[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltfunkenstrecke aus zwei sich auf einer gemeinsamen
Achse spaltbildend gegenüberstehenden Hauptelektroden mit einer Koronaelektrode zur
Verringerung der Schaltstreuung.
[0002] Aus der Gasentladungsphysik im Zusammenhang mit Hochspannungsschalteinrichtungen
wie Funkenstrecken ist die Problematik des Durchzündens einer solchen Schaltstrecke
bekannt. Ziel ist im freien Durchbruch das Durchzünden bei der Durchbruchfeldstärke
zwischen den beiden Hauptelektroden einer Schaltfunkenstrecke zu erreichen.
[0004] Schaltfunkenstrecken als Gasentladungsstrecken haben das grundsätzliche Problem der
Streuung des Durchzündens, den Jitter im fachlichen Sprachgebrauch. Maßnahmen zur
Verringerung diese Jitters sind technisch unterschiedlich. So gibt es die Triggerung
einer Schaltfunkenstrecke über extern angesteuerte Hilfselektroden im Entladungsbereich.
Das ist mit einem aufwendigeren baulichen und ansteuerungstechnischen Aufwand verbunden,
der sich herstellungswirtschaftlich niederschlägt.
[0005] In der
DE 3723571 C2 wird eine Hochspannungsfunkenstrecke beschrieben, die aus einem gasgefüllten Gehäuse
mit zwei sich gegenüberstehenden Hauptelektroden besteht. Die Gasfüllung besteht aus
Stickstoff. Auf zumindest einer Elektrode ist eine nickelhaltige Aktivierungsmasse
auf Alkalisilikatbasis angeordnet. Aus der Allgemeinen technischen Information der
Siemens Aktiengesellschaft kann der Aufbau eines Ableiters entnommen werden, bei dem
die sich gegenüberstehenden wirksamen Elektrodenflächen mit einem emissionsfördernden
Überzug versehen sind. Diese Aktivierungsmasse setzt die Austrittsarbeit der Elektronen
wesentlich herab und bewirkt dadurch eine stabilere Zündspannung.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen technischen, baulichen Maßnahmen
die Schaltstreuung einer Gasentladungsstrecke in Form einer gasisolierten Schaltfunkenstrecke
weiter zu verringern.
[0007] Physikalisch liegt damit die Aufgabe vor, die Startelektronenrate zur Initiierung
der Hauptentladung zwischen den beiden Hauptelektroden der Schaltfunkenstrecke zu
erhöhen. Je höher die Startelektronenrate, umso rascher bildet sich der Plasmakanal
zwischen den beiden Hauptelektroden für die Hauptentladung aus. Damit wird beim Laden
und damit Erzeugen des elektrischen Potentialunterschieds zwischen den beiden Hauptelektroden
das exaktere Durchzünden beim Erreichen der Durchbruchfeldstärke erreicht.
[0008] Aus wirtschaftlichen Gründen soll die Lösung einfach und hoch wirksam sein.
[0009] Mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen können Schaltfunkenstrecken hoch
jitterarm betrieben werden. Die technischen Maßnahmen an einer Schaltfunkenstrecke
bestehen darin, dass eine Koronaelektrode an der Zuleitung zu einer der beiden Hauptelektroden
elektrisch angeschlossen ist, also potentialmäßig angebunden ist oder einen Bezug
hat. Die Koronaelektrode ist am Rande des Spaltbereichs der beiden Hauptelektroden
exponiert und hat zu der Oberfläche dieser Hauptelektrode einen Abstand a derart hat,
dass beim Laden mindestens an einer Stelle auf der Oberfläche der Koronaelektrode
die Koronaeinsatzfeldstärke überschritten wird. Der Abstand der Ionisierungsgrenze
der Koronaentladung zur Oberfläche der als Gegenelektrode wirkenden Hauptelektrode
hat einen Abstand d, der größer als die Spaltweite s zwischen den beiden Hauptelektroden
ist.
[0010] Der Zündmechanismus mit der Koronaelektrode kann zweifacher Natur sein, nämlich photoelektrisch
oder elektrisch. Entweder leuchtet die sich an der Koronaelektrode ausbildende Koronaentladung
und dadurch erzeugte ionisierende Strahlung, eben Licht, zumindest teilweise hindernisfrei
den Volumenbereich zwischen den beiden Hauptelektroden aus und beleuchtet damit die
zueinander exponierten Oberflächen der beiden Hauptelektroden, um elektrische Ladungsträger,
Elektronen, freizusetzen und im bestehenden elektrischen Feld zu beschleunigen. Das
Licht aus der Koronaentladung initiiert gewissermaßen indirekt. Oder freie Elektronen
aus der Koronaentladung erreichen zumindest teilweise hindernisfrei den Volumenbereich
zwischen den beiden Hauptelektroden und initiieren damit direkt.
[0011] In den beiden Unteransprüchen sind die einfachen Formen der Koronaelektrode beschrieben.
Nach Anspruch 2 besteht die Koronaelektrode aus mindestens einer Spitzenelektrode,
die die geometrischen Verhältnisse aus Anspruch 1 erfüllt und damit an der Randzone
des Hauptelektrodenzwischenbereichs sitzt. Mehrere solche Spitzenelektroden können
willkürlich oder gleich verteilt um die Achse der beiden Hauptelektroden sitzen, solange
eben nur die geometrischen Verhältnisse jeweils eingehalten werden.
[0012] Die andere einfache Gestalt der Koronaelektrode ist nach Anspruch 3 der achsenumfassende
Ring im Spaltbereich der beiden Hauptelektroden. Der Ring kann kreisförmig sein, muss
aber nicht. Er muss lediglich minimal die geometrischen Verhältnisse aus Anspruch
1 wahren. D.h. der Zündvorgang kann zufällig aus irgendeinem Ringbereich sein oder
er kann vorzugsweise aus einem Ringbereich sein. Es muss lediglich einer der beiden
Zündmechanismen starten können.
[0013] An die Kontur der beiden Hauptelektroden wird keine spezielle Anforderung gestellt,
so dass die Koronaelektrode durchaus auch nachträglich in eine Schaltfunkenstrecke
eingebaut werden kann.
[0014] Da zwischen den beiden Hauptelektroden der Schaltfunkenstrecke keine räumlich ausgedehnte,
möglichst homogene Entladung erzeugt werden muss, wie beispielsweise bei einem Gasentladungslaser,
sondern lediglich ein genauer Schaltzeitpunkt eingestellt werden will, ist die Einbaumaßnahme
der Koronaelektrode zur Erzwingung eines exakten oder exakteren Schaltzeitpunktes
völlig ausreichend. Eine bei Dreielektrodenfunkenstrecken baulich aufwendige Ansteuerung
der Zündelektrode entfällt bei dem Einbau einer Koronaelektrode völlig.
[0015] Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 die geometrischen Verhältnisse;
Figur 2 die Koronaelektrode als Spitzelektrode;
Figur 3 die Koronaelektrode als Ringelektrode.
[0016] In Figur 1 ist die Lage der Korona-/Hilfselektrode angedeutet, und zwar gleichzeitig
für den Fall der Spitz- und den der Ringelektrode dargestellt. In beiden Fällen ist
die Korona-/Hilfselektrode im Bild an die untere Hauptelektrode elektrisch angeschlossen,
d.h. sie liegt auf deren elektrischen Potential.
[0017] Die geometrischen Verhältnisse bzw. die geometrischen Bedingungen sind folgende:
Der Abstand muss so gewählt werden, dass mindestens an einer Stelle auf der Koronaoberfläche
die Koronaeinsatzfeldstärke, bei Luft beispielsweise 30 kV/cm, überschritten wird.
Der Abstand d, von der Ionisierungsgrenze der Koronaentladung bis zur Oberfläche gemessen,
muss größer sein als die Schlagweite s zwischen den beiden Hauptelektroden. Die Ionisierungsgrenze
ist der von der Koronaelektrode ausgehende, bzw. sie zumindest bereichsweise oder
örtlich umgebende Bereich, in dem aufgrund der dort herrschenden hohen elektrischen
Feldstärke im Gas ionisiert wird.
Die Positionierung der Koronaentladung, die sich innerhalb der Ionisierungsgrenze
befindet, ist so gewählt, dass die ionisierende Strahlung, die von der Korona ausgeht,
einen möglichst großen Volumenbereich zwischen den beiden Hauptelektroden be-/ausleuchtet
und damit einen möglichst großen Bereich auf den einander gegenüberstehenden Oberflächen
der beiden Hauptelektroden elektronenfreisetzend beleuchtet.
[0018] Beispielhaft werden Dimension und Position zueinander der beiden Hauptelektroden
für zwei Isoliergasverhältnisse angegeben:
Bei Luft als Isoliergas ist beispielsweise der Elektrodendurchmesser 50 mm und der
Abstand s = 10 mm.
Bei SF6 als Isoliergas ist in einer andern Situation der Elektrodendurchmesser beispielsweise
20 mm und der Abstand s 0 3 mm.
[0019] Figur 2 zeigt den Blick in einen Funkenstreckenturm eines Marx-Generators. Die beiden
vorderen Elektroden, die horizontal liegen und zueinander stehen, sind die beiden
Hauptelektroden einer Schaltfunkenstrecke, sie treten elektrische isoliert durch die
Turmwand und stehen einander mit dem jeweiligen dicken, bordeprofilähnlichen Ende
spaltbildend gegenüber. Von oben im Bild ragt nach schräg rechts unten die Koronaelektrode
als Spitzelektrode in Form eines Drahtstückes an den Rand des Volumens zwischen den
beiden Hauptelektroden. Die elektrische Anbindung an eine der beiden Hautelektroden
liegt außerhalb des Turmes. Der Schaltfunkenstreckenturm ist im Betrieb stickstoffgeflutet.
[0020] Figur 3 zeigt eine im Labor zu testende, offene Funkenstrecke. Die beiden Hauptelektroden
stehen sich spaltbildend vertikal gegenüber. Die Schaltfunkenstrecke ist luftisoliert.
Die Koronaelektrode ist ein geschlossener, einfach aus Draht gebogener Ring, der die
Achse der beiden Hauptelektroden umgibt. Die Koronaelektrode ist in diesem Laboraufbau
an einen starken, nach oben wegführenden Draht angeklemmt, um einerseits potentialmäßig
mit einer Hauptelektrode verbunden und andrerseits in Position gehalten zu werden.
Der Koronaring steht hier auf einem Abstand d von 10,5 cm zur Hauptelektrode.
[0021] Beide Gestaltungsbeispiele für die Koronaelektrode zeigen den technisch simplen und
damit billigen Aufbau der Koronaelektrode, die jedoch hochwirksam im Sinne minimalen
Jitters des Durchzündens der Schaltfunkenstrecke ist. Die Koronaelektrode ist materialarm
gebaut, da sie keinen nennenswerten elektrischen Strom zu führen hat, sie muss lediglich
eine gewisse mechanische Formstabilität zur Aufrechterhaltung der geforderten geometrischen
Verhältnisse einhalten.
1. Schaltfunkenstrecke aus zwei sich auf einer gemeinsamen Achse spaltbildend gegenüberstehenden
Hauptelektroden mit einer Koronaelektrode zur Verringerung der Schaltstreuung, wobei
sich beide Hauptelektroden und die Koronaelektrode in einer gemeinsamen Gasatmosphäre
befinden,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Koronaelektrode an der Zuleitung zu einer der beiden Hauptelektroden elektrisch
angeschlossen ist,
die Koronaelektrode am Rande des Spaltbereichs der beiden Hauptelektroden exponiert
ist und zu der Oberfläche dieser einen Abstand a derart hat, dass mindestens an einer
Stelle auf der Oberfläche der Koronaelektrode die Koronaeinsatzfeldstärke überschritten
wird,
der Abstand der Ionisierungsgrenze der Koronaentladung zur Oberfläche der als Gegenelektrode
wirkenden Hauptelektrode einen Abstand d hat, der größer als die Spaltweite s zwischen
den beiden Hauptelektroden ist,
entweder die sich an der Koronaelektrode ausbildende Koronaentladung und dadurch erzeugte ionisierende Strahlung, Licht, zumindest teilweise hindernisfrei den Volumenbereich
zwischen den beiden Hauptelektroden ausleuchtet und die zueinander exponierten Oberflächen
der beiden Hauptelektroden beleuchtet,
oder
freie Elektronen aus der Koronaentladung zumindest teilweise hindernisfrei den Volumenbereich
zwischen den beiden Hauptelektroden erreichen.
2. Schaltfunkenstrecke mit Koronaelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Koronaelektrode aus mindestens einer Spitzenelektrode besteht.
3. Schaltfunkenstrecke mit Koronaelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Koronaelektrode aus einem Ring um die Achse im Spaltbereich der beiden Hauptelektroden
besteht.