DE69124000T2 - Insbesondere als Simulator elektromagnetischer Impulse verwendbares elektrisches Gerät - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Hochspannungsgerät. Die Erfindung ist insbesondere auf ein elektrisches Gerät anwendbar, das als ein elektromagnetischer Impulssimulator (EMP) verwendbar ist, und wird daher unter Bezugnahme auf diese Anwendung nachstehend beschrieben.
• Wie bekannt, erzeugt eine Kernexplosion einen intensiven elektromagnetischen Impuls (EMP); der Amplituden eines Vielfachen von zehn Kilovolt pro Meter bei einer Anstiegszeit von wenigen Nanosekunden erreicht. Derartige EMPe können elektronische und elektrische Apparaturen außer Betrieb setzen oder beschädigen, sofern die Apparaturen gegen solche EMPe nicht geschützt oder "gehärtet" sind. Ähnliche EMPe können durch Blitze in der Natur erzeugt werden. Entsprechend wurden EMP- Simulatoren entwickelt, um die Auswirkungen solcher EMPe zu simulieren, so daß ihre Auswirkungen auf eine elektronische oder elektrische Apparatur geprüft werden.
• Eine Form eines EMP-Simulators schließt zwei großflächige Elektroden ein, die zueinander beabstandet angebracht sind, und einen Hochspannungsgenerator, der elektrisch mit den zwei Elektroden verbunden ist, um einen Hochspannungsimpuls dazwischen anzulegen. Die zu prüfende Apparatur wird zwischen zwei Elektroden plaziert, um zu prüfen, wie der simulierte EMP den Betrieb der Apparatur beeinflußt. Der an die zwei Elektroden angelegte Hochspannungsimpuls ist in der Größenordnung von einem Megavolt und die Anstiegszeit ist äußerst schnell, und zwar liegt sie im Bereich von 5 Nanosekunden.
• Ein derartig großer Spannungsimpuls benötigt eine ziemlich große Beabstandung zwischen den Elektroden, um eine Lichtbogen- Bildung zu vermeiden. Ein großer Abstand zwischen den zwei Elektroden erhöht jedoch die Induktivität der elektrischen Schaltung, wodurch die Anstiegszeit zunimmt. Aus diesem Grunde umfassen EMP-Simulatoren dieses Typs für gewöhnlich elektrische Verbindungen zwischen dem Hochspannungsgenerator und den zwei eingeschlossenen Elektroden, die sich in einem Gehäuse befinden, das mit einem sich unter Druck befindlichen Isoliergas gefüllt ist.
• Wegen der erforderlichen Beabstandung zwischen den zwei Elektroden an ihrem Verbindungspunkt in bezug auf den Hochspannungsgenerator, ist im allgemeinen ein sehr großes Gehäuse notwendig, das mit dem sich unter Druck befindlichen Isoliergas gefüllt ist. Ein derartiger Aufbau ist aufgrund der großen Isoliergasmenge, die erforderlich ist, um das sich unter Druck befindliche Gehäuse zu füllen, nicht nur platzraubend, sondern auch sehr kostspielig. Darüber hinaus ist das allgemein verwendete Isoliergas ein Halogengas (z.B. "Freon"), von dem man weiß, daß es schwerwiegende ökologische Probleme hervorruft. Des weiteren begrenzt das große Ausmaß des mit dem Isoliergas zu füllenden Gehäuses in beträchtlichem Maße den Druck, der sicher verwendet werden kann.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrisches Hochspannungsgerät bereitzustellen, das als ein EMP-Simulator besonders verwendbar ist und Vorteile in bezug auf das oben Genannte aufweist.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisches Gerät bereitgestellt, das als elektromagnetischer Impulssimulator besonders verwendbar ist, das ein Paar von großflächigen, voneinander beabstandeten Elektroden einschließt, und einen Hochspannungsgenerator, der mit den zwei Elektroden elektrisch verbunden, um eine Hochspannung dazwischen anzulegen; dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung des Hochspannungsgenerators mit mindestens einem der Elektroden eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten elektrischen Leitern umfaßt, wobei jeder Leiter innerhalb eines Isoliermantels eingeschlossen ist, der mit einem sich unter Druck befindlichen Isoliergas gefüllt ist.
• Wie aus der nachstehenden Beschreibung besser verständlich wird, ermöglichen die vorhergehenden Merkmale, daß das elektrische Gerät besonders als EMP-Simulator verwendbar aufgebaut wird, der sehr große Hochspannungsimpulse in der Größenordnung von einem Megavolt erzeugt und eine sehr schnelle Anstiegszeit von fünf Nanosekunden oder weniger aufweist. Auch benötigt ein derartiges Gerät im wesentlichen weniger Raum und weniger Isoliergas und erlaubt einen höheren Gasdruck als die gegenwärtig verwendeten EMP-Simulatoren.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
• Die Erfindung wird hierin nur anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, worin:
• Fig. 1 eine Form eines EMP-Simulators graphisch veranschaulicht, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden aufgebaut ist;
• die Fign. 2 und 3 jeweils eine Seiten- und Draufsicht sind, die die elektrischen Verbindungen zwischen dem Hochspannungs- Impulsgenerator und den zwei Elektroden des EMP-Simulators der Fig. 1 veranschaulichen;
• Fig. 4 die fächerförmige Ausbreitung einer Gruppe von Leitern in eine zweite Gruppe von Leitern veranschaulicht; und
• Fign. 5 und 6 eine jeweilige Abbildung und Schnittansicht sind, die spezieller die elektrische Verbindung zwischen dem Hochspannungs-Impulsgenerator und den zwei Elektroden veranschaulichen.
• Es wird zunächst auf die Fig. 1 Bezug genommen, die eine Form eines EMP-Simulators veranschaulicht, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Ein derartiger Simulator schließt einen Hochspannungs- Impulsgenerator 2 wie beispielsweise eine Kondensatorenbatterie ein, die parallel aufgeladen und seriell entladen wird, und einen Spitzenwert-Kondensator, um den vom Generator 2 ausgegebenen Hochspannungs-Impuls auf einen Höchstwert zu begrenzen. Der Simulator schließt weiterhin elektrische Verbindungen ein, die schematisch durch den Block 6 gekennzeichnet sind, um die Hochspannungsimpulse zwischen ein Paar von beabstandeten großflächigen Elektroden 8, 10 anzulegen, damit eine EMP-Simulation erzeugt wird, die durch eine Kernexplosion oder einen Blitz entsteht. Die elektrische oder die elektronische zu prüfende Apparatur, die schematisch mit 12 bezeichnet wird, ist zwischen den zwei Elektroden 8, 10 angebracht, so daß die Auswirkung, die ein solcher EMP auf ihren Betrieb hat, von ihren Ausgabeleitern 14 erfaßt werden kann. In diesem Typ von EMP-Simulator divergieren die großflächigen Elektroden 8, 10 im Bereich, in dem die zu geprüfte Apparatur 12 angeordnet werden muß, und konvergieren dann an ihrem gegenüberliegenden Ende 16 zueinander, um den erzeugten EMP zu absorbieren.
• Wie zuvor erläutert, benötigt der herkömmliche EMP- Simulator dieses Typs für die durch den Block 6 angezeigten elektrischen Verbindungen im wesentlichen eine Umhüllung mit einer Größe, die der eines Raumes entspricht, der vollständig mit Isoliergas gefüllt ist. Ein derartiger Aufbau ist aufgrund der großen Menge von benötigtem Isoliergas nicht nur platzraubend, sondern auch sehr kostspielig. Darüber hinaus gehen mit einem derartigen Aufbau praktische Einschränkungen in bezug auf den Gasdruck einher, der aufgrund der Größe der Umhüllung sicher verwendet werden kann.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung schließen die elektrischen Verbindungen zwischen dem Spitzenwert-Kondensator 4 des Hochspannungs-Impulsgenerators 2 und mindestens einer der Elektroden 8 eine Mehrzahl von elektrischen Leitern ein, die zueinander beabstandet sind und sich innerhalb eines Isoliermantels befinden, der mit einem sich unter Druck befindlichen Gas gefüllt ist. Solchermaßen braucht, anstatt der Füllung einer im wesentlichen Raum-großen Umhüllung mit Isoliergas, nur der Isoliermantel eines jeden elektrischen Leiters mit Gas gefüllt zu werden, wodurch nicht nur wesentlich an der Größe der Umhüllung, sondern auch an der Menge des erforderlichen Isoliergases gespart wird. Da die Menge des Isoliergases im wesentlichen gering ist, kann zusätzlich sein Druck erhöht werden, um seine Isoliereigenschaften zu optimieren.
• Der vorhergehende Aufbau wird spezieller in den Fign. 2 und 3 veranschaulicht. In dem in diesen Figuren veranschaulichten Beispiel ist die großflächige Elektrode 8 in Form eines Maschendrahts aufgebaut, das eine dreieckige Ausbildung hat, die an ihrer abgestumpften Spitze mit dem Spitzenwert-Kondensator 4 des Hochspannungs-Impulsgenerators 2 verbunden ist; wohingegen die andere großflächige Elektrode 10, die als Erdungselektrode dient, eine feste, rechteckige Metallplatte ist.
• Wie in den Zeichnungen gezeigt, ist der Spitzenwert- Kondensator 4 des Hochspannungs-Impulsgenerators 2 mit einem Rand der Elektrode 8 verbunden, und zwar durch eine erste Gruppe elektrischer Leiter 20, die sich seitwärts fächerförmig ausbreiten, wobei jeder der elektrischen Leiter mit einer zweiten Gruppe elektrischer Leiter 30 verbunden ist, die sich in bezug zueinander ebenfalls seitwärts fächerförmig ausbreiten.
• Solchermaßen schließt die erste Gruppe elektrischer Leiter 20 fünf Leiter 21-25 ein, die alle an einem Ende (ihrem äußersten linken Ende, wie in den Fign. 3, 5 und 6 dargestellt) mit dem Spitzenwert-Kondensator 4 (Fign. 5 und 6) des Hochspannungs-Impulsgenerators 2 verbunden sind, und die sich seitwärts in Richtung der gegenüberliegenden Enden fächerförmig ausbreiten. Jedes der gegenüberliegenden Enden der Leiter 21-25 ist über die zweite Gruppe elektrischer Leiter 30 mit einer Elektrode 8 verbunden, von denen jeder ebenfalls fünf Leiter (z.B. 31a-31e) umfaßt, die sich auch seitwärts fächerförmig ausbreiten und durch einen elektrisch leitenden Adapter 32 (Fign. 3, 4), der einen dreieckigen Aufbau aufweist, mit ihren jeweiligen Leitern verbunden sind.
• Wie speziell in Fig. 2 gezeigt, liegen beide Gruppen von elektrischen Leitern 20 und 30 in einer Ebene mit Elektrode 8. Entsprechend befinden sich die inneren Enden (linke Enden) der elektrischen Leiter 21-25 am nächsten in Bezug zur zweiten Elektrode 10. Um jene Leiter - angesichts der hohen Spannungsimpulse die dazwischen angelegt werden - von der Elektrode 10 zu isolieren, sind diese Leiter 21-25 innerhalb einzelner Mäntel 26 eingeschlossen, die mit einem sich unter Druck befindlichen Isoliergas gefüllt sind. Die entgegengesetzten Enden eines jeden Isoliermantels 26 werden durch Isolierstöpsel 27, 28 (s. Fig. 2) abgedeckt, die durchgehende Anschlüsse zu ihren jeweiligen elektrischen Leitern aufweisen. Derartige Isoliermäntel werden in der zweiten Gruppe elektrischer Leiter 30 aufgrund ihrer größeren Beabstandung von der Erdungselektrode 10 nicht benötigt.
• Wie insbesondere aus den Fign. 2 und 6 ersichtlich, wird das innere Ende der ummantelten Leiter 21-25 mittels Isolierbuchsen 41 in einer senkrechten Isolierwand 40 gestützt. Die entgegengesetzten Enden der ummantelten Leiter 21-25 können auf ähnliche Weise gestützt werden, obwohl dies nicht in den Zeichnungen gezeigt wird.
• Fig. 6 veranschaulicht speziell die Verbindungen der inneren Enden der Leiter 21-25 mit dem Hochspannungs- Impulsgenerator 2 über seinen Spitzenwert-Kondensator 4. Der Hochspannungs-Impulsgenerator 2 kann einen Standardaufbau haben, der eine Kondensatorenbatterie einschließt, die parallel aufgeladen und seriell entladen wird. Ein derartiger Hochspannungs-Impulsgenerator weist für gewöhnlich eine Entlade- Anstiegszeit von annähernd 100 Nanosekunden für einen Impuls von einem Megavolt auf. Der Spitzenwert-Kondensator 4 ist vorgesehen, um diese Anstiegszeit auf ungefähr fünf Nanosekunden zu verkürzen. Zu diesem Zweck kann der Spitzenwert-Kondensator 4 den ganzen Megavolt speichern, weist aber eine geringere Kapazitanz und Induktivität auf und ist daher durch eine viel schnellere Anstiegszeit gekennzeichnet.
• Wie in Fig. 6 gezeigt, umfaßt der Spitzenwert-Kondensator 4 eine Elektrode 51, die den Impuls vom Hochspannungs- Impulsgenerator 2 empfängt, und eine zweite Elektrode 52, die mit der Erdungselektrode 10 des EMP-Simulators verbunden ist. Der Hochspannungsimpuls wird über eine Funkenstrecke, die durch zwei beabstandete Elektroden 53, 54 gebildet ist, die in einem mit einem Isoliergas gefüllten Gehäuse 55 enthalten sind, an die elektrischen Leiter 21-25 angelegt, wohingegen der Behälter (nicht gezeigt), der das Funkenstrecken-Gehäuse enthält, zusammen mit dem verbleibenden Teil des Hochspannungsgenerators mit einem Isolieröl gefüllt wird. Solchermaßen wird der Hochspannungsimpuls, der vom Generator 2 empfangen wird und eine Größe von ungefähr einem Megavolt und eine Anstiegszeit von ungefähr 100 Nanosekunden aufweist, über die Funkenstrecke- Elektroden 53, 54 des Spitzenwert-Kondensators 4, den fünf sich fächerförmig ausbreitenden ummantelten Leitern 21-25 und ihren jeweiligen fünf sich fächerförmig ausbreitenden Leitern (z.B. 31a-31e, Fig. 4) zur Elektrode 8 gesendet.
• Der Winkel zwischen der Ebene der Erdungselektrode 10 und der Elektrode 8, die ihre jeweiligen elektrischen Leitergruppen 20 und 30 umfaßt, liegt vorzugsweise zwischen 10-15º. In der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform beträgt dieser Winkel 11,3º. Zusätzlich beträgt in der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Abstand S1 (Fig. 2) zwischen einem Punkt 0 (der imaginäre Schnittpunkt der Ebene der Elektrode 8 mit der Ebene der Elektrode 10) und der Stützwand 40 zum Stützen des einen Endes der ummantelten elektrischen Leiter 21-25 2000 mm; Abstand S2 zwischen der Wand 40 und dem Punkt des fächerförmigen Ausbreitens der Gruppe 20 von Leitern 21-25 zur Gruppe 30 von Leitern beträgt 2000 mm; und Abstand 53 vom letztgenannten Punkt zu den Verbindungen, der nicht ummantelten Leiter 30 zur Elektrode 8 beträgt ebenfalls 2000 mm. Zusätzlich beträgt die Höhe H1 zwischen dem Punkt des fächerförmigen Ausbreitens der Leiter der Gruppe 20 zu den Leitern der Gruppe 30 annähernd 800 mm; und die Höhe H2, bei der die Leiter der Gruppe 30 mit einer Elektrode 8 verbunden sind, beträgt ungefähr 1200 mm.
• Die Röhre 26 können anstatt eines Gases mit einem Isolieröl aufgefüllt werden; dieses wird jedoch nicht beansprucht.
• Wenn technische Merkmale in den Ansprüchen mit Bezugszeichen versehen sind, so sind diese Bezugszeichen lediglich zum besseren Verständnis der Ansprüche vorhanden. Dementsprechend stellen solche Bezugszeichen keine Einschränkungen des Umfangs solcher Elemente dar, die beispielsweise durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet sind.

Claims (10)

1. Ein elektrisches Gerät, das besonders als elektromagnetischer Impulssimulator verwendbar ist, der ein Paar großflächiger Elektroden (8, 10) umfaßt, die mit einem Zwischenraum angebracht sind, und einen Hochspannungsgenerator (2, 4), der elektrisch mit den zwei Elektroden (8, 10) verbunden ist, um eine Hochspannung dazwischen anzulegen; dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung (6) des Hochspannungsgenerators (2, 4) und mindestens einer der Elektroden (8) eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten elektrischen Leitern (21-25) umfaßt, wobei jeder Leiter (21-25) innerhalb eines Isoliermantels (26) eingeschlossen ist, der mit einem sich unter Druck befindlichen Isoliergas gefüllt ist.

2. Das Gerät nach Anspruch 1, wobei sich die ummantelten elektrischen Leiter (20) von ihren an dem Hochspannungsgenerator (2, 4) angeschlossenen Enden in Richtung ihrer gegenüberliegenden Enden seitwärts fächerförmig ausbreiten.

3. Das Gerät nach Anspruch 2, wobei die ummantelten elektrischen Leiter (20) von ihren an dem Hochspannungsgenerator (2, 4) angeschlossenen Enden weg von der anderen großflächigen Elektrode (10) nach außen divergieren.

4. Das Gerät nach Anspruch 3, wobei die ummantelten elektrischen Leiter (20) in derselben Ebene mit der einen Elektrode (8) liegen.

5. Das Gerät nach jedem der Ansprüche 1-4, wobei sich die Ebene der einen Elektrode (8) und der Mehrzahl der ummantelten elektrischen Leiter (20) in bezug auf die Ebene der anderen Elektrode (10) in einem Winkel von 10-15º befindet.

6. Das Gerät nach jedem der Ansprüche 1-5, wobei jeder ummantelte elektrische Leiter (20) mit einem Rand der einen Elektrode (8) elektrisch verbunden ist, und zwar durch eine zweite Mehrzahl von elektrischen Leitern (30), die in derselben Ebene mit der Mehrzahl der ummantelten elektrischen Leiter (20) liegen und sich von ihren Anschlußpunkten zu ihren jeweiligen ummantelten elektrischen Leitern in Richtung ihrer mit der einen Elektrode (8) verbundenen gegenüberliegenden Enden seitwärts fächerförmig ausbreiten.

7. Das Gerät nach Anspruch 6, wobei die Länge der ummantelten elektrischen Leiter (20) nahezu der Länge der zweiten Mehrzahl elektrischer Leiter (30) entspricht.

8. Das Gerät nach jedem der Ansprüche 1-7, wobei der Hochspannungsgenerator (2, 4) eine Kondensatorenbatterie (2) umfaßt, die parallel geladen und seriell entladen wird, und einen Spitzenwert-Kondensator (4), der zwischen der Kondensatorenbatterie und den ummantelten elektrischen Leitern (20) angeschlossen ist.

9. Das Gerät nach Anspruch 8, wobei der Spitzenwert- Kondensator (4) über eine Funkenstrecke (53, 54, 55) mit den ummantelten elektrischen Leitern (20) verbunden ist.

10. Das Gerät nach jedem der Ansprüche 1-9, wobei die eine großflächige Elektrode (8) ein Maschendraht und die andere Elektrode eine leitende Platte (10) ist.