DE1281526B - Leistungsschalter mit in Reihe geschalteter, stromgesteuerter Gasentladungsroehre - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Inta.:

HOIh

Deutsche Kl.: 21c-35/08

Nummer: 1281526

Aktenzeichen: P 12 81 526.8-34 (A 52125)

Anmeldetag: 9. April 1966

Auslegetag: 31. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Abschalten von Gleich- oder Wechselströmen, die aus einem normalen Schalter in Reihe mit einem zweiten Schalter parallel zu einer stromsteuernden, vorzugsweise zylindrischen Gasentladungsröhre besteht, für welche gilt, daß in ihr eine Entladung mit niedrigem innerem Spannungsabfall (Bogenentladung) nur aufrechterhalten werden kann, wenn die Bedingung R-n~>A erfüllt ist (R — effektiver Radius der Röhre, η = Dichte der neutralen Gasteilchen, A = Parameter, der von der Art der neutralen Gasteilchen und einem eventuell vorhandenen magnetischen Längsfeld abhängt), und die mit Einrichtungen zur Steuerung von mindestens einem der Faktoren der Ungleichung versehen ist, derart, daß die Bogenentladung (R · η > A) in eine Vakuumentladung (R ■ η < A), die keine Raumladungskompensation erlaubt, oder umgekehrt überführbar ist.

Wenn man eine Bogenentladung, sei es ein Vakuum- oder ein Hochdruckbogen, für die Unterbre- ao chung von Wechselstromkreisen verwenden will, versucht man den Verlust an Ladungsträgern im Stromnulldurchgang so groß zu machen, daß die wiederkehrende Spannung den Bogen nicht mehr zünden kann. Bei Hochdruckschaltern erreicht man dies bei- as spielsweise durch Beblasung des Bogens mit Druckluft. In einem Vakuumlichtbogen sind die Verluste in der Zeiteinheit normalerweise auf Grund der großen mittleren freien Weglänge so groß, daß die Entladung selbstlöschend ist.

Bei Gleichstromschaltern hat man versucht, das Problem nach denselben Richtlinien zu lösen, aber es ist leider nicht gelungen, Schalter mit einem besonders großen Löschvermögen zu schaffen. Die bekannten Schalter arbeiten nur mit Hochdruck und forciertem Energieverlust.

Bei der einleitend genannten bekannten Anordnung werden Gasentladungsröhren verwendet, deren Gasdruckverhältnisse entsprechend dem abzuschaltenden Strom so bemessen sind, daß die Röhre beim Anlegen einer Spannung einen geringen Widerstand aufweist, der sich kurz nach dem Einschalten infolge von Gasverarmung derart erhöht, daß praktisch eine Unterbrechung des Stromes eintritt. Hierfür werden bei größeren Strömen Entladungsröhren mit Glühelektroden verwendet oder ein bei Strombelastung verdampfendes Metall. Diese bekannten Anordnungen haben sich aber in die Praxis nicht einführen können, weil die hierbei erreichbaren Abschaltleistungen auch mit üblichen Leistungsschaltern erreicht werden können.
Die Erfindung betrifft eine Verbesserung der be-Leistungsschalter mit in Reihe geschalteter,
stromgesteuerter Gasentladungsröhre

Anmelder:

Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget,

Västeräs (Schweden)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Missling und Dipl.-Ing. R. Schlee,

Patentanwälte, 6300 Gießen, Bismarckstr. 43

Als Erfinder benannt:

Clas Tore Jacobsen, Västeräs (Schweden)

Beanspruchte Priorität:

Schweden vom 15. April 1965 (5006)

kannten Schaltanordnungen, mit der hohe Abschaltleistungen erreicht werden können und auch das Abschalten großer Gleichströme bei gleichzeitig hoher Spannung möglich wird.

Wie durch eingehende Untersuchungen festgestellt wurde (Aufsatz von I. A. P ο let ae ν in der russischen Zeitschrift »Techn. Physik«, 21 [1951], 9., S. 1021 bis 1028), kann in einer Entladungsröhre eine Plasmaentladung nicht mehr aufrechterhalten werden, wenn die Dichte der neutralen Atome, d. h. der Druck p, unter einen gewissen Wert sinkt, die von den atomaren Eigenschaften des Gases, d. h. von Ionisierungspotential, Masse, Kollisionsdurchschnitt einerseits und dem Radius der Röhre andererseits, abhängt. Wie in dem genannten Aufsatz festgestellt wurde, muß die Bedingung R · η ~>A erfüllt sein, wenn ein normaler niedergespannter Lichtbogen aufrechterhalten werden soll. In dieser Bedingung ist R der effektive Radius des Rohres, η die Dichte der neutralen Atome im Gas und A ein Parameter, der

809 629/932

3 4

von der Art der neutralen Atome im Gas und gege- oder ein Leistungstrennschalter sein kann. Parallel benenfalls von einem Magnetfeld abhängt, das die zum Entladungsrohr liegt ein zweiter Schalter Bp. Bei Röhre durchsetzt. Für den Parameter .4 ist in dem normalem Betrieb ist dieser Schalter geschlossen, genannten Aufsatz in Gleichung (6) eine Beziehung d. h., das Entladungsrohr ist kurzgeschlossen, gegeben, die seine Berechnung zuläßt. Es wurde nun 5 Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform enthält gefunden, daß der Plasmazustand in einen Raum- eine Röhre 1, in der in bekannter Weise eine Anode 2 ladungszustand mit hoher Impedanz übergeht, wenn und eine Kathode 3 angeordnet sind. Die Röhre ist die Verhältnisse in der Entladungsröhre so gestaltet von einer Magnetisierungswicklung 4 umgeben, die werden, daß R · n<C A ist. . . " - ein die Röhre durchsetzendes axial gerichtetes Ma-

Die Erfindung besteht nunmehr darin, die Ent- io gnetfeld erzeugt, wenn die Wicklung von einem Maladungsröhre in Verbindung mit der bekannten gnetisierungsstrom durchflossen ist. Die Stromquelle Schalteranordnung so auszubilden, daß der Para- für die Spule 4 ist schematisch durch eine Batterie 5 meter A durch Steuerung eines durch die Röhre angedeutet mit einem Spannungsteiler 6. Die Magnegehenden magnetischen Längsfeldes veränderbar ist, tisierungswicklung liegt zwischen einem Ende 7 des das durch eine in an sich bekannter Weise mit der 15 Spannungsteilers und seinem beweglichen Kontakte. Röhre kombinierte Magnetspule erzeugbar ist, die Mit der schematisch gezeigten Anordnung kann der von Gleichstrom durchflossen ist. Magnetisierungsstrom und dadurch auch das durch

Nach einer Abänderung der Erfindung ist der das Entladungsrohr gehende Magnetfeld von Null bis effektive Radius der Gasentladungsröhre'durch min- auf einen Maximalwert geregelt werden. '

destens eine eingebaute Blende veränderbar, deren 20 Das Magnetfeld der Spule 4 reduziert den Wert innerer Durchmesser variabel ist. ' des Parameters A Wenn also das Produkte· η ent-

Nach einer weiteren Abänderung der Erfindung ist sprechend gewählt wird, ist es möglich, die Impedanz die Dichte η in der Gasentladungsröhre durch Steue- der Entladung von einem niedrigen bis zu einem rung des Gasdruckes veränderbar. -.- . hohen Wert zu ändern, indem man das Magnetfeld

Mit den genannten Mitteln kann die Ungleichung as von einem hohen Wert bis Null ändert. Natürlich R-n^>A in eine Ungleichung R-n<CA und damit "' kann eine beliebige Magneiisierungsstromquelle mit eine Bogenentladung in eine Vakuumentladung über- den nötigen Steuerorganen verwendet werden, geführt werden, die keine Raumladungskompensation Bei der in Fig. 3 gezeigten Abänderung hat die

erlaubt. Röhre 1 mehrere Erweiterungen 10, die sich über

Bei Anwendung der Erfindung bei einem Schalter 30 einen Teil oder über den ganzen Umfang der Röhre für Gleichstrom kann man auf zweierlei Arten ver- ^c" erstrecken können. Innerhalb der Erweiterungen sind fahren. . ... ■ . Scheiben 11 angeordnet, die wie Blenden einer Ka-

Man läßt die Entladung im Gebiet R · η <C A ar- mera ausgebildet sein können, so daß sie aus den beiten, beeinflußt aber mit" äußeren Mitteln den Er- Erweiterungen heraustreten und so den effektiven zeugungsmechanismus, so daß die Verluste in, der 35 Radius R der Röhre vermindern können. Wenn die Zeiteinheit pro Elektronenpaar niedriger sind als im "*' Blenden 11 sich ganz in den Erweiterungen befinden, Normalzustand. Dies kann z. B. durch ein äußeres hat R seinen größten Wert. Dann ist R· n^>A, und Magnetfeld geschehen. Hierdurch kann man auch in der Lichtbogen brennt mit einem niedrigen Spaneinem Gebiet Gleichgewicht aufrechterhalten, wo es nungsfall. Wenn die Blenden sich weiter schließen normalerweise nicht möglich ist. Durch Variation des 40 und R kleiner wird, geht die Entladung zum Raumäußeren Magnetfeldes kann man die Entladung dazu ^; ladungszustand über, sobald R · n<CA ist. Der Bobringen, von einem Plasmazustand mit niedrigem genspannungsfall steigt dann auf einen sehr hohen Bogenspannungsfall zu einem Raumladungszustand Wert. Dies hat zur Folge, daß der Strom durch die mit hohem Bogenspannungsfall überzugehen, so daß Röhre auf einen so niedrigen Wert sinkt, daß der in die Löschung des Lichtbogens mit einem herkömm- 45 Reihe mit der Röhre eingeschaltete Schalter Bs den liehen Schalter zustandegebracht werden kann. ■ Stromkreis unterbrechen kann.

Nach einem anderen Verfahren läßt man die Ent- Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform der

ladung im Gebiet R · η > A starten und reduziert Schalteranordnung hat die Entladungsröhre 1 einen dann die Erzeugungsgeschwindigkeit lokal oder all- Gaseinlauf 15 mit einem Gasventil 16; weiter ist eine gemein so, daß sie die Verluste in der Zeiteinheit 50 Vakuumpumpe 17 an der Röhre über ein Vakuumunterschreitet; man erhält dann denselben Verlauf ventil 18 angeschlossen.

wie oben beschrieben. Die genannte Reduktion kann Der mit der Röhre 1 parallelgeschalte Schalter Bp

dadurch geschehen, daß man lokal oder allgemein ist normalerweise geschlossen, so daß die Röhre kurz-

die Grenze R · η — A unterschreitet. geschlossen ist. Ein kleiner Gasstrom strömt konti-

Mit niedrigem Bogenspannungsfall sind ungefähr 55 nuierlich vom Gasventil 16 durch die Entladungs-

50 V gemeint, während hoher Bogenspannungsfall röhre und das nur teilweise geschlossene Vakuumetwa 100 kV bei 0,1 A/cm², gerechnet pro 1 m Länge ventil 18 zur Vakuumpumpe 17. Dadurch wird ein so

des Lichtbogens, bedeutet. großer Gasdruck in der Entladungsröhre aufrecht-

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind erhalten, daß die Bedingung R-n~>A erfüllt ist, im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben. 60 d. h., die Anzahl der neutralen Gasatome ist so groß,

In dieser zeigt . daß ein normaler niedergespannter Entladungslicht-

Fig. 1 das Prinzipschema der Anordnung und bogen durch die Röhre 1 aufrechterhalten werden

F i g. 2 bis 5 einige verschiedenartige Ausführungs- könnte.

formen des zur Anordnung gehörenden Gasentla- Wenn eine Ausschaltung stattfinden soll, wird der

dungsrohres. 65 SchalterBp geöffnet.Durch die dann über derRöhrel

In Fig. 1 ist die generelle Anordnung der Ent- liegende hohe Spannung wird eine Entladung eingeladungsröhre sowie ein damit reihengeschalteter leitet, die eine wesentlich kleinere Brennspannung hat Schalter Bs gezeigt, der ein herkömmlicher Schalter als die Lichtbogenspannung am Schalter Bp. Hier-

durch wird der Strom vom Schalter Bp zur Röhre übergeführt. Wenn die Schaltstrecke am Schalter Bp völlig entionisiert ist, wird das Gasventil 16 ganz geschlossen und das Vakuumventil 18 geöffnet. Der Druck in der Röhre 1 sinkt schnell, wobei die Anzahl 5 der neutralen Gasteilchen sinkt, so daß die Bedingung R-n<^A erhalten wird und die Entladung in der Röhre zu einem Raumladungsstrom mit hohem Bogenspannungsfall übergeht. Der Strom wird dadurch so stark herabgesetzt, daß der in Reihe mit der Röhre eingeschaltete Schalter Bs den Strom unterbrechen kann.

Man kann auch so vorgehen, daß man das Gasventil 16 geschlossen und das Vakuumventil völlig offenhält. Wenn die Schaltung stattfinden soll, wird der Schalter Bp geöffnet, und die entstehende Lichtbogenspannung zündet die Entladung durch die Röhre 1, wenn das Gasventil 16 gleichzeitig geöffnet und eine gewisse Gasmenge in die Röhre eingelassen wird. Diese Gasmenge muß so groß sein, daß die Entladung entstehen und so lange brennen kann, wie es erforderlich ist, den Schalter völlig zu entionisieren. Wenn dies geschehen ist, wird das Gasventil geschlossen, und der Druck sinkt schnell, so daß die Bedingung R · η <C A erfüllt ist, wobei ein der Raumladung entsprechender Strom erhalten wird. Eventuell kann eine genügend große Gasmenge bei einer einzigen kurzen öffnung des Ventils in die Röhre eingelassen werden, d. h., das Gasventil wird geschlossen, bevor der Schalter völlig entionisiert ist.

Ein weiteres Verfahren zum schnellen Zünden der Entladung ist, das in die Röhre eingelassene Gas mit Hilfe einer Plasmakanone vorzuionisieren. Ein Vorteil dieser Einrichtung ist, daß die Entladungsröhre schnell mit einem Plasma gefüllt wird und das Plasma eine hohe Geschwindigkeit längs der Röhre bekommt, Wenn ein neutrales Gas verwendet wird, kann das Gas etwa 20 bis 40 ms brauchen, um von dem einen Ende der Röhre zum anderen zu strömen, was unter gewissen Umständen eine zu lange Zeit sein kann.

Die in F i g. 5 gezeigte Ausführungsform hat einen großen Vakuumbehälter 19 unterhalb der Entladungsröhre. Normalerweise wird das ganze System mit einer verhältnismäßig kleinen Vakuumpumpe 17 evakuiert. Wenn die Lichtbogenentladung bei einer Unterbrechung des Stromkreises gezündet werden soll, wird eine gewisse Gasmenge durch das Gasventil 16 eingelassen. Durch den Druckunterschied wird der Gasstrom in der Röhre in der Richtung nach unten beschleunigt. Wenn die Front des Gasstromes die Kathode erreicht hat, wird die Entladung gezündet, vorausgesetzt, daß der Schalter eine ausreichend hohe Lichtbogenspannung hat. Das Gas breitet sich weiterhin in den Vakuumbehälter aus, und der Druck in der Röhre sinkt immer mehr. Wenn das Verhältnis zwischen der eingelassenen Gasmenge, dem Volumen der Entladungsröhre und dem des Behälters 19 entsprechend bestimmt ist, wird die Bedingung/?·η<CA im Entladungsrohr erfüllt, ehe der Druck im ganzen Vakuumsystem eingeglichen ist und ehe man Zeit gehabt hat, Gas mit der Vakuumpumpe herauszupumpen. Einer der großen Vorteile dieses Systems ist, daß die Vakuumpumpe klein sein kann, daß aber doch ein großes Pumpvermögen dadurch erhalten wird, daß das Vakuumsystem ein verhältnismäßig großes Volumen hat.

Bei normalem Betrieb sind die beiden Schalter Bp und Bs geschlossen. Bei Unterbrechung des Stromkreises wird die Entladungsröhre so eingestellt, daß die Bedingung R- n~> A erfüllt ist. Dies geschieht bei der in F i g. 2 gezeigten Form der Erfindung dadurch, daß mit der Magnetspule 4 ein starkes Magnetfeld in der Röhre erzeugt wird, und bei der Anordnung nach F i g. 3 dadurch, daß die Blenden 11 so eingestellt werden, daß die Röhre ihren größten effektiven Durchmesser erhält. Danach wird der Schalter Bp geöffnet, was bewirkt, daß die Röhre zündet und ein niedergespannter Lichtbogen im Rohr erhalten wird. Durch Herabsetzen des Magnetfeldes auf Null in der Anordnung nach F i g. 2 und durch Einschieben der Blenden 11 in die Röhre bei der Anordnung nach Fig. 3 geht die Entladung vom Plasmazustand zum Raumladungszustand über, wobei die Lichtbogenresistanz auf einen sehr hohen Wert ansteigt und demzufolge der Strom auf einen so niedrigen Wert sinkt, daß der Schalter Bs imstande ist, den Kreis definitiv zu unterbrechen.

Die Schaltanordnung kann so ausgeführt werden, daß sie sowohl für Gleich- als auch für Wechselstrom verwendet werden kann. Die in F i g. 2 gezeigte Ausführungsform kann auch sowohl für Gleich- als auch für Wechselrichter benutzt werden, wenn die Entladung einfach und schnell zwischen dem Plasma- und dem Raumladungszustand gesteuert wird.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Abschalten von Gleichoder Wechselströmen, die aus einem normalen Schalter in Reihe mit einem zweiten Schalter parallel zu einer stromsteuernden, vorzugsweise zylindrischen Gasentladungsröhre besteht, für welche gilt, daß in ihr eine Entladung mit niedrigem innerem Spannungsabfall (Bogenentladung) nur aufrechterhalten werden kann, wenn die Bedingung R- n^>A erfüllt ist (R = effektiver Radius der Röhre, η = Dichte der neutralen Gasteilchen, A = Parameter, der von der Art der neutralen Gasteilchen und einem eventuell vorhandenen magnetischen Längsfeld abhängt), und die mit Einrichtungen zur Steuerung von mindestens einem der Faktoren der Ungleichung versehen ist, derart, daß die Bogenentladung (R-n^>Ä) in eine Vakuumentladung(R-η <C A), die keine Raumladungskompensation erlaubt, oder umgekehrt überführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter .<4 durch Steuerung eines durch die Röhre gehenden magnetischen Längsfeldes veränderbar ist, das durch eine in an sich bekannter Weise mit der Röhre kombinierte Magnetspule erzeugbar ist, die von Gleichstrom durchflossen ist.

2. Abänderung der Anordnung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der effektive Radius R der Gasentladungsröhre durch mindestens eine eingebaute Blende, deren innerer Durchmesser variabel ist, veränderbar ist.

3. Abänderung der Anordnung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte η in der Gasentladungsröhre durch Steuerung des Gasdruckes veränderbar ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladungsröhre (1) an einem Ende mit einem Gaseinlauf (15), der ein Gasventil (16) enthält, versehen ist und an ihrem

anderen Ende eine Vakuumpumpe (17) über ein Vakuumventil (18) angeschlossen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Gasentladungsröhre (1) und Vakuumpumpe (17) ein Vakuumbehälter (19) zwischengeschaltet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 1 064 591, 945 274, 832, 881234, 601265, 396 635, 317799, 095, 291 880;

deutsche Auslegeschrift Nr. 1 042 115; USA.-Patentschrift Nr. 2 951 890.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 629/932 10.68 Q Bundesdruckerei Berlin