DE2538712C3 - Gasentladungsschaltröhre mit gekreuzten Feldern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasentladungs-Schaltröhrc mit gekreuzten Feldern, die drei konzentrisch zueinander angeordnete, zylindrische Elektroden, die paarweise jeweils einen zylindrischen Entladungsraum begrenzen, und einen Elektromagneten zum Erzeugen eines wahlweise ein- und ausschaltbaren, die beiden Entladungsräume in einem Winkel zum elektrischen Feld durchsetzenden und in Achsrichtung der Elektroden gekrümmten Magnetfeldes aufweist.

Eine solche Schaltröhre ist aus der US-PS 36 41 384 bekannt. Diese bekannte Gasentladungsschaltröhre ist für die Anwendung in GleichstromSystemen bestimmt und ergibt bei Serienschaltung der von den drei Elektroden begrenzten beiden Entladungsräume eine erhöhte Spannungsfestigkeit, während die Parallelschaltung der beiden Entladungsräume zu einem erhöhten Stromleitvermögen führt. Bei jeder Art der Anwendung sind beide Entladungsstrecken der bekannten Gasentladungsschaltröhre gleichzeitig leitend oder nichtleitend.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Gasentladungsschaltröhre der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß sie bei bipolaren Anwendungen einen minimalen Spannungsabfall zwischen ihren Elektroden aufweist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die innere und die äußere Elektrode zur Bildung eines Anschlusses der Schaltröhre elektrisch leitend miteinander verbunden sind, während die mittlere Elektrode den anderen Anschluß der Schaltröhre bildet.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltröhre ist, im Gegensatz zum Stand der Technik, in Abhängigkeit von der Richtung des Strornflusscs stets nur einer der beiden Entladungsräume in Betrieb. Infolgedessen können die beiden Entladungsräiimc in Verbindung mit einen Magnetfeld geeigneter Form so ausgebildet sein, daß sit im leitenden Zustand jeweils einen minimalen Span iHingsabfall über die Enlladiingsstrecke ergeben. Dar über hinaus läßt sich eine solche Gaseniladungs.Schall röhre so aufbauen, daß sie ein Minimum an Kostet verursacht, einen minimalen Platzbedarf hat und and besonders wartungsfreundlich ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in dei Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden nähei beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 das schematische Schaltbild eines Wechsel strom-Hochspannungssystems mit einer Gasentladungsschaltröhre,

F i g. 2 die schematische Darstellung der wesentlichen Teile einer Schaltröhre im Längsschnitt,

Fig. 3 teilweise in Seitenansicht und teilweise im Schnitt eine Aiisführiingsl'orm einer Gasentladungsschaltröhre und

Fig. 4 eine Darstellung ähnlich F i g. 2 in größerem Maßstab.

Zunächst sei der körperliche Aulbau der in Fig. 3 dargestellten Gasentladungsschaltröhre 10 betrachtet. Füße 12 tragen eine Bodenscheibe 14, an der eine ä'jßere Elektrode 16 befestigt ist, die auch zugleich einen Teil des gasdichten Gehäuses der Schaltröhre bildet. Die Bodenscheibe 14 weist einen Pumpstutzen 18 auf, der es ermöglicht, einen reduzierten Innendruck und eine bestimmte Zusammensetzung des in der Schaltröhre enthaltenen Gases aufrechtzuerhalten. Auf der Bodenseheibc 14 sitzt eine Scheibe 20 auf, die einen Kragen 22 trägt. An diesem Kragen ist eine innere Elektrode 24 befestigt. Öffnungen in der Scheibe 20 und dem Kragen 22 stellen eine Verbindung zwischen dem Inneren der Anordnung und dem Pumpstutzen 18 her. Die Bodenscheibe 14, die Scheibe 20 und der Kragen 22 bestehen aus Metall und sind miteinander verbunden, so daß die äußere Elektrode 16 und die innere Elektrode 24 auch elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Die Verwendung einer getrennten Scheibe 20 auf der Bodenscheibe 14 dient zur Erleichterung der Herstellung und Montage der inneren Elektrode 24.

Zwischen der äußeren Elektrode 16 und der inneren Elektrode 24 ist eine Zwischenelektrode 26 angeordnet. Alle Elektroden haben eine zylindrische Gestalt und begrenzen demgemäß ringförmige F.ntladungsräume 28 und 30. Die Zwischenelektrode 26 ist an einer Tragscheibe 32 befestigt, die von einer Deckplatte 36 getragen wird. Eine Leitung 38 ist mit der Deckplatte 36 verbunden und führt durch einen Coronaschirm 40 nach außen. Die Deckplatte 36 befindet sich auf dem Potential der Zwischenelektrode 26, das von dem Potential eines Flansches 42 verschieden ist, der am oberen Ende der äußeren Elektrode 16 befestigt ist und von dem die Deckplatte 36 durch einen Isolator 44 getrennt ist. Der Isolator 44 ist rohrförmig und weist an seinem unteren Ende einen Flansch 46 auf. Durch Trennen der Flansche 42 und 46 kann die obere Baugruppe entfernt und dabei die Zwischenelektrode 26 zwischen den beiden anderen Elektroden herausgezogen werden. Darauf kann die Scheibe 20 von der Bodenscheibe 14 getrennt werden, so daß die innere Elektrode 24 zusammen mit der sie tragenden Struktur nach oben durch die Öffnung im Flansch 42 herausgezogen werden kann. Die Flansche und die Struktur, die auf dem gleichen Potential wie die Bodenscheibe liegt, sind von einem Coronaschirm 48 umgeben. Innerhalb des rohrförmigen Isolators 44 sind Abschirmungen 50 und

52 angeordnet, die ilen Verlauf des elektrischen leide, innerhalb der Abschirmung bestimmen. Wie bekannt, ist es im Hinblick auf den I'aschen-Durchbruch erforderlich, die Länge des Elektronenweges /u begrenzen, um einen Durchbruch unter ungünstigen Bedingungen /.u s verhindern.

Die Schallröhre IO macht von gck eu/ten Feldern Gebrauch. Wenn an die Elektroden eine Spannung angelegt wird, erstreckt sich das elektrische Feld radial /u den Entladungsräumen. Das andere Feld ist tin von m einem Magnet 54 geliefertes Magnetfeld, l'.ei dem Magneten 54 kann es sich entweder um eine KumbinniAin von Permanent- und Elektromagnet oder nur um einen Elektromagnet handeln. Hei !eilender Schaltröhre sind beide Felder vorhanden, /um Abschalten der Röhre, also zur Stromunterbrechunu, muli das Magnetfeld abgeschaltet werden. Das Abschalten eines Permanentmagneten kann mit Hilfe eines Kompensations-Elektromagneien erfolgen. Das Abschalten eines Elektromagneten kann durch Abschalten der Magnetspule selbst, durch Kompensation öler auch beide Maßnahmen erfolgen.

Bekannte Schallröhren mit gekreuzten Feldern benutzen die äußere F.lektrode als Kathode, weil die Glimmentladung eher durch die Kathodenfläche als durch die Anodenfläche begrenzt ist. Da die äußere Elektrode eine größere Fläche aufweist, war die Verwendung der äußeren Elektrode als Kathode naheliegend. Zwar konnten auch die bekannten Scbaltröhrcn mit beliebiger Stromrichtung betrieben werden, jedoch war der Spannungsabfall größer, wenn die in bezug auf den Entladungsraum innere Elektrode als wenn die äußere Elektrode als Kathode benutzt wurde. Diese Tatsache wurde ursprünglich der oben angegebenen strombcgrenzenden Wirkung der Kathodenflächc zugeschrieben, jedoch wurde nun festgestellt, daß der Unterschied im Spannungsabfall in den beiden Richtungen von der Form des Magnetfeldes abhängig ist. Wenn das Magnetfeld im Entladungsraum genau axial verläuft, dann ist der Spannungsabfall beim Stromfluß in beiden Richtungen gleich, bis die Stromdichte an der Kathode einen Grenzwert erreicht. Weiterhin wurde festgestellt, daß bei Vorliegen eines Magneten, der ein Magnetfeld erzeugt, wie es durch die Feldlinien in den Fig. 2 und 4 veranschaulicht ist, der Spannungsabfall geringer ist, wenn die äußere Elektrode als Kathode geschaltet wird. Wenn die Feldlinien des Magnetfeldes durch die Elektrode ein- und austreten, die als Kathode dient, wird eine Beschränkung der Elektronen auf die axiale Länge des Entladungsraumes erzielt. Diese Beschränkung hat einen verminderten Spannungsabfall zur Folge, wenn die Kathode der konkaven Seite des gekrümmten magnetischen Feldes zugewandt ist.

Wenn die äußere Elektrode als Kathode dient, liegt der Spannungsabfall über dem Entladungsraum bei einer Stromdichte an der Kathode von 10 A/cm² bei etwa 300 bis 500 V. Wenn die Polarität umgekehrt und die innere Elektrode als Kathode benutzt wird, so liegt der Spannungsabfall bei Verwendung des gleichen Elektrodenabstandes und bei der gleichen Stromdichte von 10 A/cm² an der Kathode im Bereich von etwa 1000 bis 2000 V.

Das verbesserte Einfangen von Elektronen, das mit einer wirksameren Plasmaerzeugung gleichbedeutend ist, ist in Fig.4 für den Fall veranschaulicht, daß die äußere Elektrode als Kathode dient.

Die Elektronenbewegung ist in Schaltröhren mit gekreuzten leidem kompliziert, weil die Elektronen inlolge des elektrischen Feldes eine Radialbewegung von der Kathode /ur Anode und zugleich infolge des Magnetfeldes eine Bewegung in Umlaiigsrichtimg ausführen. Außerdem findet eine wendell'örmige Lickironenbewegung längs der magnetischen Feldlinien % und 58 statt. Wenn ein F.leklron von der äußeren Elektrode 16 emittiert wird und das Magnetfeld die in I i g. 4 dargestellte Krümmung aulweist, driften die Elektronen axial in Richtung auf das /entrinn des aktiven Plasmabereiches, ind'.-m mc eine Wendelbewegung um die magnetischen Feldlinien 58 ausführen. Hierdurch wird eine Bewegung von den axialen Luden ties Lntladungsraunies 30 hervorgerufen, welche /u einem F.infangen Lind konzentrieren der Elektronen führt.

Wenn ein Elektron von der inneren Elektrode 24 emittiert würde, was bei einer Schallröhre mit nur einem Eniladungsraum bei einer Umkehrung der Polarilät der Fall wäre, so würde die Elekirodendrift axial nach außen aus dem Entladungsraum 28 auf einem die magnetischen Feldlinien 56 nnigebendt-n, wemlelförmigen Weg nach außen führen, wodurch die Konzentration vermindert würde. Die Elektronen driften also aus dem Bereich des aktiven Plasma hinaus. Ils ist klar, daß in diesem [-"alle die Elektronen nicht so lange in dem aktiven Bereich bleiben wie im ersten Fall. Das Ergebnis ist eine weniger wirksame Plasmaerzeugung, die einen höheren Spannungsabfall über der Entladungssirecke zur Folge bat.

Bei dieser Situation des .Spannungsabfalles wirkt die Zwischenelektrode 26 abwechselnd als Anode und als Kathode, wenn die Polarität der an die Schaltröhre angelegten Spannung wechselt, wie es bei der Anwendung in einem Wechselstromsystem der Fall ist, wie ihn F i g. 1 zeigt. Wenn die Polarilät wechselt, gehl die Entladung von einem Entladungsraum zum anderen über, so daß stets die äußere Elektrode des jeweiligen Eniladungsraumes als Kathode dient.

Fig. I veranschaulicht schematisch die Anwendung einer Schaltröhre 10 in einer Strombegrenzerschaltung 60 in einem Weehsclstrom-Hochspannungssysiem, in dem eine Wechselstromquellc 62 einer Last 64 Wechselstrom zuführt. Die StrombegrcnzcrschalUing 60 ist in Serie /.wischen die Wechselsiromquelle 62 und die Last 64 eingeschaltet. Außerdem ist in Serie zwischen die Wechseistromquelle 62 und die Slrombegrenzcrschaltung 60 eine Steuereinrichtung 66, die auf Systemgrößen wie Spannung, Strom und/oder deren Änderungsgeschwindigkeit anspricht, sowie ein Untcrbrechcrschaltcr 68 eingeschaltet. Der Untcrbrecherschalter 68 ist ein üblicher Leistungsschalter, der unter normalen Betriebsbedingungen das Unterbrechen des Stromkreises beim nächsten Stromnull ermöglicht. Die Strombegrenzerschaltung dient dagegen dazu, eine Strombegrenzung in der Zeit zwischen dem Auftreten eines Fehlers und dem nächsten Stromnull zu bewirken. Der Unterbreeherschalter68 hat einen übiichen Aufbau und eine eigene Steuereinrichtung.

Als Teil der Strombegrenzerschaltung ist in Serie in das System ein mechanischer Schalter 70 eingeschaltet.

Der mechanische Schalter 70 ist normalerweise geschlossen, so daß er von Strom durchflossen wird. Wenn ein Fehler auftritt und die Stromstärke ansteigt, wird die Strombegrenzerschaltung 60 ausgelöst, um die Stromstärke auf zulässigen Werten zu halten, bis der Fehler beseitigt oder der Stromkreis durch den normalen Unterbrecherschalter geöffnet worden ist. Wenn ein Fehlen festgestellt wird, wird der Schalter 70

geöffnet und es übernimmt die Schaltröhre 10 die Stromleitung mit dem Entladungsraum, bei dem aufgrund der gerade herrschenden Polarität die äußere Elektrode die Kathode ist. Die Entladungsräume 38 und 30 sind gegebenenfalls abwechselnd leitend, so daß ein Wechselstrom übertragen wird, bis der Schalter 70 geöffnet und deionisiert ist. Daraufhin wird das magnetische Feld der Schaltröhre 10 abgeschaltet, so daß die Schaltröhre nichtleitend wird. Auf diese Weise wird ein Kondensator 72 zur Begrenzung von Überströmen und ein strombegrenzender Widerstand 74 in den Stromkreis eingeschaltet, um den Strom aul zulässigen Werten zu halten, vorzugsweise im wesentlichen auf dem Wert vollen Lastslrumes. Auf diese Weise ist die Stromstärke begrenzt, bis der Fehler beseitigt isl oder der Unterbrcchcrschalter den Stromkreis unterbricht. Die automatische Auswahl zwischen der Entladungsräumen 28 und 30 beim Fließen vor Wechselstrom erfolgt durch die Unterschiede irr Spannungsabfall an den Entladungsstrecken im leitenden Zustand, die auf das gekrümmte Magnctfek zurückzuführen isl.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Gasentladungsschaltröhre mil gekreuzten Feldern, die drei konzentrisch zueinander angeordriete, zylindrische Elektroden, die paarweise jeweils einen zylindrischen Entladungsraum begrenzen, und einen Elektromagneten zum Erzeugen eines wahlweise ein- und ausschaltbaren, die beiden Entladungsräume in einem Winkel zum elektrischen Feld durchsetzenden und in Achsrichtung der Elektrode gekrümmten Magnetfeldes aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die innere und die äußere Elektrode (16 bzw. 24) zur Bildung eines Anschlusses der Schaltröhre (10) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, während die mittlere Elektrode (26) den anderen Anschluß der Schaltröhre bildet.

2. Gasentladungsschaltröhre nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Elektrode (16) zugleich einen Teil eines gasdichten Gehäuses bildet.

3. Gasentladungsschaltröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende der äußeren Elektrode (16) ein sich daran anschließendes Isolierrohr (44) befestigt und die mittlere Elektrode (26) an dem Isolicrrohr (44) angebracht ist.

4. Gasentladungsschaltröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode (24) an dem dem Isolierrohr (44) abgewandten Ende der äußeren Elektrode (16) befestigt ist.