DE1640255A1

DE1640255A1 - Funkenstreckenschalter

Info

Publication number: DE1640255A1
Application number: DE19671640255
Authority: DE
Inventors: Lafferty James Martin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-09-21
Filing date: 1967-09-20
Publication date: 1970-08-13
Also published as: GB1190957A; SE324187B; JPS485545B1; US3465192A

Description

Patentanwalt

⁵²⁰¹

General Electric Company, Schenectady,, Έ* Y*, ITSA

!•unkenetreekeiisßhalt er

Die Erfindung bezieht sioh auf Funkenstreckenschalter und insbesondere auf Funkenstreckenschalter mit Zündelektroden, bei denen beim Anlegen eines Zündsignals die Hauptfunkenstrecke durchschlägt und ein hoher elektrischer Strom durch den Funkenstreckenschalter fließen kann.

Da ein großer Bedarf an Vakuumsehaltern und Funkenstrekkenschaltern besteht, und zwar insbesondere von solchen Funkenstreckenschaltern, die durch das Anlegen elektrischer Signale gezündet werden können, wurden·in letzter Zeit diese Schalter immer weiter verbessert· Die bekannten Schalter besitzen unstabile und unzuverlässige Zündeigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Zündspannungen und Zündzeiten, so daß sie beim Betrieb mit hohen Strönen und Spannungen nicht einwandfrei arbeiten und hinsichtlich der Stromkapazität begrenzt sind. In vielen Fällen nehmen die Nachwirkungen eines vorangegangenen Durchschlags der Funkenstrecke einen Einfluß auf die Spannung, bei der sich ein Bogen ausbildet. Das gleiche gilt für die Zeitspanne, die zur JLusbildung eines Durchschlags benötigt wird, wobei auch noch die zwischen awei Durchbrüchen vergangene Zeit eine Rolle spielt.

Nach der US-Patentschrift 5 087 092 ist es bekannt, einen hohen Bogenentladungsstrom zwischen den Elektroden einer Vakuumstrecke dadurch zu erzeugen, daß eine Zündvorrichtung ein den Durchschlag veranlassendes Gasplasma in die Hauptfunkenstrecke treibt. Das Einbringen des Plasmas wird dabei 'mit großer Geschwindigkeit und Genauigkeit vorgenommen, um unstabile Zündvorgänge, insbesondere hinsichtlich der Zünd-

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zeit und Durchschlagspannung der herkömmlichen Funkens trek— kenschalter zu vermeiden.

Obwohl die bekannten Funkenstreckensohalter vielseitig eingesetzt werden können und ihre Weiterentwicklung neue Anwendungsbereiche für Vakuumsehalter eröffnet hat, so besteht doch ein Bedarf an derartigen Schaltern für Hochleistungszwecke. Wenn beispielsweise die Spannung und bzw. oder der Strom sehr

groß sind, dann ist es schwierig, die Zündeinrichtung, die zu-/?'-■■

mindest der Katode zugeordnet ist, vor den schädlichen Einflüssen des hohen Entladungsstromes zu schützen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, -die genannten Nachteile zu vermeiden und eine für Funkenstreckenschalter mit langer Lebensdauer und hohem Schaltspiel bzw. hohen Schalt— frequenzen geeignete Zündelektrodenanordnung zu seliaffen.

Die Erfindung geht dazu von einem Funkenstreekense&alter mit zwei Haupt elektroden aus, die eine Hauptfunkens^reeke begrenzen. Die Hauptelektroden sind in einem evakuierten Gehäuse untergebracht, das teilweise aus Metallwänden asd mindestens teilweise aus einem für hohe Spannungen geeigneten Isoliermaterial zusammengesetzt ist, das zur Isolierung der Hauptelektroden dient und Kurzschlüsse der HauptfunkesL-strsezre -verhindert. Beide Elektroden können ortsfest sein, docii kaem aoiaii eine der beiden Elektroden an einem vakuumdichter BsIg fesfestigt sein, um eine Relativbewegung zwischen den teil troden und um eine manuelle Veränderung der länge zu ermöglichen.

Gemäß der Erfindung ist konzentrisch in Hauptelektrode eine Zündelektrodenanordnmsg wzj;<j-:3ehsrL~ der Funkenstreokensohalter ist ßleichepatiiEiiig3&B;i^släfe τ:- werden soll, beispielsweise zum KurssshliiilsE z:\~j _ ?~ von Kondensatorbänken, dann braucht nur eis© L2\. ■'.Λ:,."':./ anordnung vorhanden zu sein, die dann in eiises S-^¹U einer Mittelöffnung in der Hauptkatode

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ist. Soll der Funkens tr eck ens ehalter hingegen im Wechsel"· Spannungsbetrieb verwendet werden, beispielsweise in einer Hochspannungsleitung oder einem damit verbundenen Transformator, dann müssen sowohl in der Hauptkatode als auch in der Hauptanode Zündelektrodenanordnungen vorgesehen werden, die beide in Hohlräumen mit Mittelöffnungen in den entsprechenden Hauptelektroden untergebracht sind. Dadurch ist unabhängig davon, welche Hauptelektrode zur Zeit der Bogenunterbrechung öder des Ausschaltens des Funkenschalters Katode ist, stets der momentanen Hauptkatode eine Zündelektrodenanordnung zugeordnet .

Erfindungsgemäß enthalten alle Zündelektrodenanordnungen eine mittlere, zylindrische Zündelektrode,- die konzentrisch von einem Isolierkörper umgeben ist« Beide Teile sinddn einer Hauptelektrode angeordnet, deren innere Oberfläche derart geformt ist, daß ein begrenzter oder eingeengter Zugang zur Hauptfunkenstrecke besteht, die der Hauptdurchbruchsspannung widersteht, und daß ein Raum gebildet wird, in dem durch einen Zündimpuls innerhalb der Zündelektrodenanordnung die Zündung des Hauptbogens eingeleitet wird«, Beim Anlegen eines Zündim— pulses an eine Zündfunkenstrecke in der Zündelektrodenanordnung wird die Zündfunkenstrecke durchgeschlagen. Daraufhin wird ein impulsförmiges Elektrone -Ionen—Plasma durch eine Verengung in· die Hauptfunkenstrecke getrieben, wo es die Zündung der Hauptfunkenstrecke verursacht« Umgekehrt ist es jedoch für den Hauptbogen nahezu unmöglich, sich durch die Verengung in der Zündelektrodenanordnung bis in die Nähe der Zündfunkenstrecke auszubreiten und diese zu zerstören.

Ferner ist die Zündstrecke der Zündvorrichtung erfindungsgemäß an einer senkrechten Y/andoberfläche innerhalb der Hauptelektrode angeordnet, um Kurzschlüsse zu vermeiden*

Die Erfindung soll nun anhand von Figuren im einzelnen beschrieben werden«,

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Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Funkenstreckenschalter mit einer Zündelektrodenanordnung nach der Erfindung.

Fig. 2 zeigt die im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 verwendete Zündelektrodenanordnung_e

Fig. 3 ist ein Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung.

Fig. 4 zeigt die Zündelektrodenanordnung, die im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3 verwendet wird.

Fig. 5 ist ein Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zündelektrodeneinrichtung gemäß der Erfindung»

Fig. 6 ist ein teilweise geschnittener Zündfünkensehalter gemäß der Erfindung.

N ach der Fig. 1 enthält ein Funienstreckensehrlter gemäß der Erfindung ein gasdichtes Gehäuse 1 aus Isoliermaterial, welches aus einer unteren, in der Art eines Flansches ausgebildeten Stirnplatte 2, einem zylindrischen Mittelstück 3> und^iner oberen Stirnwand 4 zusammengesetzt ist. Zwischen der unteren Stirnwand 2 und dem zylindrischen Mittelstück 3 ist eine Platte 5 befestigt, die als Stützkörper für eine der Hauptelektroden dient. Zwei Hauptelektroden 6 und 7 sind im Gehäuse 1 angeordnet. Sie begrenzen eine Hauptfunkenstrecke 8. Die Hauptanode 7 ist von einem Anodenhalter 21 getragen, an dem auch ein Schutzschirm 22 befestigt ist, der einen Teil der inneren Gehäusewände gegen verdampftes Metall abschirmt, um ihre Isolierfähigkeit zu gewährleisten,,

Die Hauptkatode 6 besteht aus einem massiven Körper aus Elektrodenmaterial, in dem eine mittlere Bohrung ausgebildet ist, die einen Teil 9 mit relativ kleinem Durchmesser und einen Teil 10 mit relativ großem Durchmesser besitzt, der jedoch in

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dem Körper nur halb so tief wie der Teil 9 ausgebildet ist. Der Teil 9 erstreckt sich im Körper bis nahezu an diejenigen Oberflächenteile 11, von denen der Entladungsbogen ausgeht. Der Raum zwischen dem der Oberfläche 11 nahen Ende des Teils

9 und der Oberfläche 11 ist durch eine konisch ausgebildete Mittelöffnung 12 überbrückt, die eine Art Düse darstellt und an der Oberfläche 11 einen kleineren Durchmesser als am Ende des Teils 9 besitzt. An der Übergangsstelle zwischen den beiden Teilen 9 und 10 ist ein Ansatz ausgebildet, gegen den ein flanschförmiger Vorsprung 14 einer hohlzylindrisehen Metallhülse 13 anliegt, dessen Umfangsflache gegen die Innenfläche des Teils

10 des Hohlraums anliegt. Dadurch liegt die Metallhülse 13 konzentrisch innerhalb des Hohlraums in der Hauptkatode 6.

Ein zylindrischer Bauteil 15 mit einem Keramikeinsatz 16, durch dessen mittlere Bohrung eine stabförmige Zündelektrode 17 geführt ist, ist innerhalb des Teils 10 des Hohlraums angeordnet und · liegt von der freien Seite her gegen den flanschartigen Ansatz H der Metallhülse 13 an. Die Zündelektrode 17 endet nahe am weiter innen liegenden Ende der Metallhüise 13 und besitzt etwa den gleichen Durchmesser wie der schmälste Teil der Mittel-Öffnung 12. Die nach innen gewandte Oberfläche 18 des Keramikeinsatzes 16 ist mit einer geeigneten, ein aktives Gas speichernden Substanz, z. B. Titanmetall, überzogen. In dem Überzug ist eine ringförmige Kerbe 19 geschnitten, die die Zündfunkenstrecke darstellt, deren eine Seite über die Metallhülse 13 und den Bauteil 15 und deren andere Seite über die Zündelektrode 17 mit einer Spannungsquelle 20 an der Außenseiteödes Funkenstreckenschalt ers verbunden ist.

Die Stirnwand 2 und das Mittelstück 3 können aus irgendeinem gasdichten, nichtleitenden Material bestehen, das mit Metallelektroden hermetisch dicht verschweißt werden kann. Für diesen Zweck sind am besten Coors y-200 und American Iava-T-164 sowie Aluminiumoxid- oder Forsterit-Keramiken geeignet, die jedoch nur als AuBführungsbeispiele genannt sind.

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Die Haüptelektroden 6 und 7 bestehen aus Kupfer, das. frei von Gasen oder Verunreinigungen ist, die bei Zersetzung

—7 Gase erzeugen. Das Kupfer sollte weniger als 10 Atomteile aller vorhandenen Gase oder gasbildenden Verunreinigungen enthalten, so daß beim Brennen des Hauptbogens der Gasdruck im Funkenstreckenschalter stets unterhalb von 10 mmHG bleibt. Ein derartiges Material kann man nach einem besonderen Zonenreinigungsverfahren herstellen, wie es beispielsweise in der US-Patentschrift 3 234 351 beschrieben ist. Die Platte 5 und der Anodenhalter 21 brauchen die für die Hauptkatoden 6 und 7 geforderten Eigenschaften nicht zu besitzen, da sie nicht mit einem elektrischen Bogen in Berührung sind und daher keine potentiellen Quellen für vakuumverderbende Gase sind.

Die Zündelektrode 17 kann zweckmäßigerweise aus einem hitze« beständigen Metall, z. B. Wolfram oder Rhenium, bestehen. Die Metallhülse 13 besteht zweckmäßigerweise ebenfalls aus einem hitzebeständigen Metall, Z₉ B. Molybdän oder Wolfram, das für die Temperaturen am Fußpunkt des Bogens geeignet ist. Die Innenflächen dieses Metalls sind jedoch mit einer Substanz überzogen, die als Speicher für aktive Gase, z„ B. Wasserstoff, dienen kann und vorzugsweise ein Titanmetall oder Titanhydrid enthält«

Der Überzug auf der Hetallhülse 13 kann auch aus einem ein Hydrid bildenden Metall bestehen. Der Überzug kann ferner aus einem Metall mit einem im Vergi eich zu Wolfram und Rhenium hohen Dampfdruck gebildet werden, dessen Siedepunkt über 1500° C aber unterhalb 5000° C liegt und dessen Austrittsarbeit vorzugsweise mehr als vier Elektronenvolt beträgt» Derartige Metalle sind beispielsweise Kupfer, Beryllium, Zinn, Aluminium, Eisen, Nickel, Kobalt und Blei. In diesem Fall liefert der metallische Überzug selbst die Träger, um einen Durchschlag der Hauptfunkenstreoke zu veranlassen.

Beim Herstellen des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 1 werden

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zunächst die Hauptelektrode!! aus hochreinem Kupfer öder anderen geeigneten Materialien hoher Reinheit hergestellt. Die Hauptanode 7 und der Schutzschirm 22 werden mit dem Anodenhalter 21 verschweißt, verlötet oder auf andere Weise fest verbunden. Die Hauptkatode 6 wird z. B. durch Schweißen an der Platte 5 befestigt. Die Metallhülse 13 aus Molybdän wird hergestellt, und ihre Innenwand wird mit einem geeigneten, ein Gas speichernden Überzug versehen, z. B_e einer dünnen Schicht aus Titan oder einem geeigneten Metall mit einem niederen Dampfdruck, beispielsweise Kupfer oder Beryllium« Die Zündelektrode 17 wird in den Keramikeinsatz 16 eingesetzt, der dann auf seiner innen liegenden Oberfläche 18 mit einem Titanüberzug versehen wird. Die Zündelektrode kann auch unbeschichtet bleiben. Durch den Titanüberzug und teilweise noch durch den Keramikeinsatz wird eine Kerbe 19 geschnitten, und anschließend wird der Keramikeinsatz zusammen mit der Zündelektrode am Bauteil 15 aus Molybdän befestigt. Die auf diese Weise angefertigte Zündelektrodenanordnung wird in die Hauptkatode 6- eingebaut und zwischen dem Bauteil 15 und der Hauptkatode 6 in geeigneter Weise mit der Hauptkatode verschweißt*

Die Hauptkatode 6 und die mit ihr verbundenen Teile werden mit dem zylindrischen Mittelstück 3 des Gehäuses verbunden. Die Stirnwand 2 wird darüber gelegt und die Hauptanode mit den dazu gehörigen Teilen wird auf geeignete Weise mit der Stirnwand 4 verschweißt. Die beiden Stirnwände werden dann durch ein geeignetes Metall-Keramik-Schweißmittel hermetisch dicht ,zu dem Gehäuse 1 verbunden. Dies kann in Anwesenheit eines aktiven Gases unter geeignetem Druck, z. B. in einem Wasserstoffofen mit Wasserstoff unter einer Atmosphäre durch_o geführt werden, so daß die das aktive Gas speichernde Substanz ° beim Abkühlen das aktive Gas einfängt und dadurch den Druck auf

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co einen Wert von 10 mmHg oder weniger erniedrigt. Es kann jedoch to auch ein Evakuierung3stutzen 23 mit einer Vakuumpumpe verbun- ^ den werden, mit der der Funkenstreckenschalter evakuiert, dann <*> gefüllt und schließlich fest verschlossen wird, nachdem die k> Metall—Keramik-Verschweißungen beendet sind. Wenn ein Metall mit niedrigem Dampfdruck verwendet wird,, benötigt man kein aktives Gas und der gesamte Vorgang kann im Vakuum ausgeführt werden.

Beim Betrieb wird eine HoGhspannungsquelle, im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Gleichspannungsquelle mit einer Spannung von einigen Hundert Kilovolt, mit dem Anodenhalter 21 und der Platte 5 verbunden, wobei aufgrund der hohen Durchschlagsfestigkeit des Vakuums in der Hauptfunkenstrecke 8 kein Durchbruch erfolgt. Andererseits kann zusätzlich eine gleiche Zündelektrodenanordnung, die in den Fig. 1 und 2 in Verbindung mit der Hauptkatode 6 gezeigt ist, mit der Hauptanode 7 verbunden und der Funkenstreckensehalter an eine Wechselspannungsquelle oder-leitung angeschlossen werden,, In jedem Fall, also bei der Benutzung als Stromunterbrecher oder Entladeschalter für eine Kondensatorbank, sind die Hauptelektroden in Reihe mit einer Leitung verbunden, die einen hohen Strom führt, der einige hundert Kiloampere betragen kann» Eine geeignete Spannungsquelle 20 für zum Zünden des Zündbogens ausreichende Spannungsimpulse, z. B, Impulse von 50 bis 1000 Volt, wird an den Bauteil 15 und die Zündelektrode 1? gelegt., Dadurch werden auch Impulse an der Kerbe bzw» Zündfunkenstrecke 19 auf der Oberfläche, 18 des Keramikeinsatzes 16 erzeugt, so daß ein Vakuumdurchbruch erfolgte Die bei der Entladung erzeugte Hitze setzt den im (Titanhydroxid-) Überzug des Keramikeinsatzes gespeicherten Wasserstoff oder dergleichen frei, wodurch sich der Raum zwischen der Zündelektrode 17 und der Metallhülse 13 mit 'Gas füllt, das schnell ionisiert wird. Wenn ein Metall mit niedrigem Dampfdruck benutzt wird? dann dampfen die Metallionen ab und bild-.n einen lonen-Elektronen-Plasma«, Zwischen diesen beiden Bauteilen entsiSi-i .;iu alektrisoher Bogen. Da der Strom durch die Zündelektrode 17 uasii ούοη₀ durch den Bogen_s durch die Metallhülse 15 nach unten und durch den Bauteil 15 zurück zur Spannungsquelle fließt, werden in der Stroaischleife magnetische Kräfte wirksam, die auf den Bogen einwirken und diesen schnell nach oben durch die Mittelöffnung 12 drücken« Wenn der Bogen die Mittelöffnung erreicht, dann wird sine Slektronen-Ionen«Plasina«V/olke durch die Mittelöffnung 12 in die Hauptfunkenstrecke 8 injizierte De en dieses' eine Hochspannung liegt und in ihr ein holiefe elektrisches Feld

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herrscht, verursacht die Injektion der Elektronen-Ionen-Plasma-Wolke einen sofortigen Durchbruch der Hauptfunkenstrecke 8, so daß die Entladung eines hohen Stroms zwischen den Hauptelektroden 6 und 7 eingeleitet wird. Da das dem Hauptbogen nahe liegende Ende der Mittelöffnung 12 etwa den gleichen Durchmesser wie die Zündelektrode 17 aufweist, wird das Innere der Zündelektrodenanordnung bzw. die Zündfunkenstrecke gegenüber der Hauptfunkenstrecke abgeschirmt, so daß sich der Hauptbogen nicht in zerstörender Form bis in die Hähe der Zündfunkenstrecke ausbreitet oder Metalldämpfe, die von den Elektroden 6 und 7 entwickelt werden _Y sich abkühlen und auf der Zündfunkenstrecke kondensieren und sie kurzschließen. Es ist daher ein Betrieb des Funkenstreekenschalters unter nahezu gleichbleibenden Bedingungen in bezug auf die Durchbruchsspannungen und Durchbruchszeiten bei hohem Schaltspiel und großen Schaltfrequenzen sowie hohen Spannungen und Strömen gewährleistet.

Wenn die Ursache, die zum Entstehen der Hochstromentladung zwischen den Hauptelektroden 6 und 7 geführt hat, nicht mehr vorhanden ist, d. h. z. B, ein Fehler in einer Hochspannungsleitung beseitigt ist, oder ein Kondensator entladen ist, dann wird die Entladung zwischen den Hauptelektroden 6 und 7 gelöscht. Bei Wechselspannungsbetrieb ist dies immer dann der Fall, wenn die Spannung durch Null geht und die Hauptentladung wird, wenn sie nicht erneut gezündet wird, in weniger als einer Halbperiode gelöscht. Beim Gleichspannungsbetrieb, z. B. bei der Entladung eines Kondensators, muß die Spannung vor dem Erlöschen des Bogens abgeschaltet oder die Kondensatorladung\ erschöpft werden. Nach dem Erlöschen des Bogens zwischen den Hauptelektroden 6 und 7 werden die Ladungsträger, d. h. die Elektronen und Metallionen, die von den Hauptelektroden 6 und 7 verdampft sind, sofort abgekühlt. Sie wandern dann entweder zu den Hauptelektroden oder zu den Innenwänden dee Schutzschirme 22, wo sie aus der Atmosphäre entfernt werden, so daß im Funkenstreckenuchalter wieder ein Hochvakuum gebildet wird. Da der Durchmesser der Zündelektrode 17 etwa gleich dem kleinsten Durchmesser der Mittelöffnung 12 ist, können fas#ceine

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Metalldämpfe hindurchgehen und sich auf der Zündfunkenstrecke kondensieren. Da nach dem Erlöschen der Hauptentladung das Vakuum nahezu sofort wiederhergestellt ist, ist der Funken-Streckenschalter nach einer Zeit von einigen Mikrosekunden zum erneuten Zünden bereit. Da schließlich- der nächste Zündvorgang von einem weiteren Zündimpuls ausgelöst wird, sind die Durchbruchs eigenschaft en der Haupt funkenstrecke nicht von der Vorgeschichte derselben abhängig»

Beim Wechselspannungsbetrieb können in bekannter Weise zwei Spannungsquellen für die Zündimpulse verwendet werden, oder es werden mit der gleichen Spannungsquelle beiden Elektroden Iispulse zugeführt. Wenn die Spannungsquelle geerdet ist und diePotentiale beider Leitungen ein vorbestimmtes Verhältnis zum Erdpotential aufweisen, dann erscheint der Zündimpuls nur zwischen der gegenüber dem Erdpotential am meisten negativen Elektrode und dieser zugeordneten Zündelektrode.

Die Mg· 3 und 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung. Gegenüber dem Ausführungsbeis'piel nach den Mg. 1 und 2 sind nur die Hauptkatode und die dsu gehörige Zündelektrodenanordnung verändert. Die restlichen !eile sind gleich. In der Hauptkatode 6 ist eine axiale Bohrung vorgesehen, in der eine Zündelektrodenanordnung untergebracht ist. Die Zündelektrodenanordnung enthält einen Metallzylinder 25, z. B, aus Molybdän, dessen äußere Oberfläche im wesentlichen zylindrisch ist, und dessen innere Oberfläche einen näher der Außenseite des Gehäuses liegenden zylindrischen Abschnitt aufweist, der in einen gekrümmten Abschnitt übergeht, der symmetrisch zur Mittelachse und in bezug auf diese konvergentdivergent ist· Dieser Abschnitt besitzt die Form eines Hohlzylinders, dessen Innenquerschnitt von einem relativ großen Wert am einen Ende auf einenrelativ kleinen Querschnitt 26 etwa in seiner Hitte übergeht und dann bogenförmig wieder auf einen relativ groüen Querschnitt am anderen Ende anwäaliat«, Im zylindrischen Abschnitt sitzt mit Paßsitz eine zur Ztindelektrodenanordnung gehörende ringförmige Keraaiksoheibe 27,

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deren nach innere/eisende Oberfläche 28 mit einer ringförmigen Kerbe 29 versehen ist» Die Keramikscheibe liegt gegen einen Ansatz 30, der im Übergang zwischen dem zylindrischen und dem gekrümmten Abschnitt an der Innenseite des Metallzylinders ausgebildet ist,» Eine Zündelektrode 31 mit einem innen liegenden Teil 32 mit vergrößertem Querschnitt ist an der nach innen weisenden Oberfläche der Keramikscheibe 27 mit dieser verbunden und bildet eine hermetische Dichtung rait dieserο Der Hauptteil der Zündelektrode 31 ragt durch eine mittlere Bohrung in der Keramikscheibe 27 und ist an seinem Ende mit einem Anschluß 33 für die Zündelektrode verbunden«,

Beim Betrieb von Funkenstreekenschaltern und besonders beim Hochspannungsbetrieb besteht stets die Gefahr₉ daß zwischen der Zündfunkenstrecke und der Hauptanode sofort nach Bildung eines Elektroden-Ionen—Plasiaas in der Nähe der Zündfunkenstrecke ein Bogen entsteht_β üei αem Ausführungsbeispiel nach den Figo "3 und 4 ist dies nicht möglich« Beim Durchschlagen eier Zündfunkenstrecke 23 nach Anlegen eines Zündimpulses v.'irö durch die Mittelöffmoag 34 ein Plasma ge drückt _o Wegen der Einengung des Raums zwischen der Zündelektrode 32 und dem nach innen gekrümmten Teil der Innenseite des Metallzylinders 25 kann der Haiip'ebogen sich nicht bis in die Nähe der Zündfiinkenstrecke ausbreiten_f ohne daß ein größerer Energiebetrag aufgebracht wird_f als notwendig ist_f um den Bogen an der Mittelöffiiung über der Einengung 26 enden zu lassen₀ Daher kann eier Pußptinlct öss Bogens im äußersten Fall nahe der Einengung 26 in äev I£ittelöffining 34 liegen*=

Bsr Betrieb des FiiLifeenstreckenschalters nach den Figo 3 und is"fe älinlich wie der des Ansfillirungsbeispiels nach den Fig«, I iwÄ 2ο Beisi Anlegen eines lündimpulses τοπ "beispielsweise !5G ■ bis lOOOYolt s¥;isGhsa die Platte 5 und den Anschluß 33 schlägt die gimdfmik®ii.strecks 29 &w?dh₉ und ein Elektronen-lonen-

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Plasma wird in die Einengung 34 injiziert, so daß zwischen den Hauptelektroden 6 und 7 der Hauptbogen gezündet wird. Wenn beim Hochspannungsbetrieb der Bogen schnell gebildet werden soll, dann kann er sich der Zündfunkenstrecke höchstens bis zur Einengung 26 annähern. Beim Betrieb wird außerdem die Zundfunkenstrecke gegen Kurzschlüsse oder Widerstandsverluste abgeschirmt, die durch die Kondensations von Metallteilcheh auf ihr entstehen können, da die ringförmige Kerbe stets im Schatten des gekrümmten Abschnitts des Metallzylinders 25 liegt.

Erfindungsgemäß wird bei beiden Ausführungsformen duidi die Hauptfunkenentladung auf der negativen Hauptelektrode ein Katodenfleck mit geringerer Energie gebildet als der Hauptbogen aufweisen müßte", um durch einen eingeengten bereich der Zündelektrodenanordnung bis zur Zündfunkenstrecke vorzudringen, Das gilt insbesondere für das in den Fig. 3 und 4 gezeigte Ausführungsbeispiel₀

Während die bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung hauptsächlich dazu dienen, daß der Hauptentladungsbogen daran gehindert wird, auf der Zündeinrichtung Fuß zu fassen und die Zündeinrichtung zu beschädigen, sollen im folgenden weitere erfindungsgemäße Maßnahmen beschrieben werden, die unter gewissen Umständen notwendig sind« Wenn beispielsweise bei einer Spannung von einigen Kilovolt Ströme in der Größenordnung von 100000 Ampere unterbrochen werden sollen, dann beginnen die Hauptelektroden zu schmelzen und größere Teilchen abzustoßen. Wenn die Zündfunkenstreckeneinrichtung senkrecht angeordnet ist, wobei sich die Zündstrecke in dem unteren Teil der Anordnung befindet, dann kann die Einengung oder Einschnürung zwischen der zentrischen Zündelektrode und der Öffnung in der Hauptelektrode durch die angesammelten Teilchen kurzgeschlossen werden. Diese Anordnung iüt in ein-

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zelnen in den Figuren 3 und 4 gezeigt und bildet den Schutz für die Zündstrecke. Ferner bestellt unter diesen Umständen die Möglichkeit, daß flüssiges. Elektrodenmatermaterial auf den Boden des Zündstreckendereiehes fällt und die Oberfläche des keramischen Isolators überdeckt, so daß die Zündstrecke kurzgeschlossen werden kann.

Das in Fig. 5 gezeigte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel enthält eine Zündelektrodenanordnung, bei der diese Nachteile beseitig sind. Die in Fig. 5 gezeigte Zündelektrodenanordnung 39 hat einen hohlen Zylinder 40, der sowohl elektrisch als auch mechanisch mit einer Scheibe 4I mit einer Öffnung fest verbunden ist. Die Scheibe 4I ist an einen Elektrodenhalter angeschweißt oder angelötet. Die äußere aktive Oberfläche der Elektrodenanordnung 39 umfaßt die obere Oberfläche 43 des zylindrischen Körpers 40 und die obere Oberfläche 44 eines Ringkörpers 45 mit einer konisch konkaven Innenöffnung«, Der Ringkörper 45 ist mit der Innenfläche des zylindrischen Körpers 40 elektrisch und mechanisch fest verbunden. Die obere Oberfläche des Ringes 45 schließt dabei mit der oberen Fläche des zylindrischen Körpers 40 eben ab. Ein Isolierring 46 ist unmittelbar unter der unteren Oberfläche des Ringkörpers 45 angeordnet und fest in eine Bohrung in der Unterseite des Ringkörpers 45 eingepaßt. Der Isolierring 46 bildet dabei einen Bund auf der Unterseite des ringförmigen Körpers 45ο Der Isolierring 46 lagert auf einer becherförmigen Zündelektrode 49 und ist an eine Schulter 48 der becherförmigen Zündelektrode angepaßt. Die Zündelelektrode 49 hat eine zentrische Öffnung in ihrem Boden. Der becherförmige Körper 49 bildet die Wände des Zündelektrodenhohlraums 50 und stellt elektrisch die Zündanode dar.

Die'Zündelektrode 49 ist auf einer Isolierscheibe 51 befestigt, die eine zentrische Öffnung aufweist. Die Isolierscheibe 51 wird von einer schraubenförmigen hitzebeständigen Metallfeter 53

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unterstützt. Die Schraubenfeder 52 drückt mit ihrer anderen Seite gegen die Scheibe 41 und hält die gesamte Zündelektrodenanordnung 39 fest zusammen. Eine Zündanodenleitung 53· erstreckt

troden ■
sich durch die hohle Elek^ialterung 42 und .durch, die Öffnungen in der Elektrodenscheibe 41 sowie in der Isolierscheibe 51 nach, oben. Die Leitung 53 ist in die Öffnung der becherförmigen Elektrode 49. eingepaßt und mit ihr verschweißt oder verlötet, um eine feste mechanische und elektrische Verbindung zu bilden. Die Teile 40, 45_f 46 und 49 sind alle konzentrisch in bezug auf eine Längsachse angeordnet, die durch den Ringkörper 45 _t den Hohlraum 50- und die Zündano^denleitung 53 läuft»

Wie die die Bogenentladung unterstützenden Teile, so werden auch die Scheibe 41 und der zylindrische Körper 40 vorzugsweise aus einem hochreinen, gasfreien und hitzebeständigen Metall hergestellt, beispielsweise Molybdän« Das gleiche gilt für die Feder 52. Der Ringkörper 45 kann mit Kupfer, Beryllium oder einem anderen Metall mit einem hohen Dampfdruck überzogen werden. Die keramischen Isolierkörper 46 und 51 werden vorzugsweise aus demselben Material hergestellt wie die Isolierkörper 16 und 27, die in den Ausführungsformen der I*ig_o 1 bis 4 gezeigt sind. Ein geeignetes Material ist beispielsweise Forsterit-Keramik, Aluminium oder ähnliche Stoffe» Die Innenfläche des zylindrischen Keramikringes 46, der konzentrisch zur Längsachse der öffnung und des Hohlraumes verläuft, ist mit einer Metallschicht überzogen, die aktives Gas speichert, "beispielsweise Titan oder ein Metall mit einem hohen Dampfdruck wie. Kupfer oder Beryllium. In der Innenfläche des Keramikringas 46 bildet eine ringförmige Kerbe eine Zündstrecke 54a An. die Kerbe 54 grenzen unmittelbar zwei elektrisch leitende Films 55 und 56 an, die ein ionisierberes metallischem Ms/äerialL liefern.

Im folgenden soll"" die Arbeiteweis® der in Pig. 5 κ ^1*1; ^ Elektrodenanordnung beschrieben werden_s öl- mit "sr- iJr%'-.okri--.:

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deneinrichtung gemäß der Erfindung die zuvor genannten Nachteile vermeidetο Die in Fig. 5 gezeigte Elektrodenanordnung kann auch auf der Scheite 5 angeordnet werden. Abweichend davon kann.die gezeigte Elektrodenanordnung auch derart aufgebaut werden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Unabhängig von dem besonderen Aufbau wird der Hauptkörper der Elektrode im allgemeinen mit dem negativen Pol der angelegten Spannung verbunden und an die Zündanodenleitung 53 wird eine (im Vergleich zur Klemmenspannung) etwas positivere Zündsignalspannung gelegt. Der obere Zündstreckenteil mit dem ionisierbares Material liefernden Film 55 kann über den Ring 45 sowie die Bauteile 40, 41 und 42 an den einen Pol der elektrischen Leitung gelegt werden, an die der Zündfunkenschalter angeschlossen ist. Der andere Teil der Zündfunkenstrecke mit dem Film 56 ist über die becherförmige Elektrode 49 und die Zündanodenleitung 53 an eine Spannungsquelle angeschlossen, die positive Spannungsimpulse liefert· Beim Auftreten eines derartigen Impulses schlägt die Zündstrecke durch«. Beim Durchschlagen entstehen entweder ionisierte aktive Gase, beispielsweise Wasserstoff, oder ionisiertes Metall von hohem Dampfdruck, beispielsweise Kupfer oder Beryllium, die den Hohlraum 50 der Zündelektrodenanordnung anfüllen und durch die Öffnung in dem ringförmigen Elektrodenkörper f5 in den Hauptelektrodenraum gelangen.

Die in den Hauptelektrodenraum eindringenden ionisierten Teilchen erzeugen dort zwischen der Katode 6 und der Anode 7 (wie bei den Ausführungsbeispielen in den Fig. 1 oder 3) ein Elektronen-Ionen-Plasma* das den Durchschlag der Hauptentladungsstrecke auslöste

Bei den Ausführungsbeispielen der j?1·;:. 1 und 3 ist die Zündstrecke 54 gegenüber den Hauptentladungsbogen zwischen den

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Hauptelektroden geschützt, wie es im einzelnen in den Fig. 2 und 4 gezeigt isto Es besteht keine Richtlinie zwischen dem Hauptelektrodenraum und der Zündstrecke 54, so daß keine metallischen Teilchen direkt zur Zündstrecke 54 gelangen können, um diese kurz zu schließen oder zumindest ihren hohen ./iderstand zu verringern. I)a die Zündstrecke ferner an einer senkrechten Wand und konzentrisch mit der Längsachse der Elektrodenöffnung und des Elektrodenhohlraumes angeordnet ist und von dem möglichen Auftreffpunkt von irgendwelchem geschmolzenen Bogenelektrodenmaterial oder irgendwelchen Elektrodenmaterialteilchen entfernt liegt, wird die Zündstrecke durch geschmolzenes Elektrodenmaterial oder große feste Elektrodenteilchen nicht kurzgeschlossen oder in ihrem Widerstand verminderte Diese Maßnahme kann man weiter ausbilden, indem man bei Zündfunkenschaltern für höhere Ströme die Tiefe der becherförmigen Elektrode 49 größer macht. Die in Fig. 5 gezeigte Zündelektrodenanordnung weist die Vorteile der in den Figo 2 und 4 dargestellten Anordnungen auf und hat noch einen weiteren zusätzlichen Vorteil, nämlich daß sie vor herabfallenden festen Teilchen oder flüssigem Elektrodenmetall geschützt ist, das die Zündstrecke bei starken Entladeströmen kurzschließen könnte. Abweichend davon kann die in Fig. 5 gezeigte Zündeiektrodenanordnung elektrisch und mechanisch von den Hauptelektroden isoliex-t sein, jedoch derart nahe bei der Hauptelektrodenentladungsstrecke angeordnet sein, daß sie deren Durchschlag auslöst wenn ihr ein Zündimpuls zugeführt wird. Das Durchschlagen der Hauptentladungsstrecke soll dabei genau so erfolgen, als ob die Zündelektrodenanordnung ein Teil einer Hauptelektrode sei.

Fig. 6 zeigt teilweise geschnitten einen Funkenstreckenschalter, der von den in dei, Fig. 1 und 3 gezeigten Ausführung beispielen abweicht. Bei der in Fig. 6 gezeigten Anordnung enthält

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jede der beiden einander gegenüberliegenden Hauptelektroden eine Zündelektrodeneinrichtung. Dieser Funicenstreckensehalter 23t daher zum Weehselstrombetrieb gut geeignet. Die Zündelektrodenanordnungen entsprechen im wesentlichen dem in Pi;;. Λ ;;ekieirtcn Aul bau _o Die z,üncfanoden sind an eine geerdete Impuls-IUOHe malschloss en, die in der Lage ist, einen positiven Spannungsimpuls zu liefern. Die Hauptbognnelektroden sind entweder einer zu schützenden, abzuschaltenden oder anderweitig zu überwachenden Spannungs- oder Stromleitung je nach dein Anv/endungszweck parallel geschaltet oder liegen mit ihr in Heine ο Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ständig eine der Bogenelektroden 6 oder 7 negativ und der positive Zündimpuls wird beiden Zündanoden zugeführt» Der Durchschlag entsteht bei derjenigen Zündelektrodeneinrichtung, die der negativeren Hauptelektrode zugeordnet ist„

Sin ';veit^cres Merkmal der in Fig. 6 gezeigten Anordnung ist eine Federbalgdichtung 60, die zwischen der Elektrodenhalterung und der Isolationsdurchführung 62 angeordnet ist, so daß die Elektrode 6 in bezug auf die Elektrode 7 hin- und herbewegt werden kann, um den Schaltkreis zu schließen oder zu unterbrechen. Anstelle der in Fig. 4 gezeigten Zündelektrodenanordnung könnte man auch die in den Fig. 2 oder 5 gezeigte-n Anordnungen in dem in Fig. 1 oder 6 gezeigten Ausführungsbeispiel benutzen, also entweder in dem Schalter mit zwei Zündelektrodenanordnungen oder in dem Schalter, bei dem die eine Hauptelektrode zum Schließen und Unterbrechen des Schaltkreises verschoben werden kann.

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Claims

Patentansprüche '

1. Funkenstreckenschalter mit einem evakuierten Gehäuse, das zumindest zum Teil aus elektrischem Isoliermaterial "besteht, so daß das Gehäuse mindestens zwei voneinander elektrisch isolierte Teile enthält, die auf einen Druck von 10 mm Hg oder weniger evakuiert sind, ferner mit zwei Hauptelektroden, die innerhalb des Gehäuses voneinander elektrisch isoliert sind und sich einander gegenüberstehend eine Hauptentladungsstrecke begrenzen, da durch ^: gekennzeichnet, daß mindestens eine der Hauptelektroden einen zentrischen Hohlraum aufweist, · der nahe bei derjenigen Oberfläche einen verengten Durchmesser aufweist, von deifder Hauptentladungsbogen ausgeht, daß in dem zentrischen Hohlraum eine Vorrichtung angeordnet ist, die bei Empfang eines elektrischen Signals .eine Plasmawolke in den Hauptbogenentladungsraum treibt, daß diese Vorrichtung eine Metall-Keramik-Grenzfläche mit einer Zündstrecke enthält, daß benachbart davon eine Einrichtung vorgesehen ist, die ein ionisierbares Material während des Ruhezustandes des Schalters bei einem Vakuum

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von 10 mm Hg oder weniger speichert und ionisierbare Teilchen nach dem Durchbruoh der Zündfunkenstrecke fireigibt, und daß eine Zündanode den zentrischen Hohlraum begrenzt und in elektrischer Verbindung mit der einen. Seite der Zündstrecke steht, und daß der Innendurchmesser: der Öffnung derart gewählt und in bezug auf die Zündatrecke derart angeordnet ist, daß die Zündstreoke von den Ein- . Wirkungen des hohen Bogenentladungsstromes zwischen den Hauptelektroden geschützt ist.

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2. Funkenstreekenschalter nach. Anspruch 1, d a d" u r c h gekennzeicJi η e t, daß als. aktives Gas Wasserstoff verwendet wird, der in einem Titanfilm gespeichert ist.

3. Funkenstreckenschalter nach Anspruch 1, d ad u r c h

ge k e η η ζ e i c h η e t, daß die Speichereinrichtung für das ionisierbare Material'ein Film aus einem Metall mit einem hohen Dampfdruck ist.

4« Funkenstreckenschalter nach Anspruch 1, da d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t, daß beide Hauptelektroden ortsfest angebracht sind. ,

5. lunkenstreckenscnalter nach Anspruch 1, d a du r c h

g e k en η ζ e i ohne t, daß mindestens eine der Hauptelektroden beweglich iet, um eine veränderbare Funkenstrecke zu begrenzen.

6. Funkenstreckenschalter nach Anspruch 1, da d u rc h g e k & η τα. ζ ei c h η e t, daß beide Haupt elektroden eine zentrische Bohrung aufweisen, in der eine Zundelektrodenanordnung vorgesehen ist.

7. Funkens treckenschalt^r nach Anspruch -1, d a du r c h g e k e η η ζ ei e~h η e t, daß sich die Zündanode nach oTaen bis an den.verengten !DurohmesBer der Öffnung erstreckt, um die Verbindungsöffnung zwischen der Hauptentladungsstrecke und dem zentrischen Hohlraum innerhalb der Hauptelektrode möglichst zu verhindern, so daß geschmolzene Teilchen von der Hauptentladungsstrecke am Eintreten in den Hohlraum gehindert werden und die Zündstrecke nicht erreichen können. .

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8. Funkenstreckenschalter nach. Anspruch 7, dadurch gekennze i c h η e t, daß die Mittelöffnung in der Hauptelektrode kegelstumpfförmig ausgebildet ist und daß die dieser Hauptelektrode zugeordnete Zündelektrode einen Durchmesser besitzt, der etwa gleich dem kleinsten Durchmesser der Mittelöffnung ist»

9· Funkenstreckenschalter nach Anspruch 7, d a durch gekennzeichnet, daß die Mittelöffnung achsensymmetrisch konvergent-divergent ist und etwa in ihrer Mitte den kleinsten Querschnitt aufweist, so daß keine Verbindungsgerade zwischen der Hauptentladungsstrecke und der Zündstrecke besteht, und daß sich die Zündanode bis in den Elektrodenteil mit der kleinen Querschnittsöffnung erstreckt, um eine weitere Abs±Lirmung der Zündstrecke vorzusehen.

10. Funkenstreckenschalter nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die Zündstrecke eine ringförmige Kerbe in der Innenwand eines ringförmigen metallisierten Isolierkörpers ist, der hinter der verengten Mittelöffnung angeordnet ist, daß die Innenwand des Isolierkörpers koaxial mit der Längsachse der Mittelöffnung verläuft, α daß die Zündanode becherförmig ausgebildet ist und hinreichend weit von der Zündstfcecke entfernt auf der gegenüberliegenden Seite der.Mittelöffnung angeordnet ist, so daß die becher-' förmige Zündanode die ausgeschleuderten festen und geschmolzenen Teile der Hauptelektroden aufsammeln kann, ohne dabei die elektrischen Eigenschaften der Zündstrecke zu beeinträchtigen.

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