DE4037893A1 - Hochspannungsleitung zur zufuehrung von hochspannungsimpulsen zu einer im wesentlichen induktiven last - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochspannungsleitung zur Zuführung von Hochspannungsimpulsen zu einer im wesentlichen induktiven Last, beispielsweise zu einem eine elektrische Spule enthalten­ den akustischen Druckimpulsgenerator.

Eine derartige Hochspannungsleitung, die der Verbindung eines elektrodynamischen Druckimpulsgenerators, wie er beispielsweise in der US-PS 46 74 505 beschrieben ist, mit einem Hochspan­ nungs-Impulsgenerator dient, ist in der EP-A-02 52 397 be­ schrieben. Bei der bekannten Hochspannungsleitung tritt das Problem auf, daß dem eigentlichen Hochspannungsimpuls höher­ frequente Störungen überlagert sind, die durch Reflexionen am Leitungsanfang und Leitungsende der Hochspannungsleitung be­ dingt sind. Dabei treten am Leitungsende Überspannungen auf, die kurzzeitig auf den doppelten Wert der Spitzenspannung des Hochspannungsimpulses ansteigen. Dies belastet die Isolations­ strecken der Hochspannungsleitung und des Druckimpulsgenerators sehr stark, so daß die Gefahr besteht, daß insbesondere der Druckimpulsgenerator infolge von elektrischen Spannungsüber­ schlägen vorzeitig ausfällt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochspannungs­ leitung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Lebensdauer insbesondere der Last aber auch der Hochspannungs­ leitung beeinträchtigende Überspannungen weitgehend vermieden sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Hochspannungs­ leitung zur Zuführung von Hochspannungsimpulsen zu einer im wesentlichen induktiven Last gelöst, welche am Leitungsanfang ein zu Beginn des jeweiligen Hochspannungsimpulses für eine wenigstens der Laufzeit des Hochspannungsimpulses von dem Lei­ tungsanfang zu dem Leitungsende und zurück entsprechende Zeit­ dauer und/oder am Leitungsende ein zu Beginn des jeweiligen Hochspannungsimpulses für eine wenigstens der Laufzeit des Hochspannungsimpulses von dem Leitungsanfang zu dem Leitungs­ ende entsprechende Zeitdauer zwischen Hin- und Rückleiter ge­ schaltetes, zumindest ein Bauelement enthaltendes Netzwerk auf­ weist, dessen Impedanz für die Grundfrequenz der Hochspannungs­ impulse wesentlich übersteigende Frequenzen wenigstens an­ nähernd dem Wellenwiderstand der Hochspannungsleitung ent­ spricht. Es wird also deutlich, daß zumindest zu demjenigen Zeitpunkt, zu dem die Gefahr des Entstehens von Leitungs­ reflexionen besteht, die Hochspannungsleitung wenigstens ent­ weder am Leitungsanfang oder am Leitungsende mit einer an den Wellenwiderstand der Hochspannungsleitung angepaßten Impedanz abgeschlossen ist, so daß Reflexionen mit nennenswerten Ampli­ tuden am Leitungsanfang bzw. am Leitungsende nicht auftreten können. An sich ist es nicht notwendig, daß die Netzwerke auch über die genannte Dauer hinaus wirksam sind, da dann keine schädlichen Überlagerungen der bis dahin stark gedämpften Leitungsreflexionen mit dem Hochspannungsimpuls zu Überspan­ nungen auftreten können. Allerdings ist es zweckmäßig, wenn wenigstens eines der Netzwerke ständig wirksam ist, da dann sichergestellt ist, daß auch während des Ausschwingens des durch die Induktivität der Last und zumindest die Leitungs­ kapazität der Hochspannungsleitung gebildeten Schwingkreises keine Leitungsreflexionen nennenswerten Umfanges auftreten können.

Ein ständig wirksames Netzwerk kann gemäß einer besonders be­ vorzugten Variante der Erfindung dadurch realisiert werden, daß am Leitungsende als Netzwerk ein RC-Glied vorgesehen ist, des­ sen Widerstand einen Widerstands wert aufweist, der wenigstens im wesentlichen dem Wellenwiderstand der Hochspannungsleitung entspricht. Diejenige Frequenz, ab der das Netzwerk im Sinne einer impedanzmäßigen Anpassung wirksam ist, kann dann durch Wahl des Kapazitätswertes des in dem RC-Glied enthaltenen Kon­ densators festgelegt werden.

Für den Fall, daß die Hochspannungsleitung zur Verbindung der Last mit einem einen über einen Hochspannungsschalter entlad­ baren Hochspannungskondensator aufweisenden Hochspannungs-Im­ pulsgenerator vorgesehen ist, ist nach einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß am Leitungsanfang in Serie zu dem Hochspannungskondensator und dem Hochspannungsschalter eine Drossel geschaltet ist, wobei die Drossel derart ausgelegt ist, daß die Grundfrequenz des Hochspannungsimpulses wesentlich übersteigende Frequenzen im Vergleich zu der Grundfrequenz dämpft. Hierdurch wird erreicht, daß die beim Schalten des Hochspannungsschalters erzeugten hochfrequenten Signalanteile gedämpft werden. Besonders zweckmäßig ist es, wenn gemäß einer Variante der Erfindung die Drossel als Sättigungsdrossel ausge­ bildet ist, die derart ausgelegt ist, daß sie während des Hoch­ spannungsimpulses in Sättigung geht. Dabei soll unter einer Sättigungsdrossel eine Drossel mit einem geschlossenen Kern aus geeignetem magnetisierbarem Material verstanden werden. Beson­ ders geeignet sich solche Kernmaterialien, die für die Grund­ frequenz des Hochspannungsimpulses wesentlich übersteigende Frequenzen Ummagnetisierungsverluste aufweisen, die höher als die Ummagnetisierungsverluste bei der Grundfrequenz des Hoch­ spannungsimpulses sind. Die Induktivität von Sättigungsdrosseln steigt bekanntermaßen ausgehend von der sogenannten Klein­ signal-Induktivität mit zunehmendem Strom relativ schnell auf einen Höchstwert und nimmt dann bei weiter zunehmendem Strom infolge der Sättigung des Eisenkernes allmählich bis auf einen kleinen Bruchteil des Höchstwertes ab. Dabei ist es zweckmäßig, die Sättigungsdrossel so auszulegen, daß sie während des Hoch­ spannungsimpulses kurz nach dem Betätigen des Hochspannungs­ schalters in Sättigung geht.

Unter die Grundfrequenz der Hochspannungsimpulse wesentlich übersteigenden Frequenzen sollen übrigens solche Frequenzen verstanden werden, die zum einen größer als die Grundfrequenz sind und denen zum anderen eine Periodendauer entspricht, die kleiner als die vierfache Signallaufzeit zwischen Anfang und Ende der Hochspannungsleitung ist, wobei unter der Grundfre­ quenz des Hochspannungsimpulses für den Fall, daß es sich bei dem Hochspannungsimpuls nicht um ein sinus- oder cosinusförmi­ ges Signal, sondern ein Signalgemisch von Sinus- bzw. Cosinus- Signalen unterschiedlicher Frequenz und/oder Phasenlage und/ oder Amplitude handelt, diejenige Frequenz verstanden werden soll, die der niedrigsten in dem den Hochspannungsimpuls bil­ denden Signalgemisch enthaltenen Frequenz entspricht. Unter einer dem Wellenwiderstand der Hochspannungsleitung wenigstens annähernd entsprechenden Impedanz soll eine Impedanz verstanden werden, die von dem Wellenwiderstand der Hochspannungsleitung um höchstens 30% abweicht.

Die Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen am Beispiel ihrer bevorzugten Verwendung, nämlich zur Verbindung eines zur Erzeugung akustischer Druckimpulse dienenden, eine elektrische Spule enthaltenden Druckimpulsgenerators mit einem ihn antrei­ benden Hochspannungs-Impulsgenerator, verdeutlicht. Es zeigen:

Fig. 1 in grob schematischer Darstellung eine der Verbindung eines Hochspannungs-Impulsgenerators mit einem akusti­ schen Druckimpulsgenerator dienende erfindungsgemäße Hochspannungsleitung,

Fig. 2 in Form eines Diagramms den zeitlichen Verlauf der Span­ nung am Ausgang einer herkömmlichen Hochspannungslei­ tung,

Fig. 3 mit gedehntem Zeitmaßstab die Störung S gemäß Fig. 2, und

Fig. 4 in Form eines Diagramms den zeitlichen Verlauf der Span­ nung am Leitungsende der erfindungsgemäßen Hochspan­ nungsleitung.

In der Fig. 1 ist ein elektrischer Hochspannungs-Impulsgenera­ tor 1 dargestellt, der mit einem akustischen Druckimpulsgene­ rator 2 mittels einer elektrischen Hochspannungsleitung 3 ver­ bunden ist. Der Druckimpulsgenerator 2 ist dabei in an sich be­ kannter Weise als elektromagnetischer Druckimpulsgenerator aus­ geführt. Er weist als wesentliche Komponenten eine schematisch dargestellte Primärspule 4 und eine nicht dargestellte Sekun­ därmembran auf, wobei die Sekundärmembran bei Beaufschlagung der Primärspule 4 mit Hochspannungsimpulsen hoher Stromstärke stoßartig angetrieben wird und Druckimpulse in ein an die Sekundärmembran angrenzendes, nicht dargestelltes akustisches Ausbreitungsmedium einleitet. Ein Druckimpulsgenerator dieser Art ist in der US-PS 46 74 505, deren Inhalt Bestandteil der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung sein soll, näher be­ schrieben.

Die zur Erzeugung von Druckimpulsen erforderlichen Hochspan­ nungsimpulse werden mittels des Hochspannungs-Impulsgenerators 1 erzeugt, der einen Hochspannungskondensator 5, eine zur Auf­ ladung des Hochspannungskondensators 5 auf Hochspannung dienen­ de Ladestromquelle 6 und als Hochspannungsschalter eine Funken­ strecke 7 aufweist. Letztere weist eine Hilfselektrode 8 auf, welche an ein Auslösegerät 9 angeschlossen ist, mit dem eine Einzelauslösung von Stoßwellen, eine periodische Folge von Auslösungen oder auch eine herz- und/oder atemgetriggerte Aus­ lösung von Stoßwellen in an sich bekannter Weise möglich sind.

Die Hochspannungsleitung 3 weist ein Triaxialkabel 10 auf, das einen von zwei konzentrisch angeordneten Außenleitern 11, 12 koaxial umgebenen Innenleiter 13 enthält. Dabei verbindet der Innenleiter 13 den einen Anschluß des Hochspannungskondensators 5 mit dem einen Anschluß der Primärspule 4 als Hinleiter. Der andere Anschluß der Primärspule 4 ist über den zwischen dem Außenleiter 12 und dem Innenleiter 13 befindlichen Außenleiter 11 als Rückleiter mit der einen Elektrode der Funkenstrecke 7 verbunden. Deren andere Elektrode ist unter Zwischenschaltung einer einen Kern K aus magnetisierbarem Material aufweisenden Sättigungsdrossel L mit dem anderen Anschluß des Hochspannungs­ kondensators 5 verbunden, an den auch die Ladestromquelle 6 an­ geschlossen ist. Der Außenleiter 12 ist beidseitig, also sowohl beim Hochspannungs-Impulsgenerator 1 als auch beim Druckimpuls­ generator 2, mit Masse verbunden, wobei auch die Gehäuse des Hochspannungs-Impulsgenerators 1 und des Druckimpulsgenerators 2 auf Erdpotential liegen. Parallel zu der Primärspule 4 ist ein RC-Glied R, C zwischen Hin- und Rückleiter, also zwischen den Innenleiter 13 und den Außenleiter 11, geschaltet. Der Hochspannungskondensator 5, die Ladestromquelle 6 und die Fun­ kenstrecke 7 sind also in einer solchen Weise miteinander ver­ bunden, daß sich der Hochspannungskondensator 5 bei Zündung der Funkenstrecke 7 unter Abgabe eines Hochspannungsimpulses über die Hochspannungsleitung 3 in die Primärspule 4 des Druckim­ pulsgenerators 2 entlädt und anschließend eine erneute Auf­ ladung des Hochspannungskondensators 5 mittels der Ladestrom­ quelle 6 erfolgt.

Durch die beschriebene Anordnung, die mit Ausnahme der Sätti­ gungsdrossel L und des RC-Gliedes R, C aus der EP-A-02 52 397 bekannt ist, wird der Vorteil erreicht, daß durch den Außen­ leiter 12 eine potentialfreie Abschirmung vorhanden ist, die gleichzeitig die Masseverbindung zwischen dem Hochspannungs-Im­ pulsgenerator 1 und dem Druckimpulsgenerator 2 herstellt. Dabei ist wesentlich, daß der die Masseverbindung herstellende Außen­ leiter 12 nicht stromdurchflossen ist - Rückleiter ist der Außenleiter 11 - und somit nennenswerte Potentialunterschiede zwischen den Enden des Außenleiters 12 und damit zwischen dem Gehäuse des Hochspannungs-Impulsgenerators 1 und dem des Druck­ impulsgenerators 2 nicht auftreten.

Bei dem Triaxialkabel 10 handelt es sich übrigens um ein Kabel, dessen Innenleiter 13 einen Isolierstoffkern 14 koaxial umgibt. Bei dem Innenleiter 13 handelt es sich also nicht um einen Draht oder eine normale Litze. Vielmehr ist der Innenleiter 13 ebenso wie die Außenleiter 11 und 12 als Leiter mit insgesamt kreisförmigem Querschnitt ausgeführt. Der Innenleiter 13 und die Außenleiter 11, 12 können beispielsweise als Drahtgeflecht ausgeführt sein, so wie dies in Fig. 1 angedeutet ist. Zwischen dem Innenleiter 13 und dem Außenleiter 11 ist eine Isolier­ stoffschicht 15 vorgesehen. In entsprechender Weise ist zwi­ schen den Außenleitern 11 und 12 eine weitere Isolierstoff­ schicht 16 vorhanden. Der Außenleiter 12 ist von einer Außen­ isolierung 17 umgeben.

Bei der Hochspannungsleitung gemäß der EP-A-02 52 397, die weder das RC-Glied R, C noch die Sättigungsdrossel L aufweist, ergibt sich für eine Ladespannung -U des Hochspannungskonden­ sators 5 am Leitungsende der Hochspannungsleitung, d. h. über den Anschlüssen der Primärspule 4 der in Fig. 2 in durchge­ zogenen Linien dargestellte Verlauf der Spannung U über der Zeit t. Demnach ist dem Hochspannungsimpuls der Länge T_i, der zum Zeitpunkt t_z durch Zünden der Funkenstrecke 7 ausgelöst wird und der unter idealen Verhältnissen den in Fig. 2 punk­ tiert angedeuteten Verlauf hätte, eine Störung S überlagert. Bei der Störung handelt es sich um eine vergleichsweise hoch­ frequente gedämpfte Schwingung, deren Periodendauer T_s wesent­ lich geringer als die Dauer T_i des Hochspannungsimpulses I ist. Die Störung S, deren Periodendauer T_s von der Länge der Hoch­ spannungsleitung 3 abhängt, kommt durch Reflexionen am Lei­ tungsende und am Leitungsanfang der Hochspannungsleitung 3 zu­ stande. Diese Reflexionen treten auf, weil weder die Primär­ spule 4, die für hohe Frequenzen eine vergleichsweise hohe Im­ pedanz aufweist, noch der Hochspannungskondensator 5 und die Funkenstrecke 7, diese weisen für hohe Frequenzen eine ver­ gleichsweise geringe Impedanz auf, im Hinblick auf den Wellen­ widerstand der Hochspannungsleitung 3 einen impedanzmäßig wenigstens im wesentlichen korrekt angepaßten Abschluß des Lei­ tungsendes und des Leitungsanfangs der Hochspannungsleitung 3 darstellen. Da die Störung S wie erwähnt durch Reflexion des Hochspannungsimpulses I der Spannung -U zustandekommt, treten am Anfang der Störung S durch Überlagerung des Impulses I mit der Störung S Überspannungen auf, deren Spitzenwert -2U, also das Doppelte der Spannung -U des Hochspannungsimpulses I, be­ tragen kann. Infolge der durch die Störung S bedingten Über­ spannung werden die Isolationsstrecken der Hochspannungsleitung 3 und des Druckimpulsgenerators 2 sehr stark belastet, so daß die Gefahr besteht, daß diese infolge von Spannungsüberschlägen vorzeitig ausfallen. Im Anschluß an den Impuls I mit überlager­ ter Störung S tritt ein Ausschwingvorgang A mit der Perioden­ dauer T_a auf. Die Frequenz des Ausschwingvorganges A ist gleich der Grundfrequenz des Hochspannungsimpulses I, die durch den Induktivitätswert der Primärspule 4 und den Kapazitätswert des Hochspannungskondensators 5 bestimmt ist. Es wird somit deut­ lich, daß es sich bei der durch den Hochspannungsimpuls I und den Ausschwingvorgang A gebildeten ungestörten Signalform um eine stark gedämpfte Cosinusschwingung handelt, wobei die Impulsdauer T des Hochspannungsimpulses I gleich einem Viertel der Periodendauer T_a ist.

Im Falle der Erfindung ist das am Leitungsende der Hochspan­ nungsleitung 3 ständig zwischen den Hin- und den Rückleiter 13 und 11 geschaltete, durch das RC-Glied R, C gebildete Netzwerk derart dimensioniert, daß für Frequenzen, die im wesentlichen der Periodendauer T_s der Störung S entsprechen, eine Impedanz vorliegt, die wenigstens im wesentlichen dem Wellenwiderstand der Hochspannungsleitung 3 entspricht. Dies kann beispielsweise geschehen, indem der Widerstand R einen Widerstandswert auf­ weist, der wenigstens im wesentlichen dem Wellenwiderstand der Hochspannungsleitung 3 entspricht, und der Kapazitätswert des Kondensators C so gewählt ist, daß er für die Periodendauer T_s der Störung S entsprechende Frequenzen keine nennenswerte Impe­ danz und für die der Impulsdauer T_i entsprechende Frequenz also die Grundfrequenz des Hochspannungsimpulses I, eine im Ver­ gleich zum Wellenwiderstand der Hochspannungsleitung hohe Im­ pedanz aufweist. Am Leitungsanfang ist während der Impulsdauer T_i zwischen Hin- und Rückleiter 13 und 11 der Hochspannungslei­ tung 3 ein durch die Funkenstrecke 7, die Sättigungsdrossel L und den Hochspannungskondensator 5 gebildetes Netzwerk wirksam. Dabei ist die Kleinsignal-Induktivität der Sättigungsdrossel L derart gewählt, daß sie ungefähr der induktiven Komponente der Impedanz der Primärspule 4 entspricht. Außerdem ist die Sätti­ gungsdrossel L derart ausgelegt, daß sie während wenigstens ca. 90% der gesamten Impulsdauer T_i des Hochspannungsimpulses I im Zustände der Sättigung ist.

Im Falle der erfindungsgemäßen Hochspannungsleitung ist also am Leitungsende für die Grundfrequenz des Hochspannungsimpulses I wesentlich übersteigende Frequenzen ständig ein impedanzmäßig an den Wellenwiderstand der Hochspannungsleitung 3 korrekt an­ gepaßter Abschluß vorhanden. Zusätzlich werden am Leitungsan­ fang mittels der Sättigungsdrossel L die Grundfrequenz des Hochspannungsimpulses I wesentlich übersteigende Frequenzen gedämpft. Dies wirkt sich in der in Fig. 3 dargestellten Weise auf den zeitlichen Verlauf der Spannung U am Leitungsende aus. Demnach ist die Störung S bis auf einen extrem stark bedämpften Rest S′ praktisch vollständig verschwunden, so daß keine nennenswerten Überspannungen auftreten.

Obwohl es grundsätzlich möglich ist, sowohl am Leitungsanfang als auch am Leitungsende für einen impedanzmäßig angepaßten Ab­ schluß zu sorgen, lassen sich in der Regel gute Erfolge erzie­ len, wenn ein impedanzmäßig angepaßter Abschluß in nicht dar­ gestellter Weise nur am Leitungsanfang oder wie beschrieben nur am Leitungsende vorhanden ist.

Im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispieles weist die Hochspannungsleitung 3 ein Triaxialkabel 10 auf. Es können je­ doch auch beliebig anders aufgebaute Hochspannungskabel Ver­ wendung finden.

Die Erfindung wird vorstehend nur am Beispiel einer einen Hoch­ spannungs-Impulsgenerator mit einem eine elektrische Spule ent­ haltenden akustischen Druckimpulsgenerator verbindenden Hoch­ spannungsleitung beschrieben; sie kann aber überall dort Ver­ wendung finden, wo Hochspannungsimpulse einer induktiven Last zugeführt werden müssen.

Claims (7)

1. Hochspannungsleitung (3) zur Zuführung von Hochspannungs­ impulsen (I) zu einer im wesentlichen induktiven Last (4), wo­ bei am Leitungsanfang ein zu Beginn des jeweiligen Hochspan­ nungsimpulses (I) für eine wenigstens der Laufzeit des Hoch­ spannungsimpulses (I) von dem Leitungsanfang zu dem Leitungs­ ende und zurück entsprechende Zeitdauer, und/oder am Leitungs­ ende ein zu Beginn des jeweiligen Hochspannungsimpulses (I) für eine wenigstens der Laufzeit des Hochspannungsimpulses (I) von dem Leitungsanfang zu dem Leitungsende entsprechende Zeitdauer zwischen Hin- und Rückleiter (13, 11) geschaltetes, zumindest ein Bauelement (R, C) enthaltendes Netzwerk vorgesehen ist, dessen Impedanz für die Grundfrequenz des Hochspannungsimpulses (I) wesentlich übersteigende Frequenzen wenigstens annähernd dem Wellenwiderstand der Hochspannungsleitung (3) entspricht.

2. Hochspannungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk (R, C) ständig zwischen Hin- und Rückleiter geschaltet ist.

3. Hochspannungsleitung nach Anspruch 1 oder 2 da­ durch gekennzeichnet, daß am Leitungsende als Netzwerk ein RC-Glied (R, C) vorgesehen ist, dessen Wider­ stand (R) einen Widerstandswert aufweist, der wenigstens im wesentlichen dem Wellenwiderstand der Hochspannungsleitung (3) entspricht.

4. Hochspannungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wel­ che zur Verbindung der Last (4) mit einem einen über einen Hochspannungsschalter (7) in die Last (4) entladbaren Hochspan­ nungskondensator (5) aufweisenden Hochspannungs-Impulsgenerator (1) vorgesehen ist, dadurch gekennzeich­ net, daß am Leitungsanfang in Serie zu dem Hochspannungs­ kondensator (5) und dem Hochspannungsschalter (7) eine Drossel (L) geschaltet ist, wobei die Drossel (L) derart ausgelegt ist, daß sie die Grundfrequenz des Hochspannungsimpulses (I) wesent­ lich übersteigende Frequenzen dämpft.

5. Hochspannungsleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (L) als Sätti­ gungsdrossel ausgebildet ist, die derart ausgelegt ist, daß sie während des überwiegenden Teiles der Dauer (T_i) des Hochspan­ nungsimpulses (I) in Sättigung ist.

6. Hochspannungsleitung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (L) einen Kern (K) aufweist, der aus einem Material gebildet ist, das für die Grundfrequenz des Hochspannungsimpulses (I) wesentlich über­ steigende Frequenzen Ummagnetisierungsverluste aufweist, die höher sind als die Ummagnetisierungsverluste bei der Grundfre­ quenz des Hochspannungsimpulses (I).

7. Hochspannungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Last ein eine elektrische Spule (4) enthaltender akustischer Druck­ impulsgenerator (2) vorgesehen ist.