Über die Bewegung kontrahierter Lichtbögen in Vakuumschaltröhren

Die Vakuumschalttechnik wird in der Mittelspannungsebene der elektrischen Energieversorgung als die Standardtechnologie eingesetzt. Die plasmaphysikalischen Gesetzmäßigkeiten zum Verhalten eines Lichtbogens während eines Ausschaltstromes wurden ausführlich an Modellanordnungen untersucht und bilden die Grundlagen für die Entwicklung der Vakuumschaltröhren. So ist die Bewegung von rotierenden kontrahierten Lichtbögen mit Hochgeschwindigkeitskameras mithilfe von Einblickfenstern aufgenommen und analysiert worden. Es wurden bis jetzt jedoch keine vergleichenden Untersuchungen zur Lichtbogenbewegung in unterschiedlichen konventionellen Vakuumschaltröhren durchgeführt, die üblicherweise ein intransparentes Gehäuse besitzen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuartiges Messverfahren verwendet, das nichtinvasiv mit Hall-Sensoren die magnetischen Felder aufnimmt und dadurch trotz opaker Isolierkeramik und Dampfschirm auf das Bewegungsverhalten des Lichtbogens schließen lässt. Sowohl mit Simulationen als auch Messungen wurde untersucht, dass höher leitfähige Dampfschirmmaterialien die zu messenden Magnetfelder in stärkerem Maße dämpfen. Es wird gezeigt, dass der Lichtbogen bei Spiralarmkontakten sich gegenüber Radial-Magnetfeld-(RMF-)Topfkontakten schneller bewegt, was sich jedoch mit fortschreitendem Alter der Schaltkontakte umkehrt, da der Lichtbogen die Magnetfeld erzeugende Kontaktformen unterschiedlich stark beeinflusst. Eine neue Erkenntnis ist zudem, dass das die Kontakte umgebende Gehäuse der Vakuumschaltröhre einen Einfluss auf die Lichtbogenbewegung ausübt. In engeren Gehäusen kann temporär eine höhere Dampfdichte erzeugt werden. Dadurch kann der Lichtbogen sich schneller bewegen, da sich das Entladungsplasma nicht ausschließlich aus neuem Kontaktmaterial speisen muss. Außerdem wurde der Einfluss von Wirbelströmen im Dampfschirm auf die Lichtbogenbewegung selber diskutiert. All diese Aspekte konnten in bisherigen Modellschaltern nicht untersucht werden.

The vacuum switching technology is well established in the medium voltage level of the electrical power supply. The plasma physical principles of an arc during a breaking current were investigated with the aid of model arrangements and found the basis for the development of vacuum interrupters. The motion of rotating constricted arcs has been taken and analysed with high-speed cameras through transparent viewing ports. Until now, a comparative monitoring of the motion of constricted arcs in different conventional, intransparent vacuum interrupters has not yet been perfomed. Within this thesis, a novel measuring principle is used, which records the magnetic fields non-invasively with the aid of external hall sensors, and therefore, in spite of opaque ceramic insulators or vapour shields allows to conclude on the motion characteristic of the arc. Both simulations and measurements were taken to investigate that higher conductive vapour shield materials attenuate the magnetic fields to be measured in a higher manner. It is shown that the arc is moving faster with spiral shaped contacts in contrast to radial magnetic field (RMF) contrate cup contacts, which reverses with increasing aging of the switching contacts due to the facts that the arc interacts differently with the diverse contact designs. In addition, a novel finding is that the vacuum bottle surrounding the contacts has an influence on the arc motion. A higher vapour pressure can temporarily be produced in narrower housings, so that the arc can move faster, because the arc’s plasma is not exclusively fed by newly evaporated contact material. Furthermore, the influence of eddy currents in the vapour shield on the motion of the arc itself was discussed. All these investigations were not possible with so far existing model vacuum chambers.