DE972112C - Spannungsteileranordnung fuer Hochspannungsstromrichter - Google Patents

Description

Bei Stromrichtern, insbesondere solchen für hohe Spannungen, ist man bestrebt, die Sperrspannung zwischen Anode und Kathode möglichst gleichmäßig aufzuteilen. Es ist bekannt, hierzu kapazitive Spannungsteiler in Form von Zwischenelektroden, die im Entladungsraum angeordnet sind, zu verwenden. Die erforderliche Kapazität wird durch geeignete Ausbildung der Elektroden oder auch durch zusätzliche Kondensatoren erreicht; Schwierigkeiten bereitet jedoch oft die Befestigung der Zwischenelektroden und der Kondensatoren in dem Entladungsgefäß. Bei Glasgefäßen ist man beispielsweise derart vorgegangen, daß die Glaswandung durch Metallringe unterteilt wurde und die kapazitiven Spannungsteilerelektroden an diesen Metallringen befestigt wurden oder daß die Spannungsteilerscheiben auf einem Isoliergestell innerhalb der Röhre angebracht wurden. Diese bekannten Anordnungen eignen sich jedoch vorzugsweise nur bei Stromrichtergefäßen geringer Leistung, weil hier bereits sehr kleine Kapazitäten ausreichen. Sind größere Kapazitäten erforderlich, so sind bisher diese Kapazitäten außerhalb des Entladungsgefäßes angeordnet worden.

Die Erfindung betrifft ein Hochspannungsstromrichtergefäß mit zur Unterteilung der Spannungsdifferenz zwischen Anode und Kathode dienenden, an einen kapazitiven Spannungsteiler angeschlossenen Zwischenelektroden und ist dadurch gekennzeichnet, daß die aus mit Metallbelägen versehenen Isolierkörpern hoher Dielektrizitätskonstante bestehenden Kapazitäten des Spannungsteilers zusammen mit den Zwischenelektroden im Entladungsgefäß, zwischen der Gefäßwand und den Zwischenelektroden, angeordnet und zugleich Träger der Zwischenelektroden sind.

Die Fig. ι zeigt die Anordnung der Spannungsteilerscheiben, wie sie dem Grundsätzlichen nach auch bei der Erfindung benutzt wird. In dem Stromrichtergefäß ι mit Metallwandung ist der Entladungsraum zwischen der Anode 2 und der Kathode 3 bzw. dem Steuergitter 4, das sich ebenfalls nahezu auf Kathodenpotential befindet, durch Zwischenelektroden 5 unterteilt. Diese einfache Anordnung ist nur für Stromrichtergefäße kleiner Durchgangsleitung brauchbar.

Sobald jedoch in den Stromrichtergefäßen bei hoher Spannung gleichzeitig starke Ströme auftreten, sind besondere Vorkehrungen erforderlich. Es muß dafür gesorgt werden, daß durch den Trägereinstrom und die damit verbundene Aufladung der Spannungsteilerkapazitäten während der Entionisierung keine ungünstige Beeinflussung der vorgesehenen Spannungsaufteilung entsteht. Die Kapazitäten müssen so groß sein, daß die aus dem Restplasma aufgenommene Ladung die auf eine Teilkapazität entfallende Spannung, deren Höhe sich aus dem vorgesehenen Teilungsverhältnis ergibt, nur unerheblich beeinflussen kann. Die Verbindung zwischen den Hilfselektrode!! und den Spannungsteilerkapazitäten muß zur schnellen Aufnahme der großen elektrischen Ladungen, die bei der Entionisierung frei werden, möglichst widerstandsarm ausgeführt werden. Es ist ferner für eine ausreichende Fortleitung der im Entladungsraum entstehenden Verlustwärme zu sorgen. Erfindungsgemäß werden diese Schwierigkeiten in der nachstehend beschriebenen Weise vermieden. Fig. 2 zeigt schematisch ein Stromrichtergefäß für hohe Spannungen und große Ströme nach der Erfindung. Einander entsprechende Teile sind mit denselben Zahlen wie in Fig. 1 bezeichnet. Innerhalb des evakuierten Stromrichtergefäßes 1 befinden sich zwischen der Anode 2 und dem Steuergitter 4 die Zwischenelektroden 5, deren Zahl sich nach dem jeweils erforderlichen Teilungsverhältnis richtet. Die Zwischenelektroden sind unmittelbar mit den gleichfalls im Vakuum befindlichen ringförmigen Spannungsteilerkondensatoren verbunden, die zum Tragen der Zwischenelektrode verwendet werden und aus den Belägen 6 und den Isolierteilen 7 bestehen. Die Isolierteile müssen wärmebeständig sein und eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen.
Mit dieser Anordnung werden folgende Vorteile erreicht: Bei großer Einfachheit des Aufbaues wird wegen der Verwendung von Isolierkörpern hoher Dielektrizitätskonstante eine große Kapazität zwischen den Zwischenelektroden erzielt; die Verbindungen zwischen Elektroden und Kondensatoren sind kurz und praktisch ohne merklichen Widerstand; die im Entladungsraum entstehende Wärme wird über die Kondensatorbeläge abgeleitet und an die Gefäßwandung abgegeben.

Die konstruktive Ausführung der schematischen Anordnung aus Fig. 2 ist in einem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 dargestellt. Die Kathode ist nicht mitgezeichnet, da sich, wie schon früher erwähnt, das Steuergitter nahezu auf Kathodenpotential befindet und daher das gesamte Spannungsgefälle zwischen Anode und Steuergitter aufgenommen werden muß.

Innerhalb des evakuierten Stromrichtergefäßes 1, vorzugsweise aus Metall, befinden sich zwischen der Anode 2 und dem Steuergitter 4 die Zwischenelektroden 5. Die Zwischenelektroden werden von den ringförmigen Isolierkörpern 7 getragen und zentriert, die aus einer wärmebeständigen Masse hoher Dielektrizitätskonstante bestehen. Vorzugsweise sind hierfür keramische Werkstoffe geeignet. Die Isolierkörper 7 haben an der inneren und äußeren radialen Begrenzungsfläche Rippen zur Vergrößerung des Überschlagsweges, die an der Innenfläche gleichzeitig ein Bestäuben von Isolierstrecken verhindern; die Isolierkörper 7 sind in axialer Riehtung mit stark verringerter Wandstärke in der Weise ausgeführt, daß ein Doppel-T-Ouerschnitt mit gut abgerundeten Übergängen entsteht. Zur Evakuierung der beim Aufeinanderlegen der Isolierkörper entstehenden Hohlräume ist es vorteilhaft, an geeigneten Stellen Öffnungen vorzusehen. Die axialen Begrenzungsflächen des Doppel-T-Querschnittes und die Übergänge in den zylindrischen Teil sind mit einem leitenden, insbesondere metallischen Belag 6 überzogen, so daß sich zwischen beiden Belägen wegen ihres geringen Abstandes und der hohen Dielektrizitätskonstante der Trennschicht eine große Kapazität mit einem Mindestwert von etwa 100 pF ergibt. Die Beläge 6 stehen somit mit den benachbarten Zwischenelektroden 5 in unmittelbarer Verbindung. Bei einfachem konstruktivem Aufbau der Anordnung wird also erfindungsgemäß eine große Kapazität zwischen den Zwischenelektroden und eine äußerst kurze Verbindung zwischen Elektroden und Kondensatorbelägen erzielt.

Wie bekannt, besteht bei Isolierstrecken, die sich im Vakuum in der Nähe einer elektrischen Entladung befinden, die Gefahr der Bestäubung und der Metallisierung der Oberfläche, so daß die isolierenden Eigenschaften damit verlorengehen. Es sind deswegen beim Aufbau der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung Vorkehrungen getroffen, um diese Gefahr zu vermeiden. AVie schon früher angedeutet, dienen die an den Isolierkörpern 7 in der inneren Öffnung vorgesehenen Rippen auch diesem Zweck. Ferner ist durch Ausbildung der Zwischenelektroden 5 dafür gesorgt, daß die aus dem Entladungsraum hauptsächlich geradlinig und radial fortfliegenden Teilchen auf Metall treffen, also unschädlich bleiben. Die wenigen in anomaler Flugrichtung auf Isolierstrecken gelan-

genden Teilchen können diese nur so wenig an der Oberfläche der Rippen leitend machen, daß in den darunterliegenden, völlig abgeschirmten Teilen genügende Isolierstrecken verbleiben. Will man eine Metallisierung von Isolierstrecken gänzlich vermeiden, so ist es zweckmäßig, die Zwischenelektroden ähnlich dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 zu gestalten. Es sind hier für einander entsprechende Teile die gleichen Zahlen wie in den früheren Figuren angegeben. Bei der in Fig. 4 vorgeschlagenen Ausbildung der Zwischenelektroden 5 greifen die Ansätze der Elektroden glockenförmig ineinander, so daß die Isolierstrecken der Isolierkörper 7 gegen alle aus dem Entladungsraum in beliebiger Richtung fortfliegenden Teilchen völlig abgeschirmt sind.

Die Ableitung der Verlustwärme wird bei den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung dadurch bewirkt, daß sich die Zwischenelektroden 5 scheibenförmig zwischen den Isolierkörpern 7 hindurch erstrecken und in der Nähe der vorzugsweise aus Metall bestehenden Gefäßwandung ι entsprechend Fig. 3 enden. Sie sind an dieser Stelle mit metallischen Wülsten verkleidet, deren Oberfläche zur Verstärkung der Wärmestrahlung ebenso wie die Gefäßinnenwand vorteilhaft geschwärzt wird. Zur Unterstützung der Wärmeleitung ist es günstig, die Wülste 8, die Scheiben an den Elektroden 5 oder auch die gesamten Elektroden aus Kupfer herzustellen, das in zweckmäßiger Weise, z. B. durch einen Überzug aus Eisen, gegen Amalgamierung geschützt wird. Ein gleicher Schutz ist auch für die Beläge 6 erforderlich, wenn sie aus Kupfer oder einem anderen zur Amalgamierung neigenden Metall bestehen.

Die Wülste S tragen weiterhin zur Verbesserung der radialen und axialen Feldstärke an dieser Stelle bei. Dem gleichen Zweck dient der auf dem oberen Isolierkörper aufgesetzte Schutzring 9.

Der eine Belag des der Anode unmittelbar benachbarten Isolierkörper soll möglichst auf Anodenpotential gebracht werden. Es ist daher vorteilhaft, wie in Fig. 3 dargestellt, ein isolierendes, vorzugsweise keramisches Zwischenstück 10 zu verwenden, das in die Zentrierfläche des letzten Kondensators paßt und gleichzeitig eine Zentrierung der im richtigen Abstand von der nächsten Zwischenelektrode gehaltenen Anode bewirkt und zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen Anode und Kondensatorbelag auf der Mantel fache mit einem leitenden Überzug 11 versehen ist. Ferner kann die Anode glockenförmig ausgebildet und unmittelbar auf den benachbarten Isolierkörper aufgesetzt werden, wie in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 dargestellt, oder eine kapazitive Ankopplung vorgesehen oder auch der Anschluß über einen Widerstand vermittelt werden, dessen Größe nach den Betriebsverhältnisseii des Stromrichters zu bestimmen ist. Um den Raum nächst der Anode spannungsmäßig besonders wirksam zu entlasten, ist es unter Umständen vorteilhaft, dem der Anode unmittelbar benachbarten Kondensator eine erhöhte Kapazität zu geben und die Kapazität der übrigen in der Weise abzustufen, daß das stärkste Spannungsgefälle an einen besonders günstigen Teil des Entladungsraumes verlegt wird.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Hochspannungsstromrichtergefäß mit zur Unterteilung der Spannungsdifferenz zwischen Anode und Kathode dienenden, an einen kapazitiven Spannungsteiler angeschlossenen Zwischenelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die aus mit Metallbelägen versehenen Isolierkörpern hoher Dielektrizitätskonstante bestehenden Kapazitäten des Spannungsteilers zusammen mit den Zwischenelektroden im Entladungsgefäß, zwischen der Gefäßwand und den Zwischenelektroden, angeordnet und zugleich Träger der Zwischenelektroden sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine solche Form der Isolierkörper angewendet ist, daß große parallele Flächen entstehen, die sich mit dem durch die Höhe der auftretenden Spannung und die Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikums gegebeneu Mindestabstand gegenüberstehen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der kapazitiv wirksamen Teile der Isolierkörper doppel-T-förmig mit gut abgerundeten Übergängen ausgeführt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierkörper der Kondensatoren mit Rippen versehen sind, die den Überschlagswert vergrößern und/oder eine Metallisierung der Isolierstrecken verhindern.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenelektroden zur Erzielung einer abschirmenden Wirkung so ausgebildet sind, daß ein ausreichender Mindestabstand der Isolierkörper von Metallniederschlägen frei bleibt bzw. daß durch glockenförmiges Ineinandergreifen der Zwischenelektroden die Metallisierung von Isolierstreckeu überhaupt verhindert wird.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zwischenelektroden scheibenförmig zwischen den Isolierkörpern der Kondensatoren hindurch erstrecken und in der Xähe der Gefäßwandung enden.

7. Anordnung nach Anspruch 1 und 6, da durch gekennzeichnet, daß die Endflächen der Zwischenelektroden in der Xähe der Gefäßwand mit metallischen Wülsten, insbesondere solchen mit geschwärzter Oberfläche, verkleidet sind.

8. Anordnung nach Anspruch 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Beläge der Zwischenkondensatoren aus Kupfer bestehen und bei Verwendung von Quecksilberdampf mit einem die Amalgamierung verhindernden Überzug versehen sind.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Belag des der Anode

benachbarten Kondensators unmittelbar mit der Anode verbunden oder durch geeignete Kopplungsmittel möglichst nahe auf Anodenpotential gebracht ist.

io. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der der Anode unmittelbar benachbarte Kondensator eine größere Kapazität erhält und die Kapazität der übrigen abgestuft ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 171 154.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

® 909 515/37 5.