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Die
Erfindung betrifft eine Schaltfunkenstrecke aus zwei sich auf einer
gemeinsamen Achse spaltbildend gegenüberstehenden Hauptelektroden mit
einer Koronaelektrode zur Verringerung der Schaltstreuung.
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Aus
der Gasentladungsphysik im Zusammenhang mit Hochspannungsschalteinrichtungen wie
Funkenstrecken ist die Problematik des Durchzündens einer solchen Schaltstrecke
bekannt. Ziel ist im freien Durchbruch das Durchzünden bei
der Durchbruchfeldstärke
zwischen den beiden Hauptelektroden einer Schaltfunkenstrecke zu
erreichen.
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In
dem Lehrbuch „Hochspannungstechnik, Grundlagen-Technologie – Anwendungen
von Prof. Dr. – Ing.
Andreas Kückler,
VDI Verlag werden im Kapitel 3.2.5 Entladungen im inhomogenen Feld
in einer Modellvorstellung grundsätzlich abgehandelt.
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Schaltfunkenstrecken
als Gasentladungsstrecken haben das grundsätzliche Problem der Streuung
des Durchzündens,
den Jitter im fachlichen Sprachgebrauch. Maßnahmen zur Verringerung diese
Jitters sind technisch unterschiedlich. So gibt es die Triggerung
einer Schaltfunkenstrecke über
extern angesteuerte Hilfselektroden im Entladungsbereich. Das ist
mit einem aufwendigeren baulichen und ansteuerungstechnischen Aufwand
verbunden, der sich herstellungswirtschaftlich niederschlägt.
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In
der
DE 3723571 C2 wird
eine Hochspannungsfunkenstrecke beschrieben, die aus einem gasgefüllten Gehäuse mit
zwei sich gegenüberstehenden
Hauptelektroden besteht. Die Gasfüllung besteht aus Stickstoff.
Auf zumindest einer Elektrode ist eine nickelhaltige Aktivierungsmasse
auf Alkalisilikatbasis angeordnet. Aus der Allgemeinen technischen Information
der Siemens Aktiengesellschaft kann der Aufbau eines Ableiters ent nommen
werden, bei dem die sich gegenüberstehenden
wirksamen Elektrodenflächen
mit einem emissionsfördernden Überzug versehen
sind. Diese Aktivierungsmasse setzt die Austrittsarbeit der Elektronen
wesentlich herab und bewirkt dadurch eine stabilere Zündspannung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen technischen,
baulichen Maßnahmen die
Schaltstreuung einer Gasentladungsstrecke in Form einer gasisolierten
Schaltfunkenstrecke weiter zu verringern.
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Physikalisch
liegt damit die Aufgabe vor, die Startelektronenrate zur Initiierung
der Hauptentladung zwischen den beiden Hauptelektroden der Schaltfunkenstrecke
zu erhöhen.
Je höher
die Startelektronenrate, umso rascher bildet sich der Plasmakanal
zwischen den beiden Hauptelektroden für die Hauptentladung aus. Damit
wird beim Laden und damit Erzeugen des elektrischen Potentialunterschieds zwischen
den beiden Hauptelektroden das exaktere Durchzünden beim Erreichen der Durchbruchfeldstärke erreicht.
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Aus
wirtschaftlichen Gründen
soll die Lösung einfach
und hoch wirksam sein.
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Mit
den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen können Schaltfunkenstrecken hoch
jitterarm betrieben werden. Die technischen Maßnahmen an einer Schaltfunkenstrecke
bestehen darin, dass eine Koronaelektrode an der Zuleitung zu einer
der beiden Hauptelektroden elektrisch angeschlossen ist, also potentialmäßig angebunden
ist oder einen Bezug hat. Die Koronaelektrode ist am Rande des Spaltbereichs
der beiden Hauptelektroden exponiert und hat zu der Oberfläche dieser
Hauptelektrode einen Abstand a derart hat, dass beim Laden mindestens
an einer Stelle auf der Oberfläche
der Koronaelektrode die Koronaeinsatzfeldstärke überschritten wird. Der Abstand der
Ionisierungsgrenze der Koronaentladung zur Oberfläche der
als Gegenelektrode wirkenden Hauptelektrode hat einen Abstand d,
der größer als
die Spaltweite s zwischen den beiden Hauptelektroden ist.
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Der
Zündmechanismus
mit der Koronaelektrode kann zweifacher Natur sein, nämlich photoelektrisch
oder elektrisch. Entweder leuchtet die sich an der Koronaelektrode
ausbildende Koronaentladung und dadurch erzeugte ionisierende Strahlung,
eben Licht, zumindest teilweise hindernisfrei den Volumenbereich
zwischen den beiden Hauptelektroden aus und beleuchtet damit die
zueinander exponierten Oberflächen
der beiden Hauptelektroden, um elektrische Ladungsträger, Elektronen,
freizusetzen und im bestehenden elektrischen Feld zu beschleunigen. Das
Licht aus der Koronaentladung initiiert gewissermaßen indirekt.
Oder freie Elektronen aus der Koronaentladung erreichen zumindest
teilweise hindernisfrei den Volumenbereich zwischen den beiden Hauptelektroden
und initiieren damit direkt.
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In
den beiden Unteransprüchen
sind die einfachen Formen der Koronaelektrode beschrieben. Nach
Anspruch 2 besteht die Koronaelektrode aus mindestens einer Spitzenelektrode,
die die geometrischen Verhältnisse
aus Anspruch 1 erfüllt
und damit an der Randzone des Hauptelektrodenzwischenbereichs sitzt.
Mehrere solche Spitzenelektroden können willkürlich oder gleich verteilt
um die Achse der beiden Hauptelektroden sitzen, solange eben nur
die geometrischen Verhältnisse
jeweils eingehalten werden.
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Die
andere einfache Gestalt der Koronaelektrode ist nach Anspruch 3
der achsenumfassende Ring im Spaltbereich der beiden Hauptelektroden. Der
Ring kann kreisförmig
sein, muss aber nicht. Er muss lediglich minimal die geometrischen
Verhältnisse
aus Anspruch 1 wahren. D.h. der Zündvorgang kann zufällig aus
irgendeinem Ringbereich sein oder er kann vorzugsweise aus einem
Ringbereich sein. Es muss lediglich einer der beiden Zündmechanismen
starten können.
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An
die Kontur der beiden Hauptelektroden wird keine spezielle Anforderung
gestellt, so dass die Koronaelektrode durchaus auch nachträglich in
eine Schaltfunkenstrecke eingebaut werden kann.
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Da
zwischen den beiden Hauptelektroden der Schaltfunkenstrecke keine
räumlich
ausgedehnte, möglichst
homogene Entladung erzeugt werden muss, wie beispielsweise bei einem
Gasentladungslaser, sondern lediglich ein genauer Schaltzeitpunkt eingestellt
werden will, ist die Einbaumaßnahme
der Koronaelektrode zur Erzwingung eines exakten oder exakteren
Schaltzeitpunktes völlig
ausreichend. Eine bei Dreielektrodenfunkenstrecken baulich aufwendige
Ansteuerung der Zündelektrode
entfällt
bei dem Einbau einer Koronaelektrode völlig.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 die
geometrischen Verhältnisse;
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2 die
Koronaelektrode als Spitzelektrode;
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3 die
Koronaelektrode als Ringelektrode.
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In 1 ist
die Lage der Korona-/Hilfselektrode angedeutet, und zwar gleichzeitig
für den
Fall der Spitz- und den der Ringelektrode dargestellt. In beiden
Fällen
ist die Korona-/Hilfselektrode
im Bild an die untere Hauptelektrode elektrisch angeschlossen, d.h.
sie liegt auf deren elektrischen Potential.
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Die
geometrischen Verhältnisse
bzw. die geometrischen Bedingungen sind folgende:
Der Abstand
muss so gewählt
werden, dass mindestens an einer Stelle auf der Koronaoberfläche die
Koronaeinsatzfeldstärke,
bei Luft beispielsweise 30 kV/cm, überschritten wird.
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Der
Abstand d, von der Ionisierungsgrenze der Koronaentladung bis zur
Oberfläche
gemessen, muss größer sein
als die Schlagweite s zwischen den beiden Hauptelektroden. Die Ionisierungsgrenze
ist der von der Koronaelektrode ausgehende, bzw. sie zumindest bereichsweise
oder örtlich
umgebende Bereich, in dem aufgrund der dort herrschenden hohen elektrischen
Feldstärke
im Gas ionisiert wird.
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Die
Positionierung der Koronaentladung, die sich innerhalb der Ionisierungsgrenze
befindet, ist so gewählt,
dass die ionisierende Strahlung, die von der Korona ausgeht, einen
möglichst
großen
Volumenbereich zwischen den beiden Hauptelektroden be/ausleuchtet
und damit einen möglichst
großen Bereich
auf den einander gegenüberstehenden Oberflächen der
beiden Hauptelektroden elektronenfreisetzend beleuchtet.
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Beispielhaft
werden Dimension und Position zueinander der beiden Hauptelektroden
für zwei
Isoliergasverhältnisse
angegeben: Bei Luft als Isoliergas ist beispielsweise der Elektrodendurchmesser
50 mm und der Abstand s = 10 mm.
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Bei
SF6 als Isoliergas ist in einer andern Situation der Elektrodendurchmesser
beispielsweise 20 mm und der Abstand s 0 3 mm.
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2 zeigt
den Blick in einen Funkenstreckenturm eines Marx-Generators. Die
beiden vorderen Elektroden, die horizontal liegen und zueinander stehen,
sind die beiden Hauptelektroden einer Schaltfunkenstrecke, sie treten
elektrische isoliert durch die Turmwand und stehen einander mit
dem jeweiligen dicken, bordeprofilähnlichen Ende spaltbildend
gegenüber.
Von oben im Bild ragt nach schräg rechts
unten die Koronaelektrode als Spitzelektrode in Form eines Drahtstückes an
den Rand des Volumens zwischen den beiden Hauptelektroden. Die e lektrische
Anbindung an eine der beiden Hautelektroden liegt außerhalb
des Turmes. Der Schaltfunkenstreckenturm ist im Betrieb stickstoffgeflutet.
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3 zeigt
eine im Labor zu testende, offene Funkenstrecke. Die beiden Hauptelektroden
stehen sich spaltbildend vertikal gegenüber. Die Schaltfunkenstrecke
ist luftisoliert. Die Koronaelektrode ist ein geschlossener, einfach
aus Draht gebogener Ring, der die Achse der beiden Hauptelektroden
umgibt. Die Koronaelektrode ist in diesem Laboraufbau an einen starken,
nach oben wegführenden
Draht angeklemmt, um einerseits potentialmäßig mit einer Hauptelektrode
verbunden und andrerseits in Position gehalten zu werden. Der Koronaring
steht hier auf einem Abstand d von 10,5 cm zur Hauptelektrode.
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Beide
Gestaltungsbeispiele für
die Koronaelektrode zeigen den technisch simplen und damit billigen
Aufbau der Koronaelektrode, die jedoch hochwirksam im Sinne minimalen
Jitters des Durchzündens
der Schaltfunkenstrecke ist. Die Koronaelektrode ist materialarm
gebaut, da sie keinen nennenswerten elektrischen Strom zu führen hat,
sie muss lediglich eine gewisse mechanische Formstabilität zur Aufrechterhaltung
der geforderten geometrischen Verhältnisse einhalten.