Verhalten unterschiedlicher Kontaktsysteme in Vakuumleistungsschaltern bei hohen Schaltleistungen

Behavior of Different Contact Systems
of Vacuum Circuit Breakers under High Switching Capacity
ABSTRACT
The aim of circuit breakers is to interrupt high short-currents and to separate the
faulty equipment from the grid. In medium-voltage systems the vacuum circuit
breaker dominates with still increasing market share. There is a strong interest to
reduce the costs and the of interruption chambers, but keeping their breaking
capacity. The basic knowledge of the dominant phenomena is essential for further
improvement.
This dissertation deals with the breaking behavior of vacuum interrupters under
high current stress of 10 to 60 kA. The transient recovery voltage (TRV) level
during most measurements amount to 36 kV. Additionally, experiments were
carried out with TRV peaks up to 120 kV and with varying TRV steepness
du/dt. Switching tests were carried out in a single-phase synthetic test circuit. In
vacuum circuit breakers two different contact types are used to overcome the
consequences of arc constriction. Radial magnetic fields (RMF) force the constricted
arc to rotate and distribute its power more evenly on the contact surface.
Axial magnetic field (AMF) contacts prevent the arc from becoming constricted
up to higher thresholds. Arc and current-zero behavior of different AMF-contact
designs are discussed. Video sequences with a high-speed camera (20 000
frames/s) were taken to analyze the arc behavior of the different AMF-contact
types and of radial magnetic field (RMF) spiral contacts as well. To analyze the
period around current zero, post-arc current was measured. This is a direct indication
of the residual charge in the gap at current zero. The residual ionization
has a direct influence on the re-ignition tendency. The dissertation shows the
correlation between AMF, which due to eddy currents still exists when the current
approaches zero, and the post-arc behavior. Inhaltsverzeichnis
1 Einführende Betrachtungen
1.1 Der Vakuumschalter in der Energietechnik 1
1.2 Historie des Vakuumschalters 2
1.3 Aufbau der Vakuumschaltkammer 3
1.4 Stromunterbrechung im Vakuum 5
1.5 Die Kathodenflecken 6
1.6 Erscheinungsformen des Vakuumbogens und Bogenbeeinflussung 7
1.7 Der Stromnullbereich 14
1.8 Wiederzündmechanismen 18
1.9 Ziel der Arbeit 20
2 Versuchseinrichtungen
2.1 Die Versuchsanlage 22
2.2 Der elektrische Versuchskreis 23
2.3 Die Messtechnik 26
2.4 Der Versuchsschalter 29
2.5 Kontakt- und Schirmanordnungen 33
3 Durchführung der Schaltversuche und Auswertung der Messdaten
3.1 Vorbereitung der Schaltversuche 38
3.2 Durchführung der Schaltversuche und Prüfbedingungen 40
3.3 Auswertung der Messdaten 42
3.4 Filmaufnahmen mit der Schnellfilmkamera 44
4 Das Bogenverhalten bei verschiedenen AMF-Kontaktsystemen 46
4.1 Unipolares Kontaktsystem 49
4.2 Bipolares Kontaktsystem 57
4.3 Quadrupolares Kontaktsystem 68
4.4 Vergleich der verschiedenen Kontaktsysteme 76
Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen im Stromnullbereich
5.1 Zusammenhang zwischen Nachströmen
und Wiederzünden der Schaltstrecke 81
5.2 Nachströme in Abhängigkeit von der Stromstärke 89
5.3 Nachströme in Abhängigkeit vom du/dt der Einschwingspannung 90
5.4 Nachströme in Abhängigkeit vom Kontaktsystem/ Restmagnetfeld 94
5.5 Nachströme in Abhängigkeit vom Schirmmaterial 95
Öffnen der Kontakte kurz vor Stromnull
6.1 Unipolares Kontaktsystem 99
6.2 Bipolares Kontaktsystem 102
6.3 Quadrupolares Kontaktsystem 103
6.4 Auswirkungen des Öffnungszeitpunktes auf den
Stromnullmoment 105
Bogenverhalten von RMF-Kontakten 114
7.1 Bogen- und Rotationsverhalten 115
7.2 Rotationsgeschwindigkeiten 125
Zusammenfassung 128
Literaturverzeichnis 133
Abkürzungen 146
Symbole und Formelzeichen 147