EP0510232B1 - Gasentladungsschalter - Google Patents

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EP0510232B1
EP0510232B1 EP91106732A EP91106732A EP0510232B1 EP 0510232 B1 EP0510232 B1 EP 0510232B1 EP 91106732 A EP91106732 A EP 91106732A EP 91106732 A EP91106732 A EP 91106732A EP 0510232 B1 EP0510232 B1 EP 0510232B1
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EP
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gas discharge
cathode
anode
hollow electrode
discharge switch
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David Walter Dr. Branston
Jan Stroh
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T2/00—Spark gaps comprising auxiliary triggering means
    • H01T2/02—Spark gaps comprising auxiliary triggering means comprising a trigger electrode or an auxiliary spark gap

Definitions

  • the invention relates to a gas discharge switch which contains at least two main electrodes for a low-pressure gas discharge, which are arranged in a switching chamber and form a cathode and an anode of a discharge gap with the length d.
  • the switching chamber contains an ionizable gas filling, the pressure p of which is selected so that the ignition voltage of the gas discharge decreases with increasing product pxd.
  • a trigger device that contains a hollow electrode is assigned to the discharge path.
  • the ignition voltage for a given gas discharge path and its usual graphical representation as a function of the product of gas pressure p and electrode spacing d in the ignition characteristic curve are known to be an important aid for identifying electrical discharge devices, taking into account the probability of ignition.
  • the infinitely large plate capacitor and its ignition characteristic are generally used for comparison.
  • the practical embodiment of such discharge paths has electrodes with finite dimensions.
  • Such detour discharges can be avoided by an electrode construction with flat plate electrodes that are coaxial arranged to each other and bent at their edges with a small radius of curvature relative to the distance between the electrodes and are guided along the inner cylindrical insulator surface. A gap is thus always formed between the bent, cylindrical edge region of the electrodes and the inner wall of the hollow cylindrical insulator.
  • the ignition characteristic curve can also be determined, for example, for various noble and molecular gases in the near-breakdown area, ie to the left of the minimum of the Paschen curve (Proc. VII th Int. Conf. Phenom. In Ionized Gases, Beograd 1965, Vol. 1, pp. 316 - 326).
  • Gas discharge switches are also known which are controlled by a pulsed low pressure gas discharge. For example, they switch currents of 10 kA at a voltage of 20 kV.
  • the discharge switch contains an anode and a cathode, which are provided with coaxial openings and are separated from one another by an annular insulator.
  • a control device is provided for the gas discharge, which contains a hollow electrode designed as a cage, which is connected to the cathode in an electrically conductive manner and is therefore at the cathode potential. It encloses the cathode rear space and separates it from the area of preionization.
  • the gas discharge between the cathode and the anode is ignited by injection of charge carriers.
  • the discharge path is ignited in two stages.
  • an auxiliary electrode generates a pre-ionization by a glow discharge.
  • a trigger electrode then receives a negative ignition pulse and the entry of charge carriers into the hollow electrode is made possible in that the potential of a blocking electrode is set to zero. Discharge is initiated when the charge carriers enter the hollow electrode (J. Phys. E: Sci. Instr. 19 (1986), The Inst. Of Physics, Great Britain, pages 466 to 470).
  • the invention is based on the object of simplifying and improving this known embodiment of a gas discharge switch for low-pressure gas discharge, in particular the ignition device for this switch is to be simplified.
  • the hollow electrode is connected to a trigger voltage source and is connected to the anode via an anode resistor.
  • the hollow electrode can also be connected to the cathode via a cathode resistor.
  • the ignition device can also be improved in that the main electrode facing the hollow electrode is provided with a bore on the discharge path and that an aperture for the ion beam of the gas discharge is arranged between this bore and the hollow electrode.
  • the gas discharge switch contains two main electrodes, one of which is connected as the cathode 2 and the other as the anode 3 and at least the cathode 2 is provided with at least one opening 4.
  • the anode 3 can also be provided with at least one opening 5.
  • a discharge path 8 is ignited through the two openings 4 and 5.
  • the cathode 2 and the anode 3, which generally each form a rotating body, are arranged at a predetermined distance a from one another, which is, for example, about 2 to 5 mm can be.
  • At least one of the mutually facing surfaces of the cathode 2 and the anode 3 is provided with a recess, not shown in the figure, which extends the distance between the electrodes 2 and 3 at the discharge gap 8.
  • This distance d can preferably be at least 2 to 10, in particular at least 3 to 8 mm.
  • the cathode 2 and the anode 3 are made of electrically conductive material, preferably stainless steel, and can in general be provided on the discharge gap 8 with special inserts 6 and 7 made of a high-melting metal, or also consist entirely of this high-melting metal.
  • the diameter of the openings 4 and 5 is preferably selected to be at most as large and in particular smaller than the distance d between the electrodes 2 and 3 on the discharge path 8.
  • the cathode 2 and the anode 3 are arranged in a switching chamber 14, the hollow cylindrical housing of which consists of electrically insulating material, preferably ceramic.
  • the trigger device for the discharge path 8 includes a hollow electrode 10 which is arranged in the switching chamber 14 in such a way that its opening faces the discharge path 8.
  • a positive switching voltage U O of, for example, approximately 40 kV should be applied to the anode 3.
  • the hollow electrode 10 consists of an electrically conductive material, for example stainless steel, and has at least the shape of a shell, preferably the shape of a pot, the depth T of which is greater than the length of the cathodic dark space of a glow discharge.
  • the lateral, flange-like extension of the base 11 in the form of a profile ring is provided with compensation openings for the access of a working gas.
  • the gas filling consists of an ionizable gas, preferably hydrogen or deuterium, or a mixture of these gases.
  • an ionizable gas preferably hydrogen or deuterium, or a mixture of these gases.
  • nitrogen or noble gases are also suitable, such as argon or helium.
  • the hollow electrode 10 is assigned a trigger voltage source 17 for a negative trigger voltage U T , which can preferably be connected to the hollow electrode 10 via a limiting resistor 18 and a decoupling capacitance 19.
  • the trigger voltage source 17 supplies a trigger pulse with a steep rising edge and a negative voltage of, for example, about 0.5 to 10 kV, preferably about 1 to 5 kV, compared to the reference potential of the cathode 2, which is not shown in the figure, which can be, for example, ground potential.
  • the length of the trigger pulse is at least as long as the switching delay of the discharge path 8 and can be, for example, approximately 0.1 to 2 ⁇ s, preferably approximately 0.5 to 1 ⁇ s.
  • the switching chamber 14 generally also contains a gas storage 24 for the working gas, which is only indicated schematically in the figure and is provided with a heating device (not shown in the figure), the electrical connections of which are designated 25 and 26 in the figure.
  • a pre-ionization within the hollow electrode 10 can be generated according to the invention in that the hollow electrode 10 is connected to the anode 3 via an anode resistor R A.
  • pre-ionization is generated within the hollow electrode 10 and burns only during the critical time.
  • a switching voltage of, for example, 40 kV and a pre-ionization current of, for example, approximately 0.1 to 1 mA an anode resistance R A of, for example, approximately 40 to 400 MOhm, preferably approximately 100 to 200 MOhm, can be selected.
  • the hollow electrode 10 can additionally be connected to the cathode 2 via a cathode resistor R K in order to limit the voltage be that a voltage divider with the hollow electrode 10 as a tap is formed from the two resistors R A and R K.
  • a sufficient voltage limitation is obtained with a cathode resistance R K of approximately 5 to 50 MOhm.
  • the cathode 2 can be included as part of the discharge circuit by the impact of the ion beam during the discharge. A voltage surge at the hollow electrode 10 can therefore not occur.
  • the baffle plate 28 is made of electrically conductive, preferably erosion-resistant material and is electrically conductively connected to the cathode 2 and is arranged at a predetermined distance above the bore 4 with the aid of spacers 29.

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  • Gas-Filled Discharge Tubes (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasentladungsschalter, der wenigstens zwei Hauptelektroden für eine Niederdruckgasentladung enthält, die in einer Schaltkammer angeordnet sind und eine Kathode und eine Anode einer Entladungsstrecke mit der Länge d bilden. Die Schaltkammer enthält eine ionisierbare Gasfüllung, deren Druck p so gewählt ist, daß die Zündspannung der Gasentladung mit steigendem Produkt pxd abnimmt. Der Entladungsstrecke ist eine Triggereinrichtung zugeordnet, die eine Hohlelektrode enthält.
  • Die Zündspannung für eine vorgegebene Gasentladungsstrecke und ihre übliche graphische Darstellung in Abhängigkeit vom Produkt aus Gasdruck p und Elektrodenabstand d in der Zündkennlinie bildet bekanntlich unter entsprechender Berücksichtigung der Zündwahrscheinlichkeit ein wichtiges Hilfsmittel zur Kennzeichnung von elektrischen Entladungsgeräten. Bei der Ermittlung der elektrischen Spannungsfestigkeit einer vorgegebenen Gasentladungsstrecke wird im allgemeinen der unendlich große Plattenkondensator und seine Zündkennlinie zum Vergleich herangezogen. Die praktische Ausführungsform solcher Entladungsstrecken hat jedoch Elektroden mit endlichen Abmessungen. Während es zur Ermittlung des rechten Astes der Zündkennlinie (Paschenkurve) einschließlich des Spannungs-Minimums genügt, lediglich zwei ebene, gegebenenfalls an den Rändern mit einem sogenannten Rogowski-Profil versehene abgerundete Platten parallel zueinander anzuordnen, ist eine derartige konstruktive Anordnung zur Untersuchung von Zündkennlinien im linken Teil der Paschenkurve unbrauchbar, weil dann Umwegentladungen auftreten können.
  • Solche Umwegentladungen kann man durch eine Elektrodenkonstruktion mit ebenen Plattenelektroden vermeiden, die koaxial zueinander angeordnet und an ihren Rändern mit einem relativ zum Elektrodenabstand kleinen Krümmungsradius voneinander abgebogen und entlang der inneren zylindrischen Isolatoroberfläche geführt sind. Es wird somit zwischen dem abgebogenen, zylinderförmigen Randgebiet der Elektroden und der Innenwand des hohlzylindrischen Isolators stets ein Spalt gebildet. Mit dieser Ausführungsform einer Niederdruck-Gasentladungsstrecke kann auch im Nahdurchschlagsgebiet, d.h. links vom Minimum der Paschenkurve, die Zündkennlinie beispielsweise für verschiedene Edel- und Molekülgase ermittelt werden (Proc. VIIth Int. Conf. Phenom. in Ionised Gases, Beograd 1965, Bd. 1, S. 316 - 326).
  • Es sind auch Gasentladungsschalter bekannt, die durch eine gepulste Niederdruck-Gasentladung gesteuert werden. Sie schalten beispielsweise Ströme von 10 kA bei einer Spannung von 20 kV. Der Entladungsschalter enthält eine Anode und eine Kathode, die mit koaxialen Öffnungen versehen sind und am Rande durch einen ringförmigen Isolator voneinander getrennt sind. Für die Gasentladung ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die eine als Käfig gestaltete Hohlelektrode enthält, die mit der Kathode elektrisch leitend verbunden ist und somit auf dem Kathodenpotential liegt. Sie umschließt den Kathodenrückraum und trennt diesen vom Bereich einer Vorionisierung. Die Gasentladung zwischen der Kathode und der Anode wird durch Injektion von Ladungsträgern gezündet. Die Zündung der Entladungsstrecke erfolgt in zwei Stufen. Zunächst wird von einer Hilfselektrode eine Vorionisierung durch eine Glimmentladung erzeugt. Anschließend erhält eine Triggerelektrode einen negativen Zündimpuls und der Eintritt von Ladungsträgern in die Hohlelektrode wird dadurch ermöglicht, daß das Potential einer Blockierelektrode auf Null gesetzt wird. Mit dem Eintritt der Ladungsträger in die Hohlelektrode wird die Entladung eingeleitet (J. Phys. E: Sci. Instr. 19 (1986), The Inst. of Physics, Great Britain, Seiten 466 bis 470).
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Ausführungsform eines Gasentladungsschalters für eine Niederdruckgasentladung zu vereinfachen und zu verbessern, insbesondere soll die Zündeinrichtung für diesen Schalter vereinfacht werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hohlelektrode an eine Triggerspannungsquelle angeschlossen und über einen Anodenwiderstand mit der Anode verbunden ist. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Hohlelektrode auch noch über einen Kathodenwiderstand mit der Kathode verbunden sein.
  • Die Zündeinrichtung kann außerdem auch noch dadurch verbessert werden, daß die der Hohlelektrode zugewandte Hauptelektrode an der Entladungsstrecke mit einer Bohrung versehen ist und daß zwischen dieser Bohrung und der Hohlelektrode eine Blende für den Ionenstrahl der Gasentladung angeordnet ist.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur ein Ausführungsbeispiel eines Gasentladungsschalters gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
  • In der dargestellten Ausführungsform enthält der Gasentladungsschalter zwei Hauptelektroden, von denen eine als Kathode 2 und die andere als Anode 3 geschaltet sind und von denen wenigstens die Kathode 2 mit mindestens einer Öffnung 4 versehen ist. In gleicher Weise kann auch die Anode 3 mit wenigstens einer Öffnung 5 versehen sein. Durch die beiden Öffnungen 4 und 5 wird eine Entladungsstrecke 8 gezündet. Die Kathode 2 und die Anode 3, die im allgemeinen jeweils einen Rotationskörper bilden, sind in einem vorbestimmten Abstand a zueinander angeordnet, der beispielsweise etwa 2 bis 5 mm betragen kann. Um die Bohrungen 4 und 5 ist wenigstens eine der einander zugewandten Oberflächen der Kathode 2 und der Anode 3 mit einer in der Figur nicht näher bezeichneten Ausnehmung versehen, die den Abstand der Elektroden 2 und 3 an der Entladungsstrecke 8 erweitert. Dieser Abstand d kann vorzugsweise wenigstens 2 bis 10, insbesondere wenigstens 3 bis 8 mm, betragen. Die Kathode 2 und die Anode 3 bestehen aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise Edelstahl, und können an der Entladungsstrecke 8 im allgemeinen noch mit besonderen Einsätzen 6 und 7 aus einem hochschmelzenden Metall versehen sein oder auch ganz aus diesem hochschmelzenden Metall bestehen. Der Durchmesser der Öffnungen 4 und 5 wird vorzugsweise höchstens so groß und insbesondere kleiner als der Abstand d der Elektroden 2 und 3 an der Entladungsstrecke 8 gewählt. Die Kathode 2 und die Anode 3 sind in einer Schaltkammer 14 angeordnet, deren hohlzylindrisches Gehäuse aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise Keramik, besteht.
  • Zur Triggereinrichtung für die Entladungsstrecke 8 gehört eine Hohlelektrode 10, die in der Schaltkammer 14 derart angeordnet ist, daß ihre Öffnung der Entladungsstrecke 8 zugewandt ist. An die Anode 3 soll eine positive Schaltspannung UO von beispielsweise etwa 40 kV angelegt sein. Die Hohlelektrode 10 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Edelstahl, und hat wenigstens die Form einer Schale, vorzugsweise die Form eines Topfes, dessen Tiefe T größer als die Länge des kathodischen Dunkelraumes einer Glimmentladung ist. Die seitliche, flanschartige Erweiterung des Bodens 11 in der Form eines Profilringes ist mit Ausgleichsöffnungen für den Zutritt eines Arbeitsgases versehen.
  • Die Gasfüllung besteht aus einem ionisierbaren Gas, vorzugsweise Wasserstoff oder Deuterium, oder einer Mischung dieser Gase. Ferner geeignet sind bekanntlich Stickstoff oder Edelgase, wie beispielsweise Argon oder Helium.
  • Der Hohlelektrode 10 ist eine Triggerspannungsquelle 17 für eine negative Triggerspannung UT zugeordnet, die vorzugsweise über einen Begrenzungswiderstand 18 und eine Entkopplungskapazität 19 an die Hohlelektrode 10 angeschlossen sein kann. Die Triggerspannungsquelle 17 liefert einen Triggerimpuls mit steiler Anstiegsflanke und einer negativen Spannung von beispielsweise etwa 0,5 bis 10 kV, vorzugsweise etwa 1 bis 5 kV gegenüber dem in der Figur nicht näher bezeichneten Bezugspotential der Kathode 2, das beispielsweise Erdpotential sein kann. Die Länge des Triggerimpulses ist wenigstens so groß wie die Schaltverzögerung der Entladungsstrecke 8 und kann beispielsweise etwa 0,1 bis 2 µs, vorzugsweise etwa 0,5 bis 1 µs, betragen. Die Schaltkammer 14 enthält im allgemeinen noch einen Gasspeicher 24 für das Arbeitsgas, der in der Figur lediglich schematisch angedeutet ist und mit einer in der Figur nicht näher dargestellten Heizeinrichtung versehen ist, deren elektrische Anschlüsse in der Figur mit 25 und 26 bezeichnet sind.
  • Eine Vorionisierung innerhalb der Hohlelektrode 10 kann gemäß der Erfindung dadurch erzeugt werden, daß die Hohlelektrode 10 über einen Anodenwiderstand RA an die Anode 3 angeschlossen ist. In dieser Ausführungsform wird innerhalb der Hohlelektrode 10 eine Vorionisierung erzeugt, die nur während der kritischen Zeit brennt. Mit einer Schaltspannung von beispielsweise 40 kV und einem Vorionisierungsstrom von beispielsweise etwa 0,1 bis 1 mA kann ein Anodenwiderstand RA von beispielsweise etwa 40 bis 400 MOhm, vorzugsweise etwa 100 bis 200 MOhm, gewählt werden.
  • In einer besonders vorteilhaften weiteren Ausgestaltung kann die Hohlelektrode 10 zur Spannungsbegrenzung zusätzlich über einen Kathodenwiderstand RK mit der Kathode 2 derart verbunden sein, daß aus den beiden Widerständen RA und RK ein Spannungsteiler mit der Hohlelektrode 10 als Anzapfung gebildet wird. Eine ausreichende Spannungsbegrenzung erhält man mit einem Kathodenwiderstand RK von etwa 5 bis 50 MOhm.
  • Durch die Anordnung einer Prallplatte 28 zwischen der Bohrung 4 der Kathode 2 und der Hohlelektrode 10 kann die Kathode 2 durch den Aufprall des Ionenstrahls während der Entladung als Teil des Entladungskreises miteinbezogen werden. Eine Spannungsüberhöhung an der Hohlelektrode 10 kann deshalb nicht auftreten.
  • Die Prallplatte 28 besteht aus elektrisch leitendem, vorzugsweise abbrandfestem Material und ist mit der Kathode 2 elektrisch leitend verbunden und mit Hilfe von Abstandhaltern 29 in einem vorbestimmten Abstand oberhalb der Bohrung 4 angeordnet.

Claims (4)

  1. Gasentladungsschalter mit folgenden Merkmalen:
    a) Es sind wenigstens zwei Hauptelektroden für eine Niederdruck-Gasentladung vorgesehen, die in einer Schaltkammer (14) angeordnet sind und eine Kathode (2) und eine Anode (3) einer Entladungsstrecke (8) mit der Länge d bilden,
    b) die Schaltkammer (14) enthält eine ionisierbare Gasfüllung, deren Druck p so gewählt ist, daß die Zündspannung der Niederdruckgasentladung mit steigendem Produkt pxd abnimmt,
    c) der Entladungsstrecke (8) ist eine Triggereinrichtung zugeordnet, die eine Hohlelektrode (10) enthält,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       d) die Hohlelektrode (10) an eine Triggerspannungsquelle (17) angeschlossen und über einen Anodenwiderstand (RA) mit der Anode (3) verbunden ist.
  2. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anodenwiderstand RA von etwa 40 bis 400 MOhm vorgesehen ist.
  3. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlelektrode (10) über einen Kathodenwiderstand RK mit der Kathode (2) verbunden ist.
  4. Gasentladungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kathodenwiderstand RK von etwa 5 bis 50 MOhm vorgesehen ist.
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