DE102004001782A1 - Bipolarer Marxgenerator mit Schalterturm, direkter Triggerung und Gaskonditionierung für industriellen Dauerbetrieb - Google Patents

Bipolarer Marxgenerator mit Schalterturm, direkter Triggerung und Gaskonditionierung für industriellen Dauerbetrieb

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DE102004001782A1
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marx
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DE200410001782
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Martin Kern
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Martin Kern
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    • HELECTRICITY
    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01TSPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T2/00Spark gaps comprising auxiliary triggering means
    • HELECTRICITY
    • H03BASIC ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback

Abstract

Marxgeneratoren werden vorrangig als Pulseinrichtungen zu Prüfzwecken eingesetzt. Erfindungsgemäß werden industrielle Marxgeneratoren zur Verfügung gestellt, die mit hohen Repetitionsfrequenzen von 20-30 Hz bei Pulsspannungen von ±180 kV (ΔUs = 360 kV) und Pulsströmen von 7-9 kA betrieben werden können. Zur Reduzierung von kostenintensiven Hochspannungsisolationen werden die erfindungsgemäßen Marxgeneratoren bipolar betrieben. Die Standzeiten der Marxgeneratoren (Zeitdauer bis zu einer Revision) beträgt ca. 2 Jahre Dauerbetrieb.
Möglich wird dies durch eine spezielle Geometrie des Schalterturms sowie der Hochspannungsschalter. Darüber hinaus wird als Schalterturmgas ein inertes Gas im Kreislauf von Feststoffpartikeln befreit.
Bei Parallelschaltung der erfindungsgemäßen industriellen Marxgeneratoren triggern diese sich gegenseitig selbst. Diese Selbsttriggerung wird durch eine optische und eine materialle (Gasaustausch) Verbindung der zwei oder mehr Schaltertürme erreicht.

Description

  • Um 1923 wurde von Dr. Marx der Marxgenerator entwickelt. Hierbei handelt es sich um einen Hochspannungsimpulsgenerator, der prinzipiell aus Hochspannungskondensatoren, einer Funkenstrecke je Pulsstufe sowie Ladewiderständen zusammengesetzt ist. Das Prinzip des Marxgenerators beruht auf einer parallelen Aufladung der Hochspannungskondensatoren und deren serieller Entladung.
  • In einer ersten Entwicklungsphase wurde der Marxgenerator zur Bauteilprüfung und in der Militärforschung verwendet. Seit ca. 1990 wurden erste Anwendungen bei der Zerkleinerung von spröden Materialien und seit ca. 1997 beim Einsatz zur industriellen Elektroportion bekannt. Wurden zuerst Marxgeneratoren für einzelne, hochenergetische Pulsentladungen benötigt, werden für die aktuellen Entwicklungsfelder Marxgeneratoren mit hoher Pulsfrequenz und vor allem hoher Zuverlässigkeit benötigt.
  • Die Erfindungsmeldung beschreibt industrielle Marxgeneratoren, die die Nachteile der bisher bekannten Ausführungen beheben und den Bau kostengünstiger Geräte für einen Dauerbetrieb über 25.000 Stunden ohne Austausch wesentlicher Komponenten ermöglicht.
  • Beschreibung der Komponenten der erfindungsgemäßen Marxgeneratoren und der für den Betrieb erforderlichen Einrichtungen:
  • Gehäuse:
  • Das Gehäuse der Marxgeneratoren ist aus Polyethylen, Polypropylen oder vergleichbarem dielektrischen Kunststoff ausgeführt. Im Gehäuse werden Schalterturm (ST), Hochspannungsimpulskondensatoren (CP) und Ladespulen (LL) mechanisch gehalten und gegenüber Masse ausreichend elektrisch isoliert (Gasisolation). Das Polypropylen-/Polyethylengehäuse wird allseitig von einer dichtverschweißten, aus ferromagnetischem Werkstoff hergestellten Blechkonstruktion (EMV) umgeben.
  • Funkenstreckenschalter:
  • Die benötigten Funkenstreckenschalter (S) sind in einem gemeinsamen Rohr aus dielektrischem Werkstoff vorzugsweise Polyethylen oder Polypropylen, dem Schalterturm (ST) eingebaut. Der Schalterturm kann mit bis zu 7 bar abs. Druck beaufschlagt werden. Vorzugsweise wird ein Regelbereich von 1 – 2 bar abs. eingestellt. Durch die Druckregelung kann der Zündbereich der Funkenstreckenschalter (S) nach dem Gesetz von Paschen variiert bzw. ein Abbrand der Funkenstreckenschalter (S) und die dadurch veränderte Zündspannung/Pulsspannung ausgeglichen werden.
  • Die Oberfläche der Funkenstreckenschalter (S) ist vorzugsweise nach dem Rogowski-Profil oder Bruce-Profil ausgeführt. Zur Erhöhung der Zündgenauigkeit ist der Startfunkenstreckenschalter (S1/2) bei Bedarf als Kugelfunkenstrecke auszuführen.
  • Die Funkenstreckenschalterelektroden werden an den strombelasteten Stellen in Wolfram – Kupfer – Sintermetall ausgeführt um den Abbrand zu reduzieren. Der Schalterturm ist geometrisch so aufgebaut, dass die erforderlichen Isolationsabstände eingehalten werden und ein Versagen durch unkontrollierte Gleitentladungen bzw. partielle Überhitzung verhindert wird.
  • Pulskondensatoren:
  • Als Pulskondensatoren (CP) werden ölimprägnierte Wickelkondensatoren mit niedriger Eigeninduktivität und niedrigem Innenwiderstand eingesetzt. Die Aufladung der Pulskondensatoren (CP) erfolgt über Spulen (LL) um den Energieverlust beim Ladevorgang zu reduzieren. Der Aufbau der Komponenten erfolgt in Luft-/Gasisolation.
  • Gaskreislauf:
  • Zum Betrieb der beschriebenen Schaltertürme wird ein Gaskreislauf eingerichtet. Die Gasgeschwindigkeit im Schalterturm (ST) beträgt bis zu 10 m/sec. Als Kreislaufgas wird ein dielektrisches, inertes, trockenes Gas verwendet. Das Gas ist so gewählt, dass Reaktionsprodukte mit dem Funkenstreckenkontaktwerkstoff keine leitfähigen Niederschläge bilden.
  • Die durch den Betrieb des Schalterturms (ST) und des Kreislaufgebläses (GG) eingetragene Wärme wird durch einen geeigneten Wärmeaustauscher (WT) aus dem System entfernt. Der durch betriebsbedingten Abbrand der Funkenstreckenkontakte erzeugten Staub wird durch ein Partikelfilter (GF) entfernt.
  • Hochspannungsversorgung:
  • Vorzugsweise werden Hochspannungstransformatoren in 50/60 Hz Technologie mit nachgeschaltetem Brückengleichrichter eingesetzt. Die hohe Restwelligkeit der eingesetzten Geräte wird durch die Kapazität der Hochspannungsimpulskondensatoren ausreichend geglättet (Bild 6).
  • Die erfindungsgemäßen Marxgeneratoren beheben folgende Mängel des Stands der Technik:
  • Bipolarer/Monopolarer Betrieb:
  • Die bisher eingesetzten Marxgeneratoren sind monopolar aufgebaut. Bei Pulsspannungen von zum Beispiel USS = 500 kV sind erhebliche Isolationsmaßnahmen der Pulsleitungen erforderlich.
  • Für einen erfindungsgemäßen, bipolaren Betrieb sind eine gerade Anzahl Pulsstufen erforderlich. Die Ladung der Pulskondensatoren erfolgt bekannter Weise in Parallelschaltung. Zur Entladung (Erektion, Pulsauslösung) des Marxgenerators wird die mittlere Funkenstreckeschalter (S1/2) gezündet. Die Einstellung der übrigen Funkenstreckenschalter (S) erfolgt so, dass zwei Teilmarxe in eine angeschlossene Last (R) entladen werden. Dabei entstehen zwei synchronisierte Spannungsimpulse mit jeweils ½ Potential und positiver bzw. negativer Amplitude. Die Potentialdifferenz an der Last ist im Vergleich zu monopolarem Betrieb gleich. Aufgrund der reduzierten Pulsspannung je Teilmarx sind jedoch die kostenintensiven hochspannungstechnischen Isolationsmaßnahmen der Pulsleitungen entscheidend gemindert.
  • Triggerung der Funkenstrecken:
  • Zur Triggerung der Marxgeneratoren wurden in der Vergangenheit eine Vielzahl von Systemen entwickelt und patentiert. Hierbei sind zu nennen: Triggerfunkenstrecke (3 Elektroden-), Lasertriggerung u.s.w.. Diese Lösungen machen es jedoch erforderlich, dass aufwändige Systeme errichtet werden müssen, die kostenintensiv, wenig dauerlaufgeeignet und störanfällig sind. Die erfindungsgemäßen Marxgeneratoren sind mit selbsttriggernden Funkenstrecken ausgerüstet. Dabei ist darauf zu achten, dass der Startfunkenstreckenschalter (S1/2) den kleinsten, der gewünschten Zündspannung entsprechenden Elektrodenabstand aufweist. Die Elektrodenabstände der weiteren Funkenstreckenschalter (S) der Teilmarxe werden dann um ca. 6 – 10% erhöht. Durch, beim Zünden entstehende ultraviolette Strahlung sowie der Spannungserhöhung zünden alle Funkenstreckenschalter (S) in einem Zeitintervall von Nanosekunden durch.
  • Zusammenschaltung von 2 Marxgeneratoren:
  • Bei der Zusammenschaltung mehrerer Marxgeneratoren an einer Stromversorgung/DC-Hochspannungsladegerät (HV) ist die Synchronisation der Pulsauslösung erforderlich, da aufgrund des Zusammenbruchs der Ladespannung (Kurzschluss wegen der Niederohmigkeit der entladenen Pulskondensatoren) nach der Pulsauslösung immer nur ein Marxgenerator im Pulsbetrieb laufen könnte.
  • Die erfindungsgemäße Lösung ist hierbei, dass mindestens die mittleren Funkenstrecken (S1/2) der zusammenzuschaltenden Marxgeneratoren so ausgeführt sind, dass über eine Verbindung der beiden Schalterturmgehäuse eine optische sowie eine stoffliche bzw. gasförmige Verbindung besteht. Durch die beim Zünden der ersten mittleren Funkenstrecke (S1/2) entstehende ultraviolette Strahlung sowie gegebenenfalls freie Elektronenwolken erfolgt eine „direkte Triggerung" des zweiten Marxgenerators (IG2).
  • Durch die „direkte Triggerung" sind keine zusätzlichen, störanfälligen Triggereinrichtungen erforderlich und der Betrieb von zwei (2) oder mehreren Marxgeneratoren (IGn) an einer Hoch spannungsversorgung (HV) möglich, was den Bauaufwand für eine entsprechende Versorgung insbesondere bei größeren Anlagen erheblich reduziert.
  • Abkürzungsverzeichnis:
    Figure 00040001
  • Bildverzeichnis:
  • Bild 1. Schaltplan bipolarer Impulsgenerator (IG1)
  • Bild 2. Schaltplan Zusammenschaltung/Synchronisation bipolare Impulsgeneratoren (IG1 und IG2)
  • Bild 3. Verfahrensfließbild bipolarer Impulsgenerator
  • Bild 4. Aufbau bipolarer Impulsgenerator, unterschiedliche Aufstellungsvarianten
  • Bild 5. Aufbau Zusammenschaltung bipolare Impulsgeneratoren
  • Bild 6. Darstellung der Ladespannung sekundärseitig und des Ladestroms primärseitig der Hochspannungsversorgung beim Betrieb eines Impulsgenerators bei 20 Hz und 50 kV Ladespannung

Claims (5)

  1. Bipolarer Marxgenerator mit Schalterturm, direkter Triggerung und Gaskonditionierung für industriellen Dauerbetrieb dadurch gekennzeichnet, dass a) bei Auslösung des Spannungs-/Stromimpulses ein erster Teilmarxgenerator mit positiver und ein zweiter Teilmarxgenerator mit negativer Spannungsamplitude synchronisiert seriell entladen werden. Die Synchronisation wird dadurch erreicht, dass der mittlere Funkenstreckenschalter für beide Teilmarxgeneratoren der Selbe ist. b) dieser durch eine gerade Anzahl Pulsstufen gebildet wird, wobei eine Pulsstufe aus Pulskondensator und Funkenstreckenschalter gebildet wird sowie die Funkenstreckenschalter beider Teilmarxgeneratoren in einem gemeinsamen Schalterturm zusammengefasst sind. c) bei einer Zusammenschaltung von 2 und mehr Marxgeneratoren diese durch eine Verbindung der Schalterturmgehäuse sich wechselseitig direkt triggern. Die direkte Triggerung kann durch elektrostatische bzw. magnetische Linsen unterstützt werden. d) folgende Betriebsparameter eingestellt werden: Ladespannung 10 – 110 kV idealer Weise: 50 – 60 kV Pulsstrom 0.5 – 15 kA idealer Weise: 7 – 9 kA Pulsspannung ± 10 kV – ± 550 kV idealer Weise: ± 180 kV Pulsstufen 2 – 10 idealer Weise: 6 – 8 Repetitionsrate 0.5 – 100 Hz idealer Weise: 20 – 30 Hz f) der Schalterturm, Kondensatoren und Ladespulen vertikal, horizontal und in jeder beliebigen Lage aufgestellt werden kann.
  2. Schalterturm für bipolaren Marxgenerator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass a) die Funkenstreckenschalter der einzelnen Pulsstufen sowie die Ausgangsfunkenstreckenschalter in einem gemeinsamen Gehäuse (Schalterturm) installiert sind. b) der Schalterturm aus dielektrischem Material gefertigt ist und einen mindestens viereckigen, idealer Weise jedoch kreisförmigen Querschnitt aufweist. c) die mittlere Funkenstrecke einen der gewünschten Durchbruchspannung entsprechenden Schalterabstand aufweist und die Schaltfläche aus einem verschleißfesten metallischen Werkstoff, idealer Weise Wolfram – Kupfer Sintermetall (W/Cu) besteht. d) die Schalterabstände der Funkenstreckenschalter der weiteren Pulsstufen je Pulsstufe um 6 – 10 % vergrößert werden sowie die Schaltabstände des Ausgangsfunkenstreckenschalters je nach angeschlossener Last bis auf 80 % der Pulsspannung eines Teilmarxgenerators eingestellt sind. e) die Profilform der Funkenstreckenschalterflächen nach Rogowski, Bruce oder als Kugel ausgeführt ist. f) die Abstände der Funkenstreckenschalter von Pulsstufe zu Pulsstufe sowie vom letzten Funkenstreckenschalter zum Ausgangsfunkenstreckenschalter das 20-fache (±20%) des Schaltabstands des ersten Funkenstreckenschalters (Startfunkenstrecke) betragen und die Abstände an der inneren Oberfläche des Funkenstreckenturmgehäuses vom Hochspannungs- zum Masseteil eines jeden Funkenstreckenschalters das 25-fache (±20%) des Schaltabstands des ersten Funkenstreckenschalters betragen. g) verschleißbedingte Änderungen der Durchbruchspannung durch Druckänderungen des Schalterturmgases ausgeregelt werden (Gesetz von Paschen).
  3. Gaskonditionierung für bipolaren Marxgenerator nach Anspruch 1 und Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass a) ein inertes, dielektrisches, trockenes, sauerstofffreies Gas in einem Kreislauf gefördert wird. Dabei werden Drücke bis 7 bar (abs.) eingestellt. Idealer Weise werden 1,5 – 2 bar (abs.) eingestellt. b) das inerte Gas in einem geschlossenen Kreislauf gefördert wird zu dem auch der Schalterturm gehört. Im Schalterturm werden Gasgeschwindigkeiten von 0,5 bis 10 m/sec eingestellt. Ideal ist dabei eine Geschwindigkeit von 1 bis 2 m/sec. c) durch eine Rückkühlung des Schalterturmgases die Betriebstemperatur auf max. 60°C gehalten wird. Der Betriebspunkt wird dabei auf ca. 40°C eingestellt. d) durch eine Gasfiltration die betriebsbedingt anfallenden Abbrandprodukte kontinuierlich aus dem Abgasstrom entfernt werden.
  4. Hochspannungsversorgung zum Betrieb von bipolaren Marxgeneratoren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass a) Hochspannungstransformatoren mit nachgeschalteter, einfacher Brückengleichrichtung und stark restwelligem Spannungssignal verwendet werden. b) getaktete Hochspannungsnetzteile mit geringer Restwelligkeit des Spannungssignals verwendet werden. c) zum Schutz der Hochspannungsversorgung zwischen bipolaren Marxgeneratoren und Hochspannungsversorgung Tiefpässe geschaltet werden, die aus einem niederinduktiven HV – Widerstand und einem HV – Kondensator bestehen.
  5. Pulskondensatoren für bipolare Marxgeneratoren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Lebensdauer von mind. 2 × 109 Entladungen, das heißt bei einer Repetitionsrate von 30 1/sec eine Betriebszeit von mehr als 18.500 Stunden aufweisen. a) sie keine Ölisolation aufweisen und somit keine Überwachung der Isolationseigenschaften es Isolationsmediums erforderlich ist. b) diese durch Verguss in einer dielektrischen Vergussmasse hergestellt werden und in beliebiger geometrischer Form produziert werden können. Pulskondensatoren, Tiefpass und Schalterturm gemeinsam in dielektrischer Vergussmasse vergossen werden können.
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