EP0944914B1 - Niederdruck-gasentladungsschalter - Google Patents

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EP0944914B1
EP0944914B1 EP97951838A EP97951838A EP0944914B1 EP 0944914 B1 EP0944914 B1 EP 0944914B1 EP 97951838 A EP97951838 A EP 97951838A EP 97951838 A EP97951838 A EP 97951838A EP 0944914 B1 EP0944914 B1 EP 0944914B1
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EP
European Patent Office
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cathode
pressure gas
magnetic field
gas discharge
low
Prior art date
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EP97951838A
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English (en)
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EP0944914A1 (de
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Werner Hartmann
Günter LINS
Klaus-Dieter Rohde
Jan Stroh
Jörg KIESER
Ernst-Ludwig Hoene
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Publication of EP0944914B1 publication Critical patent/EP0944914B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J17/00—Gas-filled discharge tubes with solid cathode
    • H01J17/02—Details
    • H01J17/04—Electrodes; Screens
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J17/00—Gas-filled discharge tubes with solid cathode
    • H01J17/02—Details
    • H01J17/14—Magnetic means for controlling the discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J17/00—Gas-filled discharge tubes with solid cathode
    • H01J17/38—Cold-cathode tubes
    • H01J17/40—Cold-cathode tubes with one cathode and one anode, e.g. glow tubes, tuning-indicator glow tubes, voltage-stabiliser tubes, voltage-indicator tubes
    • H01J17/44—Cold-cathode tubes with one cathode and one anode, e.g. glow tubes, tuning-indicator glow tubes, voltage-stabiliser tubes, voltage-indicator tubes having one or more control electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • 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, at least at a distance d from each other arranged main electrodes for a low-pressure gas discharge are present, a cathode and in a switching chamber an anode of a discharge path for the low-pressure gas discharge form by increasing the electron density in a cathode cavity is ignited, at least the Cathode at least one opening, preferably cathode and Anode aligned openings opposite each other, for Triggering the discharge has the main electrodes Means for generating a superimposed on the discharge Magnetic field are assigned.
  • Low pressure gas discharge switch for turning on high There are essentially pulsed currents or powers at least two main electrodes, of which at least the Cathode one or more openings that act as trigger openings are referred to. Through this opening (s) is the Area between the main electrodes with the area behind connected to the cathode.
  • a trigger device with the Help electrons be released which are used to close them of the switch necessary main discharge in the area between Introduce anode and cathode, i.e. trigger.
  • the So-called thyratron For switches with thermionic electron generation, the So-called thyratron, there is one in the cathode rear space electrically heated electrode that is not only the one for triggering necessary electrons for the main discharge but also the majority of the total current supplies during the main discharge and thus as thermionic Cathode acts. Depending on the application of the thyratron however, a substantial part of the current always overflows the cold cathode and leads to material removal via evaporation and sputtering the electrode material.
  • the main problem for achieving a long life therefore consists in the discharge cross section as large as possible and for a homogeneous Current distribution over the entire discharge cross section to care. This reduces the erosion locally and overall evenly distributed over a larger area so that even wear of the electrode instead of one local strong erosion. Furthermore, by enlarging of the discharge cross-section achieves that a major part of the vaporized or atomized electrode material again on the opposite electrode, so that an increase in the discharge cross section a disproportionate reduction in macroscopic detectable erosion can be achieved.
  • Embodiments with only one, especially circular opening in the cathode will also Called pseudo radio switch and are z. B. from WO 89/00354 A1 and DE 28 04 393 A1 known. Especially with the switches shown there is the opening in the cathode a similar opening in the anode in alignment, around a polarity-independent symmetrical arrangement receive.
  • JP-5-159 851 A1 is also a gas discharge switch known of the type mentioned, in which Means for generating magnetic fields in the switch slots in the same direction on the walls of hollow electrodes are formed, the one with respect to the switching arc Current direction in the discharge predominantly parallel, i.e. axial magnetic field should overlap.
  • the task is inventively in a first alternative solved in that the main electrodes disc-shaped bottom have, provided the means for magnetic field generation predominantly in relation to the current direction in the discharge parallel magnetic field, i.e. Axial field, generate, with mainly radial slots to avoid eddy current effects are provided, and that at least one auxiliary electrode for electrical triggering of the switching process is
  • the task according to the invention solved that the main electrodes disc-shaped bottoms have, provided the means for magnetic field generation predominantly in relation to the current direction in the discharge perpendicular magnetic field, i.e. Radial field, generate, with Slits that are predominantly tangential or spiral run, are provided, and that at least one auxiliary electrode for electrical triggering of the switching process is.
  • the means for generating the magnetic fields are preferred through slits of the anode on the one hand and the the Completing cylinder on the other hand realized. It is also possible, the slots in the power supply to the cathode and / or anode.
  • the in relation to the circular symmetry of the low pressure gas discharge switch mainly axial or radial magnetic fields can be determined by the geometric boundary conditions, such as corresponding inclination of the slots in the different Sub-units or arrangement of permanent magnets or Influence the arrangement of individual different coils.
  • Arcs superimposed on magnetic fields and the associated means are in principle for generating such magnetic fields already known from the technology of vacuum switches. Especially in however, they enable connection with gas discharge switches advantages not expected for such switches, in particular for continuous operation of the Discharge switch the harmful erosion of the electrodes is reduced.
  • the arc is at Vacuum switches by mechanical separation of the touching, current-carrying contact pieces generated, the spread of the arc over a larger cross section the spread of the metal vapor generated during the discharge and the ignition of new cathode base points in areas sufficiently high metal vapor density.
  • low-pressure gas discharge switches the ignition of the discharge between the fixed electrodes by injection of free charge carriers, i.e. electrons initiated.
  • plasma formation predominantly takes place held in the working gas.
  • a spread of the discharge cross-section in the working gas is therefore not from spreading dependent on metal vapor and can therefore be essential run faster.
  • the desk consists of two fixed, rotationally symmetrical and cup-shaped electrodes 1 and 2, each consisting of a "cup" bottom 1a or 2a with mutual distance d, and a hollow cylindrical "cup" wall 1b or 2b. there the electrode 1 realizes the anode and the electrode 2 the Discharge cathode.
  • both electrode cylinders 1b and 2b each have a slit consisting of at least two slants Slots 11 and 21. Slots 11 and 21 are included evenly distributed over the circumference and form per cylinder wall 1b or 2b each have at least one complete turn.
  • the number and inclination of the slots 11 and 21 determines the Strength of the axial magnetic field component generated in the axis area. To reduce the electrode base 1a or 2a it is inevitably excited, reverse eddy current expediently, these areas with such slots that a have radial component to provide. So that becomes a Avoidance of reduction of the axial magnetic field.
  • At least the cathode 2 has an opening in the axis area 22, which the anode-facing side of the cathode with the so-called cathode rear space, which forms a hollow cathode 23, combines.
  • the opening consists of, for example circular bore with a diameter of about 2 to 10 mm; however, circular openings are also possible.
  • the electrodes 1 and 2 are in a gas-tight closed Housing 3 and are shaped by an annular Pipe section 31 made of insulating material on a predetermined Distance of typically 2 to 8 mm.
  • the whole Area within the housing 3 is ionizable Gas filling in the pressure range between 1 and 200 Pa.
  • Gas is suitably hydrogen or deuterium or mixtures thereof, which correspond to the prior art store in metal hydride stores and by heating release the memory in a targeted manner.
  • the gas pressure is set in the operating state of the switch so that the gas route in all areas between anode 1 and cathode 2 withstands the applied voltage, i.e. is electrically insulating ("open") and not independent Discharge can arise.
  • The. Switch is closed electrically, by in the gap 39 between the anode bottom 1a and A discharge plasma is generated in the cathode base 2a, which Anode 1 and cathode 2 are electrically conductive as main electrodes combines.
  • 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, thermionic cathodes, external photoelectric effect, ferroelectric electron sources and others can be used.
  • the trigger electrons lead to the formation of a transient hollow cathode discharge in the hollow electrode region 23, ie a gas discharge, the discharge plasma of which spreads from the region 23 into the region between the anode and cathode and connects the two electrodes 1 and 2 in an electrically conductive manner.
  • a transient hollow cathode discharge in the hollow electrode region 23 ie a gas discharge, the discharge plasma of which spreads from the region 23 into the region 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 supply of the discharge current to the area of the discharge in the center of electrodes 1 and 2 is due to the cup-shaped structure of the electrodes 1 and 2 always over the Ridges of the coil winding formed from the slots 21 and 11 respectively. This will make it in the central area of the electrodes 1 and 2 generates a predominantly axial magnetic field.
  • This Magnetic field prevents the discharge plasma in particular at high currents due to the pinch effect constricts a discharge channel of small diameter by the internal plasma pressure by "freezing" the axial field is increased accordingly. This allows even at high Currents over 40 kA a diffuse discharge with low reach local erosion rates, whereas otherwise it is known that the discharge at high currents for Formation of a dense, contracted metal vapor arc with tends to be orders of magnitude higher burn rates.
  • the cathode opening 22 and a comparable one Anode opening 12 have a diameter that is typically about an order of magnitude smaller than that Outside diameter of the cup-shaped electrodes 1 and 2.
  • FIG 2 illustrates how the axial magnetic field stabilized arc DSL diffuse and homogeneous around the Forms electrode openings 12 and 22 around and in this Condition is stationary.
  • at least one of the disc-shaped electrode bottoms 1a or 2a have slots in the predominantly radial direction, as exemplified in FIG. 5 as radial slots 32 are recognizable.
  • the electrode cylinders are shown in FIGS. 3 and 4 1b and 2b slotted in opposite directions. alternative this can be done to generate a radial magnetic field disc-shaped bases 1a and 2b of anode and cathode in slots not shown in detail in the figures have predominantly tangential or spiral run.
  • FIG. 4 in particular illustrates how a concentrated Arc KKL in an embodiment according to the invention circular due to the radial magnetic field Electrode holes moved around, causing local damage the electrode discs are avoided. This will especially with currents of high amplitudes of several 10 kA up to over 100 kA and even with long current flow times Utilization of the surface and a long lifespan Electrodes reached.
  • 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.
  • ⁇ represents the inclination of the slot 11, 11 'or 21, 21' against the vertical and ⁇ the azimuth angle of an individual slot with respect to the circumference.
  • the material at least for the bases 1a and 1b of the hollow electrodes 1 or 2 for the gas discharge switches according to Figures 1 and 3 advantageously consists of a copper-chromium (CuCr) alloy. Particularly suitable for minimizing the The material has erosion at the discharge opening CuCr40 proven.
  • CuCr copper-chromium

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen 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 Kathodenhohlraum gezündet wird, wobei zumindest die Kathode wenigstens eine Öffnung, vorzugsweise Kathode und Anode einander fluchtend gegenüberliegende Öffnungen, zum Triggern der Entladung aufweist, wobei den Hauptelektroden Mittel zur Generierung eines der Entladung überlagerten Magnetfeldes zugeordnet sind.
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 Auslösung 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 beispielsweise aus der WO 89/00354 A1 oder der DE 28 04 393 A1 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 insgesamt 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 niederschlägt, so daß über eine Vergrößerung des Entladungsquerschnitts eine überproportionale Reduzierung der makroskopisch feststellbaren Erosion erzielt werden kann.
Niederdruck-Gasentladungsschalter sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Ausführungsformen mit nur einer, insbesondere kreisrunden Öffnung in der Kathode werden auch Pseudofunkenschalter genannt und sind z. B. aus der WO 89/00354 A1 und der DE 28 04 393 A1 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 C1 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 untergebrachten Triggervorrichtung verbinden.
Allen bisher bekannten Ausführungsformen 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 Einschnuren 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.
Weiterhin ist aus der JP-5-159 851 A1 ein Gasentladungsschalter der eingangs genannten Art bekannt, bei welchen Mittel zur Magnetfeldgenerierung im Schalter durch gleichsinnige Schlitzungen der Wände von Hohlelektroden gebildet sind, die dem Schaltlichtbogen ein in bezug auf die Stromrichtung in der Entladung vorwiegend paralleles, d.h. axiales Magnetfeld überlagern sollen.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, Niederdruck-Gasentladungsschalter mit einer Kaltkathode zu schaffen, bei denen die Erosion insbesondere der Kathode vermindert wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in erster Alternative dadurch gelöst, daß die Hauptelektroden scheibenförmige Boden aufweisen, die, sofern die Mittel zur Magnetfeldgenerierung ein in bezug auf die Stromrichtung in der Entladung vorwiegend paralleles Magnetfeld, d.h. Axialfeld, erzeugen, mit vorwiegend radialen Schlitzen zur Vermeidung von Wirbelstromeffekten versehen sind, und daß mindestens eine Hilfselektrode zur elektrischen Auslösung des Schaltvorgangs vorhanden ist
In zweiter Alternative wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hauptelektroden scheibenförmige Böden aufweisen, die, sofern die Mittel zur Magnetfeldgenerierung ein in bezug auf die Stromrichtung in der Entladung vorwiegend senkrechtes Magnetfeld, d.h. Radialfeld, erzeugen, mit Schlitzen, die vorwiegend tangential oder spiralförmig verlaufen, versehen sind, und daß mindestens eine Hilfselektrode zur elektrischen Auslösung des Schaltvorgangs vorhanden ist.
Bei der Erfindung ergibt sich im Entladungsspalt zwischen den Hauptelektroden entweder ein diffuser, verteilter Lichtbogen oder aber ein kontrahierter, umlaufender Lichtbogen, die in beiden Fällen durch die Steuerelektrode triggerbar sind.
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 Niederdruckgasentladungsschalters vorwiegend axialen oder radiale Magnetfelder lassen sich durch die geometrischen Randbedingungen, wie entsprechende Neigung der Schlitze in den unterschiedlichen Teileinheiten bzw. auch Anordnung von Permanentmagneten bzw. Anordnung einzelner unterschiedlicher Spulen beeinflussen.
Magnetfelduberlagerte Lichtbögen und die zugehörigen Mittel zur Generierung solcher Magnetfelder sind im Prinzip bereits aus der Technologie der Vakuumschalter bekannt. Speziell im Zusammenhang mit Gasentladungsschaltern ermöglichen sie aber für solche Schalter nicht erwartete Vorteile, da insbesondere für einen Dauerbetrieb des Gasentladungsschalters die schädliche Erosion der Elektroden vermindert wird.
Letzteres ist möglich durch die Erkenntnis, daß im Niederdruckbereich 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 Ausführungsbeispielen. 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 Hohlzylindern 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 Schlitzgeometrie.
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 berührenden, stromführenden Kontaktstücke erzeugt, die Ausbreitung des Lichtbogens über einen größeren Querschnitt erfolgt über die Ausbreitung des bei der Entladung entstehenden Metalldampfs 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 Entladungsquerschnitts 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. 10-3 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 Strömflußdauern 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, Niederdruckgasentladungsschalters 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 1a bzw. 2a mit gegenseitigem Abstand d, und einer hohlzylindrischen "Becher"wand 1b bzw. 2b. Dabei realisiert die Elektrode 1 die Anode und die Elektrode 2 die Kathode für die Entladung.
In FIG 1 haben beide Elektrodenzylinder 1b 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 Zylinderwand 1b 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 1a 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 entsprechend 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 1a 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 Ladungsträger 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 KoronaEntladungen, gepulste Gleitentladungen an Isolatoroberflächen, 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 Spulenwindung. Es wird dadurch im zentralen Bereich der Elektroden 1 und 2 ein vorwiegend axiales Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld verhindert, daß sich das Entladungsplasma insbeondere 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 Wirbelstromeffekten kann wenigstens eine der scheibenförmigen Elektrodenböden 1a oder 2a Schlitze in vorwiegend radialer Richtung aufweisen, wie sie beispielhaft in Figur 5 als Radialschlitze 32 erkennbar sind.
In der Ausführungsform 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 kommutierten 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 1b und 2b gegensinnig geschlitzt. Alternativ dazu können zur Generierung eines radialen Magnetfeldes die scheibenförmigen Böden 1a 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 Ausführungsform 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 1a 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 Verwendung als Kathode bzw. Anode bei einem Gasentladungsschalter 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 β 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·β > 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 1a bzw. 1b der Hohlelektroden 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 (11)

  1. Niederdruck-Gasentladungsschalter, bei dem wenigstens im Abstand d voneinander angeordnete Hauptelektroden (1, 2) fur eine Niederdruck-Gasentladung vorhanden sind, die in einer Schaltkammer (31) eine Kathode und eine Anode einer Entladungsstrecke für die Niederdruck-Gasentladung bilden, die durch Erhöhen der Elektronendichte in einem Kathodenhohlraum gezündet wird, wobei zumindest die Kathode wenigstens eine Öffnung (12), vorzugsweise Kathode und Anode einander fluchtend gegenüberliegende Öffnungen (12, 22), zum Triggern der Entladung aufweist, wobei den Hauptelektroden (1, 2) Mittel (11, 11'; 21, 21') zur Generierung eines der Entladung zwischen den Hauptelektroden (1, 2) überlagerten Magnetfeldes zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptelektroden (1, 2) scheibenformige Böden (1a, 2a) haben, die, sofern die Mittel (11, 21) zur Magnetfeldgenerierung ein in bezug auf die Stromrichtung in der Entladung vorwiegend paralleles Magnetfeld, d.h. Axialfeld, erzeugen, mit vorwiegend radialen Schlitzen (32) zur Vermeidung von Wirbelstromeffekten versehen sind, und daß mindestens eine Hilfselektrode (30) zur elektrischen Auslösung des Schaltvorgangs vorhanden ist.
  2. Niederdruck-Gasentladungsschalter, bei dem wenigstens im Abstand d voneinander angeordnete Hauptelektroden (1, 2) für eine Niederdruck-Gasentladung vorhanden sind, die in einer Schaltkammer (31) eine Kathode und eine Anode einer Entladungsstrecke für die Niederdruck-Gasentladung bilden, die durch Erhöhen der Elektronendichte in einem Kathodenhohlraum gezündet wird, wobei zumindest die Kathode wenigstens eine Offnung (12), vorzugsweise Kathode und Anode einander fluchtend gegenüberliegende Offnungen (12, 22), zum Triggern der Entladung aufweist, wobei den Hauptelektroden (1, 2) Mittel (11, 11'; 21, 21') zur Generierung eines der Entladung zwischen den Hauptelektroden (1, 2) überlagerten Magnetfeldes zugeordnet sind, dadurch gekennzeich net, daß die Hauptelektroden (1, 2) scheibenfdrmige Böden (1a, 2a) haben, die, sofern die Mittel (11, 21) zur Magnetfeldgenerierung ein in bezug auf die Stromrichtung in der Entladung vorwiegend senkrechtes Magnetfeld, d.h. Radialfeld, erzeugen, mit Schlitzen, die vorwiegend tangential oder spiralförmig verlaufen, versehen sind, und daß mindestens eine Hilfselektrode (30) zur elektrischen Auslösung des Schaltvorgangs vorhanden ist.
  3. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (11, 11'; 21, 21') zur Generierung des Magnetfeldes durch Schlitzung von die Anode (1, 1a) und die Kathode (2, 2a) komplettierenden Zylindern (1b, 2b) realisiert werden.
  4. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Generierung des Magnetfeldes durch Schlitzung der Stromzuführungen (1b, 2b) zur Kathode (1) und/oder Anode (2) gebildet werden.
  5. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Generierung eines axialen Magnetfeldes die Schlitze (11, 21) im Kathodenzylinder (1b) und im Anodenzylinder (2b) in gleicher Richtung geneigt sind.
  6. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Generierung eines radialen Magnetfeldes die Schlitze (11', 21') im Kathodenzylinder (1b') und im Anodenzylinder (2b) jeweils entgegengesetzter Richtung geneigt sind.
  7. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des der Entladung zwischen den Hauptelektroden (1, 2) überlagerten axialen Magnetfeldes im Elektrodenspalt (39) wenigstens 1 mT pro kA zu schaltenden Strom beträgt.
  8. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, 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.
  9. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, 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 (β) abhängt, wobei für die effektive Spulenwindungslänge (L) gilt: L = n·β > 360°, wobei n die Anzahl der Schlitze und β den Umfangs (Azimut) winkel eines einzelnen durch die Schlitze (11, 11', 21, 21') definierten Spulensegmentes darstellt.
  10. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Böden (1a, 2a) der Hauptelektroden (1, 2) aus einem Kupfer-Chrom-Werkstoff bestehen.
  11. Niederdruck-Gasentladungsschalter nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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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