-
Gas- oder dampfgefüllter elektrischer Entladungsapparat fürhohe Spannungen
Bekanntlich werden bei mehranodigen Metalldampfstromrichtern in den Entladungswegen
vielfach ein oder mehrere Gitter vorgesehen, die in erster Linie entweder als Neutralisations-
oder als Steuerkörper dienen. Bei diesen bekannten Anordnungen treten beim Betrieb
mit hohen Spannungen Schwierigkeiten, wie Rückzündungen, Kurzschlüsse od. dgl.,
auf. Diese Störungen werden in erster Hinsicht durch in der Sperrzeit in der Entladungsbahn
befindliche Ladungsträger verursacht. Es wurden ferner bereits Wege angegeben, wie
bei Höchstspannungsstromrichtern der äußere Aufbau der Lichtbogenstrecken vorzunehmen
ist. Hierbei wurde wesentlich Wert darauf gelegt, daß die Elektroden in hochspannungstechnischer
Hinsicht einfache und günstige Formen hatten. Außerdem versuchte man, die starken
auftretenden Felder durch außerhalb des Vakuums liegende Mittel, z. B. durch Abschirmbleche,
zu beeinflussen.
Eine weitere Aufgabe bei Hochspannungsstromrichtern
besteht in der Beherrschung der Vorgänge in der Lichtbogenstrecke selbst. Hier soll
in erster Linie das: Entstehen selbständiger Entladungen in der Sperrphase verhindert-werden,
und außerdem sollen die von der Brennphase verbleibenden Restladungen schnellstens
entfernt werden. Ferner ist es nötig, die meist aus keramischem Material bestehenden
Wandungen des die Lichtbogenstrecke enthaltenden Gefäßes so zu formen und auszugestalten,
daß die auf ihnen entstehenden Längsfeldstärken besonders günstig verteilt sind
bzw. feldfreie Strecken mit feldführenden Strecken derart abwechseln, daß Gleitentladungen
zwischen den Hauptelektroden nicht übergehen können.
-
Für den Verlauf der Zünd- bzw. Durchschlagsspannung bei Vakuumapparaten
gilt die Paschensche Kurve (Fig. i). Aus ihr ist zu ersehen, daß die Zündspannung
E sehr hohe Werte aufweist, wenn das Produkt p. d (Druck des Dampfes und
Abstand der Elektroden) entweder sehr große oder sehr kleine Werte annimmt. Die
Größe des Druckes bei gegebenen Stromrichterabmessungen kann man verhältnismäßig
wenig beeinflussen, man muß also mit ihr mehr oder weniger als mit einer Konstanten
rechnen. Es bleibt daher noch übrig, die Entfernungen zwischen den (Elektroden zu
verändern, insbesondere klein zu machen (kleiner als die freie Weglänge der Elektronen).
Mit dieser Maßnahme kann man wohl bei Röhren kleiner Leistung gute Erfolge erzielen,
sie reicht jedoch nicht aus, wenn es sich um Stromrichter für Höchstspannungen handelt,
bei denen eine nennenswerte Strombelastung starke Ionisation in der Brennzeit hervorruft
und infolgedessen das Verbleiben von Restladungen in der Sperrzeit zu Rückzündungen
führen würde. Bei diesen Stromrichtern ist die zwischen den Elektroden auftretende
Feldstärke so groß, daß die Abstände wegen ihrer Kleinheit mechanisch nicht mehr
einhaltbar sind. Bei solchen Stro@mric'htxam muß schon aus. räumli@chm Grümlden,
z. B. wegen des äjußeiren Übersichlag sweges@ idie Entfernung Anode--Kathode (Steuergitter)
ein Vielfaches der freien Weglänge der Elektronen betragen.
-
Es sind ferner elektrische Entladungsgefäße mit in besonderen Armen
angeordneten Anoden bekannt, bei welchen in den Anodenarmen zwischen Anode und Kathode
mehrere Gitter angebracht sind. Diese Gitter befinden sich in geringem Abstand voneinander
und weisen Öffnungen auf, welche durch Teile des nachfolgenden Gitters
je-
weils überdeckt werden. Auf diese Weise ist es wohl möglich, in der Sperrphase
die Bewegung der Ladungsträger, welche zur Zündung einer Entladung in der unerwünschten
Richtung führen könnte, in gewissen Grenzen zu verhindern. Die Gitter erwärmen sich
jedoch sehr stark, und es treten außerdem im Betriebe erhebliche Zündschwierigkeiten
auf.
-
Die Erfindung bringt nun eine Lösung der erwähnten Aufgaben, bei welcher
das Auftreten von Rückzündungen weitgehend verhindert wird, ohne daß jedoch Zündschwierigkeiten
oder sonstige Nachteile entstehen. Die Erfindung betrifft einen gas- oder dampfgefüllten
elektrischen Entladungsapparat für hohe Spannungen mit einer Vielzahl von hintereinander
in der Entladungsbahn liegenden, zu Gruppen, die für sich ein einheitliches Potential
aufweisen, zusammengefaßten Gittern und mit einem gegenseitigen Abstand der auf
voneinander verschiedenem Potential befindlichen Gittergruppen, der das Entstehen
einer selbständigen Entladung zwischen@den Gittergruppen in der Sperrphase nicht
zuläßt. Die Erfindung besteht darin, daß die Wegstrecke, über die sich eine Gittergruppe
erstreckt, erheblich größer ist als der Abstand der Gittergruppen voneinander. Der
Verlauf der Feldstärke in der Entladungsbahn entspricht etwa. der Kurve nach Fig.
a2. Das gesamte Gefälle des Feldes, das normalerweise eine Beschleunigung der Ladungsträger
herbeiführen würde, die infolge ihrer kinetischen Energie jede Ventilwirkung unmöglich
macht, ist hierbei in mehrere Teilgefälle unterteilt, die im einzelnen ungefährlich
und beherrschbar sind, weil voraussetzungsgemäß die auf den kurzen Strecken erlangte
kinetische Energie zur Stoßionisation nicht ausreicht. Wenn trotzdem ein Durchschlag
einer Strecke erfolgen sollte, so tritt doch noch keine Rückzündung ein, weil noch
weitere Sicherheitsstrecken dahintergeschaltet sind, die zu einer vollständigen
Rückzündung auch erst alle durchschlagen müßten. Es ist unter Umständen von Vorteil,
die Längen der verschiedenen Strecken im Rahmen der Erfindung nicht gleich, sondern
ungleich zu machen" wenn man nämlich mit verschiedenen Dampfdrücken oder -dichten
längs der Entladungsstrecke zu rechnen hat. Diese Verschiedenheit tritt z. B. bei
sich ändernder Belastung ein, ist aber auch möglich bei gleicher Belastung infolge
von Dampfströmungen oder lokalen Überhitzungen.
-
Die Zwischenschaltung von feldfreien Räumen, deren Längsausdehnung
ein Mehrfaches der Länge der feldführenden Räume beträgt, hat gegenüber den bisher
bekannten Anordnungen den großen Vorteil, daß in ihnen ein ungestörtes Abdiffundieren
der Restladungen stattfinden kann, was durch zusätzliche Wandungsflächen beschleunigt
werden kann. Die Entladungsstrecke kommt also in sehr kurzer Zeit wieder auf ihren
vollen Isolationswert, und man ersieht, daß durch diese Maßnahmen erst der Betrieb
von Apparaten mit großen Feldern und zugleich starker Ionisierung möglich wird.
-
'Zweckmäßig wird man die Gittergruppen als Faradaysche Käfige ausbilden,
deren Abstände voneinander nicht gerade nur so klein sind, daß eine Entladung zwischen
den ,Gruppen in der Sperrphase zustande kommen kann, sondern deren Abstände kleiner
sind als die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger. Man kann die Gittergruppen
im unteren Teil konzentrisch ineinander angeordneter Anodenrohre anbringen. Man
kann auch die Gittergruppen mit aus dem Entladungsgefäß herausragenden Kapazitäten,
z. B. Schirmen, leitend verbinden. Die Wandungen der die Gitter
umschließenden,
vorzugsweise aus nichtleitendem Werkstoff bestehenden Anodenrohre oder Anodenarme
werden vorteilhaft an den feldführenden Räumen mit Ausbauchungen oder Taschen versehen,
die im wesentlichen in Äquipotentialflächen liegen können. Man kann im Rahmen der
Erfindung auch die einzelnen Gittergruppen in verschiedenen Größen ausführen, etwa
in der Weise, daß die Länge der einzelnen Gittergruppen, d. h. also die Höhe der
Gitterkäfige, nach der Anode hin abnimmt, während der Abstand zwischen den einzelnen
Gittergruppen nach der Anode hin zunimmt.
-
Ein Ausführungsbeispiel zu Fig. 2 für eine Entladungsstrecke mit zylindrischer
Form zeigt Fig. 3. Die beiden Hauptelektroden sind die Anode i und das auf Kathodenpotential
befindliche Steuergitter 2. Zwischen ihnen sind drei Trommelgitter 3, 4, 5 (zylinderförmige
Gitterkäfige) angeordnet, die die erwähnten feldfreien Räume 6, 7, 8 umschließen
und gegebenenfalls durch weitere Flächen zur Erhöhung der Entionisierungsgeschwindigkeit
unterteilt sein können. Feldführend sind die Zwischenräume 9, io, ii. Aus Fig. 4
ist zu ersehen, wie die Abstände unter der Annahme einzustellen sind, daß vor der
Anode eine Überhitzung des Dampfes, also eine geringe Dichte, eintritt. Entsprechend
den größeren freien Weglängen der Elektronen nehmen die Abstände nach der Anode
hin zu (Staffeln, Fig. 5).
-
Eine andere Beeinflussungsmöglichkeit der Feldstärken, beispielsweise
bei gleichen Abständen, ergibt sich durch außerhalb der Entladungsstrecke angebrachte
Schutzschirme 12 (Fig. 6), die mit den einzelnen Gitterkäfigen 13, 14 und 15 leitend
oder kapazitiv verbunden sind und ihrerseits durch ihre Formgebung eine willkürliche
und .günstige Feldbeeinflussung ermöglichen. Die Schirme sind, wie aus der Fig.
6 ersichtlich, in Nähe der Gitterkörper gewölbt ausgebildet und gehen dann in vorzugsweise
gestaffelte zylindrische Rohre 16 über. Die Größe der Schirmflächen kann man gegebenenfalls
veränderlich ausgestalten etwa in der Weise, daß man die rohrförmigen Teile teleskopartig
ausbildet. Man kann so die Kapazität der Schirme den jeweiligen Bedürfnissen des
Betriebes und der Eigenheit des Apparates entsprechend anpassen. Möglich ist natürlich
auch eine Beeinflussung durch unmittelbar an die Gitterkäfige angeschlossene Kondensatoren
oder hohe Widerstände.
-
Die Fig. 7 zeigt eine Anordnung, wie sie beispielsweise bei in einem
Vakuumkessel mittels des Stromzuleiters 17 eingebauten Anoden mit Blechschutzrohren
18 getroffen werden kann.
-
Bestehen die Begrenzungswände der Lichtbogenstrecke aus keramischem
Material, was bekanntlich bei Höchstspannungsgleichrichtern vorteilhaft ist, so
ist bei der Formgebung ein weiterer Punkt zu beachten, der für den Betrieb von Höchstspannungsentladungsapparaten
nach der Erfindung wichtig ist. Es ist streng darauf zu achten, daß die Feldstärken
längs der Porzellan-wan@dungen im Innern nicht zu groß werden. Aus der Entladung
her findet ein dauernder Beschuß der Wandungen mit Ionen statt. Bei hohen Feldstärken
am keramischen Material würden diese sich beschleunigen und Gleitfunkenentladungen
herbeiführen, die naturgemäß eine Störung der Ventilwirkung herbeiführen werden.
Es ist deshalb auch hier vorteilhaft, feldfreie Stellen in der Wandung vorzusehen.
-
Fig. 8 zeigt eine Anordnung, bei der feldbehaftete Stellen (längs
der Feldlinien) mit feldfreien Stellen 23 (längs der Niveaulinien) abwechseln. Etwa
in der Ausbildung begriffene Gleitentladungen können sich hierbei über die feldfreien
Stellen hinaus nicht ausbilden.
-
Das die Gitter enthaltende Isolierrohr kann zweckmäßig auch so, wie
in Fig. 9 gezeigt, geformt werden. Die Wandungen des Isolierrohres sind im wesentlichen
den von einer kugelförmigen Anode ausgehenden Feldlinien angepaßt. Um das Auftreten
von Gleitentladungen zu verhindern, ist der Isolator an den Stellen, an denen hohe
Feldstärken auftreten sollen, mit Ausbauchungen oder Taschen versehen, die im wesentlichen
in Äquipotentialflächen liegen.