Abrissverhalten von Vakuumschaltlichtbögen bei Anwendung neuartiger Schaltkontaktmaterialien und Geometrien mit Überlagerung axialer Magnetfelder

Abstract:
Für Schaltaufgaben im Mittelspannungsbereich werden vorwiegend Vakuumleistungsschalter eingesetzt. Prinzipiell entsteht bei Schaltvorgängen im Augenblicksmoment der mechanischen Kontaktstücktrennung ein Lichtbogen, welcher im natürlichen Nulldurchgang des auszuschaltenden AC-Stroms von selbst verlischt. Im Vakuum brennt dieser gespeist aus verdampftem Kontaktwerkstoff gebildete Lichtbogen bei kleinen Strömen instabil und kann bereits vor dem Nulldurchgang abreißen. Bei diesem transienten Vorgang treten hohe Stromgradienten/Steilheiten auf. An angeschlossenen induktiven Verbrauchern können hierdurch bei Ein- und Ausschaltungen durch Resonanzeffekte hohe transiente Überspannungen auftreten und im schlimmsten Fall das Betriebsmittel irreversibel schädigen: Es kommt zu einem Durchschlag im Isolationsstoff. Das Abrissverhalten, der Choppingstrom Ich, eines Schaltlichtbogens kann mithilfe verschiedener Maßnahmen beeinflusst werden. Eine Möglichkeit besteht darin, durch geeignete Wahl des Schaltelektroden-Werkstoffs den Abrissstromwert in Richtung des Nulldurchgangs zu reduzieren. Für den Kontaktwerkstoff Wolframcarbid-Silber (WCAg), welcher in Schaltern für Schützschalthandlungen verwendet wird, liegt der Stromabrisswert Ich in einem Bereich von 0,7 bis 2,5 A. Bei Leistungsschaltern, die mit dem Werkstoff Kupfer-Chrom (CuCr) ausgerüstet sind, liegen diese Werte zwischen 4 und 6 A. Hier zeigt sich das grundlegende Einsatzgebiet dieser Schalter. In Schützschaltern ist ein niedriger Abrisswert zu priorisieren. Bei Leistungsschaltern müssen zudem hohe Kurzschlussströme sicher ausgeschaltet werden, ohne die Kontaktstücke durch verdampfenden Werkstoff stark zu erodieren. So ist das Stromabrissverhalten als zweitrangig einzustufen. Durch die Überlagerung eines externen axialen Magnetfelds bei einer Schalthandlung ergibt sich ein zusätzlicher Einflussfaktor. In diesem Beitrag werden neuartige Werkstoffkombinationen auf das Abrissverhalten hin untersucht. Für einen mit WCAg vergleichbaren Werkstoff zeigt sich eine Senkung der Abrisswerte bereits ohne Magnetfeldeinfluss. Schaltkontaktstücke aus einem weiteren Material verhalten sich ähnlich zu CuCr-Werkstoffen: Insgesamt treten höhere Abrisswerte mit einem Minimum bei etwa B ≈ 50 mT auf. Zusätzlich wird das Verhalten für hybride Kontaktstückgeometrien, bei denen die Schaltkontaktstücke aus zwei verschiedenen Werkstoffzusammensetzungen bestehen, näher untersucht.