DE1763486B1

DE1763486B1 - Gleichstrom hochspannungsanlage

Info

Publication number: DE1763486B1
Application number: DE19681763486
Authority: DE
Inventors: Michel Chevalier; Jerome Huret; Raymond Rocherolles
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1967-06-09
Filing date: 1968-06-10
Publication date: 1971-11-18
Also published as: US3515976A; JPS4819445B1; BE716231A; FR96615E; DE1952969A1; BE740507A; LU56225A1; FR1539724A; FR1534061A; GB1209228A; CH474178A; NL6915862A; NL6807994A; GB1234160A; LU59694A1; CH499906A; SE350376B

Description

^: 1 2

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichstrom- stärken· geschützt sein, die permanente_r örtliche Hochspannungsanlage mit einer Versorgungseinheit »Mikfomagnetisierungen« erzeugen' könnten. Ein und einer Verbrauchereinheit, die je in ein Gehäuse derartiger Schutz kann durch einen Widerstand eingeschlossen sind, und mit einem elektrischen gewährleistet sein, der zwischen dem Punkt höchster Widerstand, der diese Einheiten am oberen Teil mit- 5 Gleichspannung der Gleichstromversorgungseinheit einander verbindet. Diese Anlage soll vor allem und dem entsprechenden Punkt der Verbrauchereinbesonders strengen Sicherheitsvorschriften und Be- heit eingeschaltet ist. Bei Auftreten eines Kurztriebsbedingungen genügen. Schlusses oder eines Überschlags in der Verbraucher-

Es ist bekannt, derartige Anlagen in Form von einheit ergibt sich durch den beginnenden Stromfluß Säulen zu bauen. Die Speisung besteht dabei aus io ein plötzlicher Spannungsabfall im Widerstand. Da-

mindestens einer, im allgemeinen jedoch aus drei durch wird verhindert, daß ein Überstrom zu fließen

Säulen, die auf der Höhe des Erdbodens einen Trans- beginnt und Schaden anrichtet. Beispielsweise absor-

formator haben, der mit einem Wechselspannungs- biert ein Widerstand von 200 kQ, der bei einem

netz verbunden ■ ist, das der Sekundärseite eine Strom von 300 μΑ einen Spannungsabfall von 60 V Spannung von einigen Zehntausend Volt einspeist, 15 hat, 3 MV bei einem Strom von 15 A. Dies ist also

und einer Folge von in der Höhe gestaffelten Stufen, ein asymptotischer Grenzwert, denn in Wirklichkeit

die im allgemeinen aus Gleichrichter- und Konden- ist der Spitzenstrom in einem solchen Fall bei einem

satorkombinationen bestehen. Diese Kombinationen einwandfreien Betrieb des Widerstandes auf einen

liefern eine Gleichspannung, die von Stufe zu Stufe viel niedrigeren Wert begrenzt, während ohne diesen mindestens ungefähr arithmetisch zunimmt. Die Ver- 20 schützenden Widerstand der Überstrom einen sehr

brauchereinheit wird an ihrem höchsten Punkt ge- hohen und schädlichen Wert erreichen würde.

speist, der ungefähr ebenso hoch liegt wie der der Ein derartiger Widerstand spielt auch eine Rolle

Versorgungseinheit, und das Potential fällt zum Erd- beim Glätten des gleichgerichteten Stroms. Man

boden hin ab, an dem es wieder Null ist. bildet hier einen ».RC«-Tiefpaßfilter mit den Kapazi-

Derartige Anlagen sind von einem äquipotentiellen 25 täten der Anlage, nämlich entweder Parasitärkapazi-

Metallraum umschlossen. Der Zwischenraum zwi- täten oder Kondensatoren.

sehen der Wand dieses Raums und der Anlage, ins- , Ein . derartiger Widerstand kann seine Aufgabe besondere denjenigen Punkten der Anlage, die das jedoch nur erfüllen, wenn zwischen der Versorgungshöchste Gleichspannungspotential haben, muß so ' einheit und der Verbrauchereinheit keine Direktgroß sein, daß kein Funkenüberschlag auftreten 3° koppelung vorhanden ist. Aus den vorstehenden kann. Da die Durchschlagsspannungen etwa mit dem Ausführungen ist ersichtlich, daß bei den oben dar-Logarithmus des Zwischenraums zunehmen, erhält gestellten Konstruktionen einer in einem Gas wie man also bei Spannungen der Größenanordnung von Schwefelhexafluorid arbeitenden Anlage für sehr 1 bis 1,5 MV noch annehmbare Abmessungen für hohe Spannung eine derartige Kopplung unvermeidden Schutzraum. Wenn dagegen die Spannung 2 MV 35 bar ist. Unter diesen Bedingungen ist es nicht mehr übersteigt und beispielsweise 3 MV erreicht, nehmen möglich, daß eine große und plötzlich erfolgende die Abmessungen übermäßig zu. Stromanforderung im Schutzwiderstand eine derart

Um annehmbare Abmessungen für den Raum zu schnelle Stromerhöhung bewirkt, daß der Schutz erhalten, muß dieser mit einem Strömungsmittel mit voll wirksam wird. Während eines Bruchteils einer hoher Durchschlagfestigkeit, beispielsweise mit einem 40 Mikrosekunde tritt nämlich eine direkte Ladungs-Gas, wie Schwefelhexafluorid (SF₆), gefüllt werden. Übertragung durch die Parasitärkapazitäten auf und

Damit ist jedoch ein beträchtlicher Anstieg der bevor sich im Widerstand ein innerer Spannungsauf der Kapazität zwischen der Anlage und dem abfall entwickeln kann, ist die Anlage bereits schwer Raum beruhenden, störenden Effekte verbunden. Die beschädigt.

spezifische Leitfähigkeit der bekannten Gase, wie 45 Auf gleiche Weise wird der Betrieb mit dem RC-Luft, entspricht ungefähr der des Vakuums: es ist Filter durch eine Direktkopplung zwischen den also unvermeidlich, daß durch die auf Grund der Enden des Widerstandes gestört.
Verwendung von Schwefelhexafluorid erhaltene Ab- Bei einer bekannten Vorrichtung (»LE. E. E. Transstandsverminderung kapazitive Kopplungen auf- actions on Nuclear Science« 14. Juni 1967, 134 bis treten, was wegen der schädlichen Wirkung der Ka- 50 137) sind deshalb zwei getrennte Gehäuse vorgepazitäten von großer Bedeutung ist. Die betreffende sehen, in die je die Versorgungseinheit bzw. die VerImpedanz steigt nämlich mit zunehmenden Span- brauchereinheit eingeschlossen ist. Die beiden Metallnungen. Bei derartigen Anlagen übersteigen nämlich gehäuse sind im oberen Teil über ein abgeschirmtes im allgemeinen die Ströme einige hundert Mikro- Kabel verbunden, das die Versorgungseinheit mit ampere nicht. 55 der Verbrauchereinheit elektrisch verbindet. Die Ab-

Andererseits sind bei bestimmten Anwendungs- schirmung ist elektrisch mit den Metallgehäusen

gebieten für eine sehr hohe Gleichspannung sehr verbunden.

strenge Vorsichtsmaßnahmen zum Schutz der Anlage Bei einer derartigen Anordnung kann der Schutzerforderlich. Dies ist insbesondere bei einem unter widerstand nur unter Schwierigkeiten in der Versehr hoher Spannung arbeitenden Elektronenmikro- 60 bindung der beiden Gehäuse angeordnet werden, skop der Fall, dessen Auflösevermögen unmittelbar Wird der Schutzwiderstand aber innerhalb eines der von der Stabilität und Glättung der Gleichspannung Gehäuse angeordnet, so treten wieder die oben ge- und dem Oberflächenzustand der Elektroden abhängt. schilderten Schwierigkeiten auf. Weiter sind die Be-Weiterhin muß eine derartige Anlage mit kompli- reiche, in denen das Kabel mit den Behältern verzierter Struktur und hohen Gestehungskosten absolut 65 bunden wird notwendig — hinsichtlich der Isoliegegen den Oberflächenzustand der Elektroden ge- rung — schwache Stellen, an denen es schon bei gebenenfalls durch Funken beeinträchtigende, ört- geringen Ungenauigkeiten im Kabelanschluß besonliche Überspannungen und gegen zu hohe Strom- ders leicht zum Durchschlag der Isolierung kommen

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kann. Es muß deshalb für den Kabelanschluß aus standes_s das an demjenigen Teil der Anlage liegt, Gründen der Betriebssicherheit bei praktischer Aus- an dem der Kurzschluß auftritt, eine Potentialwelle führung einer solchen Anlage ein erheblicher Auf- mit steiler Front. Da diese Welle unbedingt so wand getrieben werden. schnell wie irgendmöglich über den gesamten WiderAufgabe der Erfindung ist es, diesem Nachteil 5 stand gleichmäßig verteilt werden und dort einen abzuhelfen. Strom erzeugen muß, der längs des gesamten Wider-Dies geschieht bei einer Anlage der eingangs stands sehr schnell den gleichen Wert erreichen soll, genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß die werden zu diesem Widerstand vorteilhafterweise Gehäuse über eine den Widerstand aufnehmende, Kapazitäten in Nebenschluß gelegt. Es ist bekannt rohrförmige Gehäusebrücke miteinander verbunden io (schweizerische Patentschrift 208 575), in einem sind, die mit den beiden Gehäusen eine abgeschlos- solchen Fall einen kapazitiven Schutzwiderstand zu sene Gehäuseeinheit bildet. bilden, indem man zu dem Widerstand Konden-

Ist die Versorgungseinheit in Form einer Säule satoren parallel schaltet.

ausgebildet und hat auch die Verbrauchereinheit In bestimmten Fällen, insbesondere bei Anlagen •diese Form, so weist die ganze Anlage die Gestalt 15 mit mehreren Millionen Volt, bei denen strenge eines π auf. Selbstverständlich kann die Anlage aber Schutzvorschriften zu erfüllen sind, muß unbedingt auch eine kompliziertere Form haben, und zwar ins- eine möglichst gleichmäßige Verteilung der plötzbesondere dann, wenn die Form der Gehäuse zur liehen Potentialänderungen gewährleistet sein, die Anpassung an die Form der Einheiten beträchtlich bei diesem Widerstand bei einem Kurzschluß aufvon der Säulenform abweicht. 20 treten.

Die die Gehäuse der Versorgungseinheit und der Damit der Widerstand einen wirksamen Schutz Verbrauchereinheit miteinander verbindende rohr- bilden kann und um ihn selbst anfangs vor Beschäförmige Gehäusebrücke nimmt den Verbindungs- digung zu schützen, muß jedes Element des Widerwiderstand auf und hat eine Bedeutung nicht nur Standes, der eine Länge von mehreren Metern haben hinsichtlich der elektrischen Verbindung, sondern 25 kann, jederzeit vor dem elektrischen Feld geschützt vor allem auch dadurch, daß über sie die Verbindung sein, das sich auf Grund der gegenüberliegenden ■der in den beiden Gehäusen jeweils abgeschlossenen Wand der Gehäusebrücke bildet.
Gas gefüllten Kammern über die rohrförmige Ge- Dies wird dadurch erzielt, daß in vorzugsweise häusebrücke sichergestellt ist. Dadurch können Gas- regelmäßigen Abständen runde Abschirmungen in füllung und Entleerung beispielsweise über nur an 30 Form von flachen, den Widerstand senkrecht zu deseinem. der beiden Gehäuse vorgesehene Anschlüsse sen Achse umgebenden Ringen angeordnet werden, vorgenommen werden. Da weiter über die Gehäuse- die jeweils auf ihrem äußeren Umfang einen zweiten brücke ein automatischer Druckausgleich erfolgt, Ringwulst und auf dem inneren Umfang einen ersten kann auch die Überwachung der aus Gründen der Ringwulst haben, wobei der Quotient aus Innen-Betriebssicherheit einzuhaltenden Füllungsbedingun- 35 durchmesser der Gehäusebrücke und Außendurchgen in einem der beiden Gehäuse wirksam für die messer der ganzen Abschirmung in der Größenordganze Anlage durchgeführt sein. In der rohrförmigen nung von e, der Basis der natürlichen Logarithmen Gehäusebrücke kann auch leicht der gegebenenfalls liegt.

kompliziert aufgebaute oder sperrige Widerstand Für eine Anlage mit sehr guten Betriebskennlinien untergebracht werden. Außerdem ergeben sich her- 40 bringt der erfindungsgemäße Aufbau mit zwei Gestellungsmäßig und vom Isolationsaufwand her keine hausen eine Einheit, die gegenüber den bekannten Schwierigkeiten, da die rohrförmige Gehäusebrücke Anlagen sehr große Vorteile bietet,
mühelos mit den beiden Gehäusen für die Versor- Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der gungseinheit bzw. die Verbrauchereinheit verbunden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreiwerden kann und durch die in sich starre Anlage 45 bung. In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand die von der Konstruktion her festgelegten Isolations- eines Ausführungsbeispiels dargestellt, und zwar zeigt abstände selbsttätig sichergestellt sind. Die Gefahr F i g. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße, von Überschlägen besteht nicht. aus zwei Gehäusen bestehende Anlage,

Bei einem Aufbau mit zwei Gehäusen kann die F i g. 2 im vergrößerten Maßstab und schematisch, als Ummantelung für den Zwischenverbindungs- 50 einen Schnitt durch einen zwischen die zwei Gehäuse widerstand dienende Gehäusebrücke leicht derartige eingebrachten Verbindungswiderstand, und
Abmessungen bekommen, daß sie gewissermaßen Fig. 3a und 3b Schnitte durch Einzelheiten geeinen »Wellenleiter« bildet, der unter den Trennungs- maß F i g. 2.

bedingungen für das durch die Versorgungseinheit F i g. 1 zeigt eine Hochspannungsanlage, die in erzeugte Wechselfeld arbeitsfähig ist. Man erhält auf 55 zwei getrennte Gehäuse 10, 30 eingebracht ist, die diese Weise eine nahezu unbegrenzte Abschwächung an ihrem oberen Teil durch eine rohrförmige Gealler Wechselspannungskomponenten, die bei der häusebrücke 20 miteinander verbunden sind. Die Hochspannungsversorgung auftreten. gesamte Anlage besteht aus Metall, beispielsweise Der Widerstand hat zwei Aufgaben: Einerseits aus nichtoxydierendem Stahl, und ruht auf dem arbeitet er mit den Parasitärkapazitäten oder mit der 60 Erdboden auf.

Anlage zugefügten Kondensatoren zusammen und Das Gehäuse 10 enthält eine herkömmliche Verwirkt als ,RC-Filterung, um den gleichgerichteten sorgungseinheit 11, die beispielsweise aus überein-Strom zu glätten, der von der Versorgungseinheit ander angeordneten Gleichrichter- und Kondensatoreingespeist wird. Andererseits dient er als Schutz, stufen besteht. Diese Anlage wird über einen Transda er einen zu hohen Strom, der bei der Anlage auf 65 formator 12 von einem Wechselspannungsnetz geGrund eines Kurzschlusses oder eines Überschlags speist, dessen Primärwicklung über Klemmen 14, 15 auftritt, auf einen Sicherheitswert begrenzt. mit dem Wechselspannungsnetz und dessen Sekun-In diesem Fall bildet sich an dem Ende des Wider- därwicklung über isolierte Klemmen 16, 17 mit den

Eingangsklemmen der Versorgungseinheit verbunden sind.

Das Gehäuse 30 enthält eine mit Hochspannung gespeiste Vorrichtung 31, beispielsweise ein Elektronenmikroskop. Die in diesem. Falle negative Hochspannung wird einer Elektronenkanone 32 über eine Klemme 35 angelegt. Eine aus beschleunigenden und fokussierenden Anoden bestehende Einheit bildet den Teil 33 der Verbrauchereinheit, der ebenfalls mit der Klemme 35 verbunden ist. Die zu be- ίο obachtenden Gegenstände werden im Bereich 34 angeordnet.

Ein Verbindungswiderstand 21 verbindet den Hochpotentialpunkt 18 der Versorgungseinheit 11 mit der Elektronenkanone 32. Diese Impedanz ist in Form eines Widerstandes dargestellt. Im allgemeinen handelt es sich um einen mit Kapazitäten kombinierten Widerstand.

Das Ganze kann beispielsweise mit einem Gas hoher Durchschlagfestigkeit, wie SF₀, gefüllt sein.

Die beiden Hauptelemente 11 und 32 der Anlage sind in Form von Säulen dargestellt. Diese Form ist die am häufigsten verwendete, jedoch nicht die einzig mögliche. So kann insbesondere die Verbrauchereinheit komplizierter aufgebaut sein.

Fig. 2 läßt erkennen, daß der Widerstand mit einer Gesamtlänge L mehrere identische Abschnitte 50, 60 ... 100 hat.

Ein Widerstandsabschnitt, z. B. der Abschnitt 50, läuft an einem Ende in einem Metallflansch 51 und am anderen Ende in einem Flansch 53 aus. Die zehn von einem Isolierrohr 40 getragenen Abschnitte sind durch zwei herkömmliche Endflansche 41 und 42 gegeneinander verklemmt. Jeder Flansch ist mit dem Elementarwiderstand elektrisch verbunden. Der elekirische Anschluß von einem Abschnitt zum anderen ist durch eine Flachfeder 52 gewährleistet, die zwischen dem Flansch 51 des Abschnittes 50 und dem Flansch 53 des angrenzenden Abschnitts 60 verpreßt ist, usw.

Fig. 3a und 3b zeigen im vergrößerten Maßstab einen Abschnitt, beispielsweise den Abschnitt 50 der Fig. 2. Er umfaßt ein beispielsweise aus Epoxyharz bestehendes Isolierrohr 55 mit einer Achse X-X'. Dieses Rohr hat ein Schraubengewinde einer Steigungshöhe von 1 mm, auf der ein Widerstandsdraht 44 aufgewickelt ist.

Die Flansche 51 und 53 dienen als Träger für mehrere Säulen, die ringförmig angeordnet sind und jeweils aus einer bestimmten Anzahl von in Reihe geschalteten Kondensatoren 45 mit einem zylindrischen Äußeren bestehen. Aus Gründen der Vereinfachung der Zeichnung ist die Montierung dieser handelsüblichen Kondensatoren nicht im Einzelnen dargestellt. Diese Montierung ist auf sehr einfache Weise durch Verschrauben von von den einzelnen Kondensatoren getragenen Gewindesteckern in einem Gewindesackloch des angrenzenden Kondensators gewährleistet.

Zwischen zwei Kondensatoren ist jeweils ein Ring 46 aus Metall eingespannt, der auf seiner Außenseite in einem zweiten Ringwulst 47 und auf seiner Innenseite, gegenüber dem Widerstandsdraht 44, in einem ersten Ringwulst 48 endet.

Der Halbmesser des Wulstes 48 ist vorzugsweise kleiner als der des Wulstes 47.

In der beschriebenen Ausführungsform sind sieben in Reihe geschaltete Kondensatoren 45 vorgesehen.

In der Stirnansicht gemäß Fig. 3b verläuft jede Kondensatorensäule längs eines Kreises. Es sind neun Säulen a, b, c ... i vorhanden.

Allgemein wird in einem koaxialen, zylindrischen Aufbau mit einer äußeren Armierung mit einem gegebenen Radius R und einer inneren Armierung mit einem veränderlichen Radius r die Höchstspannung, die in einem gegebenen Medium betriebssicher zwischen die Armierungen anlegbar ist, in einer Beziehung R/r = e erhalten; e ist dabei die Basis der natürlichen Logarithmen. Ist r ungefähr gleich R ist die Durchschlagspannung niedrig, weil die Oberflächen dicht aneinanderliegen. Wenn andererseits r stark abnimmt, werden um die innere Armierung herum die äquipotentiellen Oberflächen durch Zusammenziehen verkleinert, was zu einer Erhöhung des Feldes und folglich zu einer Verminderung der Durchschlagspannung führt. Theoretisch ist die Beziehung RIr = e der günstigste Wert.

Im diesem vorliegenden Ausführungsbeispiel dient der Radius zwischen der Achse X-X' und dem äußeren Umfang des Rings 46 als innerer Radius r. Bei einem inneren Radius R der Gehäusebrücke werden die Abmessungen derart gewählt, daß die Beziehung RIr 2 bis 3,5, vorzugsweise 2,4 bis 3,0, insbesondere 2,7 beträgt.

Die Abschnitte können alle den gleichen Widerstand haben. Bei bestimmten Anwendungsfonnen ist die gleichförmige Verteilung des Widerstandes im Prinzip nicht die vorteilhafteste, da der Gesamtwiderstand bei einem Einheitsohmwert an den Enden verhältnismäßig klein ist und zum Mittelpunkt hin zunimmt. Es ist wirtschaftlich, einen gleichförmigen Einheitswiderstand zu verwenden.

Alle angegebenen numerischen Werte, außer dem der Beziehung RIr, sind nur beispielsweise genannt.

Claims

Patentansprüche:

1. Gleichstrom-Hochspannungsanlage mit einer Versorgungseinheit und einer Verbrauchereinheit, die je in ein Gehäuse eingeschlossen sind, und mit einem elektrischen Widerstand, der diese Einheiten am oberen Teil verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse (10, 30) über eine den Widerstand (21) aufnehmende, rohrförmige Gehäusebrücke (20) miteinander verbunden sind, die mit den beiden Gehäusen (10, 30) eine abgeschlossene Gehäuseeinheit bildet (Fig. 1).

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Versorgungseinheit und die Verbrauchereinheit verbindende Gehäusebrücke (20) einen Widerstand (21) enthalt, der aus auf eine isolierende Tragröhre (40) aufgebrachten Elementarwiderständen in Form von zylindrischen Abschnitten (50, 60... 100) besteht, die unter Zwischenschaltung von elastischen Kontakten (52) endseitig zwischen Flanschen (41, 42) verspannt sind (F i g. 2).

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Endflanschen (51, 53) eines Abschnitts (50) parallel zur Achse (X-X') mehrere Säulen aus röhrenförmigen, endseitig miteinander verbundenen und symmetrisch um den Widerstandsabschnitt (44) verteilten

Kondensatoren (45) angeordnet sind (F i g. 3 a, 3 b).

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aneinander angrenzende Kondensatoren (45) durch einen Ring (46) aus Metall voneinander getrennt sind, der auf seiner dem Widerstand zugewandten Innenseite in einem ersten Ringwulst (48) und der auf seiner Außen-

seite in einem zweiten Ringwulst (47), der größer ist als der erste, endet (F i g. 3 a, 3 b).

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient aus Innendurchmesser (2R) der rohrförmigen Gehäusebrücke (20) und Außendurchmesser (2r) des Rings (46) ungefähr der Basis (e) der natürlichen Logarithmen entspricht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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