DE583267C

DE583267C - Vacuum high voltage switch

Info

Publication number: DE583267C
Application number: DE1930583267D
Authority: DE
Original assignee: FRITZ LANGE DR
Current assignee: FRITZ LANGE DR
Priority date: 1930-06-14
Filing date: 1930-06-14
Publication date: 1933-09-01

Description

Seitdem die Leistungen, die von den einzelnen Kraftwerken übertragen werden, mit steigendem Energiebedarf immer größer werden, macht das sichere Ein- und Ausschalten wachsende Schwierigkeiten. Besonders bei über 200 000 Volt liegenden Spannungen ist die Konstruktion lichtbogenfreier Schalter nur schwer möglich. Die größte Anwendung in der Technik hat heute der ölschalter. Die Explosionsgefahr und die hohen Kosten lassen aber das Auffinden anderer Schalter notwendig erscheinen. Man hat auch bereits Ausschalter unter Druckluft angeordnet, um mit dieser Druckluft den Bogen zu löschen. Auch diese AnordnungenSince then, the services that are transferred from the individual power plants with The safe switching on and off makes switching on and off ever greater with increasing energy requirements growing difficulties. The construction is particularly good at voltages above 200,000 volts arc-free switch only possible with difficulty. The greatest application in engineering the oil switch has today. The risk of explosion and the high costs leave that Finding other switches appear necessary. One also already has a circuit breaker under compressed air arranged to erase the sheet with this compressed air. These orders too

sind teuer und haben einen großen Raumbedarf. Neuerdings versuchtman, alle diese Schwierigkeiten durch die Verwendung von Vakuumschaltern zu überwinden. Hier treten jedoch eine Reihe von Schwierigkeiten auf, derenare expensive and take up a lot of space. Recently, attempts have been made to overcome all of these difficulties through the use of vacuum switches to overcome. However, a number of difficulties arise here

Überwindung Gegenstand dieses Patentes ist. Das Auftreten elektrischer Entladungen in Vakuumgefäßen "(der Bogen in einem Schalter ist ja eine elektrische Entladung, und ein Vakuumschalter kann demgemäß als elektrisches Entladungsgefäß beträchtet werden), in denen ein noch meßbarer Druck herrscht, ist im allgemeinen an gewisse notwendige Bedingungen geknüpft. Vor allen Dingen ist es notwendig, daß an irgendeiner Stelle Ladungsträger entstehen. Bei hohen Drucken ist die"|Zahl der Gasmoleküle zwischen den Elektroden so groß, daß die natürliche Ionisierung ausreicht, um eine gewisse Anzahl von Ionen (etwa 5 bis 10 in der Sekunde und im cm³) zu erzeugen. Diese Ionen werden dann durch das elektrische Feld derartig beschleunigt,, daß sie durch den Stoß weitere Gasmoleküle ionisieren und dadurch den Raum zwischen den Elektroden leitend machen.Overcoming is the subject of this patent. The occurrence of electrical discharges in vacuum vessels "(the arc in a switch is an electrical discharge, and a vacuum switch can accordingly be regarded as an electrical discharge vessel), in which there is still measurable pressure, is generally linked to certain necessary conditions. Above all It is necessary that charge carriers develop at some point. At high pressures, the number of gas molecules between the electrodes is so large that the natural ionization is sufficient to generate a certain number of ions (about 5 to 10 per second and in cm ³ ). These ions are then accelerated by the electric field to such an extent that they ionize further gas molecules through the impact and thereby make the space between the electrodes conductive.

Bei wesentlich tieferen^ Drucken (wie sie in einem Vakuumschalter herrschen) genügt die natürliche Ionisation zur Einleitung und Aufrechterhaltung einer Entladung nicht mehr. Ih einem solchen Falle kommen zur Zündung der Entladung eine Anzahl anderer Quellen 43· für Ladungsträger in Frage, z. B. Austritt von Elektronen aus Metallteilen, insbesondere aus spitzen (autoelektronische Entladung), der Austritt von Elektronen aus glühenden Metallkörpern und die Auslösung von Elektronen 50' mit Hilfe des lichtelektrischen Effektes. Es ist selbstverständlich, daß in einem Vakuumschalter derartige Quellen für Ladungsträger sorgfältig vermieden werden. Der Erfindung Hegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß neben diesen 55'-Quellen für Ladungsträger noch eine weitere Quelle vorhanden ist, die bisher nicht ausreichend berücksichtigt wurde und der Herstellung von Hochspannungsvakuumschaltern große Schwierigkeiten entgegenstellte. An den 6Ό¹· Wandungen des Entladungsgefäßes bzw. des Schaltergefäß es befinden sich Elektrizitätsträger. Nach den Versuchsergebnissen handelt es sich anscheinend vorwiegend um Elektronen. Werden diese Ladungsträger einem hohen elektrischen 65' Felde ausgesetzt, so werden sie in RichtungAt considerably lower pressures (such as those that prevail in a vacuum switch), natural ionization is no longer sufficient to initiate and maintain a discharge. In such a case, a number of other sources 43 for charge carriers can be used to ignite the discharge, e.g. B. escape of electrons from metal parts, in particular from pointed (autoelectronic discharge), the escape of electrons from glowing metal bodies and the release of electrons 50 'with the help of the photoelectric effect. It goes without saying that such sources of charge carriers should be carefully avoided in a vacuum interrupter. The invention is based on the knowledge that, in addition to these 55 'sources for charge carriers, there is another source which has not been adequately taken into account up to now and which posed great difficulties for the manufacture of high-voltage vacuum switches. There are electricity carriers on the 6Ό ¹ · walls of the discharge vessel or switch vessel. According to the test results, it appears that they are predominantly electrons. If these charge carriers are exposed to a high electrical 65 'field, they are in the direction of

dieses Feldes beschleunigt und nehmen Geschwindigkeiten an, die sie zum Verlassen der Oberfläche befähigen. Bei Vakuumgefäßen ist naturgemäß ein Übertritt der Ladungsträger, Ionen und Elektronen in den Vakuumraum sehr leicht, und die Störungen durch sie sind daher sehr groß.this field accelerates and take speeds that enable them to leave the surface. In the case of vacuum vessels, there is naturally a transfer of the charge carriers, Ions and electrons enter the vacuum space very easily, and the disturbances caused by them are therefore very large.

Um die schädlichen Einflüsse dieser gleitenden Entladungen an der Grenze zwischen Vakuumraum und Wandung zu beseitigen, besteht entweder die Möglichkeit, die isolierende Strecke zwischen den Elektroden derart groß zu machen, daß das Spannungsgefälle je' cm unter- dem gefährlichen Wert bleibt, oder es muß erreicht werden, daß die Ladungsträger^; keine längeren Strecken ungehindert durchlaufen können. Der erstere Weg ist für Hochspannungsschalter nicht gangbar, da dann für-extrem hohe Spannungen von z.B. einigen Millionen Volt Schaltergefäße gebaut werden müßten, die praktisch nicht mehr verwendbar sind. Es wird daher der zweite Weg beschriften und" gemäß der Erfindung die isolierende Gefäßtyandung durch eine große Anzahl zweckmäßig ringförmiger Leiter oder Halbleiter unterbrochen. Ladungsträger, die sich auf der zwischen zwei Leitern befindlichen isolierenden Fläche befinden und., von dem elektrischen Felde beschleunigt werden, treten nun in diese metallischen Leiter ein; bevor 3öi sie· eine^T Geschwindigkeit erreicht haben, die sie in den Entladungsraum hineinstreuen läßt. Die metallischen Leiter haben nun gegeneinander eine gewisse Kapazität, und vermöge dieser Kapazität nehmen sie die (an Zahl ge-3ξ ringen) Ladungsträger auf, ohne ihr Potential wesentlich zu ändern. Dadurch wird ein wirksamer Schutz gegen ein Umsichgreifen der gleitenden Entladungen erreicht. - In der Abbildung ist eine zweckmäßige Aus-4O-führungsform der Wandung eines erfindungsgemäßen· Vakuumhpchspannungsschalters mit den beiden ; Deckplatten i, 2 und den Kontakten^, 4 dargestellt. Man sieht die; ringförmigen, metallischen Leiter 5, die die isolierende Innenfläche 6 und 7 unterteilen * Zweckmäßig dient die dargestellte Zusammenstellung von isolierenden und'leitenden Teilen als Begrenzung des Vakuumräumes. In order to eliminate the harmful effects of these sliding discharges at the boundary between the vacuum space and the wall, there is either the possibility of making the insulating distance between the electrodes so large that the voltage gradient remains per cm below the dangerous value, or it must be reached be that the load carrier ^; cannot travel long stretches unhindered. The first way is not feasible for high-voltage switches, since switch vessels would then have to be built for extremely high voltages of, for example, a few million volts, which are practically no longer usable. The second way is labeled and "according to the invention, the insulating vessel wall is interrupted by a large number of appropriately ring-shaped conductors or semiconductors. Charge carriers that are located on the insulating surface between two conductors and are accelerated by the electrical field occur 3öi they have before achieved · a ^T speed that lets them into faithful in the discharge space the metallic conductors have now played a certain capacity, and by virtue of that capacity, they take (in number ge-3ξ wrestling); now in this metallic conductor one. Charge carriers without significantly changing their potential. This provides effective protection against reaching around the sliding discharges the contacts ^, 4. One sees the; ring-shaped, me metallic conductors 5, which subdivide the insulating inner surface 6 and 7

Bei den Versuchen ergab sich ferner, daß 50- bei einer derartigen Anordnung weit geringere Anforderungen an das Vakuum gestellt werden mußten. ' Insbesondere war, es möglich, mit den üblichen Öl·· oder Quecksilberpumpen ohne Ausfrieren der Öl- bzw. Quecksilberdämpfe zu 55- arbeiten. Dadurch tritt gegenüber den bisherigen Anordnungen eine wesentliche Vereinfachung, Verkleinerung und Verbilligung der Anlage ein'.; Auch könnten zum Aufbau des Schalters, Werkstoffe benutzt werden, die einen 60- meßbaren Dampfdruck besitzen, wie z.B. Hartpapier und Gummi. . _ -The experiments also showed that With such an arrangement far lower demands are placed on the vacuum had to. In particular, it was possible to use the usual oil or mercury pumps without Freezing of the oil or mercury vapors to 55- work. This occurs over the previous Arrangements a substantial simplification, reduction in size and cheaper Plant on '.; Materials could also be used to construct the switch that have a 60- have measurable vapor pressure, such as hard paper and rubber. . _ -

Die Unterteilung der Wand kann in verschiedener Weise vorgenommen werden. Beispielsweise wurde eine große Anzahl von Metallringen in gleichen'Abständen über das Rohrinnere verteilt, so, daß der gesamte Schalterkanäl lamellenartig geschichtet war. Um zu verhindern, daß zerstäubendes Elektrodenmaterial die Zwischenräume zwischen den einzelnen Ringen überbrückt, können die Ringe röhrenartige, sich -überlappende Ansätze erhalten. Es ist möglich, den einzelnen Ringen von außen ein definiertes Potential zu erteilen, jedoch ist dies im allgemeinen nicht notwendig. Die Anzahl der ringartigen Gebilde, die zur Unterteilung der Innenwand benutzt werden, ist' abhängig von der Höhe der benutzten Spannung und in gewisser Beziehung auch von der Güte des Vakuums. Im allgemeinen ist gefunden worden, daß selbständige Entladungen um so sicherer unterdrückt werden, je häufiger die Wand "unterteilt wird.The wall can be subdivided in various ways. For example a large number of equally spaced metal rings across the inside of the pipe distributed so that the entire switch channel was layered like lamellae. In order to prevent atomizing electrode material from penetrating the spaces between the individual Bridged rings, the rings can receive tubular, overlapping approaches. It is possible to use the individual rings to give a defined potential from the outside, but this is generally not necessary. The number of ring-like structures that are used to subdivide the inner wall, is' dependent on the level of voltage used and in some respects also on the quality of the vacuum. In general is It has been found that independent discharges are suppressed the more surely, the more frequently the wall "is divided.

Von besonderer Bedeutung "sind außerdem die Gleitwege zwischen den einzelnen Lamellen. Diese Gleitwege sollen möglichst groß sein. Da andererseits für eine gleichmäßige Feldverteilung" die Größe" der Kapazität zwischen . den Lamellen eine Rolle spielt, ist es zweckmäßig, die Ausführung derart zu wählen, daß bei geringem-Abstand der Leiter-.voneinander ein großer Gleitweg vorhanden ist. Beispiels-r weise kann man das Innere des Isolierrohres sehr häufig rillen,, so daß auf diese Weise die Gleitwege zwischen den hineingeschobenen oder sonstwie befestigten lamellenartigen Gebilden möglichst groß werden: · Bei einer derartigen Anordnung kann eine besondere Hüllwand zur Begrenzung des Vakuums fortfallen. In· diesem Falle wird man zweckmäßig, wie in .der Abbildung dargestellt, scheibenartige Gebilde verwenden, die in der Mitte eine geeignete Durchbohrung haben, innerhalb deren sich die Elektroden bewegen. Um eine vakuumdichte Verbindung zu erhalten, werden zweckmäßig Gum- . miringe 6 benutzt, die ■ gleichzeitig die isolierenden Scheiben zwischen den leitenden Scheiben sein können. Die Bohrung der Isolierscheibe 7 wird zweckmäßig größer gewählt als die Bohrung der Metallscheiben 5, damit im Entladungs- . kanal nur Metallteile vorhanden sind. Da- iw durch werden die Isolierteile gegen . die Ent-. ladung (die im ersten Äugenblick der .Schal· tung auftreten kann) geschützt..-- Andererseits werden die Außendurchmesser der Isolierringe zweckmäßig so · gewählt, daß die Isolierringe über die Metallscheibe vorstehen, so daß große Überschlagungswege, entstehen. . - . Ein nach diesen Grundsätzen hergestelltes Rohr war bei einer Unterteilung-von 80 Stufen und einer Länge von nur 20 cm gegenüber einer Spannung von 800000 Volt unter überaus mäßigem Vakuum noch völlig entladungs-Of particular importance "are also the sliding paths between the individual slats. These glide paths should be as large as possible. On the other hand, since for an even field distribution " the size "of the capacitance between the lamellas plays a role, it is appropriate to to choose the design in such a way that if the distance between the conductors is small there is a large glide path. Example r wise you can grooved the inside of the insulating tube very often, so that in this way the Slideways between the slid-in or otherwise attached lamellar structures be as large as possible: · With such an arrangement, a special cladding wall can be used Limitation of the vacuum no longer applies. In this Fall one becomes expedient, as in the figure shown, use disk-like structures, which have a suitable perforation in the middle, within which the electrodes are located move. In order to obtain a vacuum-tight connection, it is advisable to use rubber. miringe 6 is used, which ■ at the same time act as the insulating washers between the conductive washers could be. The bore of the insulating washer 7 is expediently chosen larger than the bore of the metal disks 5, so in the discharge. channel only metal parts are present. Since iw through are the insulating parts against. the development. charge (which in the first moment of the .scarf protection can occur) .. - On the other hand, the outer diameter of the insulating rings expediently chosen so that the insulating rings protrude over the metal disc so that large Rollover paths arise. . -. One made according to these principles Pipe was at a subdivision of 80 levels and a length of only 20 cm compared to a voltage of 800,000 volts under extremely moderate vacuum still completely discharged

frei. Wenn es sich darum handelt, die Elektroden dicht aneinanderzuhälten, also den Schaltweg so kurz zu machen, daß sich die Kontakte bei ausgeschaltetem Schalter noch innerhalb des Kathodendunkelraumes befinden, wird man zweckmäßig einen flachen, scheibenartigen Aufbau wählen.free. When it comes to keeping the electrodes close together, i.e. the To make switching travel so short that the contacts are still when the switch is switched off are located within the cathode dark room, it is expedient to use a flat, disk-like one Choose structure.

Es ist möglich, die Konstruktion so zu wählen^ daß die metallischen Unterteilungen inIt is possible to choose the construction like this ^ that the metallic subdivisions in

ίο Form von konzentrisch umeinandergelegten, immer größer werdenden Gebilden angeordnet sind, während die Isolierteüe einen scheibenartigen bzw. glockenförmigen Bau aufweisen. Auch in diesem Falle sind die Begrenzungsflächen des Enladungskanals entsprechend der Anzahl der metallischen Gebilde unterteilt.ίο Form of concentrically arranged, ever larger structures are arranged, while the Isolierteüe a disk-like or have bell-shaped construction. In this case, too, are the boundary surfaces of the discharge channel according to the number of metallic structures.

Claims

Patent claims:

1. vacuum high-voltage switch, characterized in that the insulating The vessel wall is subdivided by conductive or semiconducting substances so that sliding discharges be prevented.

2. Switch according to claim 1, characterized as characterized in that lamellar, annular or groove-shaped conductive, or semiconducting body at a small distance from one another in such a way 'on the vessel wall are arranged that they cause a frequent subdivision of the wall.

3. Switch according to claim 1 or 2, characterized in that the conductive or semiconducting body protrude into the switch housing in such a way that the part of the wall located between the conductive or semiconductive bodies Influence of the switching process is withdrawn.

4. Switch according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the wall part between two conductive or semi-conductive partitions by cutting Grooves is designed so that the measured on the inner surface of the wall The distance between the conductive or semiconductive subdivisions is much greater is than their shortest distance.

5. Switch according to claim 2, 3 or 4, characterized in that the conductive or semiconductive bodies are so close to one another are arranged that by means of the between the conductive or semiconductive Layers prevailing capacities the field is distributed as evenly as possible within the discharge space.

6. Switch according to claim 2, 3, 4 or 5, characterized.daß the switch wall delimiting the vacuum space Placed flat on top of one another, provided with an inner opening for the contacts Layers is formed, which alternate from insulating and conductive or semiconducting Material.

7. Switch according to claim 6, characterized in that between the conductive or semiconducting layers arranged a plurality of insulating layers is whose inner opening have different diameters, such that the on the inner surface of the wall measured distance between the conductive or semiconductive Layers is much larger than the shortest distance.

8. Switch according to claim 6 or 7, characterized characterized in that the inner openings of the conductive or semiconductive layers have a smaller diameter than the inner openings of the insulating layers.

9. Switch according to claim 6, 7 or 8, characterized in that the outer Diameters of the insulating layers are larger than the outer diameter of the conductive or semiconductive layers.

10. Switch according to claims 7, 8 or 9, characterized in that the conductive or semiconductive and the insulating Layers are designed and arranged as cylinders pushed one inside the other.

1 sheet of drawings