DE19740548C1 - Vorrichtung zum Schalten von elektrischen Strömen hoher Stromstärken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schalten von elektrischen Strömen hoher Stromstärken.

Im Bereich der Hochstromtechnik gibt es zum Schalten von hohen elektrischen Strömen in gepulsten Hochstrom- Entladekreisen derzeit verschiedene Konzepte. So werden beispielsweise Hochdruckfunkenstrecken eingesetzt, bei denen der Strom über Filamente getragen wird. Hierbei treten jedoch hohe Strom- und Leistungsdichten auf der Elektrodenoberfläche auf, die mit einer hohen Erosion und damit hohem Verschleiß verbunden sind.

Das Potential für ein Schaltelement mit geringem Verschleiß bieten Niederdruckplasmaschalter, bei denen sich das stromtragende Plasma großflächig auf der Elek­ trodenoberfläche ausbilden kann.

Eine mögliche Ausführungsform eines Niederdruck­ plasmaschalters ist der Pseudofunkenschalter. Das Prinzip dieses Schalters ist in Fig. 1 dargestellt. Der Pseudo­ funkenschalter besteht in der einfachsten Ausführungsform aus zwei Hohlelektroden (1, 2), die mit axialen Bohrungen (4) versehen sind. Der Schalter wird bei einer Gas­ atmosphäre im Bereich von 1 Pa-100 Pa betrieben. Der Elektrodenabstand d liegt im Bereich von 1 mm-10 mm. Die Zündung des Schalters erfolgt durch Injektion von Ladungsträgern (entweder ein Plasma oder Elektronen) in die Hohlkathode (1). Für Einkanalschalter, bei denen eine radialsymmetrische Stromdichteverteilung um das Bohrloch vorliegt, existiert ein Grenzstrom von ca. 50 kA, oberhalb dem eine erhöhte Erosion an den Elektroden auftritt. Bei höheren Strömen wird mit diesen Schaltern kein Vorteil hinsichtlich der Lebensdauer gegenüber anderen Schaltertypen mehr erzielt.

Eine Möglichkeit zur Verarbeitung höherer Ströme bietet der Mehrkanalpseudofunkenschalter. Bei diesem Schalter sind mehrere Bohrlöcher (Elektrodenöffnungen) vorgesehen, so daß der Strom auf mehrere Kanäle verteilt wird. Beispiele für verschiedene Ausführungsformen eines solchen Mehrkanalpseudofunkenschalters zeigt die DE-A- 39 42 307. Dort ist eine Vorrichtung beschrieben, bei der die Elektroden zu einem den Kathodenhohlraum einschließenden topfartigen Körper geformt sind, in dessen Wänden sich Gasentladungskanäle mit etwa gleich großem Abstand zur Hohlraummitte gegenüberliegen. Die Schaltergeometrie, d. h. die Geometrie der Elektroden und der Stromanschlüsse, ist bei den bekannten Aus­ führungsformen der Mehrkanalpseudofunkenschalter jedoch stets so, daß das Eigenmagnetfeld des zu übertragenden Stromes zu einer Bewegung des Plasma führt. Das Plasma breitet sich dabei im Zwischenraum zwischen Anode und Kathode aus. Diese Bewegung führt aufgrund der resultierenden Verteilung über die Elektrodenoberflächen vorteilhafterweise zu einem geringen Verschleiß der Elektroden im Bereich der Zündung. Allerdings ist die Plasmageschwindigkeit mit typisch 10⁶ cm/s bis 10⁷ cm/s so hoch, daß es bei Strompulsdauern von mehr als einigen Mikrosekunden je nach Ausführungsform des Schalters zu einer Kontraktion des Plasma, die mit einer hohen Erosion an dieser Stelle verbunden ist, oder zu einem Kontakt des Plasma mit den zwischen den Elektroden angeordneten Isolatoren und damit zu einer Beschädigung dieser Isolatoren kommt. Die bekannten Mehrkanalpseudofunken­ schalter weisen daher ebenfalls Verschleißprobleme auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung bereitzustellen, die ein möglichst verschleißfreies Schalten von hohen Strömen auch bei langen Srompulsdauern ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß das Verschleißproblem bei Mehrkanalpseudofunkenschaltern durch eine geeignete Stromführung im Schalter gelöst werden kann. Diese Stromführung hängt von der gewählten Schaltergeometrie ab, d. h. beispielsweise von der Form der Elektroden, der Position der Elektrodenöffnungen und der Position und Zahl der Stromanschlüsse der Elektroden. Durch Bildung zweier Stromschleifen, die zu entgegen­ gesetzt wirkenden Kräften auf das Plasma führen, wird die Plasmaausbreitungsgeschwindigkeit vermindert und somit die Zeit bis zu einem Kontakt des Plasma mit den Isolatoren verlängert. Dies führt zu einem geringeren Verschleiß.

Hierbei müssen sich die Kräfte an mehreren Stellen im Elektrodenzwischenraum, d. h. beispielsweise bei einem zylinderförmigen Schalter über die gesamte ringförmige Fläche gleichen Abstandes zum Isolator, in solchem Maße gegenseitig kompensieren, daß die Ausbreitungsgeschwin­ digkeit des Plasma geringer als der Quotient aus Abstand zum Isolator und Strompulsdauer ist.

Die Stromführung wird vorteilhafterweise so gewählt, daß sich die durch das Eigenmagnetfeld des Stromes erzeugten Kräfte auf das Plasma in einem bestimmten Abstand von den jeweiligen Elektrodenöffnungen vollständig kompensieren. Auf diese Weise wird die weitere Ausbreitung des Plasma verhindert, das Plasma bleibt räumlich begrenzt. Durch geeignete Wahl des Abstandes können daher das Auftreffen des Plasma auf die Isolatoren verhindert oder die Ausbreitungsgeschwindig­ keit des Plasma deutlich reduziert werden.

Erfindungsgemäß werden im Schalter zwei Strom­ schleifen ermöglicht, deren Induktivitäten die Verteilung des Stromes auf die Stromschleifen und damit den gegen­ läufigen Einfluß (entgegengerichtete Kräfte) auf das Plasma bewirken. Die auf das Plasma wirkenden Kräfte kompensieren sich im wesentlichen in einem Abstand von den jeweiligen Elektrodenöffnungen, bei dem die Induktivitäten der beiden Strompfade (Stromschleifen) gleich sind.

Mit einem Mehrkanalpseudofunkenschalter, der eine derartige Stromführung aufweist, wird es möglich, hohe Ströme von mehreren hundert Kiloampere bei hohen Spannungen von mehreren 10000 V in langen Pulsen von mehreren hundert Mikrosekunden bis in den Millisekunden­ bereich zu schalten. Ein solches Schaltsystem hat im Vergleich zu Vakuumfunkenstrecken oder Hochdruckfunken­ strecken aufgrund des Entlademechanismus nach dem Pseudo­ funkenprinzip, welches eine großflächige Verteilung des Entladestromes durch die leichte simultane Zündung des Entladeplasma an mehreren Bohrlöchern ermöglicht, eine deutlich höhere Lebensdauer. Gegenüber herkömmlichen Mehrkanalpseudofunkenschaltern ist der Verschleiß deutlich geringer.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines einkanaligen Pseudofunkenschalters nach dem Stand der Technik; und

Fig. 2 ein Beispiel für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform wurde erfindungsgemäß eine Schaltergeometrie bei einem radialen Mehrkanalpseudofunkenschalter gewählt, die zu einer Kompensation der Magnetfeldkräfte auf das Schalterplasma führt. Damit wird dessen Ausbreitung auf eine endliche, technologisch sinnvoll große Elektrodenfläche begrenzt.

Die Figur zeigt eine Prinzipdarstelltung eines radialen Mehrkanalpseudofunkenschalters mit Anode (10), Kathode (11), Kathodenhohlraum (12), Hohlraum in der Anode (13), Elektrodenöffnungen (14) und Stromanschlüssen für Anode (17) und Kathode (18). Zwischen Anode und Kathode sind Isolatoren (15) vorgesehen.

Die Entladekanäle, die durch die Position der Elektrodenöffnungen (14) bestimmt werden, sind radial um eine gemeinsame Hohlkathode (12) angeordnet. Das stromtragende Plasma wird durch eine Hohlkathodenent­ ladung gezündet. Die Zündung wird durch Injektion von Ladungsträgern (Elektronen oder Plasma) durch die Triggeröffnungen (19) ausgelöst. Die Anode ist so ausgeführt, daß der Abstand zwischen den Elektrodenober­ flächen und der gewählte Arbeitsgasdruck zu einem Arbeitspunkt auf dem linken Ast der Paschenkurve führen. Als Arbeitsgase werden beispielsweise Helium, Wasserstoff oder Deuterium eingesetzt. Die Elektrodenöffnungen in der Anode (10) und der dargestellte Anodenhohlraum (13) sind optional. Die spezielle Wahl der Kathodenform mit der leitenden Verbindung (16) zwischen oberem und unterem Rand eröffnet im vorliegenden Fall dem Strom verschiedene Wege, die in Fig. 2 durch die beiden Stromschleifen S1 und S2 angedeutet sind. Die Stromverteilung auf diese beiden Schleifen hängt im wesentlichen von den Induktivitäten der beiden Stromschleifen ab. Durch geeignete Wahl der Geometrie können die Induktivitäten der Stromschleifen so gewählt werden, daß sich die resultierenden Magnetfeld­ kräfte auf das Entladeplasma kompensieren, so daß das Plasma räumlich begrenzt bleibt. Die Magnetfeldkräfte, die beispielsweise in einem bestimmten Abstand von den Elektrodenöffnungen (14) auf das Plasma einwirken, sind in Fig. 2 durch Pfeile F1 und F2 angedeutet. Diese Kräfte können so eingestellt werden, daß eine gewünschte Plasmageschwindigkeit an dieser Stelle eintritt. Desweiteren ist es auch möglich, durch die Art der Strom­ führung auf die Richtung der resultierenden Kraft und damit auf die Plasmabewegung Einfluß zu nehmen.

Die Verwirklichung der in Fig. 2 dargestellten elektrisch leitenden Verbindung (16) für die obere Stromschleife S2 in der Kathode kann in einfacher Weise beispielsweise durch auf einem Vollkreis (bei Draufsicht auf die Anordnung aus Fig. 2) angeordnete metallische Gewindestangen oder Schrauben realisiert werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen elektrisch leitfähigen Zylindermantel vorzusehen, aus dem elektrisch isoliert die Stromanschlüsse für die Anode geführt werden.

Grundsätzlich stehen für die Beeinflussung der Plasmabewegung über die Geometrie der Stromführung verschiedene technologische Freiheitsgrade zur Verfügung. So können die Induktivitäten und damit die Stromaufteilung durch die Wahl der Höhe der Bohrlöcher und der Anschlüsse bzw. des Anschlusses der Kathode beeinflußt werden.

Durch eine punktuelle Zuführung des Stromes, im Gegensatz zur in Fig. 2 dargestellten flächigen Zuführung (18), über die Kathode und durch geeignete Positionierung der Elektrodenöffnungen kann eine teilweise azimutale Bewegung des Entladeplasmas erreicht werden. Eine derartige Positionierung kann beispielsweise darin bestehen, die punktuellen Zuführungen zur Kathode bei einem Schalter gemäß der Anordnung in Fig. 2 radial versetzt zu den Elektrodenöffnungen anzuordnen. Dies kann zur Nutzung einer größeren Elektrodenoberfläche und damit zu einem geringeren Verschleiß führen.

Die beiden Stromschleifen können auch dadurch realisiert werden, daß beispielsweise bei der Vorrichtung in Fig. 2 der Strom sowohl von der Unterseite als auch von der Oberseite der Kathode zugeführt wird. In diesem Fall sind die Verbindungen (16) nicht notwendig. Die Aufteilung des Stromes kann hierbei durch zusätzlich in den Stromkreis gebrachte Induktivitäten in den Stromleitungen (Stromzuführungen) beeinflußt werden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Schalten von elektrischen Strömen hoher Stromstärke, mit zumindest einer Anode und einer Kathode, die zur Bildung eines Zwischenraumes in räumlich konstantem Abstand zueinander angeordnet sind, und einem an die Kathode angrenzenden Kathodenhohlraum mit zumindest einer Triggeröffnung zum Zünden eines Plasmas, wobei die Kathode mehrere Elektrodenöffnungen aufweist, die den Zwischenraum mit dem Kathodenhohlraum verbinden, so daß sich beim Zünden des Plasmas Entladungskanäle bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Form und Anordnung von Kathode, Anode, elektrischen Zuführungen und Elektroden­ öffnungen so gewählt ist, daß ein durch das Plasma fließender Strom mindestens zwei Stromschleifen bildet, die entgegengesetzte Kräfte auf das Plasma ausüben, die sich an mehreren Stellen im Zwischen­ raum gegenseitig zumindest nahezu kompensieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivitäten der Stromschleifen so gewählt sind, daß sich die Kräfte auf das Plasma in einem definierten Abstand von den jeweiligen Elektro­ denöffnungen kompensieren, so daß das Plasma in einer Richtung senkrecht zu den Entladungskanälen räumlich begrenzt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivitäten der Stromschleifen so gewählt sind, daß sich das Plasma senkrecht zu den Entladungs­ kanälen nur mit langsamer Geschwindigkeit in den Zwischenraum ausbreitet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Anode und Kathode einen zylindermantelförmigen Zwischenraum bilden, wobei die Elektrodenöffnungen in einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode den Kathodenhohlraum ringförmig umschließt und ein radial nach außen offenes U-förmiges Profil bildet, in dem die Anode ringförmig umläuft, wobei die elektrischen Zuführungen der Anode in Abständen zueinander radial verteilt sind, in diesen Abständen elektrische Verbindungen zwischen den Rändern des Profils der Kathode vorgesehen sind, und die elektrische Zuführung der Kathode über einen der beiden Ränder des Profils erfolgt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode den Kathodenhohlraum ringförmig umschließt und ein radial nach außen offenes U-förmiges Profil bildet, in dem die Anode ringförmig umläuft, wobei an beiden Rändern des Profils elektrische Zuführungen der Kathode vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Zuführungen unterschiedliche Induktivitäten aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nur punktuelle elektrische Zuführungen zur Kathode vorgesehen sind.