DE484582C

DE484582C - Device for current limitation in high voltage circuits

Info

Publication number: DE484582C
Application number: DEM103833D
Authority: DE
Inventors: Dr Heinrich Franke
Original assignee: CHF Mueller AG
Current assignee: CHF Mueller AG
Priority date: 1928-03-09
Filing date: 1928-03-09
Publication date: 1929-10-26

Description

Einrichtung zur Strombegrenzung in Hochspannungsstromkreisen Um bei Einrichtungen, die mit hochgespannten Strömen arbeiten, ein unzulässiges Ansteigen der Stromstärke zu vermeiden, das beispielsweise dadurch eintreten kann, daß der Durchschlag einer Isolation erfolgt, hat man bisher in den Hochspannungsstromkreis hochohmige Widerstände eingeschaltet. Dadurch wurde erreicht, daß entsprechend der Höhe dieser Widerstände und der von der Apparatur gegebenen Spannung eine gewisse Höchststromstärke auftreten kann. Um jedoch bei hohen Spannungen, wie sie beispielsweise zur Prüfung von Isoliermaterial benötigt werden, ein allzu hohes Ansteigen der Stromstärke zu vermeiden, mußten die Widerstände entsprechend hoch gewählt werden. Wenn bereits eine Vorentladung eintrat, die jedem Durchschlag vorausgeht, so wurden die Widerstände in der Weise wirksam, daß die Prüfspannung wesentlich absank, wodurch das Moment des Durchschlages. sich wiederum verzögert. Will man dieses Nachlassen vermeiden, so ist bei entsprechend minimaler Bemessung der Widerstände im Augenblick des Durchschlages mit sehr hohen Stromstärken zu rechnen und eine unverhältnismäßig große und kostspielige Bemessung der Prüftransformatoren selbst sowie ihrer Zuleitungen erforderlich. Ganz abgesehen davon sind die zur Zeit vorzugsweise verwendeten Widerstände in ihrer Leitfähigkeit außerordentlich starken Schwankungen unterworfen. Diese Übelstände sind nach der Erfindung dadurch vermieden, daß in den Hochspannungsstromkreis eine Dreielektrodenröhre eingeschaltet ist, deren Kathode mit dem einen Ende eines Widerstandes `verbunden ist, an dessen anderem Ende der Hochspannungsstromkreis und das Gitter liegen. Diese Dreielektrodenröhre stellt innerhalb des Hochspannungsstromkreises einen Widerstand dar, dessen Wirksamkeit mit einer beliebig einstellbaren, scharfen Grenze eintritt. Bei der Isolationsprüfung beispielsweise setzt nicht schon bei der dem Durchschlag vorausgehenden Entladung ein Spannungsabfall ein, der das Durchschlagsbild stört, sondern es kann erst die gewünschte Entladung erfolgen, und doch ist dabei sicher verhütet, daß diejenige Stromstärke nicht wesentlich überschritten wird, welche die Voraussetzung eines wirksamen Durchschlages bildet. Diese Grenze ist genau durch geeignete Wahl des zwischen der Glühkathode und dem Gitter einzuschaltenden Widerstandes einstellbar, wobei der durch diesen Widerstand verursachte Spannungsverlust gegenüber der am Durchschlagsort wirksamen Spannung nicht ins Gewicht fällt. Die Dreielektrodenröhre wirkt daher zusammen mit dem Widerstand als ein selbsttätiger Strombegrenzer.Device for current limitation in high-voltage circuits To at Facilities that work with high-voltage currents, an unacceptable increase to avoid the current strength, which can occur, for example, that the Breakdown of an insulation takes place, so far, one has in the high-voltage circuit high-ohmic resistors switched on. This achieved that according to the These resistances and the voltage given by the apparatus are a certain amount Maximum current strength can occur. However, at high voltages, such as those for example for testing insulating material, an excessively high increase in current intensity To avoid this, the resistances had to be chosen correspondingly high. If already a pre-discharge occurred which precedes any breakdown, the resistances became effective in such a way that the test voltage dropped significantly, thereby reducing the torque of the punch. in turn is delayed. If one wants to avoid this slacking off, this is the case at the moment of the breakdown with a correspondingly minimal dimensioning of the resistances very high currents can be expected and a disproportionately large and costly one Dimensioning of the test transformers themselves as well as their supply lines required. Quite apart from that, the resistors currently preferably used are in their Conductivity subject to extremely strong fluctuations. These evils are avoided according to the invention that in the high voltage circuit a Three-electrode tube is switched on, the cathode of which is connected to one end of a resistor `is connected, at the other end of which the high-voltage circuit and the grid lie. This three-electrode tube represents within the high voltage circuit a resistance, its effectiveness with an arbitrarily adjustable, sharp Limit occurs. When it comes to the insulation test, for example, it does not already apply of the discharge preceding the breakdown, a voltage drop creates the breakdown pattern disturbs, but the desired discharge can only take place, and yet there is reliably prevents that the current strength is not significantly exceeded, which is the prerequisite for an effective breakdown. This limit is precisely by a suitable choice of the one to be switched between the hot cathode and the grid Resistance adjustable, whereby the voltage loss caused by this resistance compared to the voltage effective at the point of breakdown is of no consequence. the Three-electrode tube therefore acts together with the resistor as an automatic one Current limiter.

Um dabei zu vermeiden, daß innerhalb der Dreielektrodenröhre selbst ein vorzeitiger Spannungsabfall durch die Wirkung des Gitters eintritt, erhält dieses zweckmäßig mittels einer zwischen Gitter und Widerstand eingeschalteten Spannungsquelle eine positive Vorspannung. Diese Vorspannung wird erst mit Eintritt der kritischen Entladung dadurch ausgeglichen, daß sich an den Enden des Widerstandes infolge des erhöhten Stromdurchganges eine entgegengesetzt gerichtete Spannungsdifferenz ausbildet, welche mit weiterem Ansteigen des Stromes so groß wird, daß das Gitter eine negative Vorspannung erhält, die nunmehr eine weitere Erhöhung des Stromdurchganges ausschließt.In order to avoid that inside the three-electrode tube itself a premature voltage drop occurs due to the action of the grid, receives this expediently by means of a voltage source connected between the grid and the resistor a positive bias. This preload is only when the critical one occurs Discharge compensated by the fact that at the ends of the resistor as a result of the increased current passage forms an oppositely directed voltage difference, which, as the current increases, becomes so great that the grid becomes negative Receives bias, which now excludes a further increase in the passage of current.

Bei Anwendung der Einrichtung für Röntgenanlagen kann man in den Hochspannungsstromkreis die Dreielektrodenröhre bei der genannten Verbindung der Kathode, des Gitters und des Hochspannungsstromkreises mit einem hochohmigen Widerstand einschalten, es kann aber auch bei Anlagen, bei welchen die Gleichrichtung mittels Ventilröhren erfolgt, die zusätzliche Einschaltung einer derartigen besonderen, als Strombegrenzer wirkenden Röhre dadurch erübrigt werden, daß die Ventilröhre selbst mit einem Steuergitter versehen ist, das mit dem einen Ende eines hochohmigen Widerstandes verbunden ist, an dem auch der Hochspannungsstromkreis liegt, während an das andere Ende des Widerstandes die Kathode der Ventilröhre angeschlossen ist. Zweckmäßig wird auch hier zwischen dem Widerstand und dem Gitter eine Spannungsquelle eingeschaltet, durch welche das Gitter beim normalen Betrieb der Röntgenröhre eine positive Vorspannung erhält, so daß die Charakteristik in den Grenzen normaler Stromentnahme der der üblichen Zweielektrodenröhren gleicht.. Eine derartige Schaltung gewährt, zumal beim Therapiebetrieb, ganz besondere Vorteile.When using the device for X-ray systems, one can use the high-voltage circuit the three-electrode tube in the aforementioned connection of the cathode, the grid and switch on the high-voltage circuit with a high-ohmic resistor, it can but also in systems in which the rectification takes place by means of valve tubes, the additional activation of such a special one, acting as a current limiter Tube can be superfluous that the valve tube itself with a control grid is provided, which is connected to one end of a high-value resistor, to which the high-voltage circuit is also connected, while to the other end of the resistor the cathode of the valve tube is connected. It is also useful here between the resistor and the grid switched on a voltage source through which the Grid receives a positive bias voltage during normal operation of the X-ray tube, so that the characteristic is within the limits of normal current consumption that of the usual Two-electrode tubes resembles .. Such a circuit ensures, especially during therapy, very special advantages.

Einerseits ist durch diese Einrichtung ein wirksamer Schutz der Röntgenröhre selbst erzielt. Bei den hohen Spannungen von beispielsweise Zoo K.V., die an eine solche Röhre gelegt werden, setzt bei gelegentlichen Gasausausbrüchen eine Stoßionisation ein, die infolge des Leitendwerdens der gesamten inneren Röhrenkugel und der hierbei auftretenden außerordentlich hohen Stromstärke nahezu regelmäßig zur Zerstörung der Röntgenröhre führt. In diesem Fall tritt nun die strombegrenzende Wirkung der Dreielektrodenröhre in Tätigkeit, wobei gleichzeitig die gefährdete Röntgenröhre selbst in dem Maße von der Betriebsspannung entlastet wird, wie diese Spannung sich an den Enden der Dreielektrodenröhre ausbildet. Anderseits ist ein wirksamer Schutz gegen die Gefährdung von Menschen, welche z. B. aus Unachtsamkeit mit der Hochspannung in Berührung kommen, erreicht. Unbedingt verhindert bereits die genannte Einschaltung einer Dreielektrodenröhre und eines hochohmigen Widerstandes in die eine Stromzuleitung bei Berührung beider Zuleitungen das Auftreten kurzschlußähnlicher Entladungen, welche erfahrungsgemäß zum Tode führen können. Wirksamer ist dieser Schutz, wenn erfindungsgemäß in beide Zuleitungen zur Röntgenröhre je eine derartige Dreielektrodenröhre mit Widerstand eingeschaltet ist, so daß bei einpoliger Berührung in jedem Fall auch die Kapazitätsströme entsprechend begrenzt sind.On the one hand, this device provides effective protection for the X-ray tube achieved himself. With the high voltages from Zoo K.V., for example, which are connected to a If such a tube is placed, impact ionization occurs in the event of occasional gas outbreaks a, which is due to the conduction of the entire inner tubular ball and this occurring extremely high amperage almost regularly to destruction the X-ray tube leads. In this case, the current-limiting effect occurs Three-electrode tube in action, while at the same time the endangered X-ray tube is relieved of the operating voltage even to the extent that this voltage changes forms at the ends of the three-electrode tube. On the other hand is an effective protection against the endangerment of people who z. B. from carelessness with the high voltage come into contact. The aforementioned activation is already prevented by all means a three-electrode tube and a high-resistance resistor in the one power supply line when both supply lines touch the occurrence of short-circuit-like discharges, which experience has shown can lead to death. This protection is more effective if according to the invention, a three-electrode tube of this type in each of the two feed lines to the X-ray tube is switched on with resistance, so that with unipolar contact in any case the capacity flows are also limited accordingly.

Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen der Einrichtung nach der Erfindung dargestellt.In the drawing, two embodiments of the device are shown of the invention shown.

Abb. i zeigt schematisch die Anwendung der Einrichtung nach der Erfindung bei der Prüfung von Isolierstoffen auf Durchschlagsfestigkeit und Abb. 2 bei Röntgenanlagen.Fig. I shows schematically the application of the device according to the invention when testing insulation materials for dielectric strength and Fig. 2 for X-ray systems.

Gemäß Abb. i soll eine Platte i aus Isolierstoff auf ihre Durchschlagsfestigkeit hin geprüft werden. Zu diesem Zweck liegt die Platte in bekannter Weise zwischen einer plattenförmigen Elektrode 2 und einer spitzenElektrode 3. Parallel zu den Elektroden 2 und 3 liegen Kugeln q. einer Meßfunkenstrecke. Ein Hochspannungstransformator 5 liefert die Prüfspannung. Der eine Pol 6 des Transformators ist durch eine Leitung 7 mit der spitzen Elektrode 3 verbunden.According to Fig. I, a plate i made of insulating material should check its dielectric strength to be checked. For this purpose, the plate is in a known manner between a plate-shaped electrode 2 and a pointed electrode 3. In parallel with the Electrodes 2 and 3 are balls q. a measuring spark gap. A high voltage transformer 5 supplies the test voltage. One pole 6 of the transformer is through a line 7 connected to the pointed electrode 3.

Zwischen dem anderen Pol 8 des Transformators 5 und der plattenförmigen Elektrode?, ist eine Dreielektrodenröhre 9 eingeschaltet. Diese Röhre hat eine Glühkathode io, eine Anode ii und ein Gitter 12 . Die Kathode io erhält ihren Heizstrom durch einen Heiztransformator 13. Die Anode ii ist durch eine Leitung 14 mit der plattenförmigen Elektrode 2 verbunden. Der Pol 8 des Transformators 5 ist an die Glühkathode io unter Zwischenschaltung eines hochohmigen Widerstandes 15 angeschlossen. Das der Glühkathode io abgewandte Ende des Widerstandes 15 ist unter Zwischenschaltung einer Anodenbatterie 16 mit dem Gitter 12 verbunden, und zwar so, daß dieses am positiven Pol der Batterie liegt.Between the other pole 8 of the transformer 5 and the plate-shaped Electrode ?, a three-electrode tube 9 is switched on. This tube has a hot cathode io, an anode ii and a grid 12. The cathode io receives its heating current through a filament transformer 13. The anode ii is through a line 14 with the plate-shaped Electrode 2 connected. The pole 8 of the transformer 5 is connected to the hot cathode io connected with the interposition of a high-value resistor 15. That the Hot cathode io facing away from the end of the resistor 15 is with the interposition of a Anode battery 16 connected to the grid 12, in such a way that this is on the positive Pole of the battery.

Die Abmessungen des Gitters i2 und seine Lage gegenüber der Glühkathode io sind so gewählt, daß, wenn dieses Gitter eine positive Vorspannung von beispielsweise Zoo Volt hat, ein ungeschwächter Stromdurchgang von der Glühkathode zur Anode ii stattfindet. Das Gitter verhindert jeglichen Stromdurchgang, wenn sein Potential gegenüber der Glühkathode negativ wird. Dann betrage die positive Vorspannung, welche die Batterie 16 dem Gitter erteilt, 400 Volt. Die Größe des hochohmigen Widerstandes 15 betrage i ooo Ohm. Angenommen, die zum Durchschlag notwendige Stromstärke betrage 2ooMilliampere, so wird sich beim Durchgang dieses Stromes durch den Widerstand 15 eine Spannungsdifferenz von Zoo Volt an seinen Enden ausbilden. Die an dem Gitter i2 liegende positive Vorspannung von 400 Volt wird infolge dieser im entgegengesetzten Sinne am Widerstand auftretenden Spannungsdifferenz um Zoo Volt positiver Vorspannung erniedrigt. Die Dreielektrodenröhre 9 bewirkt also nach gegebener Voraussetzung noch keinen Spannungsverlust, so daß der Durchbruch der zu prüfenden Platte i ungestört erfolgen kann. Nunmehr kann der an dieser Stelle einsetzende Durchschlagsstrom, der einem Kurzschlußstrom praktisch gleichkommt, die Größe von 400 Miniampere nicht überschreiten, weil bereits bei einem Stromdurchgang von 400 Milliampere durch den Widerstand 15 die sich ausbildende Spannungsdifferenz 400 Volt beträgt, so daß bei weiterem Anwachsen das Gitter 12 negativ werden würde, was nach der Voraussetzung einer völligen Abdrosselung jedes Stromdurchgangs gleichkommt.The dimensions of the grid i2 and its position in relation to the hot cathode io are chosen so that when this grid has a positive bias of, for example Zoo Volt has an unattenuated current passage from the hot cathode to the anode ii takes place. The grid prevents any current passage if its potential becomes negative compared to the hot cathode. Then let the positive bias amount, which the battery 16 gives 400 volts to the grid. The size of the high resistance 15 is 100 ohms. Assume that the current strength required for breakdown is 2ooMilliampere, then when this current passes through the resistor 15 form a voltage difference of zoo volts at its ends. The one on the grille i2 lying positive bias voltage of 400 volts is due to this in the opposite Sense of resistance occurring voltage difference around zoo volts positive bias. The three-electrode tube 9 thus effects according to the given Prerequisite no voltage loss, so that the breakdown of the test Plate i can take place undisturbed. The starting point at this point can now Breakdown current, which is practically equivalent to a short-circuit current, the size of Do not exceed 400 mini amperes, because a current throughput of 400 Milliamperes through the resistor 15 the voltage difference 400 that is formed Volts, so that with further growth the grid 12 would become negative, which, according to the assumption, amounts to a complete throttling of every current passage.

Es ist also der Zweck erreicht worden, daß der Transformator relativ klein gewählt werden kann, da seine Wirksamkeit einerseits nicht durch die frühzeitig in Wirksamkeit tretenden Widerstände normaler Art geschwächt wird, anderseits nach erfolgtem Durchschlag nicht mehr Strom entnommen zu werden braucht, als zur Erreichung des herbeizuführenden Durchschlags notwendig ist.So the purpose has been achieved that the transformer is relatively Small can be chosen, since its effectiveness is on the one hand not due to the early normal resistance that comes into effect is weakened, on the other hand Once the breakdown has occurred, no more current needs to be drawn than to achieve it of the breakdown to be brought about is necessary.

Bei der Röntgenanlage nach Abb. 2 ist eine Glühkathodenröntgenröhre 17 üblicher Bauart mit der Anode 18 und der Glühkathode i9 verwendet, die durch einen Heiztransformator 2o gespeist wird. Diese-Röhre liegt in dem Arbeitsraum 21, der durch eine Wand 22 von dem Hochspannungsraum 23 getrennt ist. Die Zuleitungen 24, 25 der Röntgenröhre sind durch die Trennwand 22 isoliert hindurchgeführt. Den zum Betrieb der Röntgenröhre 17 erforderlichen hochgespannten Wechselstrom liefert der Transformator 26. Der Pol 27 des Transformators 26 ist über eine Ventilröhre 28 mit der Kathode i9 der Röntgenröhre 17 verbunden. Der Pol 29 des Transformators ist über eine zweite Ventilröhre 28 mit der Anode 18 der Röhre 17 verbunden. Beide Ventilröhren 28 sind im Sinne der Einrichtung nach Abb. i als Dreielektrodenröhre ausgebildet. Zwischen der Anode 30 und der Kathode 31 der Röhren z8 liegen Steuergitter 32, die ebenso wie bei der Einrichtung nach Abb. i unter Einschaltung einer Anodenbatterie 33 und eines hochohmigen Widerstandes 34 mit einer Kathode 3i. verbunden sind.In the X-ray system according to Fig. 2, a hot cathode X-ray tube 17 of the usual design with the anode 18 and the hot cathode i9 is used, which is fed by a heating transformer 2o. This tube lies in the working space 21, which is separated from the high-voltage space 23 by a wall 22. The supply lines 24, 25 of the X-ray tube are passed through the partition 22 in an insulated manner. The high-voltage alternating current required to operate the X-ray tube 17 is supplied by the transformer 26. The pole 27 of the transformer 26 is connected to the cathode 19 of the X-ray tube 17 via a valve tube 28. The pole 29 of the transformer is connected to the anode 18 of the tube 17 via a second valve tube 28. Both valve tubes 28 are designed as three-electrode tubes in the sense of the device according to FIG. Between the anode 30 and the cathode 31 of the tubes z8 there are control grids 32 which, as in the device according to FIG. are connected.

Die durch die Anodenbatterie 33 den Gittern 32 beider Ventilröhren 28 erteilte Vorspannung betrage z. B. 4oo Volt, die Größe der Widerstände 34 sei ioo ooo Ohm. Die normale Stromstärke der Röntgenröhre 17 betrage 2 Milliampere. Es beträgt dann die an den Enden der Widerstände 34 auftretende, gegen die Anodenbatterie 33 gerichtete Spannungsdifferenz Zoo Volt, wodurch die positive Vorspannung des Gitters 32 auf Zoo Volt herabgesetzt wird. Bei dieser Spannung arbeiten die Ventilröhren- 28 noch verlustlos, also mit der normalen Charakteristik einer Ventilröhre.The grids 32 of both valve tubes through the anode battery 33 28 granted bias amount z. B. 400 volts, the size of the resistors 34 is ioo ooo ohms. The normal current intensity of the X-ray tube 17 is 2 milliamperes. It is then that which occurs at the ends of the resistors 34 against the anode battery 33 directional voltage difference zoo volts, whereby the positive bias of the Grid 32 is lowered to zoo volts. At this voltage, the valve tube 28 still lossless, i.e. with the normal characteristics of a valve tube.

Tritt nun in der Röntgenröhre 17 ein Gasausbruch ein, der eine Stoßionisation und entsprechende Verminderung des Widerstandes der Röhre zur Folge hat, so würde bei Verwendung üblicher Ventilröhren die Stromstärke augenblicklich so hoch anwachsen können, daß die Röhre zerstört wird. Aber schon, wenn infolge der Stoßionisation der Röhrenstrom auf 4 Milliampere angestiegen ist, beträgt die an den Widerständen 34 auftretende Gegenspannung 400 Volt, so daß bei weiterem Ansteigen die Vorspannung des Gitters gegen den Glühdraht negativ wird, was ein weiteres Anwachsen des Stromes endgültig verhindert. Bei der gewählten Größe der Widerstände ist demgemäß überhaupt eine höhere Stromentnahme als 4 Milliampere an den Enden der Hochspannungsleitungen 24, 25 innerhalb des Bestrahlungsraumes 21 ausgeschlossen, so daß auch eine unmittelbare Berührung den Körper vor einem höheren Stromdurchgang als 4 Milliampere wirksam schützt, einer Größenordnung, welche erfahrungsgemäß als unschädlich bezeichnet werden kann. Auch bei .einpoliger Berührung könnte demgemäß der auftretende Kapazitätsstrom niemals die Größe von 4 Milliampere überschreiten, weil in jeder Zuleitung 24 und 25 zur Röntgenröhre 17 eine als Dreielektrodenröhre dienende Ventilröhre 28 eingeschaltet ist. Aber auch wenn nur in der einen Zuleitung eine derartige Dreielektrodenröhre 28 vorgesehen wäre, würde diese bereits einen wirksamen Schutz der Röntgenröhre 17 selbst bilden und ebenso einen gewissen Schutz gegen die bedeutend gefährlicheren Kurzschlußströme bei zweipoliger Berührung.If a gas eruption now occurs in the X-ray tube 17, this is impact ionization and results in a corresponding reduction in the resistance of the tube, so would when using conventional valve tubes, the amperage increases instantly so high can destroy the tube. But yes, if as a result of impact ionization the tube current has risen to 4 milliamperes, is that at the resistors 34 occurring counter-voltage 400 volts, so that with further increase the bias voltage of the grid against the filament becomes negative, which further increases the current finally prevented. With the selected size of the resistors is accordingly at all a current draw of more than 4 milliamperes at the ends of the high voltage lines 24, 25 excluded within the irradiation room 21, so that an immediate Effectively touching the body against a passage of current higher than 4 milliamperes protects, an order of magnitude which experience has shown to be harmless can be. Even in the case of single-pole contact, the capacitance current that occurs could accordingly never exceed the size of 4 milliamps, because in each lead 24 and 25 to the X-ray tube 17, a valve tube 28 serving as a three-electrode tube is switched on is. But even if such a three-electrode tube is only in one supply line 28 were provided, this would already provide effective protection for the X-ray tube 17 form themselves and also a certain protection against the much more dangerous Short-circuit currents with two-pole contact.

Die Einrichtung nach der Erfindung eignet sich grundsätzlich für Hochspannungskreise jeder Art, wo eine zeitlose Begrenzung der Stromstärke erforderlich ist.The device according to the invention is basically suitable for high-voltage circuits of any kind where a timeless limitation of the current is required.

Claims

PATENT CLAIM: i. Device for current limitation in high-voltage circuits, characterized in that there is a three-electrode tube in the high-voltage circuit (9) is switched on, its cathode (io) with one end of a resistor (15) is connected, at the other end of which the high-voltage circuit and the grid (12) lie.

2. Device according to claim i, characterized in that between the resistor (z5) and the grid (12) of the three-electrode tube (9) a voltage source (16) is switched on so that the grid is on the positive pole.

3. Establishment according to claims i and 2 for x-ray systems with rectification Valve tubes, characterized in that between the cathode (3 =) and anode (3o) of the valve tube (28) a grid (32) is switched on, which is connected to one end of a high-resistance Resistance (3 ¢) is connected. which is also the high-voltage circuit, while the cathode (39) is connected to the other end of the resistor. q .. Device according to claim i and 3, characterized in that in both feed lines (2q., 25) for the X-ray tube (i7) each have a valve tube provided with the grid (32) (28) is switched on.