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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Vorrichtungselement,
an dem eine auf eine Bezugsspannung bezogene Hochspannung anliegt.
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Hochspannungen,
d. h. Spannungen, die typischerweise im Bereich von 50–150
kV liegen, kommen für die Energieübertragung und
für verschiedene technisch-physikalische Effekte, wie zum
Beispiel zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, Lichtbögen,
in Bildröhren, Zündspulen oder auch für
die Neonbeleuchtung zum Einsatz. Eine genau eingestellte Hochspannung
(üblicherweise als Gleichspannung) benötigt man
zur Erzeugung elektrischer Felder, beispielsweise um Elektronen
oder andere Elementarteilchen zu beschleunigen oder abzulenken.
Zur Erzeugung dieser Hochspannung werden präzise Hochspannungsnetzgeräte
eingesetzt. Ein derartiges Hochspannungsnetzgerät zur Erzeugung
einer Gleichspannung für eine Röntgenröhre
ist z. B. in der
DE 10227841 beschrieben.
Durch dieses Gleichstrom-Hochspannungsnetzgerät wird zunächst
aus einer Eingangsspannung eine Zwischenkreis-Gleichspannung gewonnen.
Diese Zwischenkreis-Gleichspannung wird zu einer Wechselspannung
umgewandelt. Die Wechselspannung wird zu einer Hochspannung transformiert,
welche anschließend gleichgerichtet wird.
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Bei
der Röntgenstrahlerzeugung wird die Hochspannung zur Beschleunigung
von einer Kathode emittierten Elektronen verwendet. Im Rahmen des Auftreffens
auf die Annode und des Abbremsens durch die Anode entstehen Röntgenstrahlen
(diskrete Röntgenstrahlung bzw. Röntgenbremsstrahlung).
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Die
Verwendung von Hochspannungen führt zu einer hohen Belastung
der eingesetzten Schaltelemente. Um Schädigungen der Schaltelemente
vorzubeugen und ungewünschte Effekte wie Span nungsdurchschläge
zu vermeiden, sollte die Belastung der Schaltelemente möglichst
gering gehalten werden.
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Die
Erfindung hat zur Aufgabe, die Ausfallsicherheit und den Betrieb
von Hochspannungssystemen zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch die Ansprüche gelöst.
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Eine
zentrale Idee der Erfindung ist, in einem Hochspannungssystem, z.
B. einem Röntgengenerator, durch die Hochspannung hervorgerufene
Belastungen durch steuernde Veränderung des elektrischen
Feldes bzw. der Potentialverteilung zu reduzieren. Diese Veränderung
wird mittels eines oder mehrerer zusätzlicher leitender
Elemente (im Ausführungsbeispiel auch als Steuerelektroden
bezeichnet) durchgeführt. Dabei ist das Wort „zusätzlich"
so zu verstehen, dass ein derartiges zusätzliches Element
im Wesentlichen allein der Funktion der Steuerung des elektrischen
Feldes dient. Dieses zusätzliche Element ist derart angeordnet,
ausgeformt und schaltungstechnisch verbunden, dass ihm ein definierter
Potentialwert (vorzugsweise der Wert der Hochspannung, der Bezugsspannung,
die Hälfte des Wertes der Hochspannung oder ein anderer
Bruchteil der Hochspannung, der schaltungstechnisch leicht zu realisieren
ist) zugeordnet ist und dass durch Position, Form und Potentialwert
eine Veränderung des durch die Hochspannung erzeugten elektrischen
Feldes im Sinne einer günstigeren Feldverteilung bewirkt
wird. Eine günstigere Feldverteilung wird dabei als eine
Feldverteilung verstanden, bei der die Höchstbelastungen
von Schaltelementen vermieden oder unerwünschten Phänomenen
wie Spannungsdurchschlägen oder Fliesspannungen entgegengewirkt
wird.
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Auf
diese Weise können z. B. maximale Belastungen von Vorrichtungselementen,
z. B. Schaltelementen oder Stromträgern, an denen im Betrieb Hochspannung
anliegt, verringert werden. Weiter ermöglicht die Anwendung
der Erfindung, durch die gleichmäßige Verteilung
der Feldstärke, auch kompaktere Aufbauten.
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Ein
erstes Beispiel für ein Vorrichtungselement, das hohen
Spannungen ausgesetzt ist und bei dem erfindungsgemäß die
Belastung im Sinne einer gleichmäßigeren Belastung
veränderbar ist, ist ein Hochspannungs-Gleichrichter. Ein
Hochspannungs-Gleichrichter umfasst üblicherweise eine
Reihe von hintereinandergeschalteten Dioden (Diodenkette). Die vorderste
der Dioden ist herkömmlich den höchsten Belastungen
ausgesetzt. Diese Belastung wird im Zuge dieser ersten Ausgestaltung
durch zwei leitende bzw. leitfähige Platten umfasst, wobei
die Platten schräg zu der Diodenkette derart angeordnet sind,
dass der Potentialwert einer der Platten gleich oder höher
als der Potentialwert des Ausgangs der Diodenkette und der Potentialwert
der anderen Platte gleich oder niedriger als der des Eingangs der
Diodenkette ist.
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Eine
weitere, zweite Ausgestaltung sieht die Reduzierung der Höchstwerte
der elektrischen Feldstärke in der Nähe eines
Vorrichtungselements vor, an welchem beim Betrieb der Vorrichtung
Hochspannung anliegt. Position, Form und Potentialwert des zumindest
einen zusätzlichen leitenden Elements werden derart bestimmt
bzw. festgelegt, dass eine Reduzierung der Feldstärke des
durch die Hochspannung hervorgerufenen elektrischen Feldes in der
Nähe des Vorrichtungselements bewirkt wird. Der Potentialwert
des zumindest einen zusätzlichen leitenden Elements ist
in diesem Fall vorzugsweise zwischen dem Wert der Hochspannung und
dem Wert des Bezugspotentials, z. B. die Hälfte des Hochspannungswertes.
Das Vorrichtungselement ist z. B. ein Draht, mittels dem die Kathodenspannung
eines Röntgengerätes angelegt ist. Das zusätzliche
leitende Element ist in diesem Fall vorzugsweise so ausgebildet,
dass es diesen Draht umgibt, so dass das Feld von allen Seiten reduziert
wird. Generell kann es günstig sein, mehrere, in der Regel
möglichst alle Vorrichtungselemente auf Hochspannung, bei
denen es die räumlichen Gegebenheiten zulassen, zusammenzufassen
und durch das zusätzliche leitende Element bzw. eine Steuerelektrode
im Wesentlichen (so weit dies konstruktiv möglich ist)
käfigartig zu umfassen.
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Eine
dritte Ausführungsform der Erfindung ist ein Hochspannungssteckersystem,
bei dem durch Position, Form und Potentialwert des Vorrichtungselements
eine gleichmäßige Feldverteilung im Bereich des
Steckersystems erzeugt wird. Um eine gleichmäßigere
Feldverteilung zu erreichen, wird vorzugsweise eine Mehrzahl von
zusätzlichen leitenden Elementen eingesetzt, die teilweise
auf Hochspannung und teilweise auf Bezugspotential liegen. Diese
können teilweise auf einem Stecker und teilweise auf einer das
Gegenstück zu dem Stecker darstellenden Steckerbuchse angeordnet
sein.
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Weitere
Ausgestaltungsformen bzw. -details des Erfindungsgegenstandes sind
den Ansprüchen und dem Ausführungsbeispiel zu
entnehmen.
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Im
Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen
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1:
ein Prinzipschaltbild eines Röntgengenerators in Wechselrichtertechnik
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2:
eine Serienschaltung von Hochspannungsdioden
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3:
eine erfindungsgemäße Potentialsteuerung einer
Hochspannungsdiodenkette
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4:
Veränderung des elektrischen Potentials an einer Leitung,
die auf Hochspannungspotential liegt
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5:
Reduzierung der Potentialveränderung in der Nähe
einer Leitung auf Hochspannungspotential durch eine Zwischenelektrode
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6:
Prinzip eines Hochspannungssteckers
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7:
Feldverteilung im Hochspannungssteckersystem
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8:
Hochspannungsstecker mit Steuerelektroden
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9:
Feldverteilung im Hochspannungsstecksystem mit Feldsteuerung durch
Steuerelektroden.
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1 zeigt
ein Prinzipschaltbild eines Röntgengenerators in Wechselrichtertechnik.
Die an der Röntgenröhre 7 zwischen Anode
A und Kathode K anliegende Spannung ist eine Gleichspannung. Diese
wird auf folgende Weise gewonnen. Die durch einen Netzgleichrichter 1 und
einen Zwischenkreisfilter 2 gewonnene Gleichspannung wird
mittels eines Serienschwingkreis-Wechselrichter 3 zu einer
Wechselspannung umgewandelt. Diese Wechselspannung wird durch einen
Hochspannungstransformator 4 zu einer Hochspannung transformiert,
welche für die Röntgenröhre 7 mittels
eines Hochspannungs-Gleichrichters 5 zu einer Gleichspannung
umgewandelt und mittels eines Hochspannungskondensators 6 gefiltert
wird.
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Wegen
des großen Werts der Hochspannung an der Röntgenröhre 7 von
75 kV und mehr gegen Masse bzw. Bezugspotential muss der Hochspannungsgleichrichter 6 aus
einer Serienschaltung von handelsüblichen Hochspannungsdioden
aufgebaut werden. Dies ist in 2 gezeigt,
wo eine Diodenkette (Dioden D1 ... Dn) eines Hochspannungs-Gleichrichters
dargestellt ist.
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Für
die folgende Erläuterung wird zunächst angenommen,
dass die vom Hochspannungstransformator kommende Hochspannung so
gepolt ist, dass sich die Hochspannungsdioden im leitenden Zustand
befinden. Wechselt nun die Polarität der angelegten Hochspannung,
gehen die Hochspannungsdioden in den Sperrzustand über.
Dies findet jedoch nicht beliebig schnell statt, da zunächst
die in der Sperrschicht der Hochspannungsdioden befindlichen Minoritätsladungsträger
ausgeräumt werden müssen. In diesem Zeitraum befindet
sich bereits eine Sperrspannung an den Dioden. Da wegen der vorhandenen
Ladungsträger immer noch Strom durch die Dioden fließt,
entsteht kurzzeitig eine hohe Verlustleistung, die als Ausschaltverlust
bezeichnet wird. Besonders bei Röntgengeneratoren, die
im höheren Frequenzbereich arbeiten, werden die Hochspannungsdioden
durch die Ausschaltverluste sehr stark belastet.
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Verschärft
wird die Situation noch durch die in 2 eingezeichneten
parasitären Kondensatoren bzw. parasitären Kapazitäten
(CP1 ... CPn-1). Diese bewirken, dass beim Übergang
vom leitenden in den sperrenden Zustand zunächst die oberste
Teilkapazität CP1 aufgeladen werden muss und dann der Reihe
nach die anderen Teilkapazitäten. Dadurch liegt an der
obersten Hochspannungsdiode im ersten Moment nahezu die gesamte
von Außen angelegte Spannung, bis dann der Reihe nach die
anderen Teilkapazitäten aufgeladen werden. An der obersten Hochspannungsdiode
und auch noch an den weiteren oberen Hochspannungsdioden entstehen
deshalb besonders hohe Ausschaltverlustleistungen.
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Um
diese Situation in den Griff zu bekommen, werden in der Regel ausschließlich
Hochspannungsdioden mit sogenanntem "Controlled-Avalanche-Verhalten"
verwendet, die diese hohen Spitzenbelastungen aushalten. Um die
hohe Belastung der oberen Teilkapazitäten zu reduzieren
und so Steuerungen bei diesen Schaltelementen vorzubeugen, wird
eine Potenzialsteuerung zur gleichmäßigen Verteilung
der Ausschaltverlustleistungen auf alle Hochspannungsdioden vorgesehen.
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Der
Grundgedanke der Potentialsteuerung liegt hier darin, dass die Diodenkette
zwischen zwei schräg angebrachte leitfähige Platten
P1 und P2 eingebettet wird, von denen die eine (P1) an das Potenzial
der oberen Diode angebunden ist und die andere (P2) an das Potenzial
der unteren Diode. Durch das elektrische Feld zwischen der Diodenkette
und den Platten bilden sich nun räumlich verteilte Kapazitäten heraus,
die in 3 gestrichelt eingetragen sind. Exakt ausgedrückt
handelt es sich um sogenannte Kapazitätsbeläge.
Solch ein Kapazitätsbelag ist nun umso größer,
je näher sich die Platte am Widerstand befindet. Dadurch
befindet sich an jedem Punkt der Diodenkette ein kapazitiver Spannungsteiler,
der dem Teilerverhältnis an der Diodenkette entspricht. Hierdurch
wird sichergestellt, dass die dynamische Spannungsaufteilung an
den Dioden in etwa gleich ist der Gesamtspannung geteilt durch die
Anzahl der Dioden. Infolgedessen ergibt sich beim Übergang vom
leitenden in den sperrenden Zustand eine gleichmäßige,
von den Kapazitäten gesteuerte Spannungsaufteilung, die
dafür sorgt, dass sich die Ausschaltverluste nahezu gleichmäßig
auf alle Dioden verteilen.
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Das
erfindungsgemäße Prinzip lässt sich auch
in einigen Konstellationen mittels einer Zwischenelektrode, die
auf einer Teilspannung liegt, verwirklichen. Ein solcher Fall wird
anhand der 4 und 5 beschrieben.
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In
Hochspannungserzeugern von Röntgengeneratoren ist die Röntgenröhrenspannung üblicherweise
symmetrisch gegenüber dem Bezugspotenzial angeordnet. Dies
erleichtert die Hochspannungsisolation aller beteiligten Baugruppen
einschließlich der Hochspannungskabel.
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In
speziellen Fällen kann es jedoch erforderlich sein, dass
die Hochspannung einseitig gegenüber dem Bezugspotenzial
angeordnet werden muss. Hierdurch wird die Hochspannungsisolation
erschwert. Besonders eindrucksvoll lässt sich dies an Leitungen
erläutern, die an das Potenzial der Gesamtspannung angebunden
sind. Dies ist in 4 der Fall. Es ist ein Draht 11 der
Dicke 7 mm gezeigt, welcher auf einem Potential von 150 kV liegt.
Es ist weiter ein Rand bzw. eine Begrenzung des Röntgengeräts 12 gezeigt.
Dieser Rand liegt auf Bezugspotential. Der Abstand zwischen dem
Draht 11 und dem Rand 12 beträgt 100
mm. Es sind Potenziallinien im Abstand von 10 kV eingezeichnet.
Die Dichte der Potentiallinien ist ein Maß für
die Feldstärke. In der Nähe des Drahtes 11 ist
die Feldstärke am höchsten. Dort beträgt
sie bis zu 9 kV/mm.
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Auf
Grund der bekannten Spitzenwirkung der elektrischen Feldstärke
kommt es zu starken Feldstärkeüberhöhungen
an den auf Hochspannungspotenzial liegenden Leitungen wie z. B.
Draht 11, die gegenüber den sonstigen Abmessungen
einen relativ kleinen Durchmesser aufweisen. Mit Feldstärkeüberhöhungen
sind damit Feldstärkewerte gemeint, die durch ihre Höhe
ein Gefährdungspotential beinhalten (z. B. Funkenbildung
bzw. Corona-Entladungen, Spannungsdurchschläge). Versucht
man nun, diese hohe Feldstärke durch einen größeren
Abstand der Leitungen zum Bezugspotenzial auf unschädliche
Werte zu verringern, so stellt man fest, dass hierzu ein unverhältnismäßig
großer Abstand notwendig wäre, da der Abstand
in die hohe Feldstärke an den kleinen Radien nur über
seinen Logarithmus eingeht. Die hohen Feldstärken können
nur über einen größeren Durchmesser der
Leitungen sinnvoll verringert werden, was wiederum auf fertigungstechnische
Probleme stößt, da Leitungen mit großem Durchmesser
unhandlich zu montieren sind und zudem – so sie mit einer
Hochspannungsisolation versehen sein sollen – keine gängigen
Bauteile sind.
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Das
Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass eine Zwischenelektrode 13 eingezogen wird, die an
eine Spannung zwischen dem Bezugspotenzial und der Gesamtspannung
gelegt wird, zweckmäßigerweise an die halbe Gesamtspannung, die
schaltungsbedingt ohnehin zur Verfügung steht (5).
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In 5 ist
wieder ein Draht 11 der Dicke 7 mm gezeigt, welcher auf
einem Potential von 150 kV liegt. Zur Reduzierung der Feldstärke
ist eine Zwischenelektrode 13 eingezogen, die auf 75 kV
liegt. Der Rand 13 liegt auf Bezugspotential. Der Abstand zwischen
Draht 11 und Rand 12 beläuft sich auf
100 mm. Durch die Zwischenelektrode 13 wird die maximale
Feldstärke auf 6 kV/mm reduziert. Dies ist auch aus den
Potentiallinien ersichtlich, welche einen Abstand von 10 kV aufweisen.
Die Feldstärke zwischen der Bezugselektrode und der Zwischenelektrode
beläuft sich auf 2 kV/mm.
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Durch
diese Maßnahme erreicht man eine wesentlich kleinere Feldstärkeüberhöhung
an den engen Radien der Äquipotentiallinien. Zweckmäßigerweise
bildet man die Zwischenelektrode so aus, dass sie alle Komponenten,
die an der Gesamtspannung liegen, wie ein elektrischer Käfig
umfasst, so weit dies konstruktiv möglich ist.
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Eine
Potentialsteuerung kann in dem obigen Fall (und prinzipiell in praktisch
allen Fällen) anstelle mit einer Steuerelektrode auch mit
mehreren Steuerelektroden, die z. B. auf verschiedenen Teilpotentialen
liegen, durchgeführt werden.
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In 6 bis 9 ist
gezeigt, wie die Erfindung zur Potentialsteuerung in Verbindung
mit einem Hochspannungsstecker Verwendung finden kann.
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Ein
besonderes Problem bei Hochspannung stellt der Hochspannungsstecker
dar. Eine Prinzipskizze eines Hochspannungssteckers ist in 6 dargestellt.
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Ein
Stecker 31 (quer schraffiert) ist in eine Steckbuchse 32 (schräg
schraffiert) eingeführt, so dass ein Kontakt hergestellt
ist. Zur Veranschaulichung der Kontaktierung ist ein Innenleiter 33 des Steckers 31 angedeutet.
Zwischen Stecker 31 und Steckbuchse 32 verbleibt
nach Verbindung der beiden Teile ein schmaler Luftspalt 34.
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Das
Vergussmaterial, aus dem Stecker 31 und Steckbuchse 32 bestehen,
wird auf Durchschlag belastet. Während dies in aller Regel
keine Probleme bereitet (vorausgesetzt, der Gießvorgang
ist sauber und lunkerfrei, d. h. ohne Löcher, durchgeführt
worden), kann die Kriechstrombelastung im Luftspalt zwischen Stecker
und Buchse ein echtes Problem darstellen. Von Haus aus ist die Kriechstromfestigkeit von
Hochspannungsanlagen geringer als die Durchschlagsfestigkeit. Auf
eine homogene Verteilung der elektrischen Feldstärke entlang
der Kriechstrecke ist unbedingt zu achten. Entstehen örtliche
Feldstärkeüberhöhungen, kann es an diesen
Stellen zunächst zu begrenzten Entladungsvorgängen
kommen, diese beschädigen die Oberfläche des Isolationsmaterials und
langfristig kommt es zu einem Überschlag entlang der Kriechstrecke.
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Verwendet
man einen einfachen Stecker entsprechend 6, so entstehen
entlang des Kriechweges Feldstärkeüberhöhungen
am oberen Teil des Luftspaltes, wie das in 7 gezeigte
Simulationsergebnis der Felsverteilung im Hochspannungsstecksystem
zeigt.
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Üblicherweise
versucht man dieses Problem durch einen extrem langen Stecker und/oder
durch zusätzliche Isoliermaterialien (z. B. Silikonstrumpf) im
Luftspalt zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß soll
auch hier durch Steuerelektroden eine gleichmäßig
Feldverteilung entlang des Luftspaltes zwischen Hochspannungsstecker und
-buchse erzielt werden, um den oben geschilderten Durchschlagsmechanismus
zu verhindern.
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Dies
wird durch vier Steuerelektroden bzw. Steuerelemente 36,
..., 39 mit definiertem Potential realisiert. Die Steuerelektrode 36 sowie
die Steuerringe 37 und 38 liegen dabei auf Bezugspotential. Das
Steuerelement 39 liegt auf Hochspannungspotential.
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Die
Steuerelektrode 36 bewirkt eine kapazitive Spannungsteilung
zwischen ihr, dem Luftspalt und dem Innenleiter 31 mit
dem Ziel, die Spannung entlang des Luftspaltes 34 gleichmäßig
abzubauen. Die Funktionsweise entspricht derjenigen von 3.
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Berechnet
man die optimalen Eigenschaften der Steuerelektrode, so wird sie
im Idealfall genauso lang wie der Hochspannungsstecker und erhält
darüber hinaus eine Form ähnlich der einer Kalotte.
Simulationsversuche haben jedoch gezeigt, dass mit der in 8 gezeigten
leichter zu fertigenden Variante nur unwesentlich schlechtere Ergebnisse
erzielt werden.
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Die
Steuerringe 37 und 38 bewirken eine Feldharmonisierung
an den oberen und unteren Kanten und damit eine nochmals gleichmäßigere
Feldverteilung.
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Simulationsergebnisse
für das Steckersystem aus 8 zeigt 9.
Die Feldverteilung im Hochspannungsstecksystem ist nun durch die
Feldsteuerung homogenisiert. Mit der gezeigten gleichmäßigen
Feldverteilung erhält man im Wesentlichen auch eine konstante
Felsstärke innerhalb des Luftspaltes. Auf diese Weise kann
mit höheren Spannungen gearbeitet werden, ohne dass unerwünschte Kriechströme
auftreten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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