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Eine Methode zur Erfassung der Bewegungscharakteristik von Schaltlichtbögen in Vakuumschaltröhren durch Messung der äußeren Magnetfeldverteilung

Rettenmaier, Thomas Frederik :
Eine Methode zur Erfassung der Bewegungscharakteristik von Schaltlichtbögen in Vakuumschaltröhren durch Messung der äußeren Magnetfeldverteilung.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Eine Methode zur Erfassung der Bewegungscharakteristik von Schaltlichtbögen in Vakuumschaltröhren durch Messung der äußeren Magnetfeldverteilung
Language: German
Abstract:

Das Ausschaltvemögen und das Verschleißverhalten von Vakuumleistungsschaltern der Mittelspannungsebene werden im Wesentlichen von der Interaktion des unvermeidlichen Schaltlichtbogens mit dem Kontaktsystem des Vakuumschalters bestimmt. Die etablierten Methoden Untersuchungen an Schaltlichbögen zur Grundlagenforschung sowie der Weiterentwicklung der Vakuumschalttechnologie wurden bisher hauptsächlich an speziell angefertigten Vakuumgefäßen durchgeführt. Diese gestatten es, durch Einblickfenster den Schaltvorgang mittels optischer Verfahren wie beispielsweise Hochgeschwindigkeitskameras zu beobachten. Diese Aufbauten unterscheiden sich jedoch durch ihr großes Vakuumvolumen und den fehlenden Metalldampfschirm von handelsüblichen Modellen erheblich. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Einsatz einer Methode sowie der nötigen Messtechnik, die auf der Außenseite einer handelsüblichen Vakuumschaltröhre installiert werden kann und an festen Positionen die magnetische Flussdichte während eines Ausschaltvorgangs misst. Die so ermittelten Signale werden in einem weiteren Schritt so aufbereitet, dass es möglich ist, die Position sowie die Bewegungscharakteristik des Schaltlichtbogens zu untersuchen. Mit dieser Methode wird somit die Lücke zwischen den Experimentalaufbauten und der realen Anwendung geschlossen. Die Ursprünge des hier vorgestellten Verfahrens basieren auf einem Aufbau, der in dem Vorgängerprojekt der vorliegenden Arbeit entstanden ist. Das Messprinzip, welches diesem Aufbau zugrunde liegt, wird ausführlich beschrieben. Alle relevanten Fehlereinflüsse, welche für eine korrekte Bestimmung der Lichtbogenbewegung relevant sind, werden auf ihren Einfluss auf das Messergebnis hin untersucht. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse wird ein neues Messsystem entwickelt, welches auf Hall-Sensoren basiert. Der Aufbau, die Funktionsweise und alle relevanten Störgrößen werden ausführlich beschrieben. In einem weiteren Schritt wird ein mathematisches Modell zur Bestimmung der zu erwartenden Magnetfeldverteilung hergeleitet und eine Methode vorgestellt, die es ermöglicht, den Aufenthaltsort eines kontrahierten Schaltlichtbogens auf der Kontaktoberfläche aus den gemessenen Sensorsignalen zu bestimmen. Der Einfluss, den die Komponenten der Vakuumröhre auf die Magnetfeldverteilung und somit auf das Messergebnis ausüben, wird mit einem FEM-Simulationsmodell quantitativ ermittelt. Die daraus entstehenden Auswirkungen auf die Aussagekraft der Messergebnisse werden diskutiert. Es werden Messungen an Testaufbauten, bei denen die Lichtbogenposition vorgegeben werden kann, sowie an handelsüblichen Vakuumröhren beschrieben, die es erlauben, die Messergebnisse des Systems mit den Ergebnissen des mathematischen Modells zu vergleichen. Im praktischen Teil der Arbeit werden beide vorgestellten Messsysteme eingesetzt, um das Ausfallverhalten sowie das Verschleißverhalten von handelsüblichen Vakuumschaltröhren, die mit Spiralkontaktsystemen ausgestattet sind, zu untersuchen. Es werden mehrere verschiedene Bewegungszustände des Schaltlichtbogens identifiziert und deren Auftreten in Abhängigkeit des Kontakthubes und der Stromhöhe untersucht und charakterisiert.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The breaking capacity as well as the erosion behavior of medium voltage vacuum interrupters are essentially determined by the interaction between the switching arc with the contact system of the vacuum interrupter. Traditionally the foundation research of switching arc behavior and the further development of the vacuum switching technology took place on custom built vacuum vessels. The use of these vessels permits the observation of the switching process with the help of optical methods such as high-speed cameras. These test setups however differ significantly from the commercially available models by their considerably larger vacuum volume and the absence of a metal vapour shield. This work presents the development and application of a method to record the magnetic flux density at fixed locations during a switching process of a commercially available vacuum interrupter. Further more it describes the set-up of the exteriorly mounted measuring system. In the following step the recorded data is being analyzed to allow the investigation of the position as well as the movement characteristics of the switching arc. The first part of the project focuses on the measurement system which is part of a previous study. The measurement principles of the measurement system is described in detail. All potentially relevant influences effecting the correct identification of the arc movement are being discussed. The gained insights lead to the development of a new measurement system that is based on the use of Hall sensors. It follows an in depth discussion of the design, function and all relevant disturbance effects. In an additional step a mathematical model is being introduced for the prediction of the expected magnetic field distribution, as well as a method to identify the location of a constricted arc on the contact surface based on the recorded sensor signals. A FEM simulation model is being applied in order to quantify the influence the components of the vacuum interrupter have on the magnetic field distribution. The influence of these effects on the measurement results is discussed. The practical part of this work uses both formerly mentioned measurement systems in order to investigate the failure and erosion behavior of commercially available vacuum interrupters which are equipped with spiral contact system. It was possible to identify several different arc motion states and to characterize its occurrences in dependence of the contact spacing and the current level.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electrical Power Systems > High Voltage Technology
Date Deposited: 28 Nov 2016 10:28
Last Modified: 28 Nov 2016 10:28
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-57642
Referees: Hinrichsen, Prof. Dr. Volker and Kurrat, Prof. Dr. Michael
Refereed: 5 February 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5764
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