DE1763559A1

DE1763559A1 - Funkenstrecke mit drei Elektroden fuer die Umwandlung starker Hochspannungsstroeme

Info

Publication number: DE1763559A1
Application number: DE19681763559
Authority: DE
Inventors: Dubois Jean Claude Royan
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1967-06-29
Filing date: 1968-06-24
Publication date: 1971-10-28
Also published as: US3543075A; FR1568751A; NL159829B; DE1763559B2; NL6808973A; NO118859B; OA02835A; DK126538B; GB1168598A

Description

m 15.6.1968

Seckenheimer Str. 36 α · Telefon 46315 P ο · 11C Ν · e Ic k ο η t ο ι Frankfurt/M. Nr. 8293 DR. GERHARD RATZEL """" ^ΟνίΜΛ *■*. **»»«.. ■*. as«« PATENTANWALT 1763559

INSTITUT .FRANCAIS DU PETROLE DES CARBURANTS & LUBRIFIANTS 1 & 4, Avenue de Bois-Preau 92 RUEIL-MALMAISON (Hauts-de-Seine) ■ Frankreich

Funkenstrecke mit drei Elektroden für die Umwandlung starker Hochspannungsströme .

In den Fällen, in denen man zum Beispiel einen unter hoher Spannung aufgeladenen Kondensator in einen Stromkreis entladen will, in dem eine sehr hohe Stromstärke herrscht, wobei die Entladung schlagartig erfolgen soll, bedient man sich meist zum Stromkreisschluss einer Funkenstrecke.

Bei den konventionellen Funkenstrecken wird die umzuwandelnde Spannung zwischen zwei Elektroden (Kathode und Anode) eingebracht, die auch Hauptelektroden genannt werden und . die in einer solchen Entfernung zueinander angeordnet sind, dass das zwischen ihnen bestehende Feld unterhalb der Durchschlagsschwelle verbleibt, d.h. es kommt zwi-

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sehen den Elektroden zu keinerlei Funkenbildung. Eine dritte , sogenannte Zündelektrode, die nahe an einer der Hauptelektroden angeordnet ist, wird unter Hochspannung gesetzt. Diese Hochspannung führt dazu, dass zwischen der Zündelektrode und einer der "beiden Hauptelektroden ein Funke entsteht, der seinerseits eine Elektronenwolke erzeugt, welche die Durchschlagschwelle herabsetzt, d.h. die kritische Schwelle, bei der kein Funke entsteht; daher kann nunmehr die Zündung der elektrischen Entladung zwischen Anode und Kathode erfolgen. Bei der Mehrzahl der bekannten Funkenstrecken verwendet man entweder halbkugelige Elektroden oder ebene Platten bzw. Plattenstapel.

Der hier bekannte Stand der Technik lässt sich anhand des Dreielektrodengeräts erläutern, der in der Arbeit "High voltage laboratory technique" von Craggs & Meek, veröffentlicht in "Butterworth¹s Scientific Publications", London (S. 180 Abb. 173) beschrieben wurde.

Jedoch zeigten solche Funkenstrecken häufig keine ausreichend solide Konstruktion, derer es zur Festigkeit gegenüber den sehr hohen durchgehenden Stromstärken bedarf.

Vorliegende Erfindung hat die Schaffung einer neuen Funkenstrecke mit drei Elektroden, zur Umwandlung der sehr hohen Hochspannungsstromstärken, wie diese etwa zum Betrieb eines seismischen Funkengeräts erforderlich sind, zum Gegenstand.

Diese Funkenstrecke ist von solider Konstruktion mit grossen Elektrodenoberflächen, guter Wärmeableitung und guter mechanischer Festigkeit gegen die beim Zünden entstehenden akustischen Stosswellen.

Eine solche Funkenstrecke hat koaxiale Konstruktion; ihre Anode ist ein glatter Metallzylinder, der innerhalb der Kathode angeordnet ist. Hierbei hat letztere die Form eines Hohlzylinders, dessen ringförmige Innenwandung

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radiale Rippen aufweist, die der Richtung dex* Mantellinien

folgenv .-.:.;■ _; ■ ■■■;■■·

Die.Zündelektroden "bestehen aus-in.-Richtung der Mantellinien angeordneten Stiften, die in den Zwischenräumen zwischen: den radialen Rippen der Kathode angeordnet sind, wpbei jede Elektrode ihren eigenen Erregerstromkreis hat. Der Zwischenraum zwischen Anode und Kathode soll möglichst höher sein als das 1,5-fache des DurchschiagabStandes.

Vorliegende Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Abb. 1 schematisch eine Funkenstrecke mit 5 Elektroden,

die in einen Stromkreis eingefügt ist; Abb. 2 schematisch eine perspektivische Ansicht einer

Funkenstrecke nach der Erfindung; Abb. 3 eine Ansicht der Funkenstrecke aus Abb.2 mit deren

Betriebsvorrichtung;
Abb. 4 einen Längsschnitt eines Teils der Vorrichtung nach Abb.3 mit einer dreifach gelagerten Elektrode.

Bezüglich Abb. 1, in der schematisch ein allgemeiner Betriebsstromkreis' für eine Dreielektroden-Funkstrecke gezeigt ist, ist festzustellen, dass dieser Stromkreis einen Hochspannungsgenerator G™ umfasst, der den Kondensator C auflädt; ferner einen Widerstand R, eine Funkenstrecke mit drei Elektroden E, deren beiden Häuptelektroden P₁ und p~ durch den Kondensator C mit Hochspannung gespeist werden, sowie die Zündelektrode a, welche einen Spannungsstoss aus der Stromquelle I erhält. Die Funkenstrecke E steuert den Betrieb einer elektrischen Anlage A, die zum Beispiel aus einem seismischen Funkgerät bestehen kann.

Die Elektroden P₁ und p₂ sind in einem Abstand angeordnet, der etwas grosser ist als die Durchschlagstrecke, sodass

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keinerlei direkte Funkenentwicklung zwischen ihnen möglich ist. Bei Aufladung des Kondensators G kommt es daher nicht zu einer direkten Funkenbildung zwischen p-, und p-; wird jedoch auf die Elektrode a ein Stromstoss gegeben, so entsteht ein Funke zwischen der Zündelektrode a und einer der beiden Elektroden p-, oder p~, wobei dieser Funke den Raum, in dem er entsteht, ionisiert und ihn leitend macht, wodurch der Durchgang eines sehr starken Stroms zwischen den beiden Elektroden p-, , po ermöglicht und unmittelbar der Betrieb des Instruments A bewirkt wird-.

In Abb. 2, in welcher ein Beispiel der Standardausführung einer Funkenstrecke nach der Erfindung gezeigt ist, wird diese Funkenstrecke im einzelnen beschrieben, und zwar insbesondere die Anode (1), die aus einem gut leitenden Metallzylinder besteht. Die Zylinderwandung ist mit Metall hohen Schmelzpunkts plattiert, etwa mit einer Wolframplattierung versehen. Die Kathode (3) besitzt die Form eines Zylinderrings (4), der ungefähr die gleiche Länge hat wie die Anode und der diese umgibt, wobei deren Achsen gleich sind. An seiner Innenwand sind in gleichförmigen Abständen radiale Rippen angebracht; diese haben die Form von Zwischenwänden (5)> die an dem Zylinderring (4-) längs dessen Mantelleitlinien angebracht sind und deren jede eine Platte (6) an ihrem Ende trägt. Die Innenfläche dieser Platten ist so gewölbt, dass daraus ein Zylinderteil entsteht, der auf die Symmetrieachse des Systems ausgerichtet ist. Der Abstand derselben ist etwa gleich ihrer Breite. Diese Fläche ist mit einem hitzebeständigen Metall, zum Beispiel Wolfram, plattiert. Die 6^esanrte Kathode ist aus gut leitendem Metall hergestellt.

Die Auslöse- bzw. Zündelektroden (2) bestehen aus Wolframstäbchen von 2 bis 3 EM- Durchmesser und etwa gleicher Länge wie die Anode und Kathode. Sie sind jeweils in dem Raum angeordnet, der von den beiden Radialebenen begrenzt wird, welche durch die Kanten 6a der beiden Platten 6

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benachbarter Lage einerseits und durch die Ringsegmente der Kathode zwischen diesen Radialebenen andererseits • hindurchgehen. Sie sind insbesondere in dem Raum angeordnet, der von diesen Ringsegmenten begrenzt wird, ein-., sehliesslich der genannten Radialebenen und der Platten 6, und zwar in der Richtung der Mantelleilinien eines Zylinders, dessen Achse mit der Geräteachse zusammenfällt.

Die elektrische Verbindung der Anode wird axial zu derselben mittels eines Kabels 7 (Abb.3) hergestellt, das mit einer der Klemmen einer mit sehr hoher Spannung geladenen Kapazität (nicht dargestellt) verbunden ist.

Die elektrische Verbindung der Kathode geschieht mittels einer Schale 8, deren zylindrische Innenwand mit der Aussenwand der Kathode in Kontakt steht. Die Schale besteht aus gut leitendem Metall von ausreichender Stärke, um eine gute Verteilung der Stromlinien aus dem Verbindungskabel über den ganzen Kathodenumfang zu sichern. Ein Kabel 9 verbindet die Schale mit der anderen Kapazitätsklemme.

Die Stäbchen 2, welche die Zündelektrode binden, werden von zwei Scheiben 10 aus isolierendem Material getragen, die beiderseits der Funkenstrecke angeordnet und durch Zwischenstücke auf Abstand gehalten sind. Zur deutlicheren Darstellung ist in Abb.3 nur eine dieser Scheiben gezeigt. Die Elektroden 2 sind Jeweils mit einem Kabel 11 verbunden, das sie mit einem sehr starken Strom versorgt. Die Anode 1 wird von einer Welle 12 getragen, die an jedem Ende in einem isolierenden Lager 13 befestigt ist. Die Kathode 3 ist in der Schale 8 gelagert, die ihrerseits auf den isolierenden Trägern 14 ruht. Die Isolierscheiben 10, welche die Zündelektroden 2 tragen, . sind mit der Anodenwelle 12 konzentrisch angeordnet.

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Die Betriebsweise des vorstehend "beschriebenen Funkengeräts wird im folgenden beschrieben:

Der Speisestrom wird zwischen Anode 1 und Kathode 3 der Funkenstrecke mit seiner Spannung in dem Augenblick aufgebracht, in dem durch die Kabel 7 und 9 ein heftiger Stromstoss aus einer Kondensatorenentladung zugeleitet wird.

Jede der Zündelektroden 2 wird für sich, und zwar synchron, mit einem Spannungsstoss aus Kabel 11 erregt. Es entsteht dann ein Leitfunke auf der Ebene jeder Zündelektrode zwischen derselben und der Anode oder der Kathode, wobei in jedem Fall der Funkenraum ionisiert wird. Diese einzelnen Ionisierungspunkte bewirken eine Herabsetzung des Durchschlagspotentials; ein Lichtbogen entspringt zwischen der Platte 6 unter jedem Sektor der Kathode 3 und der Anode 1. Der Lichtbogen löst sich auf, wenn das Potential unter den sehr niedrigen Löschspiegel fällt, d.h. zu Ende der Entladung des Kondensators.

Eine besondere Anordnung der Anode 1 wird - lediglich beispielsweise - in Abb.3 dargestellt.

Die Anode 1 besteht in diesem Sonderfall aus einem Zylinder mit mehreren Lagern la, Ib, lc verschiedener Durchmesser, wobei der Zylinder entlang der Welle 12 durch einen Hebel 15 gleitend bewegt werden kann; seine Stellung auf der Welle kann zum Beispiel mittels einer Klinkenvorrichtung vorgewählt werden. Die Länge jedes der Lager entspricht im allgemeinen der Länge der Segmente 5 d.er Kathode. Die Berührungszonen zwischen den einzelnen Lägern haben vorzugsweise konische Form und im allgemeinen keine besonders ausgebildeten Kanten, um ein zu plötzliches Zünden des Funkens beim Übergang von einem Lager zum anderen zu vermeiden.

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Jedem Lager entspricht eine andere Anoden-Kathodenentfernung dl, d2, dj5 (Abb.4-); es ist daher eine Skala verschiedener Betriebsspannungen vorhanden, wobei die geringste Entfernung Anode-Kathode dem Durchgang der geringsten Spannungen entspricht.

Mittels einer solchen Vorrichtung lassen sich leicht die Umwandlungen der Spannungsstufen für den Betrieb der. Funkenstrecke erreichen. ·

Man kann auch für das Gerät nach der Erfindung eine Ultraviolettbeleuchtung des Zwischenelektrodenraums vorsehen, um dia Stabilität der Entladungen zu verbessern.

Ebenso kann man einen Gasdruckstrom zwischen die Elektroden leiten, sodass der Potentialwert der Durchschlagshöhe für den Fall eines Betriebs mit grösserer Funkenhäufigkeit konstant gehalten wird.

Schliesslich kann man die Funkenstrecke auch in einen Raum setzen, in dem ein Inertgas unter Druck gehalten

Die Funkenstrecke gemäss vorliegender Erfindung zeigt zahlreiche Vorteile:

Die Konstruktionsweise ist trotz erhöhter mechanischer Festigkeit einfach;

Das Gerät ist für einen sehr grossen Spannungsbereich verwendbar. Es genügt eine Verlängerung nach den Mantelleitlinien oder eine Erhöhung des Durchmessers bei gleichbleibender Anoden-Kathoden-Entfernung. Die Möglichkeit zur Umwandlung von Energien von mehr als 100 000 Joule ist gegeben. ' . ~

Die Mehrzahl der Zündstellen begünstigt die Ausbreitung der Ionisationszone. -...■-

Die vermehrten Innenwandungen der Kathode erhöhen die

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Stabilität der Entladung bei gleichzeitiger Herabsetzung des Einwirkens von Eigengebläsewirkung und der Umdrehung der Stromlinien. Dadurch wird das Löschpotential herabgesetzt.

Bekanntlich ist es im Bereich von überfrequenzen ratsam, Koaxialleiter zu verwenden. Die Koaxialkonstruktion der Funkenstrecke nach der Erfindung ist daher ebenso vorteilhaft für Hochfrequenzkommutatoren.

Die Betriebsspannung dieser Funkenstrecke kann einer sehr weiten Skala angepasst werden (bis zu 50 KV), wobei nur der Durchmesser des Anodenzylinders verändert zu werden braucht.

•^-•/Patentansprüche:

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Claims

P a t e η t a η s ρ r ü c h e

Iy) funkenstrecke mit drei Elektroden, die einen Stromkreis schliessen, der von einem Höchstspannungs-Generator (Gum) gespeist wird und in dem sehr hohe Stromstärken auftreten, dadurch gekennzeichnet, dass eine zylindrische Anode (1), die elektrisch mit der ersten Klemme des Generators verbunden ist, ferner eine Kathode (3) in Gestalt eines zylindrischen Rings (4), welcher die Anode (1) umfasst und mit dieser koaxial verläuft, vorhanden ist, dass an seiner Innenwand entlang der Mantelleitlinien radiale Rippen, die als Trennwände (5) ausgebildet sind, deren jede in einer Platte (6) endet, angeordnet sind, dass mindestens eine Zündelektrode (2) vorhanden ist, die in dem Raum angeordnet ist, welcher von zwei Radialebenen begrenzt wird, welch letztere durch die Kanten (6a) der beiden Platten (6) einerseits und durch das Ringsegment (4a) der Kathode zwischen diesen Ebenen andererseits hindurchgehen, d.h. innerhalb des von dem Ringsegment (4a) umgrenzten Raums, wobei diese Radialebenen und Platten (6) mit einem Generator (1) verbunden sind, welcher einen Spannungsstoss hervorruft.
2.) Funkenstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die Anode (1), die Kathode (3)» sowie die Zündelektroden (2) von ungefähr gleicher Länge sind.
3.) Funkenstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- , net, dass die Zylinderkathode elektrisch mit der zweiten Klemme des Generators (Gjjgi) mittels einer Schale (Θ) aus leitendem Material verbunden ist,

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welche eine zylindrische Innenwandung in Verbindung mit der Aussenwand der Kathode (3) besitzt, wobei diese Schale (8) durch ein Leitungskabel (9) mit dieser zweiten Klemme verbunden ist.
4.) Funkenstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderanode mit einer Längswelle (12) konzentrisch angeordnet ist, die von mindestens einem Isolierlager (IJ) gehalten wird, wobei die Kathode (3) in Zylinderform mit der Anode (1) konzentrisch und ausserhalb derselben von der Schale (8) gestützt ist, die auf mindestens einem isolierten Lager (13) ruht und die Zündelektroden (2) mindestens auf einem isolierten Lager (10) befestigt sind, wobei diese Elektroden gegen die Anode (1) fixiert und mit .einem Leiterkabel (11) elektrisch mit dem Generator (I) verbunden sind, welch letzterer den Spannungsstoss liefert.
5.) Funkenstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (1) aus einem Zylinder besteht, der länger ist als der der Kathode (3) und der mehrere Lager aufweist (la, Ib, lc), von denen jedes einen verschiedenen Durchmesser bei etwa gleicher Länge wie die der Kathode hat und wobei der Zylinder entlang der Anodenwelle (12) beweglich verschiebbar ist.

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