Leiteranordnung für Hochstromanlagen Die Erfindung betrifft eine Leiteranordnung für Hochstromanlagen zum Anschluss einer Vielzahl von Einzelstromquellen mittels Koaxialkabel und zur in duktionsarmen Weiterleitung der gesammelten Ein zelströme an die Last, mit verwundenen und ge kröpften Teilelementen.
In bestimmten elektrischen Anlagen, beispiels weise für das Gebiet der Plasmaphysik, kommen ex trem hohe Stromstärken zurAnwendung. Diese Ströme werden aus Energiespeichern, beispielsweise Kon densatoren, stossweise entnommen und einer Last zu geführt, die vorwiegend aus einer einwindigen Spule besteht.
Um extrem hohe Stromscheitelwerte im Mo ment der Einschaltung zu erreichen, ist es erforder lich, die allein massgebenden induktiven Widerstände der Hochstromleitungen und Sammelschienen äus- serst gering zu halten. Es ist bekannt, derartige Lei tungen dadurch niederinduktiv zu machen, dass sie als Koaxialkabel ausgeführt werden.
Da die Strom quelle üblicherweise aus einer Vielzahl. von Konden satoren bzw. Kondensatorbatterien bestehen, werden Koaxialkabel bereits weitgehend als Verbindungs leitungen zwischen diesen zahlreichen Einzelstrom- quellen zur Last bzw. einer Sammeleinrichtung be nutzt.
Eine Sammeleinrichtung oder Kollektor ist notwendig, da es im Hinblick auf die relativ geringe räumliche Abmessung der Lastspule unmöglich ist, die zahlreichen Einzelkabel der Batterien unmittelbar an die Lastspule anzuschliessen. Es ist erforderlich, ein Bauelement zu schaffen,
das einerseits genügend Raum zum Anschluss der zahlreichen Einzelkabel bietet und andererseits den Hochstrom auf einem niederinduktiven Weg der beschränkt bemessenen Lastspule zuführt. Es ist klar, dass dabei der Energie- fluss eine aussergewöhnliche Steigerung der Energie dichte erfährt.
Bei der Konstruktion eines derartigen Schaltungs bauelementes, das gemäss seiner Aufgabe als Kol lektor bezeichnet wird, muss in erster Linie die be reits erwähnte Forderung einer extrem kleinen Eigen induktivität beachtet werden. Weiterhin sind gewisse Forderungen bezüglich der mechanischen Festigkeit zu beachten, denn infolge der ungewöhnlich hohen Stromstärken wirken beträchtliche mechanische Kräfte auf die einzelnen Leiterteile ein, die unter Um ständen zu einer Explosion des Bauelementes führen können.
Bei dem Bau derartiger Zwischenbauele mente, die zwischen der vorwiegend induktiven Last und der kapazitiven Energiespeicher die Energielei tung vermitteln, ist ferner zu beachten, dass hier ein schwingungsfähiges Gebilde vorliegt. Nach Auslö sung der Entladung tritt eine gedämpfte Schwingung mit einer Frequenz von mehreren Tausend Hertz auf. Diese relativ hohe Frequenz hat in Verbindung mit den extrem hohen Strömen zur Folge, dass sich ein beträchtlicher Hauteffekt ausbildet.
Die massiv ausgebildeten Leiterteile führen somit in einer relativ dünnen Oberflächenschicht nahezu den vollen Strom. Bei Änderung der räumlichen Stromflussnchtung, wie sie insbesondere an den Anschlusstellen infolge der notwendigen Verkröpfungen bzw. Verschränkun- gen auftreten, ergeben sich auf Grund des Hauteffek tes an den Übergangsstellen punktförmige Bereiche, in denen ungewöhnlich hohe Stromdichten auftreten.
Diese räumlich eng begrenzten Bereiche werden stark erwärmt und zeigen deshalb häufig Schmelz erscheinungen besonders an Verbindungsstellen.
Ein schematisches Beispiel einer bekannten Lei teranordnung für Höchstströme, insbesondere in For schungsanlagen der Plasmaphysik, ist aus Fig. 1 er sichtlich. Von einer nicht dargestellten Kondensator batterie wird über ebenfalls nicht dargestellte ge- triggerte Schaltfunkenstrecken die Lastspule 1 ge speist. Die Länge dieser Spule ist relativ begrenzt. Zum Anschluss der zahlreichen Kondensatoren ist ein Vielfaches von Koaxialkabeln 2 vorgesehen, die über einen Zwischenkollektor 3 an das Hauptsammel- schienenpaar bzw. an den Hauptkollektor 4 ange schlossen sind.
Es liegt nun die Aufgabe vor, den einzelnen Lei tungsteilen an den Verwindungs- und Verkröpfungs- stellen der Hochstromanlage eine Form zu geben, die die örtliche Stromdichtenkonzentrationen aufgrund des Hauteffektes, insbesondere an den Kanten band förmiger Stromschienen, vermeidet. Die Stromdichten sollen längs des Stromflusses konstant bleiben oder sich gleichförmig ändern. Im allgemeinen wird mit der Annäherung an die Last wegen deren beschränk ten räumlichen Abmessungen eine nicht unbeträcht liche Erhöhung der Stromdichte stattfinden.
Eine leichte Herstellbarkeit der verschiedenen Leitungs teile soll ausserdem sichergestellt sein.
Die Erfindung besteht darin, dass die Verwin- dungsflächen Teile eines Zylinder- oder eines Kegel mantels bilden.
In den Fig. 2 bis 5 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Der Grundgedanke der Erfindung beruht auf der Überlegung, dass eine Konstanz der Stromdichte bei Verwindungen und Verkröpfungen bandförmiger Lei ter beim Auftreten von Hauteffekten nur dann er reicht wird, wenn alle Werkstoffasern des Leiterquer schnittes bei der Formänderung weder gestreckt noch gestaucht werden. Anhand der Fig. 2 sei der Fall betrachtet, dass ein Band von relativ geringer Dicke von der Lage 5 in die Lage 6 verkröpft werden soll. Dies lässt sich unter Betrachtung der obigen Richt linien dadurch erreichen, dass dieses Band auf eine Zylindermantelfläche aufgewickelt wird.
Dieser Vor gang ist in Fig. 2 deutlich zu sehen. Bei der Auf wicklung nehmen alle Längsfasern des Bandes die Form von Schraubenlinien an, wobei ihre gegensei tigen Abstände unverändert bleiben. Damit wird eine Streckung bzw. Stauchung der Materialfasern ver mieden. Die geringfügigen Dehnungsvorgänge in folge der endlichen Dicke des Bandes sollen hierbei vernachlässigt werden. Vor der Aufwicklung hat das Leiterband die in Fig. 3 dargestellte Form. Sind die beiden Richtungen 5 und 6 nach der Verkröpfung nicht parallel, sondern zueinander windschief, dann ist anstelle der Zylinderfläche eine entsprechende Kegelfläche für die Aufwicklung des Bandes zu be nutzen.
Durch den Aufwickelvorgang auf Zylinder- bzw. Kegelflächen kann ausser der Unversehrtheit der Ma terialfasern noch erreicht werden, dass die Krüm- mungsradien längs der Verwindungskante sich nach einer gewissen Vorschrift ändern. Auf Grund der elektrodynamischen Induktionsgesetze ist es bei Lei tern endlicher Dicke vorteilhaft, beim Übergang von einer Geraden in eine Krümmung und umgekehrt, die hrümmungsradien stetig ab- und schliesslich nach dem Scheitelpunkt der Krümmung wieder stetig zu nehmen zu lassen.
Diese Bedingung ist Vorausset zung dafür, dass der Hauteffekt, d. h. die Zusam- mendrängung der Stromdichte an der Oberfläche ihr geringstmögliches Ausmass annimmt. Dieser Vor gang ist etwa vergleichbar mit den laminaren Strö mungen von Flüssigkeiten in gekrümmten Kanälen.
In der Regel werden bei Hochstromanlagen aus Induktivitätsgründen eng aneinanderliegende Doppel leiter mit Isolationszwischenlagen verwendet. Die Verkröpfung durch Aufwicklung auf eine Zylinder fläche lässt sich auch mit Doppelleitern durchführen und bringt den weiteren Vorteil, dass die Isolations folie keine mechanischen Deformationen erleidet, wodurch ihre elektrische Spannungsfestigkeit voll er halten bleibt.
In den Fig. 4 und 5 ist ein technisches Ausfüh rungsbeispiel eines Leiterteiles für Hochstromanlagen dargestellt. Das an der Last anzuschliessende Ende 7 geht nach Verwindung um einen rechten Winkel und gleichzeitiger Verbreiterung in die Anschlussfahnen 8 über. In Fig. 5 ist die dazu gehörende Abwicklungs- fläche dieses Leiterteiles dargestellt. Die Begren zungskurven sind bei der Herstellung dieses Rohteiles gemäss der obengenannten Vorschrift über die all mähliche Ab- und Zunahme der Krümmungsradien ausgeführt.
Die Verkröpfung gemäss Aufwicklung auf einen Zylinder erfolgt bei zwei aufeinanderlie- genden Rohteilen gleichzeitig. Beide Leiterrohteile sind durch eine Isolierfolie 9 getrennt, die während des Verkröpfungsvorganges keine Materialbeanspru chung erfahren. Die Enden 7 der beiden Leiterele mente werden mit einem nicht dargestellten waag recht verlaufenden Sammelschienenpaar der Last verbunden.
An die Stirnseiten der jeweiligen Löt- fahnenenden 8 wird je ein Bündel von Koaxialkabeln angeschlossen. Die eng aneinanderliegenden Teil elemente gewährleisten eine niederinduktive Fort leitung von extrem hohen Stromstärken bei hoher Spannungsfestigkeit.
Conductor arrangement for high-current systems The invention relates to a conductor arrangement for high-current systems for connecting a large number of individual power sources by means of coaxial cables and for passing on the collected individual currents to the load in low-induction, with twisted and cranked sub-elements.
Extremely high currents are used in certain electrical systems, for example in the field of plasma physics. These currents are taken from energy storage devices, such as capacitors, in bursts and fed to a load that consists primarily of a single-turn coil.
In order to achieve extremely high current peak values at the moment of switch-on, it is necessary to keep the only decisive inductive resistances of the high-current lines and busbars extremely low. It is known that such lines can be made low-inductive in that they are designed as coaxial cables.
Since the power source usually comes from a variety. consist of capacitors or capacitor banks, coaxial cables are already largely used as connecting lines between these numerous individual power sources to the load or a collecting device.
A collecting device or collector is necessary because, in view of the relatively small spatial dimensions of the load coil, it is impossible to connect the numerous individual cables of the batteries directly to the load coil. It is necessary to create a component
which on the one hand offers enough space to connect the numerous individual cables and on the other hand supplies the high current to the limited-sized load coil on a low-inductive path. It is clear that the energy flow experiences an extraordinary increase in energy density.
In the construction of such a circuit component, which is referred to as a collector according to its task, the already mentioned requirement of an extremely low self-inductance must primarily be observed. Furthermore, certain requirements regarding mechanical strength must be observed, because due to the unusually high currents, considerable mechanical forces act on the individual conductor parts, which can lead to an explosion of the component under order.
In the construction of such Zwischenbauele elements, which mediate the power line between the predominantly inductive load and the capacitive energy store, it must also be ensured that an oscillatory structure is present here. After the discharge is triggered, a damped oscillation occurs with a frequency of several thousand Hertz. This relatively high frequency, in conjunction with the extremely high currents, results in a considerable skin effect.
The solid conductor parts thus carry almost the full current in a relatively thin surface layer. If the spatial flow direction changes, as occurs in particular at the connection points as a result of the necessary crankings or entanglements, the skin effect at the transition points results in punctiform areas in which unusually high current densities occur.
These spatially narrowly limited areas are strongly heated and therefore often show signs of melting, especially at connection points.
A schematic example of a known Lei ter arrangement for maximum currents, especially in research systems for plasma physics, is from Fig. 1 it is evident. The load coil 1 is fed from a capacitor battery, not shown, via triggered switching spark gaps, also not shown. The length of this coil is relatively limited. To connect the numerous capacitors, a multiple of coaxial cables 2 are provided, which are connected to the main busbar pair or to the main collector 4 via an intermediate collector 3.
The task now is to give the individual line parts at the twisting and cranking points of the high-current system a shape that avoids the local current density concentrations due to the skin effect, especially on the edges of ribbon-shaped busbars. The current densities should remain constant along the current flow or change uniformly. In general, a not inconsiderable increase in the current density will take place with the approach to the load because of their limited spatial dimensions.
Ease of manufacture of the various line parts should also be ensured.
The invention consists in that the twisting surfaces form parts of a cylinder or a cone jacket.
An embodiment of the invention is shown in FIGS.
The basic idea of the invention is based on the consideration that a constancy of the current density in the event of twisting and cranking of ribbon-shaped Lei ter when skin effects occur, it is only sufficient if all the material fibers of the conductor cross-section are neither stretched nor compressed when changing shape. On the basis of FIG. 2, consider the case that a strip of relatively small thickness is to be cranked from layer 5 into layer 6. Taking the above guidelines into account, this can be achieved by winding this tape onto a cylinder jacket surface.
This process can be seen clearly in FIG. When winding up, all the longitudinal fibers of the tape take the form of helical lines, with their mutual spacing remaining unchanged. This avoids stretching or compressing the material fibers. The slight expansion processes as a result of the finite thickness of the belt should be neglected here. Before winding, the conductor strip has the shape shown in FIG. If the two directions 5 and 6 after the cranking are not parallel, but skewed to each other, then a corresponding conical surface for winding the tape is to be used instead of the cylinder surface.
As a result of the winding process on cylindrical or conical surfaces, in addition to the intactness of the material fibers, it can also be achieved that the radii of curvature along the twisting edge change according to a certain rule. Due to the laws of electrodynamic induction, it is advantageous for conductors of finite thickness when transitioning from a straight line to a curvature and vice versa, to let the curvature radii gradually decrease and finally gradually decrease again after the apex of the curvature.
This condition is a prerequisite for the skin effect, i.e. H. the compression of the current density on the surface is as small as possible. This process is roughly comparable to the laminar flow of liquids in curved channels.
In high-current systems, for reasons of inductance, closely spaced double conductors with intermediate insulation layers are generally used. The cranking by winding on a cylinder surface can also be carried out with double conductors and has the further advantage that the insulation film does not suffer any mechanical deformation, which means that its electrical strength is fully retained.
4 and 5, a technical Ausfüh approximately example of a conductor part for high-current systems is shown. The end 7 to be connected to the load merges into the connection lugs 8 after being twisted by a right angle and simultaneously widening. In Fig. 5 the associated development surface of this conductor part is shown. The limiting curves are carried out in the manufacture of this blank according to the above rule on the gradual decrease and increase in the radii of curvature.
The cranking according to the winding on a cylinder takes place at the same time with two blanks on top of one another. Both conductor raw parts are separated by an insulating film 9, which experience no material stress during the cranking process. The ends 7 of the two Leiterele elements are connected to a not shown horizontally extending busbar pair of the load.
A bundle of coaxial cables is connected to each of the end faces of the respective soldering lug ends 8. The closely spaced sub-elements ensure a low-inductive transmission of extremely high currents with high dielectric strength.