Marxgenerator

Marxgenerator

Marx-Generatoren dienen der Erzeugung von Spannungsimpulsen sehr kurzer Zeitdauer und hoher Amplitude. Solche Impulse werden für Prüfzwecke und Versuche in der Hochspannungstechnik und zum Nachweis der Störfestigkeit in der elektromagnetischen Verträglichkeit benötigt. Hierfür haben sie oft einen vorgegebenen Zeitverlauf.
Weiterhin verwendet man Marx-Generatoren zur Speisung von Gaslasern (Impulslaser, zum Beispiel Stickstofflaser).

Der Ingenieur Erwin Otto Marx entwickelte den nach ihm benannten Hochspannungsgenerator im Jahre 1923.

Inhaltsverzeichnis

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. Bei dem Aufladen der parallelgeschalteten Kondensatoren addieren sich die Ladeströme, bei der anschließenden Reihenschaltung addieren sich die Spannungen der einzelnen Kondensatoren.

Einstufiger Stoßgenerator (Grundschaltung)

Grundschaltung eines einstufigen Stoßgenerators.

Nebenstehende 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.

Marx-Schaltung

Mehrstufige Anordnung nach Marx.

Zur Erzeugung von Impulsen höherer Spannung verwendet man eine mehrstufige Anordnung nach Marx wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Ein solcher Marx-Generator 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. Damit innerhalb extrem kurzer Zeit auf diese Weise alle Funkenstrecken zünden, müssen die Funkenstrecken sich optisch sehen können, denn das von einer Funkenstrecke ausgesendet UV-Licht vermindert die Spannungsfestigkeit der anderen Funkenstrecke und ist entscheidend für das fast gleichzeitige Zünden, nach dem am Prüfling die n-fache Stufenspannung liegt.

Aufladevorgang. Alle Kondensatoren werden parallel geladen.
Entladevorgang. Alle Kondensatoren sind über die Funkenstrecken in Reihe geschaltet.

Praktische Ausführung, Zündung und Betrieb

Triggerbare Schaltfunkenstrecke

Prinzipiell wäre es möglich, durch die Wahl der Schlagweiten der einzelnen Funkenstrecken die Zeit bis zur 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 auf diese Weise nicht exakt vorhersehbar ist.

Da man für Prüf- und Versuchszwecke den Augenblick des Zündens jedoch exakt festlegen möchte, benötigt man eine Möglichkeit, das Zünden des Generators zu einem bestimmten 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 Elektrode (1, siehe Bild) dieser Triggerstrecke ist mit einer Zündelektrode (2) ausgerüstet, welche gegenüber der Hauptelektrode isoliert angebracht ist. Sie wird mittels einer Keramikhülse (3) gehalten.

Im Augenblick der Zündung liefert ein Hilfsgenerator H einen Hochspannungsimpuls von einigen kV an die Zündelektrode, worauf sich zwischen dieser und der Hauptelektrode ein Überschlag bildet, der die Luftstrecke zwischen den beiden Kugeln ionisiert. Die Ionisation führt innerhalb kurzer Zeit (10 bis einige 100 ns) zum Durchschlag der Zündfunkenstrecke, was das Durchzünden aller anderen Funkenstrecken des Marx-Generators zur Folge hat.

Anwendungen

Prüfzwecke

Normierter Verlauf einer Blitzstoßspannung zu Prüfzwecken nach VDE 0432.
Normierter Verlauf einer Schaltstoßspannung zu Prüfzwecken nach VDE 0432.

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). In der Norm IEC 60-1 ist eine unipolare, aperiodische Schaltstoßspannung mit einer Scheitelzeit von 250 µs und einer Rückenhalbwertszeit von 2500µs vorgegeben.

Wissenschaft und Technik

Marx-Generatoren sind für folgende Zwecke einsetzbar:

Weblinks


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