DE2720363A1 - Verfahren zum unterbrechen der stromleitung in einer schaltroehre - Google Patents

Description

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Anmelderin; Stuttgart, den 2. Mai 1977

Hughes Aircraft Company Γ 3360 S/kg

Centinela Avenue and

Teale Street

Culver City, Calif., V.St.A.

Vortreter;

Kohler - Schwindling - Späth
Patentanvi/älte
Hohentvviolstraße 41
7000 Stuttgart 1

Verfahren zum Unterbrechen der Stromleitung in einer Schaltröhre

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterbrechen dor Stromleitung in einer Schaltröhre mit gekreuzten Feldern, die einen ringförmigen Interelektrodenraum aufweist, an dem eine Spannung anliegt, der von einem im wesentlichen axial gerichteten Magnetfeld durchsetzt ist und in dem sich ein Gas unter vermindertem Druck befindet, so daß bei normalem Betriebsstrom im Interelektrodenraum eine Glimmentladung herrscht. 709847/0908

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Schaltröhren mit gekreuzten Feldern waren ursprünglich Labor-Kuriositäten, bis kürzliche Entwicklungen gezeigt haben, daß sie in der Lage sind, Ströme beträchtlicher Stärke zu führen und gegen Spannungen beträchtlicher Höhe abzuschalten. Diese Fähigkeit hat zu ihrer Anwendung in verschiedenen Leistungsschalteinrichtungen geführt. In solchen Leistungsschalteinrichtungen wird die Schaltröhre zu einem Abschaltelement, dessen Funktion darin besteht, einen Gleichstrom abzuschalten, um dadurch die Impedanz der Leistungsschalteinrichtung zu erhöhen· Solche Leistungsschalteinrichtungen, die geeignete Schaltröhren mit gekreuzten Feldern umfassen, sind in den US-PSen RE 27 557, 3 641 358 und 3 660 723 behandelt. Diese Druckschriften veranschaulichen die Art und Weise, in der eine Schaltröhre mit gekreuzten Feldern eingesetzt werden kann.

Die US-PSen 3 558 960 und 3 638 061 beschreiben spezielle Ausführungsformen von solchen Schaltröhren. Diese Patentschriften behandeln das Aufrechterhalten des Gasdruckes in dem Interelektrodenraum bei leitender Röhre. Die US-PS 3 769 537 lehrt die Verwendung einer perforierten inneren Elektrode zur Zuführung von Gas zum Interelektrodenraum. Weiterhin behandeln die US-PSen 3 604 977 und 3 678 289, wie durch Steuerung des Magnetfeldes das Abschalten einer Schaltröhre mit gekreuzten Feldern bewirkt und gesteuert werden kann.

Die US-PS 3 714 510 lehrt die Verwendung einer Plasmawolke zur Zuführung von Ursprungselektronen zum Interelektrodenraum, während die US-PS 3 890 520 die Anwendung

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einer Feld-Emiasionseinrichtung für diesen Zweck "beschreibt« Nach der US-PS 3 94-9 260 kann für diesen Zweck die Entladung an einem dünnen Draht benutzt werden. Die US-PS 3 876 905 lehrt endlich die Anwendung einer speziellen Elektrodenstruktur für Schaltröhren mit gekreuzten Feldern, während die US-PS 3 873 871 den körperlichen Aufbau einer solchen Schaltröhre und insbesondere die Anordnung einer Magnetspule behandelt. Fortlaufende Verbesaerungen haben den Zweck, die Spannungs- und Stromfestigkeit sowie die Lebensdauer und Zuverlässigkeit solcher Schaltrohren mit gekreuzten Feldern zu verbessern.

Bei den bekannten Schalt röhren mit [gekreuzten Feldern wurde zum Unterbrechen der Stromleitung die Stärke des im InterelektiOdenraum herrschenden Magnetfeldes so weit vermindert, daß die Bedingungen für das Aufrechterhalten einer Glimmentladung nicht mehr vorlagen. Die Glimmentladung ist jedoch notwendig für das Aufrechterhalten des Leitungsmechanismus in der Röhre. Ein abschaltbares oder zumindest in seiner Stärke verminderbares Magnetfeld erfordert die Verwendung eines Elektromagneten, sei es als alleinige Einrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes oder zum Erzeugen eines Gegenfeldes zu einem Permanentmagneten zum Zwecke des Abschaltens. Abgesehen davon, daß Elektromagneten einen erheblichen Strom- und Leistungsbedarf haben, ist bei der Änderung des Magnetfeldes nachteilig, daß diese Änderung durch eine äußere Steuereinrichtung bewirkt werden muß und außerdem, insbesondere infolge

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der gewöhnlich hohen Induktivität der Magnetspule des Elektromagneten, nur mit einer erheblichen zeitlichen Verzögerung bewirkt werden kann. Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Unterbrechen der Stromleitung in einer Schaltröhre mit gekreuzten Feldern anzugeben, das ohne eine Verminderung des Magnetfeldes auskommt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Stärke des die Schaltröhre durchfließenden Stromes von der Betriebsstromstärke aus so schnell erhöht wird, daß infolge eines zeitlichen Rückstandes der Erhöhung der Plasmadichte in der Glimmentladung ein Anstieg der am Interelektrodenraum anliegenden Spannung stattfindet und dadurch ein Zustand erreicht wird, bei dem die Bedingungen für die Ausbildung einer Glimmentladung nicht mehr bestehen, so daß die Glimmentladung erlischt und die Stromleitung unterbrochen wird«

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Stromunterbrechung ohne weiteres unter Beibehaltung des im Interelektrodenraum herrschenden Magnetfeldes vorgenommen werden.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das Abschalten der Schaltröhre von selbst immer dann erfolgt, wenn die¹ Stärke des die Schaltröhre durchfließenden Stromes so schnell ansteigt,

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daß die Gliiaiaentladung den zusätzlichen Strom nicht aufnehmen kann, so daß ein Abschalten erfolgt, ohne daß die Stromänderung durch äußere Einrichtungen festgestellt und ein Abschaltvorgang ausgelöst werden müsste. Demgemäß ist Gegenstand der Erfindung auch die Verwendung einer Schaltröhre mit gekreuzten Feldern in einem Stromkreis als Schutzschalter zur Unterbrechung des Stromkreises bei einem plötzlichen Anstieg des Betriebsstromes. Bei dieser Verwendung arbeitet die Schaltröhre vollkommen selbständig und spricht dabei sehr schnell mit großer Sicherheit auf einen schnellen Anstieg der Stromstärke an, wie er für Fehlerzustände charakteristisch ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausfuhrungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination angewendet werden. Es zeigen

Fig. 1 das schematische Schaltbild eines Stromkreises, der eine Schaltröhre mit gekreuzten Feldern als . Schutzschalter enthält,

Fig. 2 teilweise in Seitenansicht und teilweise im Schnitt eine Schaltröhre mit gekreuzten Feldern, wie sie als Schutzschalter geeignet ist,

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Fig. 3 ein Diagramm, das die Formationszeit des Plasmas im Interelektrodenraum als Funktion des Gasdruckes angibt, und

Fig. 4- das Diagramm der Durchbruchs-Charakteristik einer Schaltröhre mit gekreuzten Feldern.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltröhre 10 mit gekreuzten Feldern, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und zur erfindungsgemäßen Verwendung geeignet ist, weist eine Anode 12 mit nach außen gerichteter Oberfläche und eine die Anode umgebende Kathode 14 mit nach innen gerichteter Oberfläche auf. Diese beiden Elektroden schließen zwischen sich einen Interelektrodenraum 16 ein. Die Anode 12 ist perforiert, nämlich mit Löchern 18 versehen, so daß aus dem von der Anode umgebenen Innenraum 20 Gas in den Interelektrodenraum 16 austreten kann, um die Aufrechterhaltung des leitenden Zustandes im Interelektrodenraum zu fördern, wie es aus der US-PS 3 558 960 bekannt ist. Um die Ausbildung eines langen, geradlinigen Weges zwischen dem Interelektrodenraum 16 und dem Innenraum 20 zu verhindern, sind Blenden vorgesehen. Diese Blenden umfassen eine erste Reihe zylindrischer Ringe, die mit axialem Abstand im Inneren der Anode angeordnet sind, und einen zweiten Satz zylindrischer Ringe, die ebenfalls mit axialem Abstand innerhalb des ersten Satzes angeordnet sind. Diese Blenden-Ringe sind axial gegeneinander versetzt, so daß der eine Satz die Zwischenräume zwischen den Ringen des anderen Satzes überdeckt. So ist die Ausbildung geradliniger Wege verhindert. Infolgedessen können keine Elektroden unmittelbar

t/·

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vom Interelektrodenraum 16 in den Innenraum 20 der Anode gelangen. Ein solcher Aufbau ist mehr im einzelnen in der US-PS 3 769 557 beschrieben.

Die Kathode 14 ist ein Teil eines Druckgefäßes 24, das einen vakuumdichten Innenraum hat und der Röhre die notwendige mechanische Festigkeit verleiht. Eine untere Schale 26 schließt das untere Ende des Vakuumraumes ab und ist mit der zylindrischen Wand verbunden, welche die Kathode 14 bildet. Jede geeignete Stütze, wie beispielsweise ein Fuß 28, kann zum Tragen der Gesamtanordnung dienen.

Eine metallische Platte 30 hat die Form einer Scheibe, welche das obere Ende des die Kathode 14 bildenden Zylinders abschließt und abdichtet. Sie kann zum Auseinandernehmen der Anordnung abgehoben werden· Durch Abheben der Platte können die Isolatoren und die Anodenstruktur aus dem Kathodentank herausgezogen werden. Ein Distanzrohr 32 besteht aus isolierendem Material. Ein Anodenanschluß 34 ist mit dem Distanzrohr vakuumdicht verbunden und ragt aus einem Ende des Distanzrohres heraus, um das Einschalten der Schaltröhre in einen Stromkreis zu ermöglichen. Der Anodenanschluß 34· n&t die Gestalt eines Stabes, der sich durch das Innere des Distanzrohres 32 hindurch erstreckt und bis in das Innere der Anode 12 reicht. Das Anodenanschluß JA endet in einer Tragplatte 36. Von der Platte 36 gehen mehrere Streben 38 aus, die an der Anode 12 befestigt sind und die Anode tragen. Die Blenden 22 werden von

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Stäben getragen, die axial zwischen den Sätzen der Anoden-Blenden angeordnet und mit ihren unteren Enden an den Streben 38 befestigt sind. Das obere Ende der Anode 12 ist mit einem in das Anodeninnere zurückgebogenen Abschnitt 4-0 versehen, der am äußeren Ende eines Isolierrohres 42 anliegt, das von der Platte 30 nach unten ragt und mit der Tragplatte 36 verbunden ist. Ein Abstandstück 44 befindet sich auf Kathodenpotential, während eine potentialfreie Elektrode 46 den Spalt ausfüllt, um einen Paschen-Durchbruch zu verhindern·

Um in dem Interelektrodenraum eine Niederdruck-Plasmaentladung zu erzeugen, ist ein Magnetfeld erforderlich, das im Interelektrodenraum das darin herrschende elektrische Feld₍kreuzt. Das Haupt-Magnetfeld kann von einem Permanentmagneten geliefert werden, jedoch ist die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform mit einer Magnetspule 48 versehen, welche den Interelektrodenraum 16 konzentrisch umgibt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wei3t die Magnetspule einhundert Bindungen auf. Wenn diese Magnetspule von Strom durchflössen ist, kann in dem Interelektrodenraum 16 ein Magnetfeld von etwa 0,01 T (100·Gauss) erzeugt werden, so daß eine Leitungsbedingung existiert, wenn der Druck des im Interelektrodenraum vorhandenen Gases etwa 67 /Hbar (0,05 Torr) beträgt und zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 5OO V liegt. In diesem Fall befindet sich das Magnetfeld über dein kritischen Wert, so daß eine Stromleitung stattfinden kann. Dieser Zustand befindet sich im Leitungsbereich, wie es der Punkt 74 in Fig. 4 angibt.

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Das Magnetfeld wird entgegen der bisherigen Praxis auch während des Abschaltens im Interelektrodenraum aufrechterhalten. Das Magnetfeld kann von einem Elektromagneten 4-8 erzeugt werden, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, oder durch einen Permanentmagneten. Die letzte Möglichkeit besteht, weil eine Verminderung des Magnetfeldes nicht erforderlich ist, wenn die Schaltröhre nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgeschaltet wird.

Weitere Einzelheiten über die Physik des Betriebs und des Abschaltens von Schaltröhren mit gekreuzten Feldern sind in einem Aufsatz "The Gamitron-A High Power Crossed-Field Switch Tube for HVDC Interruption" von M. A. Lutz und G. A. Hofmann in IEEE Transactions on Plasma Science, Band PS-2, Nr,. 1, März 1974-, beschrieben.

Schaltröhren mit gekreuzten Feldern arbeiten außerhalb des Paschen-Durchbruchsbereiches bei niedrigen pd-Werten, wobei mit pd das Produkt aus Druck und Abstand im Interelektrodenraum gemeint ist. Eine Leitung ist nur möglich, wenn ein Magnetfeld ausreichender Stärke (etwa 10 T oder 100 G) in einer Richtung erzeugt wird, die im wesentlichen senkrecht zum elektrischen Feld zwischen den Elektroden steht. Elektronen, die normalerweise von den Elektroden eingefangen würden, ohne eine Ionisation zu bewirken, führen nun in dem magnetischen Feld eine Spiralbewegung aus. Werden die Elektronen ausreichend lange in dieser Bewegung gehalten, ist ihre Lebensdauer groß genug, um eine sich selbst unterhaltende Entladung auszubilden· In seiner Wirkung ist das Anlegen eines Magnetfeldes mit einer Druckerhöhung gleichbedeutend.

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Die Geometrie der Entladung ist durch die Forderung nach einer auureichenden Führung der Elektronen best iiant. Koaxiale zylindrische Elektroden sind besonders gut dazu geeignet, die Elektronen einzufangen und zu führen, bis sie mit Gasatomen oder -molekülen zusammenstoßen. Bei einer solchen zylindrischen Anordnung durchläuft ein Elektron eine azimutale cycloidischo Bahn, der eine axiale Verschiebung überlagert ist und die nur durch Zusammenstöße mit Gasteilchen gestört wird.

Das Produkt aus Druck und Abstand, also der pd-Wert, ist bei Fehlen eines Magnetfeldes so gering, daß sich eine Gasentladung nicht ausbilden kann. Durch Erzeugen eines Magnetfeldes ausreichender Stärke und geeigneter Ausrichtung werden die Elektronen auf Bahnen gehalten und es kann eine 'starke Ströme führende Entladung aufrechterhalten werden. Wenn das Magnetfeld entfernt wird, hört die Ionisation auf und es wird der Strom unterbrochen. Der Durchbruch bei gekreuzten Feldern hängt vornehmlich von der Spannung und der Magnetfeldstärke ab, wie es aus Fig. 4 ersichtlich ist. Bei Stromleitung befindet sich der Arbeitapunkt der Schaltröhre innerhalb des durch die gekreuzten Felder erzeugten Durchbruchsbereiches, Ein Verbinden des Magnetfeldes beendet die Ionisation in den gekreuzten Feldern und es können dann hohe Spannungen angelegt werden, bis ein Paschen- oder Vakuundurchbruch stattfindet. Diese Änderung der Arbeitsbedingungen ist durch eine Unterbrechung des Stromflusses gekennzeichnet.

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Die in Fig. 4· dargestellte Charakteristik des Leitungsverhaltens in Abhängigkeit von der Spannung Y und der magnetischen Induktion B gilt für Helium bei 67 Mbar (50 Millitorr) und einen Abstand zwischen den Elektroden von 1 cm. Der Punkt 74 liegt bei etwa 5OO V und 0,01 T (100 Gauss).

Einverständnis der zeitlichen Vorgänge beim Entstehen der Ionisierung in einer Schaltröhre mit gekreuzten Feldern unterstützt das Verständnis des Verhaltens einer solchen Röhre während den Zünd- und Leitungsphasen. Es gibt zwei Arten zeitlicher Verzögerung. Die erste Verzögerung ergibt sich aus der Zeit bis zum Erscheinen des ersten brauchbaren Elektrons im Interelektrodenraum, das einen Durchbruch einleitet, nachdem alle anderen Bedingungen für einen Durchbruch erfüllt sind. Diese Zeit wird als statistische Verzögerung bezeichnet und ist unabhängig vom Durchbruchs-Mechanismus selbst. Sie kann durch äußere Mittel beeinflußt und vernachlässigbar klein gemacht werden, beispielsweise durch kosmische Strahlung, Elektronenkanonen, Ultraviolettstrahlung, Feldemission und radioaktive Quellen. Mehrere Patentschriften, die Mittel zum Erzeugen einer Anfangs-Ionisation offenbaren, sind oben angegeben·

Die zweite zeitliche Verzögerung ist durch die Formationszeit bedingt. Hierbei handelt es sich um die Zeit, die erforderlich ist, um die Durchbruchs-Lawine auszubilden, nachdem das erste, auslösende Elektron erschienen ist. Die Formationszeit ist eine Eigenschaft des speziellen Durchbruchs-Mechanismus·

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Die Formationszeit f ist eine Funktion der Kollisionsxeit c_s die für eine zur Ionisation benotigte Elektronen-▲ta*4£ollision benötigt wird. Wird eine exponentiell^ Zunahme der Ionisierung angenommen, ist die Elektronendichte η zur Zeit t durch die Beziehung n(t) » n(o) exp (t/c) gegeben, wenn n(o) die Anfangedichte ist. Das Ver-

12 haltnis von n(t)/n(o) liegt in der Größenordnung von 10 .

Hieraus ergibt sich für die Formationszeit f, also für die Zeit, die mindestens vergeht, bis der volle Leitungszustand erreicht ist, ein Wert von 27 c. Zum Abschätzen der Kollisionszeit c sei angenommen, daß ein «onoenergetischer Elektronenstrahl vorliegt, der sich in den gekreuzten Feldern mit der Driftgeschwindigkeit ν - E/B bewegt. Die mittlere freie Weglänge zwischen ionisierenden Kollisionen ist 1 » 1/dQ, wenn d die neutrale Dichte und Q der Ionisationsquerschnitt bei ν « E/B ist. Die Ionisationszeit wird dann zu c ■ B/QdE. Es wurde die Kollisionszeit c sowohl für molekularen Wasserstoff als auch für molekulares Helium unter Verwendung von B » 0,Ol T (100 G) und E - 5 χ 10 V/m (typische Entladungsparameter) ermittelt. Die Resultate sind in fig. 3 zusammen mit Kurven für die Formations zeit (27 c) wiedergegeben. Die Formations zeiten sind relativ lang, insbesondere bei niedrigem Druck. Diese Tatsache beeinflußt erheblich das Zünden und auch die Fähigkeit zur Erhöhung der Stromstärke, nachdem sich ein leitender Zustand bereits ausgebildet hat. Im leitenden Zustand wird der Strom vornehmlich von Ionen getragen, welche auf die Kathodenfläche aufschlagen· Dieser Ionenfluß ist der Plasmadichte direkt proportional. Demgemäß

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muß zur Erhöhung der Stromstärke die Plasmadichte erhöht werden, und es wird für die Erhöhung der Plasmadichte eine Zeit benötigt, die in der gleichen Größenordnung liegt wie die Format ions zeit f. Wenn der Versuch geaacht wird, den Strom schneller zu erhöhen als die Plasmadichte, ist eine Erhöhung der Spannung an der Röhre die Folge, die zu einer Selbstunterbrechung führt.

Die Schaltröhre 10 kann demnach> als ein Serien-Schutzelement zwischen einer Quelle 70 und einer Last 72 verwendet werden, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Wenn der Strom versucht, schneller anzusteigen als die Dichte des Plasmas zunehmen kann, steigt die Spannung an der Schaltröhre an. Wenn die Spannung einen zu hohen Wert erreicht, beginnen die die Kathode verlassenden Elektronen auf ihrer Kreisbahn auf die Anode aufzutreffen, so daß eine Ionisation aufhört und die Entladung erlischt. Fig. 4 zeigt einen normalen Arbeitspunkt 7^·· Wenn die Spannung ansteigt, wandern die Bedingungen innerhalb der Röhre aus dem schraffierten Leitungsbereich aus. Demgemäß soll für eine beabsichtige Unterbrechung eine plötzliche Stromerhöhung der Bedingung

genügen, in der C die Parallelkapazität der Röhre, AV der Spannungsbereich, in dem bei gekreuzten Feldern eine Ionisation möglich ist, und f die Formationszeit bedeuten. Ea versteht sich, daß der Spannungsbereich Λ V von dem in der Röhre herrschenden Druck und Magnetfeld

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abhängt. Da die Formationszeit druckabhängig ist, läßt ein höherer Druck einen schnelleren Stromanstieg zu.

Die Verwendung der Schaltröhre als Stromunterbrecher ist besonders nützlich für Einrichtungen zur Injektion neutraler Strahlungen, wie sie zum Zweck der Plasmaaufheizung in thermonuklearen Fusionsapparaten benutzt werden. In solchen Fällen beträgt der normale Lnststrom 40 bis 60 Ampere. Im Fall eines. Fehlers im Beschleunigungssyatem steigt der Strom sehr schnell auf 1000 A und mehr an. Eine nach Fig. 1 in Serienschaltung verwendete Schaltröhre 10 würde in diesem Fall den Stromfluß selbsttätig unterbrechen und dadurch das durch die Last 72 veranschaulichte Beschleunigungssyatem schützen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgenäße Verwendung kann im wesentlichen bei allen Schaltröhren stattfinden, welche in den oben genannten US-Patentschriften behandelt sind. Daher versteht es sich, daß die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt i3t, sondern zahlreiche Abweichungen davon möglich sind, ohne den durch die folgenden Ansprüche gesteckten Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   Λ. Verfahren zum Unterbrechen der Stromleitung in einer Schaltröhre mit gekreuzten Feldern, die einen ringförmigen Interelektrodenraum aufweist, an dem eine Spannung anliegt, die von einem im wesentlichen axial gerichteten Magnetfeld durchsetzt ist und in dem sich ein Gas unter vermindertem Druck befindet, so daß "bei normalem Betriebsstrom im Interelektrodenraum eine Glimmentladung herrscht, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des die Schaltröhre durchfließenden Stromes von der Betriebsstromstärke aus so schnell erhöht wird, daß infolge eines zeitlichen Rückstandes der Erhöhung der Plasmadichte in der Glimmentladung ein Anstieg der am Interelektrodenraum anliegenden Spannung stattfindet und dadurch ein Zustand erreicht wird, bei dem die Bedingungen für die Ausbildung einer Glimmentladung nicht mehr bestehen, so daß die Glimmentladung erlischt und die Stromleitung unterbrochen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromunterbrechung unter Beibehaltung des im Unterelektrodenraum herrschenden Magnetfeldes vorgenommen wird.

   Verwendung einer Schaltröhre mit gekreuzten Feldern, die einen ringförmigen Interelektrodenraum aufweist, an dem eine Spannung anliegt, der von einem im wesentlichen axial gerichteten Magnetfeld durchsetzt ist und

   709847/0908 ORIGINAL INSPECTS)

   in dem sich ein Gas unter vermindertem Druck befindet, so daß bei normalem Betriebsstrom iia Interelektrodenraum eine Glimmentladung herrscht, in einem Stromkreis als Schutzschalter zur Unterbrechung des Stromkreises bei einem plötzlichen Anstieg dea Betriebsstromes.

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