Untersuchungen zur Optimierung eines Mehrkanal-Hochleistungsschaltsystems

Diplomarbeit von Stefan Insam

Zusammenfassung:

Durch Minimierung der Erosion sollte für ein Hochleistungsschaltsystem (Spannung größer gleich 15 kV, Strom größer gleich 100 kA, Entladezeit größer gleich 1 µs) auf der Basis eines radialen Mehrkanal-Pseudofunkenschalters die Lebensdauer erhöht werden.

Sämtliche Messungen wurden an einem schwach gedämpften Entladekreis mit einer Stromumkehr von 90 % und einer Kapazität von 2,2 µF, 6,6 µF bzw. 108 µF durchgeführt. Zur leichten Variation der Geometrie war jeder Schaltertyp lediglich mit einem Glasisolator versehen und mit O-Ringen gedichtet.

Es zeigte sich, daß beim radialen Schalterdesign, entgegen dem koaxialen Design, die Lebensdauer des Schalters für Entladezeit größer gleich 0,5 µs und Ströme größer gleich 30 kA durch die Erosion im unteren Bereich der Schalter-Hauptelektroden begrenzt wird. Es mußten also sowohl eine Geometrie als auch ein Material für die Elektroden gefunden werden, die eine möglichst geringe Erosion versprechen. Hierzu wurden Brennspuren- und optischen Untersuchungen sowie Lebensdauertests durchgeführt.

Einerseits wurden Schalter mit drei, fünf, sechs und sieben Entladekanälen untersucht. Wegen Problemen mit der synchronen Triggerung aller Kanäle scheinen aber nach wie vor drei Kanäle eine optimale Anzahl zu sein.

Andererseits konnte durch eine Verlängerung des Plasma-Laufweges bei konstanter Strompulslänge zwar eine Erosionsminimierung an einem 3-Kanal-Schalter festgestellt werden, jedoch wird durch einen längeren Strompuls dieser Effekt vernichtet.

Durch eine geometrische Veränderung des radialen Schalters kann also die Lebensdauer nicht erhöht werden.

Neben Messing (Ms) und Molybdän (Mo) als Elektrodenwerkstoff wurde, basierend auf den Ergebnissen früherer Untersuchungen, auch Siliziumkarbid (SiC) verwendet. Ein Vergleich zweier Tests bei 500 kA, einmal mit Mo und einmal mit SiC als Elektrodenmaterial, zeigt, daß bei Mo eine Entladung in Form eines Metalldampfbogens vorzuliegen scheint und im Gegensatz dazu SiC eine diffuse Entladung zwischen den Elektroden verursacht. Damit ist die Stromdichte bei SiC um Größenordnungen geringer als bei Mo, wodurch ein lokalisiertes Aufschmelzen der Elektroden vermieden wird. Der Einsatz von SiC als Elektrodenwerkstoff verspricht folglich eine deutlich längere Schalter-Lebensdauer als herkömmliche Materialien.

Für anwendungsorientierte Tests müssen die gefundenen Ergebnisse nun in einen "sealed-off"-Schalter in Metall-Keramik-Technologie umgesetzt werden.

Inhaltsverzeichnis:

0	Zusammenfassung	1
1	Einleitung	2
2	Grundlagen	4
2.1	Entladungsarten	4
2.1.1	Die Pseudofunkenentladung	4
2.1.2	Der Metalldampfbogen	6
2.2	Hochstromschalter	7
2.2.1	Das Thyratron	7
2.2.2	Das Ignitron	9
2.2.3	Die Funkenstrecke	10
2.2.4	Der Pseudofunkenschalter	10
2.3	Das Verhalten der Entladung im radialen Mehrkanal-Pseudofunkenschalter	13
3	Experimenteller Aufbau	18
3.1	Der Teststand	18
3.1.1	Der Entladekreis	18
3.1.2	Der Vakuumaufbau	22
3.2	Der Schalteraufbau	23
3.3	Der Ladungsträgerinjektionstrigger	24
3.4	Die Meßaufbauten	25
4	Experimentelle Ergebnisse	29
4.1	Variation der Kanalanzahl	29
4.1.1	Kurzzeitkamera-Aufnahmen	31
4.1.2	Brennspurenuntersuchungen	36
4.1.3	Diskussion	40
4.2	Variation des Plasma-Laufweges	41
4.2.1	Lichtleiter-Untersuchungen	42
4.2.2	Brennspurenuntersuchungen	49
4.2.3	Diskussion	56
4.3	Variation des Elektrodenmaterials	57
4.4	500 kA - Experimente	61
5	Zusammenfassung und Ausblick	65
	Anhang A Definitionen	68
	Anhang B Literaturverzeichnis	69