-
Einrichtung zur Strombegrenzung in Hochspannungsstromkreisen Um bei
Einrichtungen, die mit hochgespannten Strömen arbeiten, ein unzulässiges Ansteigen
der Stromstärke zu vermeiden, das beispielsweise dadurch eintreten kann, daß der
Durchschlag einer Isolation erfolgt, hat man bisher in den Hochspannungsstromkreis
hochohmige Widerstände eingeschaltet. Dadurch wurde erreicht, daß entsprechend der
Höhe dieser Widerstände und der von der Apparatur gegebenen Spannung eine gewisse
Höchststromstärke auftreten kann. Um jedoch bei hohen Spannungen, wie sie beispielsweise
zur Prüfung von Isoliermaterial benötigt werden, ein allzu hohes Ansteigen der Stromstärke
zu vermeiden, mußten die Widerstände entsprechend hoch gewählt werden. Wenn bereits
eine Vorentladung eintrat, die jedem Durchschlag vorausgeht, so wurden die Widerstände
in der Weise wirksam, daß die Prüfspannung wesentlich absank, wodurch das Moment
des Durchschlages. sich wiederum verzögert. Will man dieses Nachlassen vermeiden,
so ist bei entsprechend minimaler Bemessung der Widerstände im Augenblick des Durchschlages
mit sehr hohen Stromstärken zu rechnen und eine unverhältnismäßig große und kostspielige
Bemessung der Prüftransformatoren selbst sowie ihrer Zuleitungen erforderlich. Ganz
abgesehen davon sind die zur Zeit vorzugsweise verwendeten Widerstände in ihrer
Leitfähigkeit außerordentlich starken Schwankungen unterworfen. Diese Übelstände
sind nach der Erfindung dadurch vermieden, daß in den Hochspannungsstromkreis eine
Dreielektrodenröhre eingeschaltet ist, deren Kathode mit dem einen Ende eines Widerstandes
`verbunden ist, an dessen anderem Ende der Hochspannungsstromkreis und das Gitter
liegen. Diese Dreielektrodenröhre stellt innerhalb des Hochspannungsstromkreises
einen Widerstand dar, dessen Wirksamkeit mit einer beliebig einstellbaren, scharfen
Grenze eintritt. Bei der Isolationsprüfung beispielsweise setzt nicht schon bei
der dem Durchschlag vorausgehenden Entladung ein Spannungsabfall ein, der das Durchschlagsbild
stört, sondern es kann erst die gewünschte Entladung erfolgen, und doch ist dabei
sicher verhütet, daß diejenige Stromstärke nicht wesentlich überschritten wird,
welche die Voraussetzung eines wirksamen Durchschlages bildet. Diese Grenze ist
genau durch geeignete Wahl des zwischen der Glühkathode und dem Gitter einzuschaltenden
Widerstandes einstellbar, wobei der durch diesen Widerstand verursachte Spannungsverlust
gegenüber der am Durchschlagsort wirksamen Spannung nicht ins Gewicht fällt. Die
Dreielektrodenröhre wirkt daher zusammen mit dem Widerstand als ein selbsttätiger
Strombegrenzer.
-
Um dabei zu vermeiden, daß innerhalb der Dreielektrodenröhre selbst
ein vorzeitiger Spannungsabfall durch die Wirkung des Gitters eintritt,
erhält
dieses zweckmäßig mittels einer zwischen Gitter und Widerstand eingeschalteten Spannungsquelle
eine positive Vorspannung. Diese Vorspannung wird erst mit Eintritt der kritischen
Entladung dadurch ausgeglichen, daß sich an den Enden des Widerstandes infolge des
erhöhten Stromdurchganges eine entgegengesetzt gerichtete Spannungsdifferenz ausbildet,
welche mit weiterem Ansteigen des Stromes so groß wird, daß das Gitter eine negative
Vorspannung erhält, die nunmehr eine weitere Erhöhung des Stromdurchganges ausschließt.
-
Bei Anwendung der Einrichtung für Röntgenanlagen kann man in den Hochspannungsstromkreis
die Dreielektrodenröhre bei der genannten Verbindung der Kathode, des Gitters und
des Hochspannungsstromkreises mit einem hochohmigen Widerstand einschalten, es kann
aber auch bei Anlagen, bei welchen die Gleichrichtung mittels Ventilröhren erfolgt,
die zusätzliche Einschaltung einer derartigen besonderen, als Strombegrenzer wirkenden
Röhre dadurch erübrigt werden, daß die Ventilröhre selbst mit einem Steuergitter
versehen ist, das mit dem einen Ende eines hochohmigen Widerstandes verbunden ist,
an dem auch der Hochspannungsstromkreis liegt, während an das andere Ende des Widerstandes
die Kathode der Ventilröhre angeschlossen ist. Zweckmäßig wird auch hier zwischen
dem Widerstand und dem Gitter eine Spannungsquelle eingeschaltet, durch welche das
Gitter beim normalen Betrieb der Röntgenröhre eine positive Vorspannung erhält,
so daß die Charakteristik in den Grenzen normaler Stromentnahme der der üblichen
Zweielektrodenröhren gleicht.. Eine derartige Schaltung gewährt, zumal beim Therapiebetrieb,
ganz besondere Vorteile.
-
Einerseits ist durch diese Einrichtung ein wirksamer Schutz der Röntgenröhre
selbst erzielt. Bei den hohen Spannungen von beispielsweise Zoo K.V., die an eine
solche Röhre gelegt werden, setzt bei gelegentlichen Gasausausbrüchen eine Stoßionisation
ein, die infolge des Leitendwerdens der gesamten inneren Röhrenkugel und der hierbei
auftretenden außerordentlich hohen Stromstärke nahezu regelmäßig zur Zerstörung
der Röntgenröhre führt. In diesem Fall tritt nun die strombegrenzende Wirkung der
Dreielektrodenröhre in Tätigkeit, wobei gleichzeitig die gefährdete Röntgenröhre
selbst in dem Maße von der Betriebsspannung entlastet wird, wie diese Spannung sich
an den Enden der Dreielektrodenröhre ausbildet. Anderseits ist ein wirksamer Schutz
gegen die Gefährdung von Menschen, welche z. B. aus Unachtsamkeit mit der Hochspannung
in Berührung kommen, erreicht. Unbedingt verhindert bereits die genannte Einschaltung
einer Dreielektrodenröhre und eines hochohmigen Widerstandes in die eine Stromzuleitung
bei Berührung beider Zuleitungen das Auftreten kurzschlußähnlicher Entladungen,
welche erfahrungsgemäß zum Tode führen können. Wirksamer ist dieser Schutz, wenn
erfindungsgemäß in beide Zuleitungen zur Röntgenröhre je eine derartige Dreielektrodenröhre
mit Widerstand eingeschaltet ist, so daß bei einpoliger Berührung in jedem Fall
auch die Kapazitätsströme entsprechend begrenzt sind.
-
Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen der Einrichtung nach
der Erfindung dargestellt.
-
Abb. i zeigt schematisch die Anwendung der Einrichtung nach der Erfindung
bei der Prüfung von Isolierstoffen auf Durchschlagsfestigkeit und Abb. 2 bei Röntgenanlagen.
-
Gemäß Abb. i soll eine Platte i aus Isolierstoff auf ihre Durchschlagsfestigkeit
hin geprüft werden. Zu diesem Zweck liegt die Platte in bekannter Weise zwischen
einer plattenförmigen Elektrode 2 und einer spitzenElektrode 3. Parallel zu den
Elektroden 2 und 3 liegen Kugeln q. einer Meßfunkenstrecke. Ein Hochspannungstransformator
5 liefert die Prüfspannung. Der eine Pol 6 des Transformators ist durch eine Leitung
7 mit der spitzen Elektrode 3 verbunden.
-
Zwischen dem anderen Pol 8 des Transformators 5 und der plattenförmigen
Elektrode?, ist eine Dreielektrodenröhre 9 eingeschaltet. Diese Röhre hat eine Glühkathode
io, eine Anode ii und ein Gitter 12 . Die Kathode io erhält ihren Heizstrom durch
einen Heiztransformator 13. Die Anode ii ist durch eine Leitung 14 mit der plattenförmigen
Elektrode 2 verbunden. Der Pol 8 des Transformators 5 ist an die Glühkathode io
unter Zwischenschaltung eines hochohmigen Widerstandes 15 angeschlossen. Das der
Glühkathode io abgewandte Ende des Widerstandes 15 ist unter Zwischenschaltung einer
Anodenbatterie 16 mit dem Gitter 12 verbunden, und zwar so, daß dieses am positiven
Pol der Batterie liegt.
-
Die Abmessungen des Gitters i2 und seine Lage gegenüber der Glühkathode
io sind so gewählt, daß, wenn dieses Gitter eine positive Vorspannung von beispielsweise
Zoo Volt hat, ein ungeschwächter Stromdurchgang von der Glühkathode zur Anode ii
stattfindet. Das Gitter verhindert jeglichen Stromdurchgang, wenn sein Potential
gegenüber der Glühkathode negativ wird. Dann betrage die positive Vorspannung, welche
die Batterie 16 dem Gitter erteilt, 400 Volt. Die Größe des hochohmigen Widerstandes
15 betrage i ooo Ohm. Angenommen, die zum Durchschlag notwendige Stromstärke betrage
2ooMilliampere, so wird sich beim Durchgang dieses Stromes durch den Widerstand
15 eine Spannungsdifferenz von Zoo Volt an seinen Enden ausbilden. Die an dem Gitter
i2 liegende positive Vorspannung von 400 Volt wird infolge dieser im entgegengesetzten
Sinne am Widerstand
auftretenden Spannungsdifferenz um Zoo Volt
positiver Vorspannung erniedrigt. Die Dreielektrodenröhre 9 bewirkt also nach gegebener
Voraussetzung noch keinen Spannungsverlust, so daß der Durchbruch der zu prüfenden
Platte i ungestört erfolgen kann. Nunmehr kann der an dieser Stelle einsetzende
Durchschlagsstrom, der einem Kurzschlußstrom praktisch gleichkommt, die Größe von
400 Miniampere nicht überschreiten, weil bereits bei einem Stromdurchgang von 400
Milliampere durch den Widerstand 15 die sich ausbildende Spannungsdifferenz 400
Volt beträgt, so daß bei weiterem Anwachsen das Gitter 12 negativ werden würde,
was nach der Voraussetzung einer völligen Abdrosselung jedes Stromdurchgangs gleichkommt.
-
Es ist also der Zweck erreicht worden, daß der Transformator relativ
klein gewählt werden kann, da seine Wirksamkeit einerseits nicht durch die frühzeitig
in Wirksamkeit tretenden Widerstände normaler Art geschwächt wird, anderseits nach
erfolgtem Durchschlag nicht mehr Strom entnommen zu werden braucht, als zur Erreichung
des herbeizuführenden Durchschlags notwendig ist.
-
Bei der Röntgenanlage nach Abb. 2 ist eine Glühkathodenröntgenröhre
17 üblicher Bauart mit der Anode 18 und der Glühkathode i9 verwendet, die durch
einen Heiztransformator 2o gespeist wird. Diese-Röhre liegt in dem Arbeitsraum 21,
der durch eine Wand 22 von dem Hochspannungsraum 23 getrennt ist. Die Zuleitungen
24, 25 der Röntgenröhre sind durch die Trennwand 22 isoliert hindurchgeführt. Den
zum Betrieb der Röntgenröhre 17 erforderlichen hochgespannten Wechselstrom liefert
der Transformator 26. Der Pol 27 des Transformators 26 ist über eine Ventilröhre
28 mit der Kathode i9 der Röntgenröhre 17 verbunden. Der Pol 29 des Transformators
ist über eine zweite Ventilröhre 28 mit der Anode 18 der Röhre 17 verbunden. Beide
Ventilröhren 28 sind im Sinne der Einrichtung nach Abb. i als Dreielektrodenröhre
ausgebildet. Zwischen der Anode 30 und der Kathode 31 der Röhren z8 liegen
Steuergitter 32, die ebenso wie bei der Einrichtung nach Abb. i unter Einschaltung
einer Anodenbatterie 33 und eines hochohmigen Widerstandes 34 mit einer Kathode
3i. verbunden sind.
-
Die durch die Anodenbatterie 33 den Gittern 32 beider Ventilröhren
28 erteilte Vorspannung betrage z. B. 4oo Volt, die Größe der Widerstände 34 sei
ioo ooo Ohm. Die normale Stromstärke der Röntgenröhre 17 betrage 2 Milliampere.
Es beträgt dann die an den Enden der Widerstände 34 auftretende, gegen die Anodenbatterie
33 gerichtete Spannungsdifferenz Zoo Volt, wodurch die positive Vorspannung des
Gitters 32 auf Zoo Volt herabgesetzt wird. Bei dieser Spannung arbeiten die Ventilröhren-
28 noch verlustlos, also mit der normalen Charakteristik einer Ventilröhre.
-
Tritt nun in der Röntgenröhre 17 ein Gasausbruch ein, der eine Stoßionisation
und entsprechende Verminderung des Widerstandes der Röhre zur Folge hat, so würde
bei Verwendung üblicher Ventilröhren die Stromstärke augenblicklich so hoch anwachsen
können, daß die Röhre zerstört wird. Aber schon, wenn infolge der Stoßionisation
der Röhrenstrom auf 4 Milliampere angestiegen ist, beträgt die an den Widerständen
34 auftretende Gegenspannung 400 Volt, so daß bei weiterem Ansteigen die Vorspannung
des Gitters gegen den Glühdraht negativ wird, was ein weiteres Anwachsen des Stromes
endgültig verhindert. Bei der gewählten Größe der Widerstände ist demgemäß überhaupt
eine höhere Stromentnahme als 4 Milliampere an den Enden der Hochspannungsleitungen
24, 25 innerhalb des Bestrahlungsraumes 21 ausgeschlossen, so daß auch eine unmittelbare
Berührung den Körper vor einem höheren Stromdurchgang als 4 Milliampere wirksam
schützt, einer Größenordnung, welche erfahrungsgemäß als unschädlich bezeichnet
werden kann. Auch bei .einpoliger Berührung könnte demgemäß der auftretende Kapazitätsstrom
niemals die Größe von 4 Milliampere überschreiten, weil in jeder Zuleitung 24 und
25 zur Röntgenröhre 17 eine als Dreielektrodenröhre dienende Ventilröhre 28 eingeschaltet
ist. Aber auch wenn nur in der einen Zuleitung eine derartige Dreielektrodenröhre
28 vorgesehen wäre, würde diese bereits einen wirksamen Schutz der Röntgenröhre
17 selbst bilden und ebenso einen gewissen Schutz gegen die bedeutend gefährlicheren
Kurzschlußströme bei zweipoliger Berührung.
-
Die Einrichtung nach der Erfindung eignet sich grundsätzlich für Hochspannungskreise
jeder Art, wo eine zeitlose Begrenzung der Stromstärke erforderlich ist.