ISBN 978-3-8439-0970-9

978-3-8439-0970-9, Reihe Energietechnik

Christian Peter Wolf
Experimentelle Untersuchung des Hochstrom-Vakuumbogens auf Transversal-Magnetfeld-Kontakten

170 Seiten, Dissertation Technische Universität Braunschweig (2012), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Im Bereich der Mittelspannungstechnik werden heutzutage überwiegend Vakuumleistungsschalter eingesetzt. Eine der hierbei verwendeten Kontaktbauarten ist der Transversal-Magnetfeld-Kontakt, welcher durch Kontaktdesign und Stromfluss ein magnetisches Feld erzeugt, das wiederum eine Lorentzkraftwirkung auf den beim Schalten entstehenden Lichtbogen nach sich zieht. Ziel der Hersteller und Forschungsinstitute ist es, zukünftig das Verhalten des Vakuumbogens in 3D-Computersimulationen abzubilden, bzw. vorherzusagen. Für einen Vergleich der Rechenergebnisse bedarf es umfangreicher experimenteller Untersuchungen.

In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle Untersuchungen des Vakuumbogens bei Ausschaltungen mit einem Vakuumversuchsschalter mit effektiven Stromstärken bis zu 60 kA vorgestellt. Hierbei werden Ergebnisse mit den beiden grundsätzlichen Kontaktgeometrien Spiralkontakt und Topfkontakt, wie sie auch in industriellen Schaltkammern verwendet werden, unterschieden. Stromstärke, Kontaktdurchmesser und Kontakthub stellen innerhalb der Versuchsreihen die Versuchsparameter dar.

Der Vakuumbogen wird bei den Versuchen aus zwei Perspektiven mit einer digitalen Schnellfilmkamera optisch aufgezeichnet, so dass eine dreidimensionale Vorstellung des Bogens im Kontaktspalt erzielt werden kann. Die Präsentation und Diskussion exemplarischer Aufnahmen des Bogenlaufs in Verbindung mit Strom- und Bogenspannungsverlauf und der aus den Aufnahmen abgeleiteten Kenngrößen des Vakuumbogenverhaltens bilden den Hauptteil der Arbeit. Als Kenngrößen werden Bogengeschwindigkeit, Fußpunktstromdichte und Rotationszahl betrachtet.

Ein an die in den Experimenten verwendeten Kontaktgeometrien angepasstes 3D-FEM-Simulationsmodell dient zur statischen Berechnung der Lorentzkraft auf den Vakuumbogen. Hierbei werden u.a. unterschiedliche Bogenpositionen im Kontaktspalt diskutiert und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen.

Zur berührungslosen Bestimmung der Schaltkontakttemperatur bei Stromnull werden abschließend zwei verschiedene optische Messmethoden vorgestellt und deren Messmöglichkeit theoretisch und anhand von orientierenden Messungen diskutiert.