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Betriebsverfahren für Gas- oder Dampfentladungsgefäße Es ist eine
bekannte Tatsache, daß Stromrichtergefäße, wenn sie nach einer längeren Betriebspause
wieder eingeschaltet werden, besonders stark zu Rückzündungen neigen. Das gilt vor
allem für Stromrichtergefäße, die mit sehr hohen Spannungen, wie z. B. bei Kraftübertragungsanlagen
mit hochgespanntem Gleichstrom vorkommen, betrieben werden. Man führte bisher die
erwähnte erhöhte Rückzündungsanfälligkeit ausschließlich auf die sogenannten Kälteüberspannungen
zurück, die ihren Grund in einer Ionenverarmung des Entladungsraumes in der Umgebung
der Anode haben. Diese lonenverarmung tritt vor allem bei solchen Entladungsgefäßen
auf, bei denen im Lichtbogenweg zwischen Anode und Kathode ein Engpaß, d. h. eine
örtliche Querschnittsverminderung, vorhanden ist, welche beispielsweise durch Gitter
oder Blenden zustande kommen kann. In solchen Engpässen behindern die mit großer
Geschwindigkeit von der Anode nach der Kathode wandernden Ladungsträger das Nachströmen
von neutralem Quecksilberdampf zu der Anode hin. Ist nun das Entladungsgefäß noch
kalt und ist deshalb in dem Raum vor der Anode die Dampfdichte ohnehin gering, so
tritt dadurch in dem Raum zwischen dem Engpaß und der Anode eine so starke Verminderung
der Anzahl der dort vorhandenen Quecksilberdampfatome ein, daß in diesem Raum keine
ausreichende Ionisierungsmöglichkeit mehr besteht. Es werden dadurch starke Spannungs-
und Stromschwankungen in der betreffenden Entladungsstrecke hervorgerufen,
die
ihrerseits infolge der transformatorischen Kopplung Überspannungen an denjenigen
Anoden hervorrufen, die sich gerade in der Sperrphase befinden. Die letztgenannten
Anoden können dadurch unter Umständen bis über die Grenze ihrer Sperrspannungsfestigkeit
hinaus beansprucht werden. Man kann die Kälteüberspannungen dadurch weitgehend unterbinden,
daß man durch geeignete Konstruktion des Gefäßes Engpässe an der Entladungsbahn
vermeidet, oder daß man eine zusätzliche Edelgasfüllung vorsieht, welche auch bei
niedrigen Gefäßtemperaturen für eine ausreichende Gasdichte in der Umgebung der
Anoden sorgt.
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Es zeigt sich jedoch, daß trotz Anwendung dieser Maßnahmen, die eine
Ionenverarmung unmöglich machen, beim Einschalten des kalten Gefäßes auch bei kleinen
Betriebsströmen eine erhöhte Neigung zu Rückzündungen bestehenbleibt. Dies ist wiederum
insbesondere bei Hochspannungsentladungsgefäßen der Fall. Es muß also außer der
Ionenverarmung noch ein anderer Einfluß vorhanden sein, der beim Einschalten des
kalten Gefäßes das Entstehen von Rückzündungen begünstigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch diesen Einfluß auszuschalten,
um auf diese Weise die Rückzündungssicherheit des Gefäßes zu verbessern. Gemäß der
Erfindung gelingt das dadurch, daß vor jedesmaligem Einschalten des Gefäßes oder
zumindest dann, wenn das Einschalten in kaltem Zustand erfolgt, die Anoden und gegebenenfalls
auch im Lichtbogenweg vorhandene Einbauteile einer Einwirkung ausgesetzt werden,
welche das Loslösen von Gasresten von der Oberfläche der betreffenden Teile bzw.
das Austreten von Gasresten aus ihnen bedingt. Diese Einwirkung, der die Anoden
bzw. die Einbauteile vor dem Einschalten des Gefäßes ausgesetzt werden, kann von
verschiedener Art sein. Klan kann das gestreckte Ziel z. B. dadurch erreichen, daß
die betreffenden Teile vor dem Einschalten mit einem oder mehreren Stromimpulsen
beansprucht werden. Statt dessen kann man die Teile auch einem Hochfrequenzfeld
aussetzen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß man die betreffenden Teile
mechanischen Schwingungen von Ultraschallfrequenz aussetzt. Alle diese Einflüsse
wirken sich dahin aus, daß Gasreste, die in den Anoden bzw. Einbauteilen eingeschlossen
sind, aus diesen ausgetrieben und oberflächlich adsorbierte Gase frei gemacht werden.
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Für das Zustandekommen einer erhöhten Rückzündungssicherheit bei Anwendung
der Erfindung kann folgende Erklärung gegeben werden. Die Anoden und die sonstigen
in Betracht kommenden Einsatzteile, die meist aus Graphit hergestellt sind, werden
zwar vor dem ersten Inbetriebsetzen des Entladungsgefäßes durch Ausheizen bei angeschlossener
Vakuumpumpe entgast. Diese Entgasung kann aber niemals eine vollständige sein, und
es werden sich deshalb immer noch gewisse Gasreste in den Anoden und den sonstigen
Einbauteilen befinden. Im Betrieb des Entladungsgefäßes treten deshalb ständig noch
Gase aus den Elektroden aus. Das bedingt aber keine Verschlechterung des Vakuums,
weil diese Gasreste unter der Einwirkung des Lichtbogens von den Gefäßwänden aufgenommen
werden. Wird das Entladungsgefäß nun längere Zeit nicht belastet, so geben die Gefäßwände
einen Teil der von ihnen aufgenommenen Gase wieder ab. Andererseits findet an den
Anoden und den Einbauteilen im Lichtbogenweg eine Adsorption von Gasen statt, so
daß sich an der Oberfläche dieser Teile Fremdgasatome ansammeln. Hierzu kommen noch
feinste Quecksilbertröpfchen, welche sich im kalten Zustand an der Oberfläche der
Anoden und Einsatzteile oder dicht unterhalb der Oberfläche in feinsten Rissen oder
Poren ansammeln.
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Wird nun das Gefäß in kaltem Zustand eingeschaltet, so ist diese Verunreinigung
der Anoden und Einbauteile durch Fremdgase noch in vollem Maße vorhanden. Dieser
Zustand kann aber aus folgendem Grunde zu Rückzündungen führen. Während des Entionisierungsvorganges
am Ende der Durchlaßphase wandern die positiven Ionen aus dem Restplasma zur Anode
ab und treffen dort je nach der Stärke des elektrischen Feldes unter Umständen mit
einer solchen Geschwindigkeit auf, daß aus der Oberfläche der Anoden Sekundärelektronen
ausgelöst werden können. Besonders groß ist die Gefahr der Sekundärelektronenbildung
durch Ladungsträger des Leck- oder Rückstromes während der Sperrphase, d. h. also
nach Verschwinden des eigentlichen Lichtbogenplasmas. Denn in diesem Zeitraum ist
zwischen Anode und Kathode ein sehr starkes Feld vorhanden, so daß die Ladungsträger
sehr hohe Geschwindigkeiten annehmen können. Die so ausgelösten Sekundärelektronen
können nun die auf der Anodenoberfläche befindlichen Gasatome oder Gaswolke, die
unter Umständen noch durch die infolge der Stromwärme aus dem Innern an die Oberfläche
getriebenen Restgase verstärkt wird, ionisieren, und hierdurch kann ein spontan
verlaufender Rückzündungsvorgang eingeleitet werden. Es ist klar, daß die Wahrscheinlichkeit
einer solchen Ionisierung steigt, wenn die Anodenoberfläche mit Fremdgasen verseucht
ist.
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Man kann aber die erhöhte Rückzündungsneigung beim Einschalten nach
einer längeren Betriebspause auch in anderer Weise erklären. So können z. B. örtliche
Gasausbrüche hierfür verantwortlich gemacht werden, durch welche die in der Sperrphase
vorhandene Glimmentladung in eine Bogenentladung umschlägt. Wesentlich für die Erfindung
ist aber in jedem Fall die Erkenntnis, daß nach einer Betriebspause in den Oberflächenbereichen
der Anode und .der Einsatzteile eine höhere Zahl von Gasatomen die Ursache für die
im ersten Augenblick der Einschaltung gegebene erhöhte Rückzündungsanfälligkeit
des Entladungsgefäßes sein kann. Die Erfindung zielt deswegen darauf ab, vor dem
Einschalten zunächst die an die Anode oder die Einsatzteile gebundenen Gasreste
von diesen loszulösen, so daß sie frei in den Vakuumraum hineinwandern können. Eine
Vakuumverschlechterung ist hierdurch auch bei pumpenlosen Gefäßen nicht zu befürchten,
da es sich nur um ganz geringe Gasmengen handelt und diese außerdem im Verlauf des
Betriebes von den Gefäßwänden wieder aufgenommen werden.
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Es sei erwähnt, daß es bereits vorgeschlagen worden ist, das Entladungsgefäß
am Ende des zum Zwecke der Entgasung erfolgenden Ausheizens mit einem starken Stromstoß
zu belasten, um auf diese Weise die Entgasung
wirksamer zu gestalten.
Dies hat jedoch mit der Maßnahme der Erfindung nichts zu tun, denn bei der üblichen
Entgasung kommt es ja darauf an, eine Vakuumverschlechterung durch spätere Gasausbrüche
zu verhindern, und es werden deshalb die aus den Elektroden ausgetriebenen Gase
sofort aus dem Vakuumraum durch eine daran angeschlossene Pumpe entfernt. Diese
Belastung des Gefäßes durch einen Stromstoß während des Entgasungsvorganges erfolgt
demgemäß auch nur einmalig vor der erstmaligen Inbetriebsetzung des Entladungsgefäßes
und später allenfalls noch einmal zum Zwecke der Nachentgasung, während es sich
bei der Erfindung darum handelt, jedes Mal, wenn das Entladungsgefäß in kaltem Zustand
in Betrieb genommen werden soll, die Gasreste von der Anode bzw. den Einbauteilen
zu entfernen. Ob diese Gasreste dann noch abgesaugt werden oder wie bei einem pumpenlosen
Gefäß in dem Vakuumraum verbleiben, spielt dabei keine Rolle.
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Es sei ferner erwähnt, daß' es bekannt ist, die Anode vor der Inbetriebsetzung
des Gefäßes zu heizen. Eine Heizung der Anode wirkt natürlich ebenfalls im Sinne
einer Austreibung von darin angeschlossenen Gasteilen, jedoch hat die bekannte Anodenheizung
nur den Zweck, Quecksilber, welches sich auf der Anode niedergeschlagen haben sollte,
zu verdampfen. Die dabei erreichten Temperaturen reichen keinesfalls aus, um die
für die Wirkung der Erfindung erforderliche Loslösung der Restgase von den Oberflächenschichten
der Anode zu bewirken.