WO1998026442A1 - Niederdruck-gasentladungsschalter - Google Patents

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WO1998026442A1
WO1998026442A1 PCT/DE1997/002864 DE9702864W WO9826442A1 WO 1998026442 A1 WO1998026442 A1 WO 1998026442A1 DE 9702864 W DE9702864 W DE 9702864W WO 9826442 A1 WO9826442 A1 WO 9826442A1
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WO
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gas discharge
pressure gas
low
cathode
magnetic field
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PCT/DE1997/002864
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French (fr)
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Werner Hartmann
Günter LINS
Klaus-Dieter Rohde
Jan Stroh
Jörg KIESER
Ernst-Ludwig Hoene
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings
    • H01H33/6642—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings having cup-shaped contacts, the cylindrical wall of which being provided with inclined slits to form a coil

Definitions

  • the invention relates to a low-pressure gas discharge switch in which there are main electrodes for a low-pressure gas discharge which are arranged at least at a distance d from one another and which form a cathode and an anode of a discharge path for the low-pressure gas discharge in a switching chamber is ignited by increasing the electron density in a cathode cavity, at least the cathode in its disk-shaped region having at least one opening, preferably cathode and anode, aligned opposite openings, for triggering the discharge.
  • Low-pressure gas discharge switches for switching on high pulsed currents or powers essentially consist of at least two main electrodes, of which at least the cathode has one or more openings, which are referred to as trigger openings. Through this opening (s) the area between the main electrodes is connected to the area behind the cathode.
  • a trigger device is generally housed in this cathode rear space, with the aid of which electrons are released, which initiate the main discharge necessary for closing the switch in the region between the anode and cathode, i.e. trigger.
  • thyratron In switches with thermionic electron generation, the so-called thyratron, there is an electrically heated electrode in the rear of the cathode, which not only Solution of the main discharge provides the necessary electrons, but also supplies the majority of the total current during the main discharge and thus acts as a thermionic cathode. Depending on the application of the thyratron, however, a substantial part of the current always flows via the cold cathode and leads to material removal via evaporation and atomization of the electrode material.
  • the main problem for achieving a long service life for such switching systems is therefore to make the discharge cross section as large as possible and to ensure a homogeneous current distribution over the entire discharge cross section. This reduces the erosion locally and distributes it evenly over a larger area, so that there is even wear of the electrode instead of one there is strong local erosion. Furthermore, by increasing the discharge cross section, a larger part of the vaporized or atomized electrode material is deposited on the opposite electrode again, so that a disproportionate reduction in the macroscopically detectable erosion can be achieved by increasing the discharge cross section.
  • Embodiments with only one, in particular circular opening in the cathode are also called pseudo radio switches and are, for. B. from WO 89/00354 AI and DE 28 04 393 AI known. Particularly in the switches shown there, the opening in the cathode is flush with a similar opening in the anode in order to obtain a polarity-independent symmetrical arrangement.
  • the object of the invention is therefore to develop a low-pressure gas discharge switch with a cold cathode in such a way that erosion, in particular of the cathode, is reduced.
  • the object is achieved in that the
  • Gas discharge switches of the type mentioned in the introduction are provided for the main electrodes to generate a magnetic field superimposed on the discharge between the main electrodes.
  • the means can be predominantly parallel with respect to the current direction in the discharge, i.e. axial, magnetic field or a predominantly perpendicular, i.e. generate radial, magnetic field.
  • the discharge gap between the main electrodes there is thus alternatively a diffuse, stationary or a contracted, circular arc.
  • the means for generating the magnetic fields are preferably realized by slotting the cylinders completing the anode on the one hand and the cylinder completing the cathode on the other.
  • Magnetic fields can be influenced by appropriate inclination of the slots in the different sub-units or arrangement of the permanent magnets or arrangement of individual different coils.
  • Arcs superimposed on magnetic fields and the associated means for generating such magnetic fields are known in principle from the technology of vacuum switches. Especially in connection with gas discharge switches, such magnetic fields surprisingly cause unexpected ones
  • Velocity of propagation of switching plasmas in a vacuum i.e. with vacuum arcs, no significant improvement in switching behavior and erosion of the electrodes for short, high-current discharges can take place.
  • FIG. 1 shows an average of a gas discharge switch with slits in the hollow cylinders carrying the cathode and the anode, the slits in both cylinders running in the same direction
  • FIG. 2 shows the switch according to FIG. 1 in switching operation with a diffuse, stationary arc
  • FIG. 3 shows an average of a low-pressure gas discharge switch corresponding to FIG. 1, in which case the slots in the hollow cylinders run in opposite directions
  • FIG. 4 shows the switch according to FIG. 3 in switching operation with a circularly circulating concentrated arc
  • 5 shows a perspective view of a hollow electrode cut open to illustrate the slot geometry.
  • an axial magnetic field superimposed on a discharge has a stabilizing effect on the discharge itself and, in certain cases, prevents or at least inhibits constriction of the discharge to small cross-sections.
  • an axial magnetic field superimposed on the arc exerts such a stabilizing effect, as a result of which the arc voltage of the arc discharge is reduced and the arc can be kept diffuse over a larger cross section.
  • This magnetic field is generally generated in that one or both contact carriers are / are designed as a coil.
  • the arc is generated by mechanical separation of the contacting, live contact pieces, the spreading of the arc over a larger cross-section takes place via the spreading of the metal vapor generated during discharge and the ignition of new cathode base points in areas of sufficiently high metal vapor density.
  • the ignition of the discharge between the fixed electrodes is achieved by injecting free charge carriers, i.e. Electrons.
  • the plasma formation therefore mainly takes place in the working gas.
  • a spread of the discharge cross-section in the working gas is therefore not dependent on the spread of metal vapor and can therefore take place much faster.
  • the presence of a predetermined low-pressure gas filling greatly reduces the electrode erosion, since the gas filling replaces a substantial part of the vapor density necessary for the transport of electricity.
  • FIG. 1 and 2 show an embodiment of an externally triggerable, ie triggerable, low-pressure gas discharge Switch shown in detail, in which a stabilization of the arc is achieved by an axial magnetic field generated in the power supply area.
  • the switch consists of two fixed, rotationally symmetrical and cup-shaped electrodes 1 and 2, each consisting of a "cup" bottom la or 2a with a mutual distance d, and a hollow cylindrical "cup" wall lb or 2b.
  • the electrode 1 realizes the anode and the electrode 2 the cathode for the discharge.
  • both electrode cylinders 1b and 2b each have a slot, consisting of at least two oblique slots 11 and 21.
  • the slots 11 and 21 are evenly distributed over the circumference and form at least one whole per cylinder wall 1b and 2b Swirl.
  • the number and inclination of the slots 11 and 21 determine the strength of the axial magnetic field component generated in the axis region. In order to reduce the eddy current which is inevitably excited in the electrode base 1a or 2a, it is expedient to provide these areas with slots which have a radial component. A reduction in the axial magnetic field is thus avoided.
  • At least the cathode 2 has an opening 22 in the axis area which connects the anode-facing side of the cathode to the so-called cathode rear space, which forms a hollow cathode 23.
  • the opening consists for example of a circular hole with a diameter of about 2 to 10 mm; however, circular openings are also possible.
  • the electrodes 1 and 2 are located in a gas-tight closed housing 3 and are held at a predetermined distance of typically 2 to 8 mm by an annular tube section 31 made of insulating material.
  • the entire area within the housing 3 is filled with an ionizable gas filling in the pressure range between 1 and 200 Pa. Suitable gases are expediently hydrogen or deuterium or mixtures thereof, which according to the prior art can be stored in metal hydride stores and can be released in a targeted manner by heating the store.
  • the gas pressure is set in the operating state of the switch so that the gas path in all areas between anode 1 and cathode 2 resists the applied voltage, i.e. is electrically insulating ("open") and no independent discharge can occur.
  • the switch is closed electrically by generating a discharge plasma in the gap 39 between the anode base 1 a and the cathode base 2 a, which connects the anode 1 and cathode 2 as main electrodes in an electrically conductive manner.
  • the discharge is triggered by means of a trigger electrode 30 by generating a sufficient number of free charge carriers in the hollow cathode 23. Typically, about 10 8 to 10 11 free electrons are required within a period of 10 to 100 ns.
  • a number of methods are known for generating the trigger electrons: for example, pulsed gas discharges or a pulsed extraction from stationary gas discharges, pulsed corona discharges, pulsed sliding discharges on insulator surfaces Chen, thermionic cathodes, outer photoelectric
  • the trigger electrons lead to the formation of a transient hollow cathode discharge in the hollow electrode area
  • Area 23 spreads out into the area between the anode and cathode and connects the two electrodes 1 and 2 in an electrically conductive manner.
  • An arc-like, diffuse discharge is favored by the symmetry of the discharge.
  • the discharge current is always supplied to the area of the discharge in the center of electrodes 1 and 2 via the webs of the coil winding formed from slots 21 and 11, respectively.
  • a predominantly axial magnetic field is generated in the central region of the electrodes 1 and 2.
  • This magnetic field prevents the discharge plasma, particularly at high currents, from constricting itself on a discharge channel of small diameter due to the pinch effect, by correspondingly increasing the internal plasma pressure by “freezing” the axial field. This means that even at high currents of over 40 kA achieve a diffuse discharge with low local erosion rates, whereas it is otherwise known that the discharge at high currents tends to form a dense, contracted metal vapor arc with orders of magnitude higher burnup rates.
  • the anode With slots 11 which have the same slot direction as the slots of the cathode 21.
  • the axial field components overlap of anode 1 and cathode 2 in the contact gap or discharge area 39 in the same direction, which increases the total axial field strength.
  • the cathode opening 22 and a comparable anode opening 12 have a diameter that is typically about an order of magnitude smaller than the outer diameter of the cup-shaped electrodes 1 and 2.
  • At least one of the disk-shaped electrode bottoms la or 2a can have slots in the predominantly radial direction, as can be seen, for example, in FIG. 5 as radial slots 32.
  • a radial magnetic field in the contact gap 39 between anode 1 and cathode 2 is used instead of the axial magnetic field in order to convert the arc commutated to the area of the edge of the opening 22 or 12 into an azimuthally circumferential movement to move.
  • the electrode cylinders 1b and 2b are slotted in opposite directions.
  • the disk-shaped bases la and 2b of the anode and cathode can be slots not shown in detail in the figures have predominantly tangential or spiral.
  • FIG. 4 in particular illustrates how a concentrated arc KKL in an embodiment according to the invention moves in a circle around the electrode bores due to the radial magnetic field, thereby avoiding local damage to the electrode disks.
  • FIG. 4 in particular illustrates how a concentrated arc KKL in an embodiment according to the invention moves in a circle around the electrode bores due to the radial magnetic field, thereby avoiding local damage to the electrode disks.
  • the disk-shaped bases 1a and 2b of the anode and cathode can have slots which run predominantly tangentially or spirally.
  • FIG. 5 shows a single hollow electrode 1 or 2 for use as a cathode or anode in a gas discharge switch according to FIG. 1 or FIG. 3 in the state cut open at the front.
  • the geometry of the slot can be seen in particular
  • Azimuth angle of a single slot with respect to the circumference The length 1 of an individual slot depends on the angular position taking into account the coil height h, the total length L being n for n slots Determines the strength of the magnetic field. To ensure adequate magnetic field strength should apply
  • a sufficient axial or radial magnetic field can thus be generated by at least one complete coil turn.
  • the axial magnetic field for use with the gas discharge switch described should be at least 1 mT per kA current to be switched, and the radial magnetic field for use with the gas discharge switch described should be 2 mT per kA current to be switched, but at least 30 mT.
  • the material at least for the bases la and lb of the hollow electrodes 1 and 2 in the gas discharge switches according to FIGS. 1 and 3 advantageously consists of a copper-chromium (CuCr) alloy.
  • the material CuCr40 has proven to be particularly suitable for minimizing erosion at the discharge opening.

Landscapes

  • Plasma Technology (AREA)
  • Gas-Filled Discharge Tubes (AREA)

Abstract

Für eine Niederdruck-Gasentladung sind wenigstens zwei im Abstand d voneinander angeordnete Hauptelektroden vorhanden, die in einer Schaltkammer eine Kathode und eine Anode einer Entladungsstrecke für die Niederdruck-Gasentladung bilden. Die Gasentladung wird durch Erhöhen der Elektronendichte in einem Kathodenhohlraum gezündet, wobei zumindest die Kathode wenigstens eine Öffnung, vorzugsweise Kathode und Anode einander fluchtend gegenüberliegende Öffnungen, zum Triggern der Entladung aufweisen. Gemäß der Erfindung sind den Hauptelektroden (1, 1a, 2, 2a) Mittel (11, 11', 21, 21') zur Generierung eines der Entladung zwischen den Hauptelektroden (1, 1a, 2, 2a) überlagerten Magnetfeldes zugeordnet, mit denen entweder ein in bezug auf die Stromrichtung in der Entladung vorwiegend paralleles oder aber ein vorwiegend senkrechtes Magnetfeld generiert wird. Die Mittel sind vorteilhafterweise durch Schlitzungen (11, 11', 21, 21') in Hohlzylindern (1b, 2b), die Teil der als Hohlelektroden ausgebildeten Anode (1) und Kathode (2) sind, oder in den zugehörigen Stromzuführungen realisiert.

Description

Beschreibung
Niederdruck-Gasentladungsschalter
Die Erfindung bezieht sich auf einen Niederdruck-Gasent- ladungsschalter, bei dem wenigstens im Abstand d voneinander angeordnete Hauptelektroden für eine Niederdruck-Gasentladung vorhanden sind, die in einer Schaltkammer eine Kathode und eine Anode einer Entladungsstrecke für die Niederdruck-Gas- entladung bilden, die durch Erhöhen der Elektronendichte in einem Kathodenhohlraum gezündet wird, wobei zumindest die Kathode in ihrem scheibenförmigen Bereich wenigstens eine Öffnung, vorzugsweise Kathode und Anode einander fluchtend gegenüberliegende Öffnungen, zum Triggern der Entladung aufweist.
Niederdruck-Gasentladungsschalter für das Einschalten hoher pulsförmiger Ströme bzw. Leistungen bestehen im wesentlichen aus wenigstens zwei Hauptelektroden, von denen mindestens die Kathode eine oder mehrere Öffnungen, die als Triggeröffnungen bezeichnet werden, aufweist. Durch diese Öffnung (en) ist der Bereich zwischen den Hauptelektroden mit dem Bereich hinter der Kathode verbunden. In diesem Kathodenhinterraum ist im allgemeinen eine Triggervorrichtung untergebracht, mit deren Hilfe Elektronen freigesetzt werden, welche die zum Schließen des Schalters notwendige Hauptentladung im Bereich zwischen Anode und Kathode einleiten, d.h. triggern.
Bei Schaltern mit thermionischer Elektronenerzeugung, dem sog. Thyratron, befindet sich im Kathodenhinterraum eine elektrisch beheizte Elektrode, die nicht nur die zur Aus- lösung der Hauptentladung notwendigen Elektronen zur Verfügung stellt, sondern auch den Großteil des Gesamtstromes während der Hauptentladung liefert und somit als thermionische Kathode fungiert . Je nach Anwendung des Thyratrons fließt jedoch immer ein wesentlicher Teil des Stromes über die kalte Kathode und führt zum Materialabtrag über Verdampfen und Zerstäuben des Elektrodenmaterials.
Bei Niederdruck-Gasentladungsschaltern, wie sie beispiels- weise aus der WO 89/00354 AI oder der DE 28 04 393 AI bekannt sind, fließt der gesamte Strom der stromstarken Hauptentladung über die kalte Kathode und führt dort zu verstärkter Erosion, was über die Aufweitung der Triggeröffnungen zur Zerstörung der Kathode und damit zum Lebensdauerende der Schaltröhre führt. Die Erosion ist innerhalb gewisser Grenzen proportional zur gesamten vom Schalter transportierten Ladungsmenge, die damit die Lebensdauer des Schalters entscheidend beeinflußt. Bei hohen Stromdichten, d. h. bei kleinem Querschnitt der Entladung, steigt die Erosionsrate überproportional an; ferner wirkt sich bei kleinem Entladungsquerschnitt eine hohe lokale Volumenerosionsrate wesentlich stärker aus als bei großen Entladungsquerschnitten.
Das Hauptproblem für das Erreichen einer langen Lebensdauer solcher Schaltsysteme besteht also darin, den Entladungsquerschnitt möglichst groß zu machen und für eine homogene Stromverteilung über den gesamten Entladungsquerschnitt zu sorgen. Dadurch wird die Erosion lokal erniedrigt und insge- samt über eine größere Fläche gleichmäßig verteilt, so daß sich eine gleichmäßige Abnutzung der Elektrode anstelle einer lokal starken Erosion ergibt. Weiterhin wird durch eine Vergrößerung des Entladungsquerschnittes erreicht, daß sich ein größerer Teil des verdampften bzw. zerstäubten Elektrodenmaterials wieder auf der gegenüberliegenden Elektrode nieder- schlägt, so daß über eine Vergrößerung des Entladungsquerschnitts eine überproportionale Reduzierung der makroskopisch feststellbaren Erosion erzielt werden kann.
Niederdruck-Gasentladungsschalter sind in verschiedenen Ausfuhrungsformen bekannt. Ausfuhrungsformen mit nur einer, insbesondere kreisrunden Öffnung in der Kathode werden auch Pseudofunkenschalter genannt und sind z. B. aus der WO 89/00354 AI und der DE 28 04 393 AI bekannt. Speziell bei den dort dargestellten Schaltern steht der Öffnung in der Kathode eine gleichartige Öffnung in der Anode fluchtend gegenüber, um eine polaritätsunabhängige symmetrische Anordnung zu erhalten.
Die Parallelschaltung solcher einzelnen Entladekanäle zur Verringerung der Belastung des einzelnen Schaltkanals ist bekannt und wird insbesondere in der Fachliteratur speziell für die Unterbringung der einzelnen Kanäle in einem gemeinsamen Vakuumgehäuse beschrieben. Die Unterbringung einzelner Entladekanäle in getrennten Gehäusen ist ebenfalls bekannt. Schlitzförmige Öffnungen zur Vergrößerung der Elektrodenoberfläche sind in der DE 42 40 198 Cl beschrieben. Schließlich ist auch die Verwendung mehrerer schlitzförmiger Öffnungen in der Kathode von Thyratrons, die vorwiegend mit kalter Kathode im sog. "grounded-grid" -Mode betrieben werden, vom Stand der Technik bekannt. Eine weitere Methode zur Vergrößerung des Entladungsquerschnitts wird in der US-PS 5 146 141 im einzelnen beschrieben. Dort wird die Vergrößerung des Entladungsquerschnitts dadurch erreicht, daß in der Kathode anstelle einer Öffnung eine Ausnehmung vorhanden ist, über deren Oberfläche sich bei geeigneter Geometrie die Entladung ausbreitet . Die Triggerung der Entladung wird durch Löcher im Randbereich der Ausnehmung erreicht, welche den eigentlichen Entladeraum zwischen Anode und Kathode mit dem Kathodenhinterraum und der dort unterge- brachten Triggervorrichtung verbinden.
Allen bisher bekannten Ausfuhrungsformen ist gemeinsam, daß durch die Erosion der Kathode eine Abnutzung eintritt, die zu einem nicht vorher bestimmbaren Zeitpunkt räumlich inhomogen wird, d.h. lokal verstärkt auftritt. Dies wird insbesondere durch das Eigenmagnetfeld der Entladung verursacht, durch das die Entladung zum Einschnüren tendiert (sog. Pinch-Effekt) . Da die Entladung aufgrund des niedrigen Arbeitsdrucks vorzugsweise bei der größten Öffnung zündet, wird somit bei vorhandener Unsymmetrie bereits beim Auslösen der Entladung ein bestimmter Punkt bevorzugt, an dem die Entladung dann konzentriert brennt und an dem somit die Erosion verstärkt auftritt. Dadurch verstärkt sich dieser unerwünschte Effekt, und die Lebensdauer des Schaltelements wird vorzeitig durch lokale Erosion begrenzt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Niederdruck-Gas- entladungsschalter mit einer Kaltkathode derart weiterzubilden, daß die Erosion insbesondere der Kathode vermindert wird. Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei dem
Gasentladungsschalter der eingangs genannten Art den Haupt- elektroden Mittel zur Generierung eines der Entladung zwischen den Hauptelektroden überlagerten Magnetfeldes vorhanden sind. Alternativ können die Mittel ein in bezug auf die Stromrichtung in der Entladung vorwiegend paralleles, d.h. axiales, Magnetfeld oder aber ein dazu vorwiegend senkrechtes, d.h. radiales, Magnetfeld erzeugen. Im Entladungsspalt zwischen den Hauptelektroden ergibt sich damit alternativ ein diffuser, stationärer oder ein kontrahierter, kreisförmig umlaufender Lichtbogen.
Die Mittel zur Generierung der Magnetfelder sind vorzugsweise durch Schlitzungen der die Anode einerseits und der die Kathode andererseits komplettierenden Zylinder realisiert. Es ist aber auch möglich, die Schlitzungen in den Stromzuführungen zur Kathode und/oder Anode anzuordnen.
Die in bezug auf die Kreissymmetrie des Niederdruckgasent- ladungsschalters vorwiegend axialen oder radialen
Magnetfelder lassen sich durch entsprechende Neigung der Schlitze in den unterschiedlichen Teileinheiten bzw. Anordnung der Permanentmagnete bzw. Anordnung einzelner unterschiedlicher Spulen beeinflussen.
Magnetfeldüberlagerte Lichtbögen und die zugehörigen Mittel zur Generierung solcher Magnetfelder sind im Prinzip bereits aus der Technologie der Vakuumschalter bekannt. Speziell im Zusammenhang mit Gasentladungsschaltern bewirken solche Magnetfelder uberrachenderweise an sich nicht zu erwartende
Vorteile, da insbesondere für einen Dauerbetrieb des Gasentladungεschalters die schädliche Erosion der Elektroden vermindert wird.
Letzteres ist möglich durch die Erkenntnis, daß im Nieder- druckbereich sich Schaltplasmen mit Hilfe von Magnetfeldern um zwei bis drei Größenordnungen schneller ausbreiten können als dies bei bekannten, dem Stand der Technik entsprechenden Anordnungen von Vakuumschaltern entspricht. Erst dadurch wird die Anwendung von dem Schaltplasma überlagerten Magnetfeldern bei kurzen Pulsen sinnvoll, da mit den bisher bekannten
Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Schaltplasmen im Vakuum, d.h. bei Vakuumlichtbögen, keine nennenswerte Verbesserung des Schaltverhaltens und der Erosion der Elektroden für kurze, stromstarke Entladungen erfolgen kann.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungs- beispielen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung
FIG 1 im Schnitt einen Gasentladungsschalter mit Schlitzung der die Kathode und die Anode tragenden Hohlzylinder, wobei die Schlitzungen in beiden Zylindern in gleicher Richtung verlaufen, FIG 2 den Schalter gemäß FIG 1 im Schaltbetrieb mit einem diffus ausgebildeten, stationären Lichtbogen,
FIG 3 im Schnitt einen Niederdruck-Gasentladungsschalter entsprechend FIG 1, wobei in diesem Fall die Schlitzungen in den Hohlzylindem in entgegengesetzte Richtungen verlaufen, FIG 4 den Schalter gemäß FIG 3 im Schaltbetrieb mit einem kreisförmig umlaufenden konzentrierten Lichtbogen und FIG 5 in perspektivischer Darstellung vorn aufgeschnitten eine Hohlelektrode zur Verdeutlichung der Schlitz- geometrie .
Gleiche bzw. gleichwirkende Teile haben in den einzelnen Figuren gleiche Bezugszeichen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.
In den einzelnen Figuren ist jeweils ein im Prinzip mit Hohlelektroden ausgestatteter gleich ausgebildeter Niederdruck-Gasentladungsschalter dargestellt, wie er vom Stand der Technik bekannt ist . Im einzelnen wird hierzu auf die einleitend zum Stand der Technik abgehandelten Druckschriften verwiesen.
Zum Erreichen großer Entladungsquerschnitte in Niederdruckgasentladungsschaltern wird von der Erfahrung ausgegangen, daß ein einer Entladung überlagertes axiales Magnetfeld eine stabilisierende Wirkung auf die Entladung selbst ausübt und in bestimmten Fällen eine Einschnürung der Entladung auf kleine Querschnitte unterbindet oder zumindest hemmt. Bei Vakuumschaltern mit bewegten Elektroden ist bekannt, daß ein dem Lichtbogen überlagertes axiales Magnetfeld eine solche stabilisierende Wirkung ausübt, wodurch die Brennspannung der Bogenentladung herabgesetzt und der Bogen diffus über einen größeren Querschnitt gehalten werden kann. Dieses Magnetfeld wird i.a. dadurch erzeugt, daß ein oder beide Kontaktträger als Spule ausgebildet ist/sind. Der Lichtbogen wird bei Vakuumschaltern durch mechanische Trennung der sich berüh- renden, stromführenden Kontaktstücke erzeugt, die Ausbreitung des Lichtbogens über einen größeren Querschnitt erfolgt über die Ausbreitung des bei der Entladung entstehenden Metall- dampfs und über die Zündung neuer Kathodenfußpunkte in Bereichen ausreichend hoher Metalldampfdichte.
Im Gegensatz dazu wird bei Niederdruck-Gasentladungsschaltern die Zündung der Entladung zwischen den feststehenden Elektroden durch Injektion von freien Ladungsträgern, d.h. Elektronen, eingeleitet. Die Plasmabildung findet demzufolge vorwiegend im Arbeitsgas statt. Eine Ausbreitung des Entladungs- querschnitts im Arbeitsgas ist daher nicht von der Ausbreitung von Metalldampf abhängig und kann deshalb wesentlich schneller ablaufen. Durch das Vorhandensein einer vorgegebenen Niederdruck-Gasfüllung wird die Elektrodenerosion stark herabgesetzt, da die Gasfüllung einen wesentlichen Teil der zum Stromtransport notwendigen Dampfdichte ersetzt.
Während bei Vakuumschaltern mit bewegten Kontakten in der Literatur eine Druckobergrenze von ca. 10" Pa für die korrekte Funktionsweise des Abschaltens hoher Ströme angegeben wird, liegt der für die gemäß der Erfindung geforderte Funktion des Einschaltens hoher Ströme optimale Druck typisch im Bereich zwischen ca. 1 Pa und 200 Pa bei feststehenden Elektroden mit typischerweise einigen mm Abstand. Die Erkenntnis, daß axiale Magnetfelder in diesem Druckbereich und bei Strom- flußdauern von nur wenigen Mikrosekunden stabilisierend und homogenisierend auf das Entladungsplasma wirken, ist in diesem Zusammenhang überraschend und kann zu besonders vorteilhaften Problemlösungen ausgenutzt werden.
In FIG 1 und FIG 2 ist eine Ausführungsform eines von außen auslösbaren, d.h. triggerbaren, Niederdruckgasentladungs- Schalters im einzelnen dargestellt, bei dem eine Stabilisierung des Lichtbogens durch ein im Stromzuführungsbereich erzeugtes axiales Magnetfeld erreicht wird. Der Schalter besteht aus zwei feststehenden, rotationssymmetrischen und becherförmigen Elektroden 1 und 2, jeweils bestehend aus einem „Becher"boden la bzw. 2a mit gegenseitigem Abstand d, und einer hohlzylindrischen „Becher"wand lb bzw. 2b. Dabei realisiert die Elektrode 1 die Anode und die Elektrode 2 die Kathode für die Entladung.
In FIG 1 haben beide Elektrodenzylinder lb und 2b jeweils eine Schlitzung, bestehend aus mindestens zwei schrägen Schlitzen 11 bzw. 21. Die Schlitze 11 und 21 sind dabei gleichmäßig über den Umfang verteilt und bilden pro Zylinder- wand lb bzw. 2b jeweils mindestens eine ganze Windung.
Die Anzahl und Neigung der Schlitze 11 bzw. 21 bestimmt die Stärke des im Achsenbereich erzeugten axialen Magnetfeldanteils. Zur Verringerung des im Elektrodenboden la bzw. 2a zwangsläufig erregten, gegensinnigen Wirbelstroms ist es zweckmäßig, diese Bereiche mit solchen Schlitzen, die eine radiale Komponente aufweisen, zu versehen. Damit wird eine Verringerung des axialen Magnetfelds vermieden.
Wenigstens die Kathode 2 hat im Achsenbereich eine Öffnung 22, welche die anodenzugewandte Seite der Kathode mit dem sog. Kathodenhinterraum, der eine Hohlkathode 23 bildet, verbindet. Die Öffnung besteht beispielsweise aus einer kreisförmigen Bohrung mit einem Durchmesser von etwa 2 bis 10 mm; es sind aber auch kreisringförmige Öffnungen möglich. Die Elektroden 1 und 2 befinden sich in einem gasdicht geschlossenen Gehäuse 3 und werden durch einen ringförmigen Rohrabschnitt 31 aus Isolierstoff auf einem vorbestimmten Abstand von typischerweise 2 bis 8 mm gehalten. Der gesamte Bereich innerhalb des Gehäuses 3 ist mit einer ionisierbaren Gasfüllung im Druckbereich zwischen 1 und 200 Pa gefüllt. Als Gas eignen sich zweckmäßigerweise Wasserstoff oder Deuterium bzw. Gemische davon, welche sich dem Stand der Technik ent- sprechend in Metallhydridspeichern speichern und durch Erwärmung des Speichers gezielt freisetzen lassen.
Der Gasdruck wird im Betriebszustand des Schalters so eingestellt, daß die Gasstrecke in allen Bereichen zwischen Anode 1 und Kathode 2 der angelegten Spannung widersteht, d.h. elektrisch isolierend („offen") ist und keine selbständige Entladung entstehen kann. Der Schalter wird elektrisch geschlossen, indem im Spalt 39 zwischen Anodenboden la und Kathodenboden 2a ein Entladungsplasma erzeugt wird, welches Anode 1 und Kathode 2 als Hauptelektroden elektrisch leitend verbindet .
Mittels einer Triggerelektrode 30 erfolgt die Auslösung der Entladung durch Erzeugung einer ausreichenden Zahl freier La- dungstrager in der Hohlkathode 23. Typischerweise werden dafür ca. 108 bis 1011 freie Elektronen innerhalb eines Zeitraums von 10 bis 100 ns benötigt. Zur Erzeugung der Triggerelektronen sind eine Reihe von Methoden bekannt: Beispielsweise können gepulste Gasentladungen bzw. eine gepulste Extraktion aus stationären Gasentladungen, gepulste Korona- Entladungen, gepulste Gleitentladungen an Isolatoroberflä- chen, thermionische Kathoden, äußerer photoelektrischer
Effekt, ferroelektrische Elektronenquellen u.a. verwendet werden. Die Triggerelektronen führen zur Ausbildung einer transienten Hohlkathodenentladung im Hohlelektrodenbereich
23, d.h. einer Gasentladung, deren Entladungsplasma sich vom
Bereich 23 aus in den Bereich zwischen Anode und Kathode ausbreitet und die beiden Elektroden 1 und 2 elektrisch leitend verbindet. Eine bogenähnliche, diffuse Entladung wird dabei durch die Symmetrie der Entladung begünstigt .
Die Zuführung des EntladungsStromes zum Bereich der Entladung im Zentrum der Elektroden 1 und 2 erfolgt aufgrund der becherförmigen Struktur der Elektroden 1 und 2 immer über die Stege der aus den Schlitzen 21 bzw. 11 gebildeten Spulen- windung. Es wird dadurch im zentralen Bereich der Elektroden 1 und 2 ein vorwiegend axiales Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld verhindert, daß sich das Entladungsplasma insbe- ondere bei hohen Stromstärken aufgrund des Pincheffekts auf einen Entladekanal kleinen Durchmessers einschnürt, indem der innere Plasmadruck durch „Einfrieren" des axialen Feldes entsprechend erhöht wird. Dadurch läßt sich auch bei hohen Stromstärken von über 40 kA eine diffuse Entladung mit niedrigen lokalen Erosionsraten erreichen, wogegen andernfalls bekannt ist, daß die Entladung bei hohen Stromstärken zur Ausbildung eines dichten, kontrahierten Metalldampfbogens mit um Größenordnungen höheren Abbrandraten neigt .
Zur Erhöhung der Magnetfeldstärke des axialen Feldes ist es vorteilhaft, die Anode mit Schlitzen 11 zu versehen, welche die gleiche Schlitzrichtung aufweisen wie die Schlitze der Kathode 21. Dadurch überlagern sich die axialen Feldanteile von Anode 1 und Kathode 2 im Kontaktspalt bzw. Entladungsbereich 39 gleichsinnig, wodurch sich die axiale Gesamtfeldstärke erhöht. Die Kathodenöffnung 22 und eine vergleichbare Anodenöffnung 12 haben dabei einen Durchmesser, der typischerweise etwa eine Größenordnung kleiner ist als der Außendurchmesser der becherförmigen Elektroden 1 und 2.
FIG 2 verdeutlicht, wie sich der durch das Axialmagnetfeld stabilisierte Lichtbogen DSL diffus und homogen um die Elektrodenöffnungen 12 bzw. 22 herum ausbildet und in diesem Zustand stationär ist. Zur Vermeidung von Wirbelstrome fekten kann wenigstens eine der scheibenförmigen Elektrodenböden la oder 2a Schlitze in vorwiegend radialer Richtung aufweisen, wie sie beispielhaft in Figur 5 als Radialschlitze 32 erkennbar sind.
In der Ausfuhrungsform gemäß den Figuren 3 und 4 wird anstelle des axialen Magnetfeldes ein radiales Magnetfeld im Kontaktspalt 39 zwischen Anode 1 und Kathode 2 benutzt, um den auf den Bereich des Randes der Öffnung 22 bzw. 12 kom- mutierten Lichtbogen in eine azimutal umlaufende Bewegung zu versetzen. Dadurch wird die lokale Einwirkung des Lichtbogens speziell bei Strompulsen langer Dauer über eine große Fläche vergleichmäßigt und dadurch eine übermäßig starke, lokal schädigende Einwirkung auf die Elektroden vermieden.
Um letzteres zu erreichen, sind gemäß FIG 3 und 4 die Elektrodenzylinder lb und 2b gegensinnig geschlitzt. Alternativ dazu können zur Generierung eines radialen Magnetfeldes die scheibenförmigen Böden la und 2b von Anode und Kathode in den Figuren nicht im einzelnen dargestellte Schlitze aufweisen, die vorwiegend tangential oder spiralförmig verlaufen.
Speziell FIG 4 verdeutlicht, wie sich ein konzentrierter Lichtbogen KKL in einer erfindungsgemäßen Ausfuhrungsform aufgrund des radialen Magnetfeldes kreisförmig um die Elektrodenbohrungen herum bewegt, wodurch eine lokale Schädigung der Elektrodenscheiben vermieden wird. Dadurch wird insbesondere bei Strömen hoher Amplituden von mehreren 10 kA bis über 100 kA und bei langen Stromflußdauern eine gleichmäßige Nutzung der Oberfläche und eine lange Lebensdauer der Elektroden erreicht.
Alternativ dazu können in diesem Fall zur Generierung eines radialen Magnetfeldes die scheibenförmigen Böden la und 2b von Anode und Kathode Schlitze aufweisen, die vorwiegend tangential oder spiralförmig verlaufen.
In FIG 5 ist eine einzelne Hohlelektrode 1 bzw. 2 zur Ver- endung als Kathode bzw. Anode bei einem Gasentladungs- schalter gemäß Figur 1 bzw. Figur 3 im vorne aufgeschnittenen Zustand verdeutlicht. Ersichtlich ist neben den Radialschlitzen 32 insbesondere die Geometrie der Schlitzung zur
Erzeugung des Magnetfeldes, wobei α die Neigung des Schlitzes 11, 11' bzw. 21, 21' gegen die Vertikale und ß den
Azimutwinkel eines einzelnen Schlitzes in bezug auf den Umfang darstellt. Die Länge 1 eines einzelnen Schlitzes ist von der WinkelStellung unter Berücksichtigung der Spulenhöhe h abhängig, wobei bei n Schlitzen die Gesamtlänge L die Stärke des Magnetfeldes bestimmt. Zur Gewährleistung einer hinreichenden Magnetfeldstärke sollte gelten
L = n-ß > 360° .
Durch wenigstens eine komplette Spulenwindung läßt sich also ein hinreichendes axiales oder radiales Magnetfeld erzeugen.
Untersuchungen haben gezeigt, daß das axiale Magnetfeld zur Verwendung beim beschriebenen Gasentladungsschalter wenigstens 1 mT pro kA zu schaltenden Strom, das radiale Magnetfeld zur Verwendung beim beschriebenen Gasentladungsschalter 2 mT pro kA zu schaltenden Stromes, wenigstens aber 30 mT, betragen sollten.
Der Werkstoff zumindest für die Böden la bzw. lb der Hohl- elektroden 1 bzw. 2 bei den Gasentladungsschaltern gemäß Figur 1 und 3 besteht vorteilhafterweise aus einer Kupfer- Chrom (CuCr) -Legierung. Besonders geeignet zur Minimierung der Erosion an der EntladungsÖffnung hat sich der Werkstoff CuCr40 erwiesen.

Claims

Patentansprüche
1. Niederdruck-Gasentladungsschalter, bei dem wenigstens im Abstand d voneinander angeordnete Hauptelektroden für eine Niederdruck-Gasentladung vorhanden sind, die in einer Schaltkammer eine Kathode und eine Anode einer Entladungsstrecke für die Niederdruck-Gasentladung bilden, die durch Erhöhen der Elektronendichte in einem Kathodenhohlräum gezündet wird, wobei zumindest die Kathode in ihrem scheibenförmigen Bereich wenigstens eine Öffnung, vorzugsweise Kathode und Anode einander fluchtend gegenüberliegende Öffnungen, zum Triggern der Entladung aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß den Hauptelektroden (l, 2) Mittel (11, 11' ; 21, 21') zur Generierung eines der Entladung zwischen den Hauptelektroden (1,2) überlagerten Magnetfeldes zugeordnet sind.
2. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Mittel (11, 21) ein in bezug auf die Stromrichtung in der Entladung vorwiegend paralleles Magnetfeld generieren.
3. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Mittel (11', 21') ein in bezug auf die Stromrichtung in der Entladung vorwiegend senkrechtes Magnetfeld generieren.
4. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Mit- tel (11, 11'; 21, 21') durch Schlitzung von die Anode (1, la) und die Kathode (2, 2a) komplettierenden Zylindern (lb, 2b) realisiert werden.
5. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach Anspruch 4, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Mittel durch Schlitzung der Stromzuführungen (lb, 2b) zur Kathode (1) und/oder Anode (2) gebildet werden.
6. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Generierung eines axialen Magnetfeldes die Schlitze (11, 21) im Kathodenzylinder (lb) und im Anodenzylinder (2b) in gleiche Richtung geneigt sind.
7. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach Anspruch 6, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß wenigstens eine der Hauptelektroden (1, 2) in ihrem Scheibenförmigen Bereich (la,2a) Schlitze (32) in vorwiegend radialer Richtung zur Vermeidung von Wirbelstromeffekten aufweist.
8. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Generierung eines radialen Magnetfeldes die Schlitze (11, 11', 21, 21') im Kathodenzylinder (lb' ) und im Anodenzylinder (2b) jeweils in entgegengesetzte Richtung geneigt sind.
9. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach Anspruch 1 und Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Generierung eines radialen Magnetfeldes die scheiben- förmigen Hauptelektroden (la, 2a) Schlitze aufweisen, die vorwiegend tangential oder spiralförmig verlaufen.
10. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach Anspruch 1 und Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stärke des der Entladung zwischen den Hauptelektroden
(1, 2) überlagerten Magnetfeldes im Elektrodenspalt (39) wenigstens 1 mT pro kA zu schaltenden Strom beträgt.
11. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach Anspruch 1 und Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stärke der der Entladung zwischen den Hauptelektroden (1, 2) überlagerten radialen Magnetfeldkomponente im Bereich des Elektrodenspaltes (39) wenigstens 2 mT pro kA zu schaltenden Strom und zumindest 30 mT beträgt.
12. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das durch die Schlitzung (11, 11', 21, 21') der Elektroden erzeugte Magnetfeld von Anzahl (n) und Neigung (α) der einzelnen Schlitze (11, 11', 21, 21') sowie von deren Gesamtlänge (L) in bezug auf den Umfangswinkel (ß) abhängt.
13. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für die effektive Spulenwindungslänge (L) gilt: L = n-ß > 360°, wobei n die Anzahl der Schlitze und ß den Azimutwinkel darstellt.
14. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach einem oder meh- reren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zumindest die Böden (la, 2a) der Hauptelektroden (1, 2) aus einem Kupfer-Chrom-Werkstoff bestehen.
15. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Produkt aus dem Druck der Gasfüllung und dem Elektrodenabstand d weniger als 200 Pa-mm und mehr als 1 Pa-mm beträgt.
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