Thermografische Anoden-Oberflächenuntersuchung von Transversal-Magnetfeld-Kontaktstücken beim Ausschaltvorgang des Hochstrom-Vakuumbogens

Vakuumleistungsschalter (VCB) für die Mittelspannungsebene stellen als Schaltgeräte eine entscheidende Komponente in der Energieversorgung dar. Beim Ausschaltvorgang möglicher Kurzschlussströme im Netz von bis zu 63 kA (RMS) entsteht eine erhebliche Belastung durch das Schaltplasma, welche der VCB aufgrund seiner besonderen Konstruktion der Schaltkontaktstücke sicher beherrschen kann. Ein weitverbreiteter Typ ist das Transversal-Magnetfeld-(TMF)-Schaltkontaktstück. Beim Ausschalten von hohen Strömen (> 10 kA) kommt es zur Aufschmelzung von Anoden-Oberflächenbereichen durch das Schaltplasma. Diese werden als Anodenflecke bezeichnet. Sie kühlen zum Stromnulldurchgang ab, wobei die Temperaturhöhe zu Stromnull eine wesentliche Rolle für den Erfolg des Ausschaltvorgangs spielt.

Im Rahmen dieser Arbeit werden die abkühlenden Anodenflecke zum Stromnulldurchgang bei konventionellen TMF-Schaltkontaktstücken aus dem Material Kupfer/Chrom 75/25 (gew. %) untersucht. Hierzu wird eine innovative Methode zur thermografischen Oberflächentemperaturmessung entwickelt, die für die Analyse der abkühlenden Anodenflecken bei Ausschaltvorgängen mit den effektiven Stromstärken von 20 kA, 25 kA und 31,5 kA angewendet wird. Die Ergebnisse zeigen einen detaillierten Einblick in die Abkühlvorgänge der Anodenflecke.

Die thermografische Oberflächentemperaturmessung setzt die Kenntnis des Emissionsgrades von Kupfer/Chrom 75/25 voraus, welcher in einem zusätzlichen experimentellen Aufbau messtechnisch erfasst wird. Der Emissionsgrad von Kupfer/Chrom 75/25 wird für den festen und flüssigen Zustand im Wellenlängenbereich von 1,5 μm – 1,7 μm bestimmt. Der daraus resultierende Verlauf des Emissionsgrades verbindet die gemessenen Strahldichten mit den entsprechenden Temperaturwerten.

Die Methode zur Oberflächentemperaturmessung im Zusammenhang mit der Emissionsgrad-Bestimmung ist auf diverse Schaltgeräte adaptierbar, sodass diese Arbeit eine allgemeine Grundlage darstellt.