Über die Bewegung kontrahierter Lichtbögen in Vakuumschaltröhren

Abstract

Die Vakuumschalttechnik wird in der Mittelspannungsebene der elektrischen Energieversorgung als die Standardtechnologie eingesetzt. Die plasmaphysikalischen Gesetzmäßigkeiten zum Verhalten eines Lichtbogens während eines Ausschaltstromes wurden ausführlich an Modellanordnungen untersucht und bilden die Grundlagen für die Entwicklung der Vakuumschaltröhren. So ist die Bewegung von rotierenden kontrahierten Lichtbögen mit Hochgeschwindigkeitskameras mithilfe von Einblickfenstern aufgenommen und analysiert worden. Es wurden bis jetzt jedoch keine vergleichenden Untersuchungen zur Lichtbogenbewegung in unterschiedlichen konventionellen Vakuumschaltröhren durchgeführt, die üblicherweise ein intransparentes Gehäuse besitzen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuartiges Messverfahren verwendet, das nichtinvasiv mit Hall-Sensoren die magnetischen Felder aufnimmt und dadurch trotz opaker Isolierkeramik und Dampfschirm auf das Bewegungsverhalten des Lichtbogens schließen lässt. Sowohl mit Simulationen als auch Messungen wurde untersucht, dass höher leitfähige Dampfschirmmaterialien die zu messenden Magnetfelder in stärkerem Maße dämpfen. Es wird gezeigt, dass der Lichtbogen bei Spiralarmkontakten sich gegenüber Radial-Magnetfeld-(RMF-)Topfkontakten schneller bewegt, was sich jedoch mit fortschreitendem Alter der Schaltkontakte umkehrt, da der Lichtbogen die Magnetfeld erzeugende Kontaktformen unterschiedlich stark beeinflusst. Eine neue Erkenntnis ist zudem, dass das die Kontakte umgebende Gehäuse der Vakuumschaltröhre einen Einfluss auf die Lichtbogenbewegung ausübt. In engeren Gehäusen kann temporär eine höhere Dampfdichte erzeugt werden. Dadurch kann der Lichtbogen sich schneller bewegen, da sich das Entladungsplasma nicht ausschließlich aus neuem Kontaktmaterial speisen muss. Außerdem wurde der Einfluss von Wirbelströmen im Dampfschirm auf die Lichtbogenbewegung selber diskutiert. All diese Aspekte konnten in bisherigen Modellschaltern nicht untersucht werden.