DE1464724C3 - Hochspannungs-Gleichrichteranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine abgeschirmte Hochspannungs-Gleichrichteranordnung in Säulenform mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Gleichrichterelementen, die auf der Außenseite eines Isolierrohres in schraubenlinienförmiger Anordnung befestigt sind, und mit an beiden Enden der Säule angeordneten, mit Anschlüssen versehenen Abschirmkappen, die mit den freien Anschlußklemmen des ersten bzw. letzten Gleichrichterelementes elektrisch verbunden sind.

Bei einer bekannten Gleichrichteranordnung dieser Bauart sind die Gleichrichter innerhalb eines das Isolierrohr schraubenlinienförmig umschlingenden Isolierstoffgehäuses untergebracht, wobei die einzelnen Schraubengänge des Gehäuses durch Abstandhalter getragen werden, um eine Kühlluftströmung zwischen den einzelnen Gängen zu ermöglichen.

Außerdem ist es auch bereits bekanntgeworden, eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Gleichrichterelementen zusammen mit zu diesen parallel geschalteten Widerständen einzeln in schraubenlinienförmiger Anordnung auf einem vorzugsweise ebenfalls aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Rohr zu befestigen, das zum Zwecke der Kühlung in einem flüssigkeitsgefüllten Behälter untergebracht ist.

Die Aufreihung der Gleichrichterelemente in dieser Weise wirkt wie eine konzentrierte Leitung mit konstanter Verzögerung, wo Spannungen mit geringerer Anstiegsgeschwindigkeit zwischen den Gleichrichterzellen durch einen Parallelwiderstand geteilt werden, während Spannungen mit sehr hoher Anstiegsgeschwindigkeit durch Parallelkondensatoren ausgeglichen werden. Die Widerstände bewirken auch eine Dämpfung der sich durch den hohen Anstieg ergebenden Hochfrequenzanteile in gleichfalls in an sich bekannter Weise parallel geschalteten Kondensatoren. Es hat sich gezeigt, daß beim Auftreten von Spannungsstößen mit steiler Front trotzdem unerwartete Beschädigungen einzelner Gleichrichterelemente innerhalb der schraubenlinienförmigen Reihe auftreten.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Ursache dieser unerwarteten Fehler die willkürlich verteilte Kapazität ist, die die einzelnen Gleichrichterelemente mit Erde koppelt. Da außerdem die Induktivitäten der einzelnen Gleichrichterelemente miteinander gekoppelt sind, ergibt sich eine weitere Komplizierung der Verhältnisse beim Auftreten von Stoßspannungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Spannungsverteilung längs der in Reihe geschalteten Gleichrichterelemente zu verbessern und möglichst linear zu gestalten, um beim Auftreten von außergewöhnlichen Betriebszustäriden, insbesondere beim Auftreten von Stoßwellen, die Beschädigung einzelner Gleichrichterelemente der Reihe durch Überbeanspruchung zu vermeiden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Gleichrichteranordnung der eingangs genannten Bauart dadurch gelöst, daß jedes Gleichrichterelement außenseitig von je einer unter der Spannung einer der Anschlußklemmen des jeweiligen Gleichrichterelementes stehenden metallischen Platte abgeschirmt ist.

Hierdurch ergibt sich eine definiert verteilte Kapazität, über die die hochfrequenten Komponenten steiler Stoßwellen ungehindert abfließen können, ohne eine Beschädigung einzelner Gleichrichterelemente hervorzurufen. Es ergibt sich hierdurch eine genau festgelegte Potentialverteilung, und die Abschirmung selbst ist über eine verteilte Kapazität mit Erde verbunden, wobei diese Kapazität keine Verschiebungsströme durch die Einzelgleichrichterelemente führt. Demgemäß wird beim Auftreten von Stoßwellen die Spannungsverteilung zwischen den Gleichrichtern durch die Spannung zwischen den Klemmen bestimmt, die ihrerseits bestimmt wird durch die Parallelschaltungen von Widerstand und Kondensator jedes einzelnen Gleichrichterelementes.

Die erfindungsgemäße Ausbildung von individuellen Abschirmplatten für jedes Gleichrichterelement ergibt außerdem eine sehr günstige Kühlwirkung, weil durch die Abschirmplatten die abstrahlende Oberfläche vergrößert und die Kühlluftführung zwischen den einzelnen Elementen verbessert wird. Es ist zwar bei derartigen Gleichrichteranordnungen bereits bekannt, Kühlrippen zur Verbesserung der Wärmeabfuhr anzuordnen, jedoch waren diese nicht in Form verteilter Kapazitäten bzw. Abschirmungen vorgesehen.

Eine besonders günstige und gleichförmige Spannungsverteilung ergibt sich, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Abschirmplatten Teile eines konzentrisch zu dem Isolierrohr liegenden Hohlzylinders bilden, der durch formmäßig angepaßte kappenförmige Abschirmungen an beiden Seiten abgeschlossen wird.

Die Ränder der Abschirmplatten sind vorzugsweise einerseits der durch die Anordnung der Gleichrichterelemente gebildeten Schraubenlinie angepaßt und andererseits unter Belassung eines schmalen Spaltes zwischen den benachbarten Abschirmplatten angeordnet. Hierdurch ergeben sich gleichmäßig breite Spalte zwischen den Platten, wodurch eine günstige und im wesentlichen homogene Feldverteilung zustande kommt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Gleichrichtersäule durch ein Gebläse gekühlt, das einen Luftstrom in axialer Richtung an der Säule entlangstreichen läßt. Dabei gewährleisten die einen zylindrischen Außenmantel mit Schlitzen bildenden Abschirmplatten eine günstige Strömungsführung und Wärmeableitung über die Kühlluft zwischen den Platten nach außen hindurch.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann zum Zwecke der Kühlung die Säule auch in einem hohlzylindrischen, ölgefüllten Behälter untergebracht werden, wie dies an sich bekannt ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine weitere Abschirmung in Gestalt eines die Säule konzentrisch umgebenden isolierenden Rohres vorgesehen, das innenseitig einen metallischen Streifenbelag in schraubenlinienförmiger Gestalt aufweist, der den Abschirmplatten der Gleichrichterelemente gegenüberliegt. Es ist zwar bei einer gattungsmäßig anders aufgebauten Gleichrichtersäule bereits bekannt, innerhalb eines ölgefüllten Behälters Abschirmungen vorzusehen, jedoch konnten diese nicht zu der durch die Erfindung angestrebten Spannungsverteilung führen. Demgegenüber unterstützt die schraubenlinienförmige Auskleidung des Außenrohres die Wirkung der einzelnen Abschirmelemente der Gleichrichterelemente im Sinne einer Verbesserung der Stoßspannungsverteilung.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist jedes Gleichrichterelement von einem U-formigen

Träger gehaltert, der mit einem Schenkel am Isolierrohr befestigt ist und am anderen Schenkel die Abschirmplatte trägt. Hierdurch ergibt sich eine einfache und sichere Halterung der Abschirmplatten bei günstiger Kühlluftführung und sicherer Isolation. Dabei weist der U-förmige Träger zweckmäßigerweise im Mittelstück eine Vertiefung auf, in welche ein Einsatzstück eingelötet ist, das mittelbar das Gleichrichterelement trägt.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer einseitig abgestützten Gleichrichtersäule,

F i g. 2 eine der F i g. 1 entsprechende Ansicht einer unten und oben abgestützten Gleichrichtersäule,

Fig. 3 eine Seitenansicht der Gleichrichtersäule mit den einzelnen Abschirmelementen,

F i g. 4 eine schematische Darstellung der Gleichrichtersäule mit Abwicklung zur Veranschaulichung der Spannungsverteilung,

t f, F i g. 5 eine Schnittansicht der Befestigungsanordnung für die einzelnen Gleichrichterelemente,

Fig. 6 einen Teilquerschnitt der erfindungsgemäßen Gleichrichtersäule,

Fig. 6a in perspektivischer Ansicht eine Halterung eines Gleichrichterelementes,

Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie 7-7 gemäß Fig. 6,

Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie 8-8 gemäß Fig. 7,

Fig. 9 eine Seitenansicht einer Gleichrichtersäule mit Befestigungsschrauben,

Fig. 10 eine der Fig. 6 entsprechende Querschnittsansicht,

Fig. 11 einen Schnitt nach der Linie 11-11 gemäß Fig. 10,

Fig. 12 eine Seitenansicht eines Gleichrichterelementes,

Fig. 13 eine Reihenschaltung mehrerer Säulen.

Fig. 1 und 2 zeigen eine Gleichrichtersäule in Gestalt eines Zylinders 10, der an einem Ende eine Abschirmkappe 11 mit einem Anschlußleiter 12 und am *- anderen Ende eine Abschirmkappe 13 mit einem Anschlußleiter 14 aufweist. Über einen Stützisolator 15 ist die Säule gemäß F i g. 1 am Boden 16 abgestützt, während die Säule gemäß F i g. 2 am Boden 27 über einen Stützisolator 25 abgestützt ist und an der Decke 26 durch einen Isolator 24.

Die Abschirmkappen II und 13 sind gut abgerundet, um Glimmentladungen und das Überschlagen von Funken zwischen der Säule und ihrer Umgebung zu verhindern.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, wird die Gleichrichteranordnung von einem Isolierrohr 30 getragen, apf dem die einzelnen Gleichrichterelemente 33 bis 38 in schraubenlinienförmiger Anordnung festgelegt sind. Die Gleichrichteranordnung kann z. B. 100 Gleichrichterelemente in Reihenschaltung aufweisen.

F i g. 4 zeigt im unteren Teil eine abgewickelte Ansicht, um die Verteilung der Bohrlöcher zum Aufnehmen der Gleichrichterelemente erkennen zu lassen. Außerdem ergibt sich die Spannungsverteilung auf der= Rohroberfläche. Di_e Eintragungen P 0 bis P 36 bezeichnen die Spannungspegel längs der Kette von Gleichrichterelementen, die über Verbindungen in Reihe geschältet sind, welche von Schrauben ausgehen, die in Löcher des Rohres eingebaut sind, wodurch jede Schraube auf einem bestimmten Spannungswert steht, wie dies aus den Zahlen ersichtlich ist. Die Linien 39 bezeichnen in F i g. 4 eine auf der Rückseite des Rohres liegende Mittellinie.

Wenn nach dem Beispiel gemäß F i g. 4 die maximale Spannung bei einem Gleichrichterelement 600 V beträgt, kann der Abstand zwischen den paarweise einander zugeordneten Schrauben auf der Oberfläche

ίο etwa 3,8 mm betragen, was einem Oberflächengradienten von etwa 160 V/cm entspricht.

Vergleicht man die obere Reihe der ersten Windung der Schraubenlinie, die durch die Punkte PO bis P 5 gebildet wird, mit der unteren Reihe P 5 bis Pll der nächsthöheren Windung, so erkennt man, daß eine stetige Erhöhung der Spannung zwischen der unteren und oberen Reihe auftritt, wobei der gleiche Spannungsunterschied und der gleiche Gradient zwischen beiden Windungen gegeben ist. Infolgedessen verlaufen die elektrischen Kraftlinien praktisch parallel zueinander, und auch die die Punkte gleicher Spannung verbindenden Linien sind unter sich parallel.

F i g. 5 zeigt eine der in der Wand des Isolierrohres 30 angeordnete Öffnung, die ein vernietetes Einsatzstück 41 aufnimmt, in das eine Befestigungsschraube

45 eingedreht werden kann. Durch Eindrehen der Befestigungsschraube wird im Inneren des Rohres ein Wulst 46 angestaucht, wodurch über eine Sicherungsscheibe 44 Laschen 42, 43 über den nach außen ausgebreiteten Flansch 46 a des Einsatzstückes 41 abgestützt werden können. Nachstehend wird die Traganordnung für die Gleichrichterelemente unter Bezugnahme auf F i g. 6 bis 8 beschrieben.

Jedes Gleichrichterelement wird von einem U-förmigen Träger 46 gehaltert, der aus F i g. 6 a ersichtlich ist. Er besitzt im Mittelstück eine Vertiefung

46 a, in welche ein Einsatzstück 48 eingelötet werden kann, das mittelbar das Gleichrichterelement 47 trägt. Der Träger 46 besitzt zwei Befestigungszungen 46b, 46c, wobei die Zunge46c dem in Fig. 5 mit 42 bezeichneten Element entspricht. Jede der beiden Zungen weist eine Öffnung auf, um eine Festlegung am Isolierrohr zu ermöglichen.

Der andere Schenkel 46 d haltert jeweils die metallische Abschirmplatte 50. Gemäß F i g. 8 stehen die Zungen 46 & und 46 c auf der Spannung P.„ wenn diese Spannung die Spannung des Halters ist. Der unter der Spannung P₁ stehende Träger ist in F i g. 6 strichliert angedeutet und umfaßt das Element 50 a, während der unter der Spannung P₃ stehende Halter 506 strichliert angedeutet ist. Die durch Punktverschweißung oder Hartlöten an dem Arm46</ des Trägers 46 festgelegte Abschirmplatte 50 besteht ebenso wie der Träger 46 aus Kupfer oder einem anderen Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit, und diese Abschirmplatten 50 wirken nicht nur als Abschirmung, sondern auch als Kühlrippe für die .Gleichrichterelemente 47. Gemäß Fig. 8 richtet sich die Form jeder Abschirmplatte 50 nach der Notwendigkeit, diese längs einer Schraubenlinie so zu verteilen, daß sich geringe und gleichmäßige Abstände zwischen den Platten ergeben und keine Vorsprünge oder scharfen Ecken vorhanden sind. Die Abschirmplatten liegen auf einem konzentrisch zum Isolierrohr liegenden Kreiszylinder.

Die Anode jedes Gleichrichterelementes 47 ist mit einem Anodenänschlußstreifen 49 versehen, der eine

Verbindung zwischen der Anode einer Gleichrichterzelle 47 und der Befestigungsschraube (Kathode) des benachbarten Gleichrichterelementes herstellt. Diese elektrische Verbindung besitzt einen geringen ohmschen Widerstand und einen geringen Wechselstromwiderstand, und eine von Pl ausgehende Wanderwelle läuft somit über die kurzen Verbindungsstücke, die klar abgegrenzt und für alle Vorrichtungen innerhalb der Gleichrichtersäule gleichartig ausgebildet sind. ίο

F i g. 9 läßt erkennen, wie die Befestigungsschrauben von außen her zugänglich sind. Die Befestigungsschrauben 65, 66 liegen jeweils zwischen zwei Abschirmplatten 63 und 64, so daß die Schrauben durch den Spalt zwischen den Abschirmungen hindurch zugänglich sind.

Eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gleichrichteranordnung ist in den Fig. 10 bis 12 dargestellt. Hierbei werden Gleichrichterelemente 70 benutzt, die eine größere Strombelastung haben als die Gleichrichterelemente nach der Ausführungsform nach F i g. 6 bis 8.

Das Gleichrichterelement 70 besitzt eine mit Gewinde versehene Kathode 70 α, die mittels einer Mutter 74 und einer Beilagescheibe 75 in einer Bohrung des Trägers 71 festgelegt ist. Jedes Gleichrichterelement weist einen Überbrückungswiderstand 72 auf, der über eine Zuleitung 72a mit dem Halter verbunden ist. Mit der Anodenleitung 73 ist die andere Zuleitung 726 des Widerstands 72 verlötet. In Fig. 11 ist schematisch ein Kondensator 72 c dargestellt. Wie bei der Ausführungsform nach F i g. 6 bis 8 ist auch bei der Ausführungsform nach Fig. 10 bis 12 jedes Gleichrichterelement mit einer Abschirmplatte 79 versehen. Die Anodenleitung 73 ist mit der Anode des Gleichrichters über eine Schraube 76 verbunden (Fig. 12).

Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform für besonders hohe Spannungen. Hier sind drei übereinanderliegende Gleichrichtersäulen 80, 81, 82 vorgesehen, die von einem Isolierstoffrohr 83 umgeben sind. Dieses Rohr 83 trägt einen Innenbelag 83 a, der schraubenlinienförmige Gestalt hat und so angeordnet ist, daß seine Windungen den Abschirmplatten gegenüberliegen.

Hierbei ist das Spannungsfeld zwischen den beiden Schraubenlinien parallel, wobei ein gleich großer Spannungsunterschied zwischen jeder der einzelnen Abschirmplatten der Gleichrichterelemente und den diesen gegenüberliegenden Teilen der äußeren Schraubenlinie vorhanden ist. Dieses System erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn der Abbau von Stoßwellen Schwierigkeiten macht und wenn außerordentlich hohe Spannungen auftreten, die die Leistung der Gleichrichtersäule infolge einer ungleichmäßigen Kapazitätsverteilung gefährden.

Die Verwendung der schraubenlinienförmigen Widerstandsabschirmung 83 α erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn mehrere Hochspannungsgleichrichtersäulen in einer Flüssigkeit und in geringern Abstand voneinander angeordnet werden. Die ungleichmäßige Spannungsverteilung und die ungleichen Spannungsradienten treten dann zwischen den Außenflächen der Widerstandsabschirmungen und nicht zwischen den einzelnen Gleichrichtersäulen auf, so daß die einzelnen Gleichrichteranordnungen von den übermäßigen Spannungen entlastet werden, welche durch ungleichmäßige Spannungsverteilungen hervorgerufen werden, die als Folge eines äußeren elektrischen Feldes auftreten.

Gemäß Fig. 13 werden die einzelnen Gleichrichtersäulen 80,81 und 82 innerhalb des Rohres 83 über Abstandsstücke 84, 85, 86, 87 gehaltert, die beispielsweise als Armsterne ausgebildet sind, so daß ein Kühlmittel durch die Säule strömen kann.

Das den Überzug 83 α bildende Widerstandsband, das mit den Gleichrichtersäulen 80 bis 82 parallel geschaltet werden muß, kann dadurch zusammenhängend angeschlossen werden, daß die Abstandsstücke 84 bis 87 als Kontakte zwischen den Gleichrichtersäulen und der Widerstandsabschirmung wirken.

Eine obere abgerundete Elektrode 88 schließt den Säulenaufbau oben ab, um Koronaentladungen oder Funkenüberschläge zu verhindern. Das untere Ende des Säulenaufbaus ruht auf einem Stützisolator 89. Dieser Isolator 89 ist hohl ausgebildet und ruht auf einem Gehäuse 90, in welchem ein Kühlgebläse 91 angeordnet ist, welches einen Kühlluftstrom von unten nach oben in Richtung des Pfeiles 92 die Säulenanordnung durchströmen läßt. {

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Abgeschirmte Hochspannungs-Gleichrichteranordnung in Säulenform mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Gleichrichterelementen, die auf der Außenseite eines Isolierrohres in schraubenlinienförmiger Anordnung befestigt sind, und mit an beiden Enden der Säule angeordneten, mit Anschlüssen versehenen Abschirmkappen, die mit den freien Anschlußklemmen des ersten bzw. letzten Gleichrichterelementes elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gleichrichterelement außenseitig von je einer unter der Spannung einer der Anschlußklemmen des jeweiligen Gleichrichterelementes (47, 70) stehenden metallischen Platte (50, 79) abgeschirmt ist.

2. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmplatten (50) Teile eines konzentrisch zu dem Isolier- i rohr (30) liegenden Hohlzylinders bilden, der ^ durch formmäßig angepaßte kappenförmige Abschirmungen (11, 13) an beiden Seiten abgeschlossen wird.

3. Gleichrichteranordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der Abschirmplatten (50) einerseits der durch die Anordnung der Gleichrichterelemente gebildeten Schraubenlinie angepaßt und andererseits unter Belassung eines schmalen Spaltes zwischen den benachbarten Abschirmplatten angeordnet sind.

4. Gleichrichteranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Säule durch ein Gebläse (91) gekühlt ist, das einen Luftstrom in axialer Richtung an der Säule entlangstreichen läßt.

5. Gleichrichteranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck der Kühlung die Säule in einem hohlzylinderförmigen, ölgefüllten Behälter untergebracht ist.

6. Gleichrichteranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine

weitere Abschirmung in Gestalt eines die Säule (10) konzentrisch umgebenden isolierenden Rohres (83) vorgesehen ist, das innenseitig einen metallischen Streifenbelag (83 a) in schraubenlinienförmiger Gestalt aufweist, der den Abschirmplatten der Gleichrichterelemente gegenüberliegt.

7. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gleichrichterelement von einem U-förmigen Träger (46) gehaltert ist, der mit einem Schenkel am Isolierrohr (30) befestigt ist und mit dem anderen Schenkel die Abschirmplatte (50) trägt.

8. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der U-förmige Träger (46) im Mittelstück eine Vertiefung (46a) aufweist, in welche ein Einsatzstück (48) eingelötet ist, das mittelbar das Gleichrichterelement (47) trägt.

9. Gleichrichteranordnung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der am Isolierrohr (30) befestigte Schenkel des U-förmigen Trägers (46) zwei Zungen (46 b, 46c) aufweist, von denen die eine über ein Anschlußstück (49) mit dem benachbarten Gleichrichterelement elektrisch verbunden ist.

10. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die die Zungen des U-förmigen Trägers (46) am Isolierrohr (30) festlegenden Schrauben (65, 66) in dem zwischen je zwei benachbarten Abschirmplatten (50) befindlichen Spalt angeordnet sind.

11. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrauben in Gewindehülsen (41) eingeschraubt sind, die ihrerseits in Löchern des Isolierrohres (30) vernietet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

409 634/342