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Einrichtung zur Begrenzung des Stromes in elektrischen Leitungen Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Begrenzung des Stromes in elektrischen Stromkreisen,
und zwar wird zu diesem Zweck vorn einer elektrischen Entladungsstrecke Gebrauch
gemacht. Zweck der Erfindung ist, in einfacher und verlä.ßlicher Weise dafür zu
sorgen, daß der Strom, welcher von einer elektrischen Kraftquelle an einen oder
mehrere Verbrauchergeliefert wird, ein zulässiges Maß nicht überschreitet. Die Gefahr,
daß der Strom im einer Leitung eine schädliche Größe erreicht, ist beispielsweise
dann vorhanden, wenn in der Leitung Kurzschlüsse oder plötzliche Spannungsstöße,
z. B. die sog. Wanderwellen, auftreten. Die Erfindung betrifft ferner auch die vorteilhafte
Ausbildung eines elektrischen Entladungsgefäßes für den genannten Zweck, insbesondere
die Verlängerung der Lebensdauer des Entladungsgefäßes.
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Es sind Strombegrenzerröhren bekannt, bei welchen zwischen Anode und
Kathode in der Nähe der Anode eine Blende eingeschaltet ist. Die Wirkung dieser
Röhren beruht darauf, daß von einem gewissen Wert der Stromstärke an die Raumladung
vor der Kathode nicht mehr vollkommen durch die Ionen kompensiert wird, so daß der
Strom dann nicht weiter ansteigen kann. Diese Grenze ist bei den bekannten Strombegrenzerröhren
deshalb nicht scharf, weil sich zwischen der Blende und der Kathode ein großer freier
Raum befindet, in welchem die Ionisation der Ladungsträger
in der
Hauptsache stattfindet. I» diesem freien Raume können zahlreiche Ladungsträger gebildet
werden, welche die verschiedensten Anfangsflugrichtungen haben, und der Elektronenstrom,
der die Bl,endenöftnung durchfließt, ist nicht eindeutig bestimmt.
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Die Erfindung betrifft nun eine neuartige Ausbildung von gas- oder
dampfgefüllten Strombegrenzerröhren. Erfindungsgemäß bildet bei einer Einrichtung
zur Begrenzung des Stromes in elektrischen Leitungen, bei der in die Leitung eine
Gas- oder Dampfentladungsstrecke geschaltet ist, welche zwischen der Anode und der
geheizten Kathode eine Trennwand mit einer öfnung besitzt, durch deren Größe der
Höchstwert des bei Erhöhung der Anodenspannung erreichbaren Röhrenstromes begrenzt
ist, die mit der öffnung versehene Trennwand den Deckel eines aus einem Isolierboden
und einem Metallzylinder bestehenden Hohlgefäßes, in dem längsachsig eine mit einem
emissionsfähigen Überzug versehene Heizdrahtwendel angeordnet ist und die Wand des
Metallzylinders gleichfalls einen emissionsfähigen Belag trägt, während der Deckel
außenseitig mit einem nichtemittierenden Überzug versehen ist und über das Hohlgefäß
hinaus bis in die Nähe der Wandung des Entladungsgefäßes verlängert ist.
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Eine Anordnung gemäß der Erfindung ist in Fi`g. i dargestellt. In
dieser Figur bedeutet i einen Gleichstromgenerator, der über die Leitung 2 einen
Verbraucher 3 speist; um zu verhindern, da,13 der Strom in der Leitung 2 einen Höchstwert
überschreitet, ist in die Leitung das Entladungsrohr 5 eingeschaltet. Das Entladungsrohr
enthält eine Kathode 7. Diese Kathode besitzt eine Wendel 9, die mit emissionsfähigem
Material, beispielsweise Erdalkalioxyd, überzogen ist und vorzugsweise aus Nickel
oder besser aus einer Legierung von Kobalt, Nickel und Titan besteht. Diese Wendel
ist von einem Zylinder i i umschlossen. Die Wandung 13 dieses Zylinders besteht
aus Metall und ist mit einem Belag 15 aus emissionsfähigen Stoffen überzogen. Innerhalb
des evakuierten Gefäßes 19 befindet sich ferner noch die Anode 17. Ferner ist ein
Tröpfchen Quecksilber 21 am Grunde des Gefäßes angebracht, aus dem während des Betriebes
der notwendige Fülldampf für das Gefäß gewonnen wird.
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Die Kathode bezieht ihre Heizenergie von einer Spannungsquelle 23,
die in Fig. i als Batterie dargestellt ist. Man kann die Heizenergie natürlich auch
von dem Hauptgenerator beziehen.
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Würde das Entladungsgefäß lediglich aus einer ungeschützten Kathode
und einerAnode bestehen, dann würde ein in der Leitung auftretender Spannungsstoß
auch eine Erhöhung der an den Elektroden des Entladungsgefäßes liegenden Spannungen
und damit eine j höhere Ionisation hervorrufen. Das emissionsfähige Element der
Kathode;, würde von einer großen Zahl von Ionen getroffen und die Folge davon wäre
eine örtliche Erhitzung einzelner Stellen des Emissionsbelages. Bei der Anordnung
nach der Erfindung ist aber die Kathode durch eine Kammer 25 umschlossen, in deren
Innerem sich die emissionsfähigen Teile befinden. Die Kammer besteht ans dem zylindrischen
Wandungsteil 27, der am unteren Ende durch den keramischen Träger 29 abgeschlossen
und am oberen Ende gegen die Anode 17 durch eine Scheibe 3 i abgedeckt ist. Diese
Scheibe reicht vorzugsweise über die ganze lichte Weite des Glasgefäßes.
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Ein Leiter 33, welcher mit einem Pol der Heizquelle 23 verbunden ist,
tritt durch die keramische Scheibe 29 und ist an die Wendel 9 der Kathode 7 angeschlossen.
Der zweite Leiter 35 ist an die äußere Fläche des Zylinders 27 angeschlossen. Der
Heizstrom fließt somit über den Zylinder 27 und die Scheibe 31 zu der Heizwendel
9. Der Deckel 3 i besitzt in der Mitte eine Öffnung 37, durch welche die Elektronen
in den Entladungsraum austreten können. Durch die Größe dieser Öffnung ist die Größe
des Stromes gegeben, welcher unabhängig von einer weiteren Erhöhung der Spannung
maximal durch das Entladungsgefäß hindurchfließen kann.
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Da die Elektronenquelle völlig von dem metallischen Gehäuse 25 umschlossen
ist und nur durch einen Kanal mit dem Hauptentladungsraum in Verbindung steht, werden
von einem gewissen Stromwerte ab alle überschüssigen Ionen durch den Deckel der
Hohlkathode abgefangen und nur wenige können durch die Öffnung in den Hohlraum der
Kathode hineingelangen. Dadurch erreicht man die Sicherheit, daß tatsächlich von
einem bestimmten Stromwert an die durch die Elektronen gebildete Raumladung nicht
mehr voll kompensiert werden kann und daß daher von diesem Stromwert an ein weiterer
An- i stieg des Stromes nicht mehr möglich ist. Man hat dabei auch die günstige
Möglichkeit, durch verschieden starke Heizung der Kathode den Höchstwert des Stromes
in sicherer Weise zu beeinflussen.
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Die auf den Deckel 31 aufprallenden Ionen tragen zur Heizung der Kathode
bei; so daß die von ihnen erzeugte Wärme nicht nutzlos verlorengeht, im Gegensatz
zu den bekannten Röhren, bei denen die an der Blende erzeugte Wärme einen ausgesprochenen
Verlust darstellt, wobei auch noch für die sichere
Befestigung der
sich 'im Betriehe stark erwärmenden Blende an der Gefäßwand gesorgt werden muß.
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Eine Zerstörung des ,emissionsfähigen Belages der Kathode läßt sich
bei einer Röhre nach der Erfindung dadurch leicht verhindern, daß man die Größe
der Öffnung 37 im Decke131 mit Rücksicht auf die Heizung so wählt, daß der Strom
nicht den Wert überschreitet, bei welchem min die Kathode schädigendes Ionenbombardement
einsetzt. Wenn also der Strom groß sein soll, verwendet man einen Glühdraht von
verhältnismäßig großer Elektronenemission. Da die Kathode viele Elektronen abgibt,
werden die positiven Ionen durch eine dichte die Kathode umgebende Elektronenwolke
daran gehindert, auf die Kathodenoberfläche mit einer solchen Geschwindigkeit aufzutreffen,
daß sie einen Schaden verursachen können.
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Man kann. ,auch eine Reihe von Entladungsgefäßen verwenden,
die Kathoden von gleicher Emissionsfähigkeit, aber verschiedenen Durchmessern des
Loches 37 besitzen und durch wechselweise Einschaltung dieser Entladungsgefäße verschiedene
Grenzen für den Strom in der Leitung einstellen. Für eine Kathode mit geringer Emissionsfähigkeit
kann durch Veränderung des Durchmessers der Öffnung 37 bis zu einem gewissen Grade
eine Vergrößerung des Strommaximums erzielt werden. Der Bemessung des Lochdurchmessers
ist aber eine Grenze dadurch gesetzt, daß von einem bestimmten Durchmesser an die
Gefahr einer Zerstörung der Kathode durch positive Ionen auftritt. Man muß dann
eine Kathode von entsprechend größerer Emissionsfähigkeit wählen.
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Fig.2 zeigt die Abhängigkeit der Stromstärke von der an die Elektroden
angelegten Spannung; wobei die Werte des Stromes auf der Ordinate, die der Spannung
auf der Abszisse aufgetragen sind. Man erkennt beispielsweise aus der Kurve 39,
daß der Strom mit der Spannung bis zu einem gewissen Punkt 24 ansteigt, dann wird
er ziemlich rasch wenigstens annähernd konstant und eine weitere Vergrößerung der
Spannung bringtkeine wesentliche Vergrößerung des Stromes mehr mit sich. Der Sättigungspunkt
41, d. h. der Punkt, bei welchem der Strom mit der Spannung nicht mehr zunimmt,
ist durch die Größe der Öffnung 37 bestimmt. Wird die Öffnung größer, dann steigt
auch der Sättigungsstrom an. Selbstverständlich ist eine Grenze für diesen Anstieg
durch die Emissionsfähigkeit der Kathode gegeben. Für eine bestimmte Kathode kann
die Öffnung nicht über einen vorgegebenen Durchmesser vergrößert werden, da sonst
das emissionsfähige Element durch die in übermäßiger Anzahl und mit übermäßig großer
Geschwindigkeit aufprallenden Ionen zerstört würde.
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Es hat sich ferner gezeigt, daß man die Charakteristik des Entladungsgefäßes
auch noch durch Veränderung der Temperatur des Quecksilbers 21 verändern kann. Wenn
die Temperatur des Quecksilbers @erhöht wird, steigt auch der -vom Entladungsgefäß
durchgelassene Strom an. Man hat es also in der Hand, von außen her den Höchstwert
des Stromes, welcher das Entladungsgefäß durchfließen kann, zu bestimmen. Für diesen
Zweck verwendet man eine Widerstandsheizung 45, durch welche das Quecksilber 21
erwärmt wird. Das Quecksilber selbst, befindet sich in einem rohrförmigen Ansatz
47 des Entladungsgefäßes. Der Widerstandsheizkörper .f5 umschließt bei der praktischen
Ausführung den Ansatz 47, der Heizstrom für diesen Heizkörper wird von einer eigenen
Spannungsquelle 49 geliefert. Er kann aber auch dem Hauptgenerator i entnommen werden.
Durch Veränderung des Widerstandes 51 im Heizstromkreise kann die Heizung geregelt
werden.
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Es hat sich herausgestellt, daß unter Umständen eine Entladung zwischen
der äußeren Oberfläche der Kammer 25, welche sich auf Kathodenpotential befindet,
und der Anode 17 zustande kommen kann, besonders wenn die Spannung an dem Entladungsgefäß
verhältnismäßig hoch wird. Unter solchen Umständen kann es vorkommen, daß sich an
der äußeren Oberfläche der Kammer 25 ein Punkt örtlich besonders stark erhitzt und
nunmehr von diesem Punkte die Emission ausgeht.
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Um diesen Gbelstand zu vermeiden, wird vorteilhafterweise die Scheibe
31, welche die Kammer 25 abschließt, so dimensioniert, daß sie über die ganze lichte
Weite des Entladungsgefäßes reicht. Eine Entladung zwischen- den Wänden der Zylinderwendel
27 und der Anode 17 wird durch aie Scheibe 31 also verhindert. Damit die Scheibe
31 nicht selbst der Entladung einen Ansatzpunkt bietet, wird sie an der Oberfläche
karbonisiert oder wird mit einem anderen nichtemittierenden Überzug 53 versehen.
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Die Öffnung 37 der Kammer 25 und die Temperatur des Quecksilbers 21
sind so gewählt, daß das Entladungsgefäß im Sätti. gungspunkt arbeitet, wenn der
Strom in der Leitung den Höchstwert besitzt, welcher für den Verbraucher 3 erwünscht
ist. Sollte sich in der Leitung eine plötzliche Erhöhung der Spannung einstellen,
so kann trotzdem eine Erhöhung des Stromes nicht mehr eintreten, wie aus der Charakteristik
in Fig. 2 unschwer zu entnehmen ist.
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Fig.3 zeigt eine Anwendung der Erfindung auf die Strombegrenzung in
einer
Wechselstromleitung. Da das Entladungsgefäß nach der Erfindung
Gleichrichterwirkung besitzt, so würde stets nur eine Halbwelle des Wechselstromes
durchgelassen werden. Um nun in der Leitung Wechselstrom zu bekommen, bedient man
sich zweier symmetrisch geschalteter Entladungsgefäße, wie dies in Fig. q. dargestellt
ist.