DE19753695C1 - Gasentladungsschalter - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Gasentladungsschalter zum Schalten elektrischer Ströme mit hohen elektrischen Stromstärken bei hohen Spannungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Schalten elektrischer Ströme in gepulsten Hochstromentladekreisen. Bei diesen werden Strompulse mit Spitzenströmen von mehr als 100 kA bei Pulslängen im Bereich von einer bis hundert Mikrosekunden benötigt. Anwendung finden Hochstromentladekreise zum Beispiel bei gepulsten Plasmaröntgenquellen (Pinchplasmen), bei der Zündung von Unterwasserfunkenstrecken, beim Pumpen von Hochleistungslasern oder bei der Magnetumformung.

Stand der Technik

Im Bereich der Starkstromtechnik werden derzeit zum Schalten elektrischer Ströme mit hohen elektrischen Stromstärken im Anwendungsbereich gepulster Entladekreise zwei verschiedene Wege beschritten. Zum einen finden Hochdruckfunkenstrecken Anwendung, bei denen der elektrische Strom über Filamente getragen wird. Nachteilig ist dabei, daß wegen der auftretenden hohen Strom- und Leistungsdichten auf den Elektrodenflächen diese einer hohen Erosion und damit hohem Verschleiß ausgesetzt sind.

Insbesondere um den nachteiligen Verschleiß des Stromschalters zu mindern wird auch der Einsatz von Niederdruckplasmaschaltern vorgeschlagen, bei denen sich das stromtragende Plasma großflächig über die Elektroden ausbreiten kann (M. A. Gundersen, G. Schaefer (Herausgeber), "The physics and applications of pseudosparks", NATO ASI Series B 219, New York Plenum, 1990). Eine mögliche Ausführungsform ist hierbei der Einkanalpseudofunkenschalter. Dieser findet lediglich beispielsweise in der EP 433 480 A1 Erwähnung. Bei ihm weist jede Elektrode eine Öffnung auf und der Stromtransport erfolgt nach dem Pseudofunkenprinzip. Bei Überschreiten eines Grenzstroms von ca. 50 kA kommt es jedoch zu einem erhöhten Abtrag des Elektrodenmaterials, so daß Einkanalpseudofunkenschalter nach dem Stand der Technik keinen Vorteil hinsichtlich der Lebensdauer gegenüber den Hochdruckfunkenstrecken aufweisen (A. Görtler, A. Schwandner, J. Christiansen, K. Frank, H. Granzer und T. Mehr, Proceedings of the XV'th international symposium on discharges and electrical insulation in vacuum, ISDEIV, Darmstadt (1992), Hrsg. D. König, VDE-Verlag, Berlin (1992)). Wegen dieses Verschleißproblems können Einkanalpseudofunkenschalter nach dem Stand der Technik Stromstärken von mehr als 50 kA nicht mehr schalten.

Bei dem Gasentladungsschalter nach der DE 42 40 198 C1 wird der Verschleiß des Elektrodenmaterials durch die Anwendung einer ringartigen Öffnung in Kathode und Anode anstelle der üblichen zentralen Öffnungen reduziert. Die DE 196 51 745 C1 versucht die Elektrodenerosion dadurch zu verringern, daß in wenigstens einer der Elektroden ein Schlitz vorgesehen ist mit dem ein radiales Magnetfeld erzeugt wird. Beiden Vorgehensweisen ist gemeinsam, daß durch konstruktive Maßnahmen ein möglichst langer Umfang der Elektrodenöffnung sichergestellt wird, wodurch die Elektrodenerosion gemindert wird. Nachteilig dabei ist, daß bei diesen Lösungen bereits vorhandene Gasentladungsschalter ersetzt oder modifiziert werden müssen, und daß neue Gasentladungsschalter mit größerem Aufwand hergestellt und auf die jeweiligen Erfordernisse angepaßt werden müssen.

Eine weitere Möglichkeit zum Schalten elektrischer Ströme hoher Stromstärken bietet der Mehrkanalpseudofunkenschalter. Bei diesem enthalten die Elektroden mindestens je zwei Öffnungen, so daß der Strom auf mehrere Kanäle verteilt wird. Eine Ausführungsform hiervon zeigt die DE 39 42 307 A1. Dort wird eine Vorrichtung offenbart, bei welcher die Elektroden zu einem den Kathodenhohlraum einschließenden topfartigen Körper geformt sind, in dessen Wänden Gasentladungskanäle einander mit etwa gleich großem Abstand zur Hohlraummitte gegenüberliegen. Nachteilig bei DE 39 42 307 A1 ist, wie bei allen Mehrkanalfunkenschaltern, der hohe konstruktive Aufwand. Dieser Aufwand ist beim Einkanalpseudofunkenschalter sowohl für den Schalter als auch für die Stromanschlüsse geringer. Als mögliche Ausführungsform für den Anschluß des Schalters kommen beim Einkanalpseudofunkenschalter vorteilhafterweise Bandleiter in Frage. Die einfachere Konstruktion des Einkanalpseudofunkenschalters erleichtert zudem konstruktive Maßnahmen zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit am Gehäuse, bei der Integration der Triggerung, bei der Integration der Zwischenelektroden zur Erhöhung der Haltespannungen oder zum Beispiel für eine Wasserkühlung. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Einkanalpseudofunkenschalters besteht ferner darin, daß die Anforderungen bei der Triggerung deutlich geringerer sind, da beim Mehrkanalpseudofunkenschalter eine simultane Zündung aller Entladekanäle gewährleistet werden muß. Aus diesen Gründen eignet sich der Einkanalpseudofunkenschalter prinzipiell besser zum Schalten von elektrischen Strömen hoher elektrischer Stromstärken als der Mehrkanalpseudofunkenschalter.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen auch elektrische Ströme mit Stromstärken von deutlich mehr als 50 kA bei nur geringem Verschleiß des Elektrodenmaterials und damit hoher Lebensdauer geschaltet werden können.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen in den Unteransprüchen 2 bis 7 enthalten sind.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß das Verschleißproblem des Einkanalpseudofunkenschalters über eine geeignete Stromführung im Schalter gelöst werden kann. Die konkrete Wahl der Stromführung kann durch Wahl der Elektrodenform bestimmt sein, aber auch die Positionierung der elektrischen Anschlüsse, über welche der Einkanalpseudofunkenschalter in den elektrischen Entladekreis integriert ist, spielt eine Rolle. Die Stromführung ist so zu wählen, daß sie nicht zylindersymmetrisch (i. e. asymmetrisch) zu der durch die fluchtenden Öffnungen definierten Symmetrieachse ist. Der vom Strom zurückgelegte Weg definiert dabei eine Stromschleife, Welche durch das durch den Strom induzierte Eigenmagnetfeld aufgeweitet wird. Speziell bei asymmetrischer Stromführung tritt auf die bewegten und sich ursprünglich nur im Öffnungsbereich befindlichen Ladungsträger des Plasmas eine zusätzliche Lorentzkraftkomponente auf, welche das Plasma von den Öffnungen wegbewegt und dadurch das Volumen des Plasmakanals vergrößert. Durch die asymmetrische Stromführung wird die nachteilige Kontraktion des stromtragenden Plasmas auf die Symmetrieachse wunschgemäß vermieden, welche bei symmetrischer Stromführung auftritt. Bei geeignet gewählten Stromkreisparametern kommt es zu einer großflächigen Verteilung des Plasmas auf die Elektrodenflächen. Die Stromkreisparameter wie insbesondere Strompulsdauer und Frequenz der angelegten Spannung sind dabei so einzustellen, daß sich das Plasma zwar im Elektrodenzwischenraum ausbreitet, nicht jedoch die die Elektroden raumfest positionierenden Isolatoren erreicht, da sonst der Schalter zerstört wird. Durch die wirkende Kraft wird eine Bewegung des Plasmas ermöglicht, welche den Elektrodenabrieb auf eine deutlich größere Fläche verteilt. Dies führt wunschgemäß zu einer deutlich gesteigerten Lebensdauer des Schalters.

Mit einem Einkanalpseudofunkenschalter, der eine derartige Stromführung aufweist, ist es möglich, elektrische Ströme mit mehr als 150 kA bei mehreren zehntausend Volt zu schalten. Im Vergleich zu Vakuumfunkenschaltern oder Hochdruckfunkenschaltern wird bei diesem Schalter ein deutlich geringerer Verschleiß erzielt, weil die Entladung vorliegend mit dem Pseudofunkenprinzip erfolgt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben.

Das allgemeine Prinzip eines solchen Pseudofunkenschalters ist in Abb. 1 dargestellt. Der Pseudofunkenschalter besteht in seiner einfachsten Ausführungsform aus zwei Hohlelektroden (1, 2) mit mindestens je einer fluchtenden Öffnung (3, 4). Besitzen die Hohlelektroden jeweils genau eine Öffnung, so liegt ein Einkanalpseudofunkenschalter vor. Die fluchtenden Öffnungen definieren dabei eine Symmetrieachse (5). Die Elektroden werden von einer Isolation (6) gehalten, so daß die Wahrung ihres nicht notwendigerweise räumlich konstanten Abstandes d gewährleistet ist. Der Elektrodenabstand d beträgt dabei meist zwischen 1 und 10 mm. Die Hohlelektroden und der Zwischenraum (7) sind mit einem Gas gefüllt, welches typischerweise einen Druck zwischen 1 Pa und 100 Pa besitzt. Der Arbeitspunkt wird dabei so gewählt, daß das Produkt von Elektrodenabstand und Entladungsdruck auf dem linken Ast der Paschenkurve liegt. Durch Anlegen einer Spannung im Bereich von mehreren zehntausend Volt wird ein elektrisches Feld aufgebaut, das im Bereich der Öffnungen weitgehend parallel zur Symmetrieachse verläuft. Vorhandene elektrische Ladungsträger (entweder ein Plasma oder Elektronen), die entweder durch natürliche Prozesse wie die kosmische Höhenstrahlung bereits vorhanden sind oder aber zusätzlich über sogenannte Einschußöffnungen (Triggeröffnungen, nicht in Abb. 1 eingezeichnet) in die Hohlkathode eingeschossen werden, erfahren eine starke Beschleunigung im elektrischen Feld, so daß sich längs der Symmetrieachse ein Plasmakanal ausbreitet (Pseudofunken). Der sich damit einstellende Kurzschluß der beiden Elektroden schließt den Stromschalter, womit sich der gewünschte Schalteffekt einstellt (Pseudofunkenschalter). Die Geometrie des Schalters und die Positionierung der Stromanschlüsse ist bei den bekannten Ausführungsformen des Einkanalpseudofunkenschalters stets so, daß der Weg des Stroms (8) zylindersymmetrisch bzgl. oben definierter Symmetrieachse ist. Bedingt durch diese zylindersymmetrische Stromverteilung wird das stromtragende Plasma durch das vom zu übertragenden Strom erzeugten Eigenmagnetfeld auf der Symmetrieachse (5) gehalten.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß bei einem Einkanalpseudofunkenschalter nach dem Stand der Technik die symmetrische Stromführung wesentliche Ursache für die begrenzte Lebensdauer des Schalters ist. Abb. 2 zeigt erfindungsgemäß eine Ausführungsform für einen Einkanalpseudofunkenschalter in einem Entladekreis mit asymmetrischer Stromführung. Die Wände des Elektrodenzwischenraumes verlaufen in diesem Ausführungsbeispiel horizontal und parallel zueinander, und haben einen gegenseitigen Abstand von 3 mm. Die Wahrung des Elektrodenabstandes geschieht dabei durch die Isolation (6). Die Elektrodenhohlräume und der Zwischenraum sind mit dem Arbeitsgas bei einem Druck von 40 Pa gefüllt. Dabei ist sichergestellt, daß das Produkt des Elektrodenabstandes und des Arbeitsgasdrucks auf dem linken Ast der Paschenkurve liegt. Als Arbeitsgase werden zum Beispiel Wasserstoff, Helium oder Deuterium eingesetzt. An die Elektroden wird eine Spannung von 10.000 V angelegt und Ladungsträger (Plasma oder Elektronen) über Triggeröffnungen (nicht eingezeichnet) in die Hohlkathode injeziert. Die Realisierung der asymmetrischen Stromführung erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über die Positionierung der elektrischen Anschlüsse. Durch die hier gewählte Positionierung stellt sich ein elektrischer Strom ein, dessen qualitativer Verlauf durch die Pfeile im Elektrodensystem angedeutet wird. Durch den Weg des asymmetrisch geführten elektrischen Stroms (8) wird eine Stromschleife S definiert. Auf die Stromschleife wirkt nach den bekannten Gesetzmäßigkeiten der Magnetostatik entsprechend dem Eigenmagnetfeld des Stromes eine Lorentzkraft. Durch die asymmetrisch gewählte Stromführung enthält diese immer eine Komponente, welche das Plasma von den Öffnungen fortbewegt. Das Plasma breitet sich infolgedessen auf einen größeren Raumbereich des Elektrodenzwischenraumes aus. Bei geeigneten Stromkreisparametern kann es insbesondere zu einer großflächigen Verteilung des Plasmas auf den Elektrodenflächen kommen, was in Abb. 2 durch die vertikalen Pfeile im Elektrodenzwischenraum (9) angedeutet wird.

Claims (7)

1. Gasentladungsschalter zum Schalten elektrischer Ströme hoher elektrischer Stromstärken bei hohen Spannungen, mit einer Anode (2) und einer Kathode (1) die so angeordnet sind, daß sich zwischen ihnen ein gasgefüllter Zwischenraum (7) befindet, wobei die Elektroden je eine fluchtende Öffnung (3, 4) aufweisen, durch welche eine Symmetrieachse (5) definiert ist, und sich nach Anlegen einer Spannung an die Elektroden ein Plasmakanal im Zwischenraum ausbildet, dadurch gekennzeichnet, daß der dadurch geschaltete elektrische Strom (8) eine zu dieser Achse asymmetrische Stromführung aufweist so daß sein magnetisches Feld das Volumen des Plasmakanals vergrößert.

2. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die asymmetrische Stromführung über die Positionierung der elektrischen Anschlüsse realisiert ist.

3. Gasentladungsschalter nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die asymmetrische Stromführung über eine geeignete Wahl der Elektrodenform realisiert ist.

4. Gasentladungsschalter nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärken im zwei- bis dreistelligen Kiloamperebereich liegen.

5. Gasentladungsschalter nach einem der Ansprüch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die angelegte Spannung zwischen einigen tausend und einigen zehntausend Volt liegt.

6. Gasentladungsschalter nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, die Länge der der übertragenen Strompulse zwischen einigen hundert Nanosekunden und einigen zehn Mikrosekunden liegt.

7. Gasentladungsschalter nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die angelegten Spannungen eine Frequenz im zwei- bis dreistelligen Kilohertzbereich besitzen.