Marx-Generator
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Marx-Generatoren dienen der Erzeugung von Spannungsimpulsen sehr kurzer Zeitdauer und hoher Amplitude. Solche Impulse werden für Prüfzwecke und Versuche in der Hochspannungstechnik benötigt. Hierfür haben sie oft einen vorgegebenen Zeitverlauf.
Weiterhin verwendet man Marx-Generatoren zur Speisung von Gaslasern (Impulslaser, z.B. Stickstofflaser).
Der Ingenieur Erwin Otto Marx entwickelte den nach ihm benannten Hochspannungsgenerator im Jahre 1923.
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[Bearbeiten] Funktionsweise
Marx-Generatoren basieren auf der Idee, eine große Anzahl an Kondensatoren parallel mit Gleichspannung auf die sogenannte Stufenspannung aufzuladen und diese Kondensatoren dann schlagartig in Reihe zu schalten.
Beim Aufladen der parallelgeschalteten Kondensatoren addieren sich die Ladeströme, bei der anschließenden Reihenschaltung addieren sich die Spannungen der einzelnen Kondensatoren.
Die folgende Abbildung zeigt den grundlegenden Aufbau eines einstufigen Stoßgenerators.
Über einen (nicht dargestellten) Hochspannungstransformator und einen Gleichrichter wird die Gleichspannung Ul (Ladespannung) zur Verfügung gestellt. Sie lädt über den Ladewiderstand Rl die Stoßkapazität Cs auf. Dieser Ladevorgang erfolgt in der Regel relativ langsam im Bereich von einigen zig Sekunden. Die Spannung am Stoßkondensator folgt hierbei einer e-Funktion und erreicht nach praktisch 5τ ihren quasistationären Endwert. Die Funkenstrecke Fs ist so eingestellt, dass sie beim quasistationären Endwert der Spannung gerade noch nicht durchschlägt. Über eine Zündeinrichtung (siehe unten) kann zu einem bestimmten Zeitpunkt die Funkenstrecke zum Überschlag gebracht werden. In diesem Augenblick bildet die Funkenstrecke einen geschlossenen Schalter, und die Ladespannung liegt am ohmschen Spannungsteiler, bestehend aus Rd und Re, an.
Die Belastungskapazität Cb ist Teil des Prüflings. Der zeitliche Verlauf der an Cb, und damit am Prüfling entstehenden Stoßspannung wird durch die Bauteilwerte des Generators sowie diejenigen des Prüflings beeinflusst. Zur Einhaltung eines normgerechten Stoßverlaufes zu Prüfzwecken sind Berechnungen und ggf. Versuche nötig.
Mit der dargelegten einstufigen Stoßschaltung kann am Prüfling keine höhere Spannung als die Ladespannung Ul erzielt werden. Für die benötigten Stoßspannungen bis zu einigen Millionen Volt wären extrem aufwändige Transformatoren und Gleichrichter notwendig. Man verwendet in Hochspannungs-Impulsgeneratoren deshalb eine mehrstufige Anordnung (Marx-Schaltung) gemäß folgender Abbildung.
Bei der mehrstufigen Anordnung nach Marx besteht aus einer Reihenschaltung von n der oben beschriebenen Stoßstromkreise. Man spricht dann von einem n-stufigen Marx-Generator.
Über die Ladegleichspannung Ul werden alle n Stoßkondensatoren Cs gleichzeitig aufgeladen. Die Ladewiderstände Rl begrenzen hierbei nicht nur den Ladestrom, sondern erlauben auch eine kurzzeitige Reihenschaltung der Kondensatoren mittels der Funkenstrecken. Die Schlagweiten der Funkenstrecken Fn sind so gewählt, dass die Strecken bei Erreichen der maximalen Ladespannung gerade noch nicht durchschlagen. Sind alle Stoßkondensatoren auf ihren quasistationären Endwert der Spannung aufgeladen, erfolgt mittels einer speziellen Zündfunkenstrecke F1 (Triggerfunkenstrecke, siehe unten) die Zündung der untersten Strecke, die daraufhin durchschlägt. An der nächsten Funkenstrecke F2 steht nunmehr die doppelte Ladespannung an, so dass F2 mit Sicherheit zünden wird. Innerhalb extrem kurzer Zeit zünden auf diese Weise alle Funkenstrecken, so dass am Prüfling die n-fache Stufenspannung liegt.
Die folgende Abbildung zeigt die Situation beim Aufladen des Stoßgenerators. Die Abstände der Funkenstrecken sind so gewählt, dass beim Erreichen der Ladespannung gerade noch kein Durchschlag erfolgt!
Die folgende Abbildung zeigt die Situation beim Entladen des Stoßgenerators.
[Bearbeiten] Praktische Ausführung, Zündung und Betrieb
Prinzipiell wäre es möglich, durch die Wahl der Schlagweiten der einzelnen Funkenstrecken den Augenblick der Zündung, und damit den Zeitpunkt des Beginns der Stoßspannung, festzulegen. In der Praxis spielen jedoch die Einflüsse der Luftfeuchtigkeit, der Sauberkeit der Kugeloberflächen und weitere Effekte eine große Rolle, so dass der Zeitpunkt des Zündens der Funkenstrecken nicht exakt festlegbar ist.
Da man für Prüf- und Versuchszwecke den Augenblick des Zündens jedoch exakt festlegen muss, benötigt man eine Möglichkeit, das Zünden des Generators zu einem frei wählbaren Zeitpunkt herbeizuführen. Hierzu werden alle Funkenstrecken im Generator so dimensioniert, dass sie bei Erreichen der quasistationären Ladespannung gerade noch nicht von selbst zünden. Die unterste Funkenstrecke in einem Marx-Generator ist als Trigger- oder Zündfunkenstrecke ausgebildet.
Eine der beiden Kugeln dieser Triggerstrecke ist als sogenannte Zündkugel (siehe Bild) ausgeführt. Sie trägt in ihrem Inneren einen Zündstift (2), welcher gegenüber der Kugel (1) isoliert angebracht ist. Die Isolation wird mittels einer Keramikhülse (3) sichergestellt. Im Augenblick der Zündung liefert ein Hilfsgenerator einen Hochspannungsimpuls von ca. 12 kV an den Zündstift, worauf sich zwischen Zündstift (2) und Zündkugel (1) ein Überschlag bildet, der die Luftstrecke zwischen den beiden Kugeln ionisiert. Die Ionisation führt innerhalb kurzer Zeit (10 bis einige 100 ns) zum Durchschlag zwischen den Kugeln (Zündfunkenstrecke), was wiederum das Durchzünden des gesamten Generators zur Folge hat.
[Bearbeiten] Anwendung zu Prüfzwecken
Hochspannungstechnische Betriebsmittel müssen den in der Praxis auftretenden Überspannungen standhalten. Man unterscheidet Überspannungen, welche durch direkte oder indirekte Blitzschläge im Energienetz auftreten können (Blitzstoßspannung oder äußere Überspannung) und solche, die durch das Ausführen von Schalthandlungen im Hochspannungsnetz auftreten (innere Überspannungen). Zünden während des Anstehens der transienten Überspannung Überspannungsableiter, so liegt aufgrund der hochfrequenten Anteile im Spannungsverlauf eine besondere Belastung für das Betriebsmittel vor, man spricht von einer abgeschnittenen Stoßspannung.
Um die Betriebsmittel hinsichtlich ihres Verhaltens bei Auftreten solcher transienter Netzüberspannungen zu testen, werden sie genormten Hochspannungsimpulsen ausgesetzt, welche mit Marx-Generatoren erzeugt werden.
Nebenstehende Abbildung zeigt den zeitlichen Verlauf einer zu Prüfzwecken erzeugten Blitzstoßspannung (durchgezogene Linie). Hierbei bedeutet Ts die Stirnzeit der Stoßspannung und Tr die Rückenhalbwertzeit. Typischerweise wird der Verlauf der Stoßspannung so gewählt, dass Ts = 1,2μs und Tr = 50μs betragen. Die gestrichelte Linie zeigt den Verlauf der sog. abgeschnittenen Stoßspannung.
Moderne Anlagen können Blitzstoßspannungen bis zu einigen Millionen Volt erzeugen.
Die Abbildung zeigt den zeitlichen Verlauf einer Schaltstoßspannung. Sie ist gekennzeichnet durch die Werte Tcr (Scheitelzeit) und T2 (Rückenhalbwertzeit).
[Bearbeiten] Weblinks
- http://www.electricworld.de/ Website mit Fachartikeln und Informationen zur Starkstromtechnik.
- http://www.haefely.com/ Website der Firma HAEFELY, Hersteller von Stoßspannungsgeneratoren und -testsystemen.
- http://www.ctc-labs.de 300kV Marx Generator, Funktionsweise und Bilder vom Betrieb
