DE1564445C - Verfahren und Vorrichtung zur Gleich richtung großer Strome im Hochspannungsbe reich - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur eines Bogenventils mit kalter fester Hohlkathode in

Gleichrichtung großer Ströme im Hochspannungs- Ansicht und im Schnitt.

bereich mittels einer Lichtbogenentladung in einer Es ist allgemein bekannt, daß bei einem Elek-

•Gasentladungsstrecke, bei der das Produkt ρ -d dem trodensystem mit Doppel- bzw. Hohlkathode die

linken Zweig der bekannten Paschen-Kurve ent- 5 Stromdichte bei anomaler Glimmentladung unter

spricht, wobei ρ den Füllgasdruck in Torr und d sonst gleichen Bedingungen (Fülldruck und Ent-

die Entfernung zwischen der Anode und dem Boden ladungsspannung) um mehrere Größenordnungen

einer Hohlkathode bedeuten. höher liegt als bei Systemen mit gewöhnlicher Flach-

Ein derartiges Verfahren ist im älteren Patent kathode. Es ist festzustellen, daß bei einem Elek-

1 257 291 der Anmelder beschrieben. io trodensystem mit Hohlkathode der Übergang der

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Glimmentladung in die Lichtbogenentladung auf Verfahren und eine Vorrichtung zur Gleichrichtung Grund der geringen Dicke des Kathodenfallraums großer Ströme im Hochspannungsbereich anzugeben, und folglich auf Grund hoher elektrischer Feldstärke die die Gleichrichtung von Impulsströmen in der vor der Kathode bei beträchtlich niedrigeren Span-Größenordnung mehrerer 10 kA bei Spannungen bis 15 nungen als bei Flachkathoden eintritt. Bekanntlich 10 kV unter Einhaltung einseitiger Leitfähigkeit tritt bei Flachkathoden in dem linken Zweig der ermöglicht und einen verbesserten Frequenzgang bei Paschen-Kurve entsprechenden Druckbereich eine der Gleichrichtung, gewährleistet. Hochspannungsglimmentladung auf, die sich durch

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- ein hohes Brennpotential kennzeichnet. Eine positive

löst, daß in der Gesamtladungsstrecke zwischen der 20 bei der Hoohspannungsglimmentladung entstehende

Anode und einer festen kalten Hohlkathode ein der- Raumladung verhindert den weiteren Stromanstieg,

artiger Gasfülldruck erzeugt wird, daß die Bedingung so daß sich der Übergang zur Lichtbogenentladung

a-pZJi cm-Torr erfüllt ist, wobei α den Abstand in Systemen mit Flachkathoden erst bei sehr hohen

einander gegenüberliegender Seitenflächen der Hohl- Spannungs- und Stromwerten vollzieht,

kathode in cm, bei zylindrischer Kathode deren 25 Demnach gibt es einen Druckbereich, in dem ein

Innendurchmesser bedeutet. System Anode—Hohlkathode bei Lichtbogenent-

Dadurch wird der Unterschied zwischen den zur ladung Ventileigenschaften besitzt. Der Druckbereich

Zündung der Lichtbogenentladung bei verschiedenen wird einerseits durch die Bedingung für das Vor-

Elektrodenpolaritäten der Gasentladungsstrecke. er- handenseindesHohlkathodeneffektesflp^3cm-Torr

forderlichen Potentialen möglichst groß gemacht, 30 und andererseits durch die Einsatzbedingung für die

indem man im Zwischenraum Anode— feste kalte Hochspannungsglimmentladungpd<Z.pd_mln bestimmt.

Hohlkathode Bedingungen schafft, durch die der Wird eine Gasentladungsstrecke mit einer Elektroden-

Hohlkathodeneffekt bei anomaler, der Lichtbogen- anordnung nach F i g. 1 in ein Wechselstromnetz mit

entladung vorangehender Glimmentladung zustande einem geringen Lastwiderstand eingebaut und bei

kommt. . - 35, Fülldrücken aus eben diesem Bereich betrieben, so

Vorteilhaft wird dabei in der Gasentladungsstrecke wird der durch die Entladungsstrecke fließende

zwischen der Anode und der festen kalten Hohl- Wechselstrom gleichgerichtet.

kathode ein Magnetfeld mit einem solchen Kraft- Diese Eigenschaften der Hohlkathode treten be-

linienverlauf erzeugt, daß ein Teil der Kraftlinien die sonders deutlich im Magnetfeld auf. Wird das oben-

Kathode zweimal schneidet, ohne die Anode zu 40 beschriebene Elektrodensystem in einem konstanten

durchsetzen. , Magnetfeld derart angeordnet, daß ein Teil der

Eine vorteilhafte Gleichrichtungsvorrichtung zur Kraftlinien (beispielsweise die Kraftlinien I, II nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Fig. 2) die Kathode K zweimal, die Anode A nicht gekennzeichnet durch eine feste kalte Hohlkathode, schneidet, so ergibt sich im Bereich III eine Elekeine isolierte Anode in deren Innerem, eine Vor- 45 tronenfalle. Das magnetische Feld sperrt dabei den richtung zur Erzeugung eines bestimmten Gasdruckes Elektronen aus dem Bereich III den Weg zur Anode, in der Gasentladungsstrecke zwischen der Anode und während der Weg zur Kathode durch das elektrische der festen kalten Hohlkathode und eine Zündeinrich- Feld gesperrt wird. Demzufolge wandern die Elektung, die eine zusätzliche mit dem Kathodeninnen- tronen in den sich kreuzenden magnetischen und raum über eine Öffnung in Verbindung stehende 50 elektrischen Feldern um die Achse des Systems. Da Entladungskammer, eine isolierte Elektrode, an wel- diese Bewegung hinreichend lange dauert, tritt auch eher der Zündimpuls angelegt wird, sowie einen bei-niedrigen Fülldrücken, bei denen die freie Wegpermanenten Ringmagneten zur Erzeugung eines länge der Elektronen viel größer ist als der Elek-Magnetfeldes in der zusätzlichen Entladungskammer trodenabstand, eine Ionisation ein. "
aufweist. 55 Daraus leitet sich die Tatsache ab, daß selbst

Vorzugsweise ist dabei ein in der Nähe der Hohl- äußerst schwache Magnetfelder mit Feldstärken in kathode angeordnetes Solenoid zur Erzeugung des der Größenordnung einiger zehn örsted, der geMagnetfeldes in der Gasentladungsstrecke zwischen forderte Kraftlinienverlauf vorausgesetzt, die Zünder Anode und der Hohlkathode vorgesehen. dung der Entladung erheblich begünstigen. Bei negater Gegenstand der Erfindung wird nachstehend 60 tiver Polarität der Anode ergibt sich keine Elekan Hand eines Ausführunigsbeispiels unter Bezug- tronenfalle, und der Einfluß des magnetischen Feldes nähme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es auf die Entladung ist. beträchtlich geringer.
zeigt Die Wirkung des Magnetfeldes kommt nicht nur

F i g. 1 die Anordnung der Anode und der Hohl- durch eine leichtere Zündung der Glimmentladung

kathode in einem Gleichrichter, 65 zur Geltung. Ein Magnetfeld mit dem geforderten

F i g. 2 die Anordnung der Anode und der Hohl- Kraftlinienverlauf läßt bei positiver Polarität der

kathode im Magnetfeld, Anode den Hohlkathodeneffekt deutlicher auftreten

Fig. 3 eine Gleichrichtungs-Vorrichtung in Form und setzt das zum Lichtbogeneinsatz erforderliche

Potential erheblich herab. Bei negativer Anodenpolarität wird der Einsatz der Lichtbogenentladung nur geringfügig durch das Magnetfeld beeinflußt. Somit erweitert sich bei Anwendung des Magnetfeldes der Druckbereich, in dem bei Lichtbogenentladung die Ventileigenschaften eines Systems Anode—Hohlkathode auftreten.

Die Vorteile der festen Hohlkathode sind besonders deutlich im Bereich hoher Ströme (über 1 kA) bei Impulsstromkreisen erkennbar. In diesem Falle ist zur Zündung einer Lichtbogenentladung im vorgegebenen Augenblick eine zusätzliche Ionisation im Kathodenhohlraum erforderlich. Die hierbei entstehende Raumladung erleichtert auf Grund der spezifischen Eigenschaften der Hohlkathode den Übergang der Glimmentladung in eine Lichtbogenentladung. Die zusätzliche Ionisierung kann durch eine Hilfszündeinrichtung erzeugt werden.

Da die Lichtbogenentladung unter Verhältnissen niedrigen Fülldrucks gezündet wird, rekombinieren die geladenen Teilchen /auf den Elektroden nach Erlöschung des Lichtbogens und beim Wechsel der Polarität. Der Elektrodenzwischenraum wird schnell entionisiert, sein elektrischer Grundzustand wird wiederhergestellt, und eine Rückzündung bleibt aus. Eine Druckerhöhung nach Durchgang des Stromimpulses tritt nicht auf. Eine Ausnahme bildet lediglich die verhältnismäßig kurze Periode bei der Inbetriebnahme. Es wurde sogar eine Druckabsenkung in der Entladungskammer beim Durchgang des Stromimpulses festgestellt.

Nachstehend wird eine der möglichen Ausführungsvarianten einer das erfindungsgemäße Verfahren verwirklichende Gleichrichtungsanordnung in Form eines Bogenventils mit Hohlkathode beschrieben.

Die feste kalte Hohlkathode des Bogenventils wird durch eine geschlossene Metallkammer 1 (Fig. 3) und die Unterplatte 2 mit einer dazwischenliegenden Dichtung 3 gebildet. In die Metallkammer 1 greift durch einen Isolator 4 eine Kupferanode 5 ein, die mit über Rohre 6 zu- und abgeleitetem Wasser gekühlt wird. Die Hohlkathode wird auch mit unter ihrem Mantel 7 durchfließendem Wasser gekühlt. Die Metallkammer 1 wird mit einer Vorvakuumpumpe über Öffnungen 8, eine Vorkammer 9 und einen. Vakuumschieber 10 evakuiert. Der Druck des Füllgases, beispielsweise Luft, Wasserstoff u. ä., wird mit einer Vorrichtung 11 über ein Rohr 12 eingestellt. Der eingestellte Druck wird mit einem thermoelektrischen Manometer 13 gemessen.

In ihrer einfachsten Form ist die Vorrichtung zur Einstellung des gewünschten Fülldruckes ein Nadelventil. Wird zur Füllung Wasserstoff verwendet, so kann die Einstellvorrichtung eine beheizte Palladiumkapillare sein. Bei hartgelötetem Ventil kann ein Titan-Wasserstofferzeuger zur Aufrechterhaltung des Fülldruckes verwendet werden.

Für die Zündung des Lichtbogens sorgt eine außerhalb des Kathodenhohlraums angeordnete Zündeinrichtung. Es ist eine zusätzliche mit der Metallkammer 1 über eine Öffnung 15 in Verbindung stehende Kammer 14. Innerhalb der Zündkammer befindet sich eine isolierte Elektrode 16, an welcher der positive Zündimpuls angelegt wird. Zur Erleichterung der Zündung von Hilfsentladungen ist ein kleiner permanenter Ringmagnet 17 vorgesehen. Die Elektrode 16 wird mit Leitungswasser gekühlt, das über Rohre 18 zu- und abgeleitet wird. Eine Erweiterung des Betriebsdruckbereiches des Bogenventils kann mit einem Solenoid 19 erreicht werden, das im Kathodenhohlraum ein Magnetfeld mit dem geforderten Kraftlinienverlauf erzeugt.

Dieses Bogenventil mit Hohlkathode wurde in einem Impulsstromkreis eingesetzt und im Druckbereich ΙΟ"¹. . . 10~³Torr betrieben. Es ermöglichte

ίο hier die Erzeugung unipolarer Stromimpulse mit einer Amplitude bis 50 kA bei Spannungen bis 10 kV. Die Impulsfolgefrequenz betrug dabei einige Hertz; der durchschnittliche Strom erreichte 200A. Die Impulsdauer konnte dabei 1 ms und mehr betragen.

Mit einem in einer Schaltung zum Kurzschließen einer Induktivität eingebauten Bogenventil wurden Impulsströme mit einer Amplitude von 120 kA bei einer Impulsdauer von 300 ms erzeugt.

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Gleichrichtung großer Ströme im Hochspannungsbereich mittels einer Lichtbogenentladung in einer Gasentladungsstrecke, bei der das Produkt p-d dem linken Zweig der bekannten Paschen-Kurve entspricht, wobei ρ den Füllgasdruck in Torr und d die Entfernung zwischen der Anode und dem Boden einer Hohlkathode bedeuten, dadurch ge kennzeichnet, daß in der Gasentladungsstrecke zwischen der Anode und einer festen kalten Hohlkathode ein derartiger Gasfülldruck erzeugt wind, daß die Bedingung a · ρ Z. 3 cm · Torr erfüllt ist, wobei a den Abstand einander gegenüberliegender Seitenflächen der Hohlkathode in cm, bei zylindrischer Kathode deren Innendurchmesser bedeutet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gasentladungsstrecke zwischen der Anode und der festen kalten Hohlkathode ein Magnetfeld mit einem solchen Kraftlinienverlauf erzeugt wird, daß ein Teil der Kraftlinien die Kathode zweimal schneidet, ohne die Anode zu durchsetzen.

3. Gleichrichtungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine feste kalte Hohlkathode (1,2), eine isolierte Anode (5) in deren Innerem, eine Vorrichtung (11) zur Erzeugung eines bestimmten Gasdruckes in der Gasentladungsstrecke zwischen der Anode und der festen kalten Hohlkathode und eine Zündeinrichtung, die eine zusätzliche mit dem Kathodeninnenraum über eine Öffnung (15) in Verbindung stehende Entladungskammer (14), eine isolierte Elektrode (16), an welcher der Zündimpuls angelegt wird, sowie einen permanenten Ringmagneten (17) zur Erzeugung eines Magnetfeldes in der zusätzlichen Entladungskammer (14) aufweist.

4. Gleichrichtungsvorrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch ein in der Nähe der Hohlkathode (1. 2) angeordnetes Solenoid (19) zur Erzeugung des Magnetfeldes in der Gas-

entladungsstrecke zwischen der Anode (5) und der Hohlkathode (1, 2).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen