EP0979548B1 - Procede d'amor age d'un eclateur de commutation isole par gaz et dispositif permettant de mettre ledit procede en oeuvre - Google Patents

Procede d'amor age d'un eclateur de commutation isole par gaz et dispositif permettant de mettre ledit procede en oeuvre Download PDF

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EP0979548B1
EP0979548B1 EP98919199A EP98919199A EP0979548B1 EP 0979548 B1 EP0979548 B1 EP 0979548B1 EP 98919199 A EP98919199 A EP 98919199A EP 98919199 A EP98919199 A EP 98919199A EP 0979548 B1 EP0979548 B1 EP 0979548B1
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EP
European Patent Office
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spark gap
switching
electrodes
triggering
light source
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EP98919199A
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Inventor
Hansjoachim Bluhm
Wolfgang Frey
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Classifications

    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for triggering a switching spark gap and a switching spark gap which is operated according to the method and is used as a DC voltage switch or as a dynamically stressed switch.
  • the goal is for high voltage discharges in the most diverse Processes to have a switch available to them a predetermined time reliably in the conductive state is transferable.
  • a solution is known in which the insulating gas in the spark gap chamber is easily photoionizable, gaseous additives (fluorene scene) are added, which is then more suitable by irradiation with a light source Wavelength via photoionization the starting electrons for the Clear the formation of the ignition channel (see Dougal, R. A. et al .: "Fundamental Processes in Laser-Triggered Electrical Breakdown of Gases ", J. Appl. Phys., Vol. 17 (1984), p. 903 - 918, printed in Great Britain).
  • trigger light sources As light sources, the spark gap in the conductive state offset, so-called trigger light sources, have become incoherent Light sources such as UV lamps or coherent light sources proven like lasers. The latter is under the term laser triggering known.
  • JP 1-81 185 A describes a method for triggering a Switching spark gap and a corresponding device are known.
  • a spark arises between the electrodes 6 and 1 by partially illuminating the space between the electrodes with a light source 14 of predetermined wavelength ionized metal vapor generated.
  • auxiliary spark gap G5 causes ultraviolet radiation that ignites a trigger spark gap G4, which in turn leads to the ignition of the switching spark gap G1.
  • the temporally targeted resolution electrical breakdown in a spark gap the irradiation of the electrode gap or the electrode surface achieved with laser light.
  • the one for triggering the Spark gap required laser energy depends on the used Mechanism of photoelectric charge generation and on the operating mode of the spark gap.
  • the voltage to be isolated is constantly present at DC voltage switches before the spark gap is triggered.
  • An electrical breakdown in a gas-insulated homogeneous field arrangement can only take place if the effective impact ionization coefficient ⁇ eff in the gas is greater than zero and consequently an avalanche-like increase in freely movable charge carriers as a result of the impact ionization can take place.
  • ⁇ eff ⁇ 0 applies. Since the DC switch should isolate reliably before the trigger event, its operating voltage must be below its static breakdown voltage U DC .
  • the mobile charge carrier of the plasma can thus only by a simultaneous absorption of multiple photons, by the so-called M ulti p hotonen i onisation (MPI) can be generated (see Gray Morgan, C .: “Laser-Induced Breakdown of Gases", Rep. Prog. Phys., Vol. 38, 1975, p. 621-665).
  • Multiphoton ionization is a strongly non-linear effect that only appears at high irradiance levels.
  • a conductive plasma which has a charge carrier density of n> 10 16 cm -3 sufficient for triggering a DC voltage switch (Dougal, RA et al .: “Fundamental Processes in the Laser-Triggered Electrical Breakdown of Gases", J. Appl. Phys ., Vol. 60, No.12, 1986, p. 4240 - 4247)
  • the required laser energies are W> 100 mJ.
  • the laser beam is focused on the electrode surface the trigger energies are about an order of magnitude less than with a focus in the gas volume between the electrodes.
  • Evaporated metal from electrode material increases here the conductivity of the plasma. In addition, they are freely movable Electrons from photoemission from the electrode surface triggered.
  • the trigger laser energies to be used are in the range of 1 mJ and the irradiance levels are a few MW / cm 2 . It is not necessary to focus the laser beam.
  • the electrode surface is illuminated, electrons are provided by photoemission from the metal surface in addition to the charge carriers formed in the gas volume.
  • the trigger laser energy to be used is then, similar to DC voltage switches, lower than when the interelectrode space is only illuminated.
  • a reduction in the trigger laser energy required was achieved by adding easily photoionizable gas additives such as fluorobenzene when using the KrF laser and tri-n-propylamine when using the nitrogen laser.
  • easily photoionizable gas additives such as fluorobenzene when using the KrF laser and tri-n-propylamine when using the nitrogen laser.
  • the lowest irradiance 300 kW / cm 2 .
  • the need for light or laser energy for error-free triggering the spark gap is high. This goes hand in hand with the need on trigger light sources with higher energy, which in particular reflected in the cost of the trigger light system.
  • the object is achieved by a method according to claim 1 and with a switching spark gap according to claim 6.
  • the switching spark gap is used according to claim 13 as a DC voltage switch or as a dynamically stressed switch.
  • the light required to trigger the switching spark gap or laser energy is very compared to the prior art low.
  • the method does not require a beam-focusing Means such as lenses and the necessary fine adjustment devices.
  • the process is for the optimization of existing laser switching systems applicable without significant design change. Especially The optimization of the switching behavior is advantageous of spark gaps with similar, rail-shaped electrodes, i.e. multi-channel switches, the so-called Railgap spark gaps.
  • the switching spark gap 4 is a rail gap spark gap that perpendicular to the axis of the electric field lines and parallel illuminated to the two electrodes with a nitrogen trigger laser 9 becomes.
  • the aerosol is a magnesium aerosol, accordingly is at least one of the two sacrificial electrodes of the aerosol generator 1 made of magnesium.
  • the trigger voltage interval is not restricted by the use of metal aerosol switching gases.
  • the required laser energy itself is 3 orders of magnitude lower.
  • the method of operation does not depend on a specific electrode geometry tied to the spark gap.
  • a targeted release of a dynamically stressed laser switch depends first Line depends on whether starting electrons at a certain laser energy can be generated. The used one plays Start charge carrier process the decisive role and not that Electrode geometry.
  • the reason for the high quantum yield is the negligible one Backscattering of electrons on gas particles in the direction the particle surface with subsequent absorption of the electron viewed.
  • An electron emission in the direction of the surface normal has the highest probability of leaving.
  • the metal particles 2 are created using the aerosol generator 1 generated, which works on the spark erosion principle.
  • the trigger method is the gas supply line 3 Switching spark gap 4 separated and the spark erosion generator 1 interposed, Fig. 1.
  • This type of aerosol generation and admixture is for continuous operation of the laser switch suitable with constant switching characteristics.
  • other methods of aerosol generation such as the Wire explosion method, long-term stability of the Switching properties during repeated operation of the spark gap cannot be reached.
  • the spherical metal particles 2 arise in the spark erosion generator 1 as a result of the spark discharges between the two sacrificial electrodes 7, FIG. 2.
  • the discharge is fed from the capacitance C S and burns repeatedly with the spark frequency f F.
  • electrode material is melted and flung in liquid form into the gas space, where it solidifies in a spherical shape and is transported by the gas stream 8 into the switching spark gap 4.
  • the sacrificial electrodes 7 consist of the specified metal.
  • the work function of the particle material W A must be smaller than the photon energy of the trigger laser radiation W ph .
  • the trigger method is used on the Railgap spark gap 4 and is investigated with the addition of magnesium particles 2.
  • a basic gas mixture of argon and SF 6 was used (FIGS. 5 and 6). In principle, however, the use of a mixed gas is not necessary for the trigger method to function.
  • a one-component or higher-component switching gas can also be used to operate the switching spark gap 4.
  • the spark gap 4 breaks through automatically at higher voltage values considerably after the time of laser irradiation.
  • the ignition delay time (FIG. 3) and the switching spread of the spark gap 4 (jitter) (FIG. 4) are correspondingly high at 145 ns and 167 ns, respectively.

Landscapes

  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Lasers (AREA)

Claims (13)

  1. Procédé d'amorçage avec source lumineuse d'un éclateur de commutation isolé par un gaz et mis sous une pression gazeuse d'isolation prédéterminée, consistant en les séquences suivantes :
    un générateur d'érosion par étincelage (1) est monté dans la conduite d'amenée (3) d'un composant gazeux isolant allant à l'éclateur à étincelles de commutation (4) et est mis sous une pression prédéfinie,
    dans le générateur d'érosion par étincelage (1), dans lequel ont lieu des décharges par étincelles entre deux électrodes (7), des électrodes consommables, et que l'on fait fonctionner avec une fréquence répétitive que l'on peut prédéfinir, on fait fondre à la racine de l'arc électrique produit par la décharge correspondante la matière des électrodes et on la fait jaillir sous forme liquide dans l'espace intermédiaire compris entre les électrodes consommables (7), où elle se fige sous la forme de petites particules de forme sphérique, qui ne coulent pas dans le composant gazeux qui passe à travers, mais sont capables de rester en suspension, particules que l'on désigne sous le nom d'aérosol de métal, et où elles sont entraínées par le courant de gaz et transportées vers l'éclateur à étincelles de commutation (4),
    l'espace intermédiaire entre les électrodes de l'éclateur à étincelles est illuminé au moins en partie dans le but de provoquer l'allumage par une source de lumière (9) ayant une longueur d'onde prédéterminée, à savoir la source de lumière d'amorçage, grâce à quoi les électrons de démarrage sont libérés pour constituer au moins un canal de décharge entre les électrodes de l'éclateur à étincelles de commutation (4) à un instant prédéfini au moyen d'une émission photoélectrique à partir des particules de l'aérosol de métal existant dans le gaz isolant,
    l'axe du rayon de la lumière d'amorçage (9) est orienté au centre à travers l'espace compris entre les électrodes de l'éclateur à étincelles de commutation (4).
  2. Procédé selon la revendication 1,
    caractérisé en ce que
    pour l'éclateur à étincelles de commutation (4) on utilise un gaz isolant à un seul composant, tel que SF6 ou N2 ou un gaz isolant à au moins deux composants, tel qu'un mélange N2/Ar ou de l'air dans le cas le plus simple.
  3. Procédé selon la revendication 2,
    caractérisé en ce qu'
    on utilise comme gaz isolant ou gaz de commutation un mélange composé de 98 à 86 % d'Ar et pour le reste de SF6, et en ce que, le composant gazeux qui n'est pas électronégatif Ar s'écoule à travers le générateur d'aérosol (1).
  4. Procédé selon la revendication 3,
    caractérisé en ce que
    comme source de lumière d'amorçage (9) on utilise une source de lumière non cohérente, qui est appropriée à la photoémission d'électrons à partir des électrons provenant des particules d'aérosol.
  5. Procédé selon la revendication 3,
    caractérisé en ce qu'
    on utilise comme source de lumière d'amorçage (9) un laser, qui déclenche des électrons par la photoémission de particules du gaz constitué par l'aérosol isolant.
  6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications de procédé 1 à 5, consistant en un éclateur à étincelles de commutation amorcé par de la lumière, avec les particularités suivantes :
    lors de l'amorçage transversal l'axe du rayon de lumière de la source de lumière d'amorçage (9) passe à travers une fenêtre transparente, telle qu'un verre au quartz, dans la paroi de l'éclateur à étincelles de commutation (4) et à travers le centre de l'intervalle entre les électrodes, ou
    lors de l'amorçage longitudinal à travers une telle fenêtre dans l'une des deux électrodes,
    caractérisé en ce qu'
    on raccorde un générateur d'érosion par étincelage (1) directement à une alimentation en gaz (6) avec des systèmes de régulation de la pression et on l'accouple ensuite par une conduite de gaz sous pression (3) à la chambre de l'éclateur à étincelles de commutation (4), au moins une autre liaison d'amenée (5) pour un autre composant gazeux d'isolation se trouvant dans la conduite de liaison (3) entre le générateur d'érosion par étincelage (1) et la chambre à étincelles (5), de telle sorte que l'on peut amener à l'éclateur à étincelles de commutation (4) au moins un gaz isolant formé d'un seul composant,
    au moins l'une des deux électrodes du générateur d'érosion par étincelage (1) est constituée sous la forme d'une électrode consommable, comme source de l'aérosol de métal, et consiste en une matière métallique facilement érodable, ou est revêtue de cette matière.
  7. Dispositif selon la revendication 6,
    caractérisé en ce que
    les électrodes de l'éclateur à étincelles de commutation (4) sont formées d'une façon telle qu'à l'état passant au moins un canal d'arc électrique subsiste entre les deux électrodes.
  8. Dispositif selon la revendication 7,
    caractérisé en ce que
    les deux électrodes de l'éclateur à étincelles de commutation (4) sont identiques, en forme de rail et parallèles l'une à l'autre (Rail-Gap).
  9. Dispositif selon la revendication 8,
    caractérisé en ce que
    la source de lumière d'amorçage (9) est une source de lumière qui rayonne d'une manière non cohérente telle que par exemple une lumière UV ultraviolette dont la longueur d'onde est plus faible que la longueur d'onde limite pour la photoémission d'électrons à partir des particules d'aérosol, et rayonne avec une intensité prédéfinie.
  10. Dispositif selon la revendication 9,
    caractérisé en ce que
    la source de lumière d'amorçage (9) est un laser tel que par exemple un laser à azote.
  11. Dispositif selon la revendication 10,
    caractérisé en ce que
    la source pour les particules métalliques de l'aérosol est du magnésium ou du cuivre ou un métal qui génère facilement des particules métalliques.
  12. Dispositif selon la revendication 11,
    caractérisé en ce que
    la conduite d'amenée du gaz (3) débouche sur le générateur d'érosion par étincelage (1) directement dans l'intervalle des deux électrodes consommables (7).
  13. Utilisation de l'éclateur à étincelles de commutation, que l'on fait fonctionner selon les revendications de procédé 1 à 5, et construit selon les revendications de dispositif 6 à 12,
    caractérisé en ce que
    l'éclateur à étincelles de commutation (4) est utilisé comme commutateur à tension continue ou comme commutateur sollicité dynamiquement.
EP98919199A 1997-05-02 1998-04-01 Procede d'amor age d'un eclateur de commutation isole par gaz et dispositif permettant de mettre ledit procede en oeuvre Expired - Lifetime EP0979548B1 (fr)

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