsgefäß sowohl für den Ausschalt- als mechanischen Schaltgestänges, von einem in Lauf ge- auch für den Einschaltvorgang angewendet wird, setzten Zeitwerk oder auch abhängig von der Span- 60 Zweckmäßig werden der vorevakuierte Raum, der nung an der Entladiungsstreicke erfolgen,. über das Ventil an den Raum des Entladungsgefäßes

Um das Entladungsgefäß wieder für einen neuen angeschlossen wird, und ebenso die an diesen äuge'S chaltvorgang bereitzustellen, muß sein zusätzlicher schlossene Pumpeinrichtung dauernd auf ihren, Be-Hoehvakuutnraium jeweils vorher durch Schließen des triebszustand überwacht, so daß irgendwelche Ventils- wieder abgetrennt werden und sein eigent- 65 drohende oder entstehende Fehler in der Betriebsliches Gasentladungsgefäß eine entsprechende Gas- bereitschaft der Anlage sofort, z. B. druckabhängig füllung erhalten. Diese Füllung kann entweder aus über eine Alarmeinrichtung akustischer oder/und einem dauernd am Gefäß vorgesehenen Vorratsbehäl- optischer Art eventuell in Verbindung mit einer meter erfolgen oder aus dauernd an oder in dem Gefäß chanischen Sperrung der Bedienungsein.richtung des vofgesehenen Vorratsbehältern oder über eine beson- 70 Schalters, gemeldet werden.

Eine beispielsweise Ausführung für die Anwendung der Erfindung¹ veranschaulicht -die Zeichnung. In dieser bezeichnet 1 die zu schaltende Leitung; 2 den Leistungsschalter, 9 den Trennschalter. Parallel zum Leistungsschalter 2 liegt daß Entladungsgefäß 3. Dieses besitzt eine Anode 3 a, ein steuerbareis Gitter 3 & und die Kathode 3 c. Der Raum des Entladungsgefäßes 3 ist durch eine Ventilplatte 4 mit einer Dichtung 4 α abgeschlossen. Durch das Öffnen des Ventils 4 kaan der Raum 3 d des Entladungsgefäßes in Verbindung gebracht werden mit einem hochevakuierten Behälter 5, an welchen bei 6 eine Evakuierungseinrichtung angeschlossen ist, z. B. eine Molekularpumpe bzw. eine Diffusionspumpe. 7 bezeichnet eine an den Raum 3 c? des Entladungsgefäßes angeschlossene Leitung, durch welche hindurch nach Betätigung eines Ventils 8 dem Raum 3 d wieder eine gewisse dosierte Menge Edelgas zugeführt weiden kann. Die Abbildungen zeigen die Anordnung im abgeschalteten Zustand. Für die Durchführung eines Abschaltvorganges sind die beiden Schalter 2 und 9 geschlossen zu denken. Bei einer bedienungsmäßigen oder selbsttätigen Abschaltung wird der Leistungsschalter 2 geöffnet. Das Gefäß 3 war entweder für die Beherrschung eines selbsttätigen Abschaltvorga,nges dauernd betriebsfähig gehalten oder nur für eine bedienungsmäßige Schaltung vorher für seinen Betrieb als Gasentladungsgefäß vorbereitet. Es ist daher mit der Öffnung des Schalters 2 zur Übernahme des Stromes· von dem Schalter 2 vorbereitet. Mit der öffnung des Schaltens- 2 entsteht an der Anoden,-Kathoden-Strecke des Gefäßes 3 eine Spannung für die Bildung einer Entladung. Die Folge ist, daß bei der vorliegenden Polung des Gefäßes die Ionen aus der Entladungsstrecke auf die Kathode 3 c zu getrieben werden. An dieser werden sie neutralisiert. Nach dem Öffnen des Ventils 4, was in Abhängigkeit von dem öffnen des Schalters 2, gegebenenfalls mit einer gewissen Zeitstaffaking, erfolgen kamm, können die neutralisierten Ionen bzw. Gasatoune des Gasiinhalts des Gefäßes in den bereits auf Hochvakuum gebrachten Behälter 5 expandieren und werden über den Anschluß 6 aus diesem Raum abgesaugt. Mit der Verarmung der Entladungsstrecke an Ionen steigt die Spannung an der Anoden-Kathoden-S trecke, und zwar auf den Wert entsprechend dem Langmuirschen Uf-Gesetz. Nunmehr wird der Strom in der Entladungsstrecke durch deren Steuerung mittels des Gitters wie bei einem Hoohvakuumgefäß in Richtung auf den Wert Null bzw. nahe Null herabgesteuert. Nachdem der Strom über das Gefäß 3 nunmehr Null oder praktisch Null geworden ist, wird der Trennschalter 9 geöffnet, und der Abschaltvocgang ist vollendet. Mit dieser Vollendung des Ahscbaltvorgianges wird schaltabhängig das Ventil 4 wieder geschlossen und zweckmäßig unmittelbar der Raum 3 d des Entladungsgefäßes 3 durch entsprechende Betätigung· des Ventils 8 mit einer neuen Edelgasdosierung beschickt.

Claims

Patentansprüche: 60

1. Einrichtung zur Schaltung von Gleichströmen, insbesondere bei hohen Spannungen, wobei der Trennstrecke des mechanischen Schalters ein Gasentladungsgefäß elektrisch parallel geschaltet ist unid bei der Durchführung des Schaltvorganges an. dem. Entladungsgefäß nach Öffnen des mechanischen Schalters der selbsttätige IonenverarmunigsvoTgang der Entladungsstrecke durch den über sie fließenden Strom ausgenutzt und gegebenenfalls nach der Herabsetzung auf den gewünschten Stromendwert die endgültige öffnung des> Stromkreises durch einen im Leitungszug mit dem erwähnten mechanischen Schalter liegenden Trennschalter vorgenommen wird, dadurch gekennizeichniet, daß das Entladungsgefäß mit einer Gitteristeuerung versehen ist, nach oder während der selbsttätigen Ionenverarmung unter Herabsetzung seines inneren Gasdruckes durch besondere Evakuierung auf Hochvakuum gebracht und anschließend durch die Gittersiteuerang in seiner Stromführung bis. zu dem erwünschten Stromendwert heruntergiesteuert wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasentladungsgefäß für seine Evakuierung über eine Ventileinrichtung schaltabhängig und/oder zeitabhängig oder abhängig von der Anoden-Kathoden-Spanniung mit einem bereits auf Hochvakuum befindlichen Raum in Verbindung gebracht wird, an den eine Evakuieruingseinrichtunig angeschlossen ist für eine Druckabsenkung in seinem Raum auf etwa 10~⁶ Torr oder weniger.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung in Abhängigkeit von dem Schalt Vorgang nach dem Öffnen des Leistungsschalters mit einer gewissen unabhängigen, oder abhängigen Zeitverzögerung geöffnet wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in oder an dem Gefäß eine Einrichtung vorgesehen ist für die erneute Beschikkung des- Entladungsraumes mit einer dosierten neuen Gasmenge, mechanisch oder elektrisch' abhängig vom Ablauf eines Ausschalt- oder Einschaltvorganges des Leistungsschalters oder Trennschalters.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gasfüllung des Entladungsgefäßes. vorzugsweise eine Edelgasfüllung, insbesondere der schwereren Edelgase, wie Krypton oder Xenon, benutzt wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichniet, daß als Entladungsgefäß ein Glühkathodengefäß benutzt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gefäß mit kalter Kathode, vorzugsweise mit Zündstiftsteuerung, benutzt wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kathode eine Molybdän,-Amalgam-Kathode benutzt wird.

9. Einrichtung mach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathode derart ausreichende besondere Kondensationsflächen zugeordnet sind, welche die beim Entladungsvorgang entstehenden, Verdampfungsprodukte der Kathode vor Eintritt in die Entladungsstrecke wieder kondensieren.

10. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand des· hochevakuierten Raumes und der Pumpeinrichtung überwacht und ein entstehender Fehler durch eine Meldeeinrichtung akustischer und/oder optischer Art oder/und durch eine mechanische Sperre angezeigt wird.

11. Verfahren zur Durchführung eines Einschaltvorganges mit einer Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zunächst auf Hochvakuum befindliche Entladungsgefäß durch Schlie-

ßen des Trennschalters an die Leitung angeschlossen, die Hochvakuunientladung durch die Gittersteuerung hoehgesteuert, die Füllung des Gefäßes mit Gas und dessen Ionisierung herbeigeführt unid schließlich der Leistungsechalter geschlossen wird, wonach der Strom auf den, Lei-

stungs schalter übergeht und das Entladungsgefäß erlischt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 612 049, 601 265; französische Patentschrift Nr. 555 572.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen