DE2366243C3 - Überspannungsschutzeinrichtung für einen Hochspannungsgleichrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung für einen Hochspannungsgleichrichter, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist.

Die Hauptursache für das Versagen von Hochspannungsgleichrichtern oder von Bauteilen solcher Gleichrichter ist die Beschädigung durch elektrische Entladungen oder Funken infolge Überspannungen, deren Ursache verschiedenster Natur sein kann. Bei solchen Entladungen kann jeder Gleichrichter einer Spannung ausgesetzt werden, die seine Nennspannung weit überschreitet. Die Entstehung solcher Entladungen oder Funken kann in der Praxis nicht verhindert werden.

Die DE-PS 9 48 274 zeigt einen Hochspannungsgleichrichter, der mehrere in Reihe geschaltete Gleichrichtergruppen aufweist, die jeweils von einem Faradaykäfig umgeben sind, welche jeweils mit der zugeordneten Gleichrichtergruppe verbunden sind. Die Gleichrichtergruppen sind so bemessen, daß die gegen die Wand der Faradaykäfige auftretende Potentialdifferenz unterhalb der eine Glimmentladung oder Koronabildung hervorrufende Spannung liegt. Bei dieser bekannten Anordnung erfolgt somit die Zusammenfassung zu Gruppen so, daß grundsätzlich keine Glimmentladungen oder Koronabildungen auftreten können. Probleme eines Überspannungsschutzes der Gleichrichterelemente werden nicht angesprochen.

In der Druckschrift ETZ-A, Bind 89 (1968) Heft 8, S. 183—189, wird der Einsatz von Thyristoren für die Hochspannungs-Gleichstrom-übertragung behandelt. Zum Verhindern von Koronaerscheinungen ist dieser Druckschrift die Verwendung von Abschirmungen für die Thyristoren entnehmbar. Das Problem des Überspannungsschutzes zum Schutz der Thyristoren vor Zerstörung wird angesprochen und auf Überspannungsableiter auf der Gleichrichterseite des Transformators hingewiesen. Es werden aber keine konkreten, einen sicheren Überspannungsschutz gewährleistenden Mittel angegeben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht

deshalb darin, eine Überspannungsschutzeinrichtung anzugeben, durch die die Gefahr einer Beschädigung

von Hochspannungsgleichrichtern durch Überspannungen sicher vermieden ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Die Zündstrecken zwischen den Faradaykäfigen is verhindern den Aufbau übermäßiger Spannungen aufgrund beispielsweise elektrischer Entladungsvorgänge. Die Triggerzündstrecke wird von der spannungsempfindlichen Einrichtung bei Auftreten von Überspannungen gezündet Das durch die Zündung emittierte Licht das im wesentlichen im ultravioletten Bereich liegt, initiiert dann die Zündung der anderen Zündstrekken. Duich die erfindungsgemäße Ausbildung werden daher bei Überschreitung einer vorgebbaren Spannungsgrenze Spannungen kurzgeschlossen, so daß sich diese nicht nachteilig auf den Betrieb des Hochspannungsgleichrichters auswirken können.

Vorteilhafte und zweckmäßige weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung zweier Faradaykäfige des Hochspannungshalbleitergleichrichters,

F i g. 2 eine Draufsicht auf den Hochspannungsgleichrichter,

Fig.3 eine Seitenansicht des Gleichrichters nach Fig. 2,

Fig.4 schematisch eine perspektivische Ansicht einer einzelnen Gleichricitergruppe mit der wendeiförmigen Anordnung der Bauelemente der Gleichrichtergruppe,

F i g. 5 eine Draufsicht auf einen Gleichrichterbaustein und

Fig.6 schematisch ein Schaltbild des Hochspannungshalbleitergleichrichters.

In den F i g. 1, 2 -jnd 3 ist die Gleichrichteranordnung in sieben Faradaykäfigen 11 bis 17 untergebracht Die Anzahl dieser Käfige ist beliebig wählbar. Die Käfige sind hohl und weisen eine elektrisch leitende, im Querschnitt rechteckförmige Außenwand 21 auf. Eine elektrisch leitende, im Querschnitt ebenfalls rechteckförmige Innenwand 22 ist konzentrisch innerhalb der Außenwand 21 angeordnet und ragt mit einem Teil aus der Außenwand 21 heraus. Die Innenwand 22 ist an der Innenfläche der Außenwand 21 befestigt und mit dieser elektrisch verbunden.

Die Faradaykäfige 11 bis 17 sind mit Hilfe von zwei ^⁰ Isolationsstreifen 23, 24 miteinander ausgerichtet und an diesen Streifen mit Hilfe von Schrauben o.a. befestigt. Der Abstand zwischen den Außenwänden 21 benachbarter Faradaykäfige ist kleiner als die Entfernung, um die die Innenwand 22 aus der Außenwand herausragt. Die Innenwand 22 eines Faradaykäfigs, beispielsweise des Faradaykäfigs 14 (F i g. I), ragt dabei in den Hohlraum des benachbarten Faradaykäfigs 13 hinein, ohne diesen zu berühren. Durch die so erzeuete

überlappte Anordnung benachbarter Faradaykäfige entstehen Kapazitäten, wie dies ausführlicher in Verbindung mit der Fig.6 beschrieben werden soll. Durch die Überlappung benachbarter Abschnitte der Faradaykäfige entsteht eine gleichmäßige Abschirmung der innerhalb der Käfige angeordneten Gleichrichierelemente, trotz der beabstandeten Anordnung der Außenwände 21.

Die Innenwand kann auch nur auf zwei Seiten der Faradaykäfige vorgeseher werden. Diese Anordnung weist jedoch einen Nachteil auf. Die Abschirmwirkung ist geringer, und es ist notwendig, eine größere Überlappung vorzusehen, um die gleiche Kapazität wie bei der Überlappung durch eine vierseitige innenwand zu erzielen. Eine vierseitige Anordnung benötigt in etwa ' nur die halbe Baulänge und nur ein Drittel des Volumens einer zweiseitigen Anordnung. Bei einem Ausführungsbeispiel weist jede Gleichrichteranordnung eine Länge von etwa 30,5 cm und einen Querschnitt von 16 cm² auf.

Der Eingangsanschluß des Gleichrichters liegt an einem Ende einer HF-Drossel oder Induktionsspule 26, deren anderes Ende an die Innenwand 22 des Faradaykäfigs 11 angeschlossen ist Die Drossel 26 ist in Wirklichkeit mit den gegenüberliegenden Flächen der Wand 22 verbunden, jedoch elektrisch nur an eine dieser Flächen angeschlossen. Der Anschluß der Drossel 26 ist mit Hilfe eines Isolators 27 gegenüber der Wand 22 isoliert. Die Aufgabe der Drossel 26 wird in Zusammenhang mit der F i g. 6 ausführlich beschrieben.

Parallel zur Drossel 26 ist eine Zündstrecke 31 angeordnet, die Elektroden 32 und 33 aufweist Die Elektrode 32, die auf dem Isolationsstreifen 23 angeordnet ist, ist mit der Drossel über eine Leitung 34 verbunden. Die Elektrode 33 ist auf einem elektrisch leitenden Flansch 35 angeordnet, der von der Außen- & wand 21 des Faradaykäfigs 11 in der Nähe des Isolationsstreifens 23 ausgeht Die Außenwand 22 ist selbstverständlich elektrisch an das andere Ende der Drossel 26 über die Innenwand 21 angeschlossen. Die Zündstrecke 31 verläuft senkrecht zum Isolationsstreifen 23.

Entlang der Gleichrichteranordnung sind weitere Zündstrecken 40 angeordnet, und zwar jeweils zwischen zwei benachbarten Faradaykäfigen. Wenn man die Zündstrecke 40 zwischen den Faradiykäfigen 13 und 14 beispielhaft betrachtet, so müssen zwei beabstandete Zündstreckenelektroden 41,42 vorgesehen werden, die etwa an der Verbindungsstelle zwischen den Außenwänden 21 der Faradavkäfige angeordnet sind. Die Elektrode 41 ist auf einem leitenden Flansch 43 angeordnet, der sich von der Außenwand 21 des Faradaykäfigs 13 entlang einer Seite des Isolationsstreifens 23 nach oben erstreckt. Die Elektrode 42 ist auf einem leitenden Flansch 44 angeordnet, der sich von der Außenwand 21 des Faradaykäfigs 14 entlang der gegenüberliegenden Seite des Isolationsstreifens 23 nach oben erstreckt. Auf diese Weise sind die Elektroden 41 und 42 an die entsprechenden Außenwände 21 benachbarter Faradaykäfige angeschlossen. Wichtig ist, daß die Zündstrecke 31 und sämtliche weiteren Zündstrecken 40 miteinander ausgerichtet sind. Dies erlaubt die Zündung jeder Zündstrecke durch Ultraviolettstrahlung der Zündung einer der Zündstrekken, wie nachfolgend näher beschrieben wird.

Die Gleichrichtelanordnung ist aufgeteilt in gleiche *5 Gleichrichtergruppen, wobei jede Gleichrichtergruppe benachbarte Faradaykäfige 12 bis 13 verbindet. Die HF-Drossel 26 befindet sich am Faradaykäfig 11. Eine Gleichrichtergruppe 5C> ist beispielhaft in der Fig.4 dargestellt und besteht selbst aus einer Vielzahl gleicher in Reihe geschalteter Gleichrichterelemente. Jedes Element besteht aus drei in Reihe geschalteten Si-Dioden 51, 52 und 53, die wechselstrommäßig durch Nebenschlußkondensatoren 55, 56 und 57 abgeglichen sind und in Reihe mit Widerständen 54 geschaltet sind. Dieses siebenteilige Gleichrichterelement ist auf einer Isolierplatte 58, wie in der F i g. 5 dargestellt, angeordnet. Jede Isolierstoffplatte 58 ist auf Isolatoren angeordnet, wobei aufeinanderfolgende Isolierstoffplatten 58 die Seiten eines Quadrates bilden. Sie sind dabei hintereinander so angeordnet, daß eine wendeiförmige Anordnung entsteht, die im Querschnitt rechteckförmig ist.

Bei der in der F i g. 4 dargestellten Ausführungsform sind 27 Gleichrichterelemente in Reihe geschaltet und bilden eine Gleichrichtergruppe. Jede Gleichrichtergruppe bt von der anderen durch eine Schalttafel getrennt, die einen Isolationswid ,.-stand 59 aufweist. Das eine Ende des Widerstandes 59 '-st an einen der Faradaykäfige angeschlossen. Auf diese Weise entsteht eine Reihenschaltung sämtlicher Gleichrichterelemente über die gesamte Gleichrichtergruppenanordnung. Jede Gleic'Tichtergruppe weist einen Kondensator auf, der die angelegte Wechselspannung entsprechend teilt, parallel zur Gleichrichtergruppe liegt und durch den Kondensator 60 gebildet wird, der durch die Überlappung benachbarter Faradaykäfige gebildet wird, wie oben bereits beschrieben.

Im Ersatzschaltbild gemäß Fig.6 ist jede der reihengeschalteten Gleichrichtergruppe 50 durch eine Diode dargestellt Isolationswiderstände 59 verbinden jede Gleichrichtergruppe 50 mit der durch die Überlappung der Faradaykäfige entstandenen Kapazität 60, zu der im Nebenschluß wiederum sine Zündstrecke 40 liegt. Die Zündstrecke 31 ist parallel zur Drossel 26 geschaltet, und die Parallelscnaltung selbst ist in Reihe mit der Kette der Kapazitäten 60 geschaltet

Die soweit beschriebene Gleichrichteranordnung weist sechs Gleichrichtergruppcn auf, von denen jede 81 Dioden enthält, insgesamt sind also 486 Dioden in Reihe geschaltet. Diese Zahl wurde für eine spezielle Ausführungsform verwendet Die tatsächlich zu wählende Anzahl an Dioden hängt ab von der zu erzeugenden Gleichspannung und von den Nennwerten der einzelnen Dioden. Der Nennwert der Spitzensperrspannung der Gesamtgleichrichteranordnung muß mindestens dreimal so hoch sein wie die zu erzeugende Gleichspannung.

Die sechs Gleichrichtergruppen, die jeweils von den entsprechenden Faradaykäfigen 12 bis 17 umgeben sind, sind in Reihe geschaltot und bilden ein gleichmäßiges, •verJeiförmiges Gebilde. Jede Gleichrichtergruppe 50 ist von der nächsten durch eine Schalttafel mit einem Isolationswidersthnd 59 getrennt, der die elektrische Verbindung zum jeweiligen Faradaykäfig herstellt.

Die Kondensatoren 55,56 und 57, die parallel zu den Dioden 51, 52 und 53 angeordnet sind, sorgen für den wechselstrommäliigen Abgleich; d. h_N daß diese Kondensatoren sichern, daß die über der Gesamtanordnung anliegende Wechselspannung und sämtlich? Stoßspannungen gleichmäßig auf die Dioden Sl, 52,53 aufgeteilt werden.

Die Widerstand" 54 dienen zur Verstimmung der Güte des Kreises und dämpfen Schwingungen und Stoßspannungen bei Störbedingungen. Der Widerstand 59 dient zur gleichstrommäßigen Verbindung zwischen den Gleichrichtergruppen 50 und den Faradaykäfigen

und weist einen ausreichend großen Wert auf, um die Wirkspannung zwischen beiden zu isolieren.

Die Faradaykäfige 11 bis 17 schirmen die von ihnen abgeschirmten Gleichrichtergruppen 50 gegen äußere HF-Störungen ab. Hierbei ist von Bedeutung, daß die > Überlappung zwischen benachbarten Faradaykäfigen auf allen vier Seiten sicherstellt, daß solche HF-Störungen von vernachlässigbarem Einfluß auf den Kreis sind. Durch die Überlappung wird außerdem die durch die Kondensatoren 60 gebildete Hauptkapazitätskette parallel zur gesamten Gleichrichteranordnung gebildet. Hierdurch wird eine Störung oder Verzerrung der gleichmäßigen Wechselspannungsverteilung über die Gleichrichtergruppe 50, die sonst durch äußere Einflüsse entstehen könnte, vermieden. Ferner sorgen ι ί die Faradaykäfige U bis 17 mit ihren durch die Überlappung gebildeten Kapazitäten 60 und den parallelen Zündungsstrecken 40 für einen wesentlich

nui£\.IVII It Lg IUl tjpailltUllg33pil2.nl UIIU OH Ulli milLlt aufgrund von Störungen.

Die Ziindstrecken 40 begrenzen etwaige Spitzenstoßwellenspannungen, die zwischen den Faradaykäfigen auftreten können. Dabei begrenzen sie zugleich Spitzenstoßwellenspannungen über jede Gleichrichtergruppe 50. Außerdem bewirken die Zündstrecken 40 eine Ableitung äußerer gespeicherter Energie von den einzelnen Gleichrichtergruppen 50. Diese gegeneinander ausgerichteten Zündstrecken ermöglichen, daß das durch das Zünden einer Zündstrecke emittierte ultraviolette Licht die anderen Zündstrecken zündet. in Sollten Überspannungen in der Gleichrichteranordnung, beispielsweise durch eine elektrische Entladung, entstehen, so tritt die Überspannung zuerst an der Drossel 26 auf. Diese Überspannung bewirkt die Zündung der Zündstrecke 31, die wiederum die Zündung der weiteren Zündstrecken durch Ultraviolettlichtanregung bewirkt. Da normalerweise über der Zündstrecke 31 bei normalem Betrieb keine Überspannungen, sondern nur kleine Spannungen anfallen, kann der Spalt der Zündstrecke sehr schmal gemacht werden, um den Durchbruch unter Stoßspannungsbedingungen zu begünstigen. Die übrigen Zündstrecken 40 müssen so eingestellt werden, daß sie bei den zwischen den Gleichrichtergruppen auftretenden normalen Spannungsdifferenzen nicht zünden. Da die Zündstrecken 50 überdies durch die Zündstrecke 31 gezündet werden, ist ihre Einstellung nicht kritisch. Bei einem Teilchenbeschleuniger kann die Zündstrecke 31 so angeordnet sein, uau SiC vi!C CiUiiuüfig Z**V!5Ci tCH uC m Lj Γι *J C VJ C Γ Diodenkette und der Außenwand des Teilchenbeschleunigers erfaßt, insbesondere in der Nähe der Koronaschutzschirme. Üblicherweise beträgt der Abstand der Zündstrecke etwa 0,02 cm und zündet dann bei etwa 5000—10 000 Volt. Dies entspricht in etwa einer Spannung von 100 000- 200 000 Volt über die gesamte Gleichrichteranordnung. An den übrigen Zündstrecken 40 würde normalerweise dann eine Spannung von etwa 30 0OC Volt anliegen, und diese würden dann so eingestellt werden, daß sie bei einer Spannung zünden, die ein wenig höher liegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Überspannungsschutzeinrichtung für einen Hochspannungsgleichrichter, der mehrere in Reihe geschaltete Gleichrichtergruppen aufweist, die jeweils von einem Faradaykäfig umgeben sind, welche jeweils mit der zugeordneten Gleichrichtergruppe verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß über die Länge der Hochspannungsgleichrichteranordnung Zündstrecken (40) hintereinander angeordnet sind, von denen jeweils eine zwischen benachbarten Faradaykäfigen (11,12; 12,13;...; 16, 17) angeordnet ist, daß in Reihe mit den Faradaykäfigen eine spannungsempfindliche Einrichtung (26) geschaltet ist, zu der parallel eine Triggerzündstrekke (31) geschaltet ist, deren Zündschwelle auf die maximal zulässige Spannung eingestellt ist und die relativ zu den Zündstrecken (40) so angeordnet und ausgerichtet ist, daß letztere von dem bei Zündung der Triggerzündstrecke (31) emittierten Licht zündbar sind.

Z Oberspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggerzündstrecke (31) und die Zündstrecken (40) hintereinander, fluchtend angeordnet sind, derart, daß durch Zündung irgendeiner Zündstrecke die anderen Zündstrecken zündbar sind.

3. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsempfindliche Einrichtung (26) eine Drossel oder eine Induktionsspule ist