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Gasentladungsapparat, insbesondere Quecksilberdampfstromrichter mit
vor den Anoden angeordneten Teilhülsen Die Erfindung bezieht sich auf Gasentladungsapparate,
insbesondere Quecksilberdampfstromrichter. Es ist bei derartigen Apparaten bekannt,
vor den üblicherweise von Anodenschutzrohren umgebenen Anöden Teilhülsen anzuordnen
zu dem Zweck, eine gleichmäßige Verteilung des Lichtbogens über die Anodenoberfläche
zu erzielen.
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Um die Belastbarkeit des Apparates zu vergrößern, ist dabei schon
vorgeschlagen worden, den Gas- oder Dampfdruck des Stromrichters auf die Teilhülsenabmessungen
und auf deren Anordnung relativ zur Stirnfläche der Anode, vorzugsweise durch Zusatz
von Edelgas, derart abzustimmen, daß der Dampf druck ständig oberhalb der Grenze
bleibt, bei welcher der vom Druck abhängige Sättigungsstrom pro Teilhülse seinen
Höchstwert erreicht. Der in diesem. Fall erforderliche Gas- oder Dampfdruck liegt
in der Größenordnung o,oi bis i Torr (i Torr = i mm Hg-Säule), ist also bedeutend
höher als bei den üblichen bisher bekannten Gleichrichtergefäßen. Durch die erhöhte
Dampfdichte kann die durch Auftreten einer Ionenverarmung und von Überspannungen
gekennzeichnete Belastungsgrenze des Stromrichters ganz erheblich heraufgesetzt
werden, und eine Parallelschaltung der Teilhülsen, d. h. also eine gleichmäßige
Verteilurig
der Entladung über die gesamte Anodenoberfläche, wird
dadurch bereits bei Stromstärken (Sättigungsstromstärken pro Teilhülse) erzielt,
die weit unterhalb der Stromstärken liegen, bei denen die für den ordnungsgemäßen
Betrieb des Stromrichters gefährliche Ionenverarmung auftritt.
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Es ist nun nicht ohne weiteres möglich, um die Belastbarkeit der Anoden
noch weiter zu steigern, den Gasdruck beliebig zu erhöhen, da sonst auch bei Verwendung
der Teilhülsen (Entionisierungsgitter) die Sperrspannung zu sehr herabgesetzt wird.
Es kann also bei Stromrichtern von gegebenen Dimensionen bei anomal hohen Strömen
(Kurzschlußströme) immer noch die Gefahr von Überspannungen und Rückzündungen bestehen;
da jede Anode von bestimmter Größe'bei einer vorgegebenen Gas- oder Dampfdichte
nur einen bestimmten maximalen Strom, den sogenannten Grenzstrom, führen kann. Verlangt
der durch das Netz bzw. den Gleichrichtertransformator vorgegebene Kurzschlußstrom
an den Anoden Ströme, die höher als dieser Grenzstrom sind; so muß mit beträchtlichen
Überspannungen, Hochfrequenzschwingungen und Rückzündungen gerechnet werden.
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Gemäß der Erfindung wird diese Gefahr bei Stromrichtern, bei denen
vor den Anoden Teilhülsen angeordnet sind, von vornherein dadurch vermieden, daß
der stromführende Teil der Anodenoberfläche derart groß bemessen, wird, daß der
für die Belastbarkeit der einzelnen Anoden bei vorgegebenem Gas- oder Dampfdruck
maßgebende kritische Grenzstrom oberhalb des für die Anlage bei Kurzschlüssen auftretenden
Wertes liegt, wobei gleichzeitig dafür Sorge getragen wird, daß die Durchbruchspannung
zwischen den Teilhülsen und den sperrenden Anoden für alle Teile der stromführenden
Anodenoberfläche praktisch gleich groß ist bzw. einen vorgegebenen Mindestwert nicht
unterschreitet. Mit Durchbruchspannung ist dabei die Gleichspannung bezeichnet,
welche bei vorgegebenem Gas- oder Dampfdruck, zwischen eine kalte Anode und das
vorgesetzte Teilhülsengitter angelegt, zwischen diesen beiden eine Gasentladung
einleitet. Die Durchbruchspannung ist dabei nicht vollkommen identisch mit der höchst
zulässigen Sperrspannung bei Betrieb des Gefäßes, was von den dann in den Teilhülsen
vorhandenen Restionen und Fremdionen herrührt; immerhin stellt die Durchbruchspannung
aber ein gutes Maß für die Sperrspannung dar.
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Gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken wird die erforderliche Vergrößerung
der Anodenoberfläche auf besonders vorteilhafte Weise ohne eine Vergrößerung der
vorzugsweise zylindrisch ausgebildeten Anoden dadurch erreicht, daß außer den Anodenstirnflächen
auch die Mantelflächen bzw. letztere Flächen allein als stromführende Fläche ausgebildet
werden. Dadurch kann z. B. bei einer zylindrischen Anode, deren Höhe das r,Sfache
des Durchmessers ist, die gesamte stromaufnehmende Anodenfläche siebenmal größer
gemacht werden als bei bekannten Anodenkörpern gleicher Größe, bei denen lediglich
die Stirnfläche ausgenutzt ist. Mantelfläche und Stirnfläche der Anode sind also
beim Erfindungsgegenstand mit einem Entionisierungsgitter (Teilhülsengitter) zu
umgeben, und zwar muß dabei das Entionisierungsgitter an der Mantelfläche praktisch
genau die gleichen Eigenschaften, insbesondere die gleiche Durchbruch- oder Sperrspannung
wie das Entionisierungsgitter vor der Anodenstirnfläche besitzen.
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An sich hat man bereits versucht, die Mantelflächen einer Anode bei
Quecksilberdampfgleichrichtern dadurch an der Entladung mit teilnehmen zu lassen,
daß man die Anode mit radial gestellten Lichtbogenführungsflächen umgeben hat, und
zwar in der Weise, daß bei niederen oder normalen Stromstärken der Lichtbogen nur
an die Stirnfläche der Anode, bei höheren Stromstärken dagegen infolge des sich
erhöhenden Spannungsabfalles in der Nähe der Stirnfläche auch an Teilen der Anodenmantelfläche
ansetzt. Hierdurch werden aber Über-Spannungen und Rückzündungen bei erhöhten Stromstärken
in keiner Weise vermieden, da ja der Übergang des Lichtbogens von den Stirnflächen
auf die Mantelflächen eben nur bei Auftreten eines erhöhten Spannungsabfalles, d.
h. also bei der beginnenden, zu Überspannungen und Rückzündungen Anlaß gebenden
Ionenverarmung vor sich geht. Es liegen ferner bei den bekannten Anordnungen an
den verschiedenen Anodenteilen stets ganz verschiedene Entladungsbedingungen vor,
insbesondere ist die für die Sperrwirkung der Anoden maßgebende Durchbruchspannung
im Gegensatz zur Erfindung zwischen Anode und Entionisierungsflächen an verschiedenen
Stellen der Anode verschieden. Während nämlich bei einer hohen Belastung und damit
auch bei hohem Dampfdruck z. B. die Mantelflächen der Anode noch durchaus zulässig
belastet erscheinen und dort auch die Durchbruchspannung nicht unzulässig abgesunken
ist, ist an der Stirnfläche der Anode, die schon bei kleinen Belastungen an der
Entladung teilnimmt, die Sperrwirkung unter Umständen bereits außerordentlich stark
herabgesetzt. Die Gefahr des Auftretens von Rückzündungen ist somit bei den bekannten
Anordnungen in keiner Weise vermieden, und zwar eben deshalb nicht, weil das übergehen
der Entladung bei großer Last, z. B. von der Stirnfläche der Anoden auf die Mantelfläche,
stets eine Überlastung der Stirnfläche voraussetzt.
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Bei dem Erfindungsgegenstand ist demgegenüber durch entsprechende
Bemessung der Teilhülsen und des Gasdruckes dafür Sorge getragen, daß die gesamte
aktive Anodenoberfläche (Stirnfläche und Mantelfläche) schon bei niedrigeren Belastungen
gleichmäßig an der Entladung teilnimmt, und zudem für alle vor der aktiven Anodenoberfläche
angeordneten Teilhülsen die gestellten Bedingungen bezüglich der Höhe der Durchbruchspannung
voll erfüllt sind. Andere Stellen der Anode dagegen, insbesondere die Kanten- bzw.
Randpartie, an denen sich kleinere Durchbruchspannungen ergeben würden, werden erfindungsgemäß
von der Teilnahme an der Entladung durch Abdecken ausgeschlossen.
Zur
näheren Erläuterung ist in der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes,
und zwar mehr schematisch dargestellt.
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Mit i ist ein Teil der Gefäßwandung eines Quecksilberdampfgleichrichters
bezeichnet. Das Gefäß besteht vorzugsweise aus Metall und ist bei höherer Temperatur
entgast und danach von der Pumpe abgeschmolzen. Die Anoden, von denen nur eine,
und zwar die Anode 2, dargestellt ist, sind von unten in das Gefäß eingeführt, was
unter anderem den Vorteil bietet, daß der Entladungsweg zwischen der Kathode 8 und
der Anode 2 verhältnismäßig kurz bemessen werden kann. Zur Einführung der Anode
dient vorteilhaft ein keramisches Isolierrohr 5, vorzugsweise aus Steatit, an welches
über zylindrische Haftflächen, vorzugsweise unter Verwendung eines Glas- oder Emailleschmelzflusses,
elastische Ringflansche 6 angeschmolzen sind. Diese Ringflansche sind andererseits
mit der Wandung i bzw. dem Anodenbolzen 7 vakuumdicht verschweißt.
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Die Anode 2 besteht vorzugsweise aus Graphit und ist von dem zweckmäßig
ebenfalls aus Graphit hergestellten, erfindungsgemäß ausgebildeten Teilhülsengitter
3 (Entionisierungsgitter) umgeben. Das Gitter ist unter Verwendung eines eisernen
Ringkörpers q. an dem Steatitrohr 5 abgestützt. Es ist korbartig ausgebildet und
besitzt, wie aus der Abbildung hervorgeht, sowohl vor der Anodenstirnfläche als
auch vor der Mantelfläche Bohrungen (Teilhülsen) für den Lichtbogendurchtritt.
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Das Gefäß besitzt eine Edelgaszusatzfüllung von z. B. io bis Zoo mTorr,
vorzugsweise q.o bis ioo mTorr (Millitorr), durch die bewirkt wird, daß der Gasdruck
ständig oberhalb der Grenze bleibt, bei welcher der für das Parallelarbeiten der
Teilhülsen maßgebliche Sättigungsstrom seinen Höchstwert erreicht.
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Der Abstand Anode-Gitter, die Länge und der Durchmesser der Teilhülsen
und der Gas- bzw. Dampfdruck werden nun erfindungsgemäß aufeinander abgestimmt,
daß die Teilhülsen bei noch zulässigem Spannungsabfall den vorgeschriebenen Grenzstrom
führen können und dabei noch die erforderliche Sperrspannung bzw. Durchbruchspannung,
die für sämtliche Teilhülsen praktisch gleich sein muß, besitzen. Es kann das in
der Weise geprüft werden, daß sämtliche Teilhülsen bis auf eine verschlossen werden
und dann bei dunklem, d. h. entladungsfreiem Zylinder die Durchbruchspannung gemessen
wird, die bei einem bestimmten Gas- oder Dampfdruck einen Überschlag zwischen Gitter
und Anode hervorruft. Dann werden der Reihe nach alle Teilhülsen durchgemessen.
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Trägt man für ein bestimmtes Gitter und ein bestimmtes Gas bzw. Quecksilberdampf
die Durchbruchspannung graphisch über dem Gasdruck auf, so ergibt sich eine Kurve,
die sehr steil, und zwar fast senkrecht, abfällt. Das heißt, bis zu einem bestimmten
Gasdruck sperrt das Gitter noch gewissermaßen unendlich gut, dann aber sinkt die
Sperrspannung bzw. Durchbruchspannung plötzlich außerordentlich stark. Als ein im
üblichen Betrieb ausreichender Wert für die Durchbruchspannung können z. B.
3000 V (bei kalter Anode) vorgeschrieben sein: Wie sich gezeigt hat, ist
die Durchbruchspannung für ein und dasselbe Gitter und ein und denselben Druck für
verschiedene Gase verschieden. Man kann allgemein sagen, daß z. B. für eine Durchbruchspannung
von 3000 V der zugehörige Druck bei einer Entladung in Quecksilberdampf etwa
dreimal größer ist als bei einer Entladung in Edelgas. Diese Eigenschaft des Quecksilberdampfes
kommt den tatsächlich vorliegenden Betriebsverhältnissen im Stromrichter außerordentlich
entgegen. Ist nämlich der Stromrichter kalt, so ist lediglich der Edelgasdruck -von
z. B. q.o bis ioo mTorr vorhanden. Bei Vollast dagegen sind die Anoden von Quecksilberdampf
umgeben, und der zugehörige Druck im Kessel kann bis zu i bis 2 Torr gewählt werden,
ja sogar noch höher bei einanodigen Gleichrichtern, bei denen eine Annäherung der
Anode an die Kathode möglich ist. Die bei Vollast vorhandene Druckerhöhung ist aber
für die Sperrwirkung der Gitter nicht schädlich, da ja, wie schon erwähnt, bei dem
nunmehr die Anoden umgebenden Quecksilberdampf dieselbe Sperrwirkung wie bei Edelgas
noch bei dreimal größerem Druck gewährleis'et ist. Hinzu kommt noch, daß bei den
hohen an der belasteten Anode vorliegenden Temperaturen die Dampfdichte verringert
wird, was sich bezüglich der Sperrspannung ebenfalls günstig auswirkt, auf den Grenzstrom
dagegen praktisch keinen Einfluß hat. Zweckmäßig wird der Druck im Kessel um so
höher gewählt, je niedriger die Spannung und je höher der dem Stromrichter zu entnehmende
Strom ist.
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Damit bei den angegebenen hohen Drücken Rückzündungen mit Sicherheit
nicht auftreten können, müssen die Gitter so dimensioniert sein, daß die Durchbruchspannung
von z. B. 3000 V erst bei Drücken oberhalb der Betriebsdrücke erreicht wird.
Um einen Vergleich zu ermöglichen, werden die Drücke zweckmäßig auf den kalten Betriebszustand
bezogen. Vorteilhaft ist eine Bemessung der Gitter derart, daß der einer Durchbruchspannung
von 3000 V zugeordnete Druck bei Quecksilberdampf (und kalter Anode) mindestens
q.o bis 8o mTorr oder mehr, vorzugsweise rund 25o mTorr, beträgt. In vielen Fällen
können auch weit höhere Drücke bis 7oo m Torr oder mehr in Frage kommen. Um den
Dampfdruck im Kessel, bezogen auf den kalten Zustand, stets entsprechend einzuregeln,
kann vorteilhaft ein von der Gefäßtemperatur und der Belastung abhängiger Temperaturregler
vorgesehen sein, der den Kühlmittelstrom (Luftstrom) steuert.
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Bei der Messung der Durchbruchspannung ist es zweckmäßig, die Anode
im Fall eines Gleichrichters negativ gegenüber dem Gitter, dagegen im Fall eines
Wechselrichters auch positiv gegenüber dem Gitter zu machen. Es ist natürlich nicht
erforderlich, für jeden einzelnen Gleichrichter die Durchbruchspannungen der Teilhülsen
zu messen, es genügt vielmehr, wenn die Messung an einem Exemplar einer Typenreihe
vorgenommen wird.
Wie aus der Abbildung hervorgeht, sind an den
Kanten der Anode 2 keine Bohrungen im Gitter 3 angebracht, da an diesen Stellen
die Durchbruchspannung erheblich kleiner wäre. Es kann nämlich hier vorkommen, daß
die Ionen, die während der Sperrzeit durch eine hier vorgesehene Teilhülse hindurchgewandert
sind, nicht unmittelbar auf die Anoden auftreffen, sondern parallel zur Anodenoberfläche
eine größere Strecke zurücklegen und so in der Lage sind, das Gas zu ionisieren.
Derartige schädliche Wirkungen kann man außer durch Abdecken dieser Kanten bzw.
Teilhülsen auch von vornherein dadurch vermeiden, daß die Anode und das sie umgebende
Teilhülsengitter in gleicher Weise derart abgerundet werden, daß die zentrale Achse
einer jeden Teilhülse senkrecht auf der Anodenoberfläche steht. Dann ist die Strecke,
die das Ion nach Verlassen der Teilhülse bis zum Auftreffen auf die Anodenoberfläche
zurücklegt, höchstens gleich dem Abstand von Anode und Gitter, welcher aber derart
gewählt ist, daß die gewünschte Sperrspannung erzielt wird, so daß also keine schädliche
Ionisierung auftreten kann. Aus dein gleichen Grund (Verhinderung einer Ianisierung
zwischen Gitter und Anodenoberfläche) ist es erforderlich, etwaige Bohrungen in
der Anode, z. B. die Entgasungskanäle i i, nur an gegen die Entladung abgedeckten
Teilen vorzusehen.
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Die mit dem Gitter versehene Anode selbst ist, wie in der Zeichnung
dargestellt, von einer Anodenhülse g umgeben. hie Hülse ist mit zwei seitlichen
Öffnungen io für den Lichtbogendurchtritt versehen. Erfindungsgemäß wird die Gesamtfläche
der Öffnungen io mindestens so groß bemessen wie die gesamte Durchtrittsfläche des
Gitters 9.- Würde man den Querschnitt der Öffnung io kleiner wählen, so hätte die
erfindungsgemäße Vergrößerung der Gitteroberfläche bzw. der aktiven Anodenoberfläche
gar nicht den gewünschten Erfolg, da dann ja die Belastung des Stromrichters nicht
durch die Gitteroberflache, sondern durch den Querschnitt der öffnung io bestimmt
wäre.
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Anstatt die Anoden im Boden des Gleichrichters zu befestigen, ist
es auch möglich, sie in an sich bekannter Weise von oben in den Gleichrichter einzubauen.
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Die Erfindung kann ferner auch bei Gleichrichtern mit mehreren Entionisierungsgittern
bzw. Steuergittern angewendet werden. Maßgebend für die Sperrspannung ist dann jedoch
die Durchbruchspannung in jedem kleinen Bezirk der Anodenfläche zwischen der Anode
und dem äußersten Gitter. Diese Durchbruchspannungen müssen im Sinne der Erfindung
praktisch unter sich gleich sein.
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Durch die Art der Anordnung der Anode relativ zur Kathode kann es
unter Umständen vorkommen, daß gewisse Teilhülsen durch den Anodenstrom stärker
beaufschlagt werden als andere und daß infolgedessen in diesen Teilhülsen eine größere
Restionisation nach der Kommutierung übrig bleibt. Es ist in diesem Fall notwendig,
die Durchbruchspannung dieser betreffenden Gruppe von Teilhülsen etwas höher zu
wählen, so daß dann im Betrieb mit Sicherheit gleiche Sperrwirkung an jeder Teilhülse
erreicht wird. Die Vergrößerung der Durchbruchspannung einzelner Teilhülsen kann
durch Verlängerung der Hülse oder durch Verringern ihres Durchmessers erzielt werden.