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Die Erfindung betrifft eine im Selbstdurchbruch betriebene
Schaltfunkenstrecke.
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Zur Erzeugung von Impulsen hoher Ausgangsspannung und
Stromstärken werden Marxgeneratoren verwendet. Ein Marx-Generatör
besteht zum Erreichen einer möglichst kurzen
Impulsanstiegszeit aus entsprechend induktivitätsarmen Kondensatoren, die
einerseits parallel an ein elektrisches Ladegerät
angeschlossen sind und andrerseits über Schaltfunkenstrecken miteinander
verbunden sind, mit denen sie bei Durchbruch in Reihe
zueinander geschaltet werden, um so vorübergehend in Form eines
Impulses eine vorgegeben hohe Entladespannung zu erzeugen und,
je nach Last, einen hohen Stromstoß.
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Fließen dabei Ströme bis in den kA-Bereich und höher über die
Schaltfunkenstrecke/n, wie das beispielsweise bei der FRANKA-
Technologie der Fall ist (siehe DE 195 34 232), unterliegen
die Elektroden der Funkenstrecken einer starken Erosion/einem
starken Abbrand, die/der das Betriebsverhalten der
Schaltfunkenstrecken ändert und, ihre Lebensdauer begrenzt.
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Wichtige Betriebsparameter von Schaltfunkenstrecken sind ihre
Zündspannung und die Streuung der Zündspannung von Impuls zu
Impuls (fachsprachlich: Jitter). Die Schaltfunkenstrecken von
Marx-Generatoren der FRANKA-Technologie zünden im
Selbstdurchbruch. Hierzu werden die Kondensatoren kontinuierlich geladen
und liegen dazu, schaltungstechnisch gesehen, während des
Aufladevorgangs parallel zu der angeschlossenen
Schaltfunkenstrecke, deshalb steigt die Spannung zwischen den beiden
Elektroden der jeweiligen Schaltfunkenstrecke stetig an. Ist
die Zündspannung UZ zwischen den jeweils beiden Elektroden
einer Funkenstrecken erreicht, entladen sich die Kondensatoren
des Marx-Generators, jetzt durch den Durchbruch in den
Funkensstrecken in Reihe zueinander geschaltet, auf die am
Ausgang angeschlossene Last.
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Der elektrische Energieinhalt, der auf die Last entladen wird,
entspricht S CMarx UZ 2. Um gleichbleibende
Fragmentiereigenschaften zu gewährleisten, muss diese Energie möglichst
konstant bleiben. Eine Voraussetzung dafür ist langzeitstabiles
gleiches Durchbruchverhalten jeder beteiligten
Schaltfunkenstrecke. Ändert sich durch Abbrand von Elektrodenmaterial die
Form der Elektroden, so verändert sich die Zündspannung und
die Streuung der Zündspannung der Schaltfunkenstrecke. Der
Selbstdurchbruch einer Schaltfunkenstrecke findet statt, wenn
die Feldstärke in einem Volumenelement zwischen den beiden
Elektroden so hoch ist, dass sich aus einem auf natürliche
Weise in diesem Volumenelement entstandenem Startelektron ein
Entladungskanal entwickelt/bildet. Die natürliche
Startelektronenerzeugung unterliegt statistischen Schwankungen. Da die
Spannung an den Kondensatoren, und damit auch zwischen den
beiden Elektroden der parallel dazu liegenden Funkenstrecke
bis zur Zündung stetig ansteigt, erfolgt die Zündung zu
unterschiedlichen Zeitpunkten bei unterschiedlichen Spannungen.
Weiter werden die Zündeigenschaften einer Schaltfunkenstrecke
durch die Feldstärkeverteilung zwischen den beiden Elektroden
bestimmt. Schaltfunkenstrecken mit einer inhomogenen
Feldstärkeverteilung, wie beispielsweise Stab-Stab-Funkenstrecken oder
Kugelfunkenstrecken mit einem großen Quotienten von
Elektrodenabstand zu Kugeldurchmesser, besitzen eine hohe Feldstärke
in Volumenelementen unmittelbar über der Elektrodenoberfläche.
Wird die Spannung an solchen Funkenstrecken langsam
gesteigert, werden die Bedingung zum Aufbau eines Entladekanals in
diesen vergleichsweise kleinen Volumenelementen zuerst
erreicht. Ein Kanal entsteht allerdings erst dann, wenn in
diesem kleinen Volumenelement auf natürliche Weise ein
Startelektron entstanden ist. Wird im gesamten
Elektrodenzwischenraum gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig die Feldstärke
erreicht, die zum Aufbau eines Entladekanals notwendig ist, muß
nur noch ein Startelektron an beliebiger Stelle in diesem
vergleichsweise großen Volumen entstehen, damit die Funkenstrecke
durchzündet. Je größer das Volumen ist, in dem gleichzeitig
die Feldstärke erreicht wird, die zum Aufbau eines
Entladungskanals notwendig ist, desto gleichmäßiger zündet eine
Schaltfunkenstrecke. Eine homogene Feldstärkeverteilung im Volumen
zwischen den beiden Elektroden verringert die Streuung der
Zündspannung der Schaltfunkenstrecke (siehe
Volumen-Zeit-Gesetz von W. Boeck et al. "Hochspannungstechnik" Theoretische
und praktische Grundlagen, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
New York London Paris Tokyo 1986, Kapitel 7.7. Zündverzug und
Durchschlagsverhalten bei transienter Spannungsbeanspruchung
und 7.7.1. Statistische Streuzeit).
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Damit ergibt sich die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde
liegt, nämlich eine im Selbstdurchbruch arbeitende
Schaltfunkenstrecke bereit zu stellen, deren beide Elektroden einander
mit einem Profil gegenüberstehen, dass beim Aufladen des
zugehörigen Kondensators eine möglichst homogene oder gar homogene
Feldverteilung im Zwischenraum zustande kommt.
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Die Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 aufgeführte
kennzeichnende Merkmal grundsätzlich gelöst. Beide Elektroden,
d. h. deren jeweilige freie Stirn, die sich beide auf
vorgegebenem Abstand auf einer gemeinsamen Achse unter Bildung eines
Zwischenraumes gegenüberstehen, haben ein sogenanntes
Homogenfeldprofil, d. h. zwischen den beiden Elektroden besteht
entlang der gemeinsamen Achse ein radial ausgedehnter Bereich in
dem sich während des Ladens des angeschlossenen Kondensators
ein möglichst homogenes oder gar homogenes elektrisches Feld
ausbildet.
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Dieses Homogenfeldprofil der jeweiligen Elektrode ist nach
Anspruch 2 beispielsweise ein Bordaprofil oder nach Anspruch 3
ein Rogowskiprofil. Borda- und Rogowskiprofil sind in der
Hochspannungstechnik feststehende Begriffe und sind
beispielsweise in Buch von Prinz, H.: "Hochspannungsfelder", 1969
ausführlich hergeleitet.
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Werden entsprechend hochspannungstechnische
Sicherheitsmaßnahmen getroffen, kann eine solche Funkenstrecke ungekapselt in
der Umgebung aufgebaut sein (Anspruch 4). Im allgemeinen ist
eine solche Funkenstrecke aus hochspannungs-
/sicherheitstechnischen Gründen, wegen der Lärmunterdrückung
und insbesondere wegen der Konstanz des Entladepulses
gekapselt (Anspruch 5). Wegen des letztgenannten Grundes ist die
gekapselte Schaltfunkenstrecke einerseits druckgasisoliert,
insbesondere aber zur Einstellung der Zündspannung über die
Einstellung des Gasdrucks (Anspruch 6).
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Die Konsequenz einer homogenen Feldstärkeverteilung zwischen
den Elektroden ist die Verteilung des Elektrodenabbrandes über
einen großen Bereich der Elektrodenoberfläche und damit das
geforderte konstante oder wenig sich ändernde
Langzeitverhalten der Schaltfunkenstrecke.
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Bei inhomogener Feldstärkeverteilung geht ein Entladungskanal
vorwiegend von vergleichsweise kleinen Volumenelementen über
räumlich eng begrenzte Oberflächenelemente der Elektrode aus.
Bei homogener Feldstärkeverteilung dagegen wird eine
vergleichsweise großer Oberflächenanteil mit Entladungskanälen
beaufschlagt, der Abbrand von Elektroden findet deshalb auf
einer vergleichsweise großen Oberfläche gleichverteilt statt.
die Elektrode brennt gleichmäßig ab und die Form der Elektrode
und damit die Schalteigenschaft der Funkenstrecke bleibt sehr
lange, wie vorgesehen, erhalten.
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Die Erfindung wird beispielhaft anhand eines in der Zeichnung
skizzierten Durchführungsbeispiels näher beschrieben.
Insbesondere wird der Vergleich des Schaltverhaltens einer solchen
Funkenstrecke mit einer herkömmlichen Kugelfunkenstrecke
verglichen und der Vorteil mit Statistik unterlegt.
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Es zeigt:
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Fig. 1 Funkenstrecke mit Bordaprofil der beiden Elektroden,
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Fig. 2 Zahl der Zündungen (in 0,5 kV) über LZ08-Ladespannung
(kV),
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Fig. 3 Zündungen pro 0,5 kV über VW04 (707
Schüsse)-Zündspannung (kV).
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In Fig. 1 steht sich das jeweilige Borda-Profil der beiden
Elektroden unter Bildung eines Abstandes von 12 mm auf der
Achse der Elektroden gegenüber. 12 mm ist der Abstand für 50 kV
Zündspannung, wenn in der Funkenstreckenkammer ein
Luftüberdruck von 0,8 bar besteht. Die Elektroden/Kalotten sind wegen
der Abbrandfestigkeit aus massivem WolframKupfer, sie sind auf
50 mm Durchmesser gedreht. Die kreisförmige Kante an der
spaltabgewandten Seite der jeweiligen Elektrode ist mit einem
Radius von R = 5,0 abgerundet. Das Borda-Profil startet an der
Mantelwand der jeweiligen Elektrode mit dem kleinsten
Krümmungsradius, der dann im Spalt zur Achse zu kontinuierlich
zunimmt und dort wegen des glatten Übergangs unendlich groß ist,
d. h. die Tangente dort ist senkrecht zur Elektrodenachse. Die
Art der Änderung des Krümmungsradius von der Mantelwand zur
Achse der jeweiligen Elektrode zeichnet eben das Borda-Profil
aus. Mit CNC-gesteuerten Maschinen ist die Herstellung des
Profils keine Schwierigkeit und wird auch so abgedreht. Die
Kammer der Schaltfunkenstrecke ist nicht eingezeichnet, sie
ist für die Ausbildung des elektrischen Feldes im Spalt nicht
bedeutsam.
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Mit dieser beispielhaften Elektrodengeometrie wurde die
Funkenstrecke auf ihr Selbstdurchbruchverhalten hin statisch
untersucht und mit einer Funkenstrecke Kugelelektroden
verglichen. Fig. 2 und 3 stellen die statistische Untersuchung
dar. In Fig. 2 wird der Spalt durch die beiden einander
gegenüberstehenden Borda-Profil-Wände gebildet, wie in Fig. 1
dargestellt. Die Funkenstrecke ist in Reihe zu einer Last.
Dieser Zweig liegt parallel an einem Kondensator, der wiederum
an ein Ladegerät angeschlossen ist, das den Kondensator mit
einem Konstantstrom, also zeitlinear bis zum Durchbruch in der
Funkenstrecke lädt, um dann unmittelbar den Ladevorgang
fortzuführen (Sägezahnladen). Die Anzahl der Zündungen über der
aufgetretenen Zündspannung wurde aufgenommen und zeigt ein
Maximum der Zündungen bei der gemessenen Zündspannung von leicht
über 51 kV. Diese Zündspannung wurde bei der Vermessung
deutlich am häufigsten erreicht.
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In Figur wurde die selbe Vermessung mit einer Funkenstrecke
durchgeführt, deren Spalt durch einander gegenüberstehende
Kugelwände - Kugelfunkenstrecke - gebildet wird. Die über den
Zündspannungsbereich von etwa 48 bis etwa 60 kV sehr ähnliche
Zündhäufigkeit - zwischen 20 und 35 Zündereignisse pro
erfasstem Zündspannungswert - zeigt sofort das zuverlässige
Zündverhalten der Funkenstrecke mit dem Spalt aus Borda-Profil-Wänden
um einen punktuellen Zündspannungswert von hier den etwa 50,25 kV
mit einem steilen Häufigkeitsabfall links und rechts von
diesem.