DE19753695C1 - Gasentladungsschalter - Google Patents
GasentladungsschalterInfo
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J17/00—Gas-filled discharge tubes with solid cathode
- H01J17/38—Cold-cathode tubes
- H01J17/40—Cold-cathode tubes with one cathode and one anode, e.g. glow tubes, tuning-indicator glow tubes, voltage-stabiliser tubes, voltage-indicator tubes
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Description
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.
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.
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997153695 DE19753695C1 (de) | 1997-12-03 | 1997-12-03 | Gasentladungsschalter |
Applications Claiming Priority (1)
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DE1997153695 DE19753695C1 (de) | 1997-12-03 | 1997-12-03 | Gasentladungsschalter |
Publications (1)
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DE19753695C1 true DE19753695C1 (de) | 1999-07-15 |
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DE1997153695 Expired - Fee Related DE19753695C1 (de) | 1997-12-03 | 1997-12-03 | Gasentladungsschalter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19753695C1 (de) |
Citations (4)
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-
1997
- 1997-12-03 DE DE1997153695 patent/DE19753695C1/de not_active Expired - Fee Related
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