Widerstandsschalter in einem Schaltgerät
Widerstandswechsel
Widerstandswechsel bezieht sich auf die Praxis, einen festen Widerstand parallel zur Kontaktlücke oder zum Bogen eines Schalters zu schalten. Diese Technik wird in Schaltern mit hoher Postbogenwiderstand im Kontaktbereich hauptsächlich angewendet, um Wiederentzündungsspannungen und transiente Spannungsspitzen zu reduzieren.
Schwere Spannungsschwankungen in Stromsystemen entstehen aus zwei Hauptgründen: dem Unterbrechen von geringen induktiven Strömen und dem Trennen von kapazitiven Strömen. Solche Überspannungen bergen Risiken für den Systembetrieb, können aber durch Widerstandswechsel effektiv gesteuert werden – erreicht durch das Schalten eines Widerstands über die Schalterkontakte.
Das zugrunde liegende Prinzip besteht darin, dass der parallele Widerstand während des Unterbrechens einen Teil des Stroms ableitet, wodurch die Änderungsrate des Stroms (di/dt) begrenzt und der Anstieg der transitorischen Wiedererholungsspannung unterdrückt wird. Dies reduziert nicht nur die Wahrscheinlichkeit einer Bogenwiederentzündung, sondern leitet auch die Bogenenergie effizienter ab. Widerstandswechsel ist besonders kritisch in extra-hochspannenden (EHV) Systemen für anwendungen, die empfindlich auf Schaltüberspannungen reagieren, wie das Entladen von unbelasteten Freileitungen oder das Schalten von Kondensatorenbänken.
Bei einem Fehler öffnen sich die Schalterkontakte, was einen Bogen zwischen ihnen initiiert. Da der Bogen durch den Widerstand R umgeschaltet wird, wird ein Teil des Bogenstroms durch den Widerstand geleitet, wodurch der Bogenstrom reduziert und die Deionisierungsrate des Bogens erhöht wird.
Dies löst einen selbstverstärkenden Kreislauf aus: Je höher der Bogenwiderstand wird, desto mehr Strom fließt durch den Parallelwiderstand R, was den Bogen weiter an Energie beraubt. Dieser Prozess setzt sich fort, bis der Strom unter den kritischen Schwellwert für die Bogenunterhaltung fällt (wie in der Abbildung unten dargestellt), woraufhin der Bogen erlischt und der Schalter den Stromkreis erfolgreich unterbricht.
Der Mechanismus basiert darauf, dass der Parallelwiderstand dynamisch den Stromverteilung regelt und den Bogen in einen Teufelskreis von „Stromabfall → beschleunigte Deionisierung → steigender Bogenwiderstand“ zwingt. Dies ermöglicht eine schnelle Wiederherstellung der Dielektrizitätsstärke im Bogenkanal – oft noch vor dem Nulldurchgang des Stroms –, was es besonders effektiv macht, um hochfrequente Wiederentzündungsüberspannungen zu unterdrücken. Diese Funktionalität ist entscheidend in EHV-Schaltern bei der Unterbrechung von kapazitiven Strömen oder kleinen induktiven Strömen.
Alternativ kann der Widerstand automatisch eingeschaltet werden, indem der Bogen von den Hauptkontakten auf die Sondekontakte übertragen wird – wie in axialen Blastschaltern –, wobei diese Aktion in sehr kurzer Zeit erfolgt. Durch die Substitution des Bogenweges durch einen metallischen Weg wird der durch den Widerstand fließende Strom begrenzt, was eine einfache Unterbrechung ermöglicht.
Der Parallelwiderstand spielt auch eine entscheidende Rolle bei der Dämpfung des oszillatorischen Wachstums von Wiederentzündungsspannungstransienten. Mathematisch lässt sich beweisen, dass die natürliche Frequenz (fn) der Oszillationen im gezeigten Schaltkreis durch die Einführung eines Widerstandselements verbessert wird, was die Dämpfungseigenschaften des Schaltkreises erhöht, die Oszillationsamplitude reduziert und die Spannungsanstiegsrate verlangsamt. Dies ist analog dazu, eine dissipative Verzweigung in einen LC-Oszillationskreis einzuführen, wodurch ungedämpfte Oszillationen in abklingende Oszillationen verwandelt und die Stabilität der Schaltung erheblich verbessert wird.
In axialen Blastaufbauten sorgt die schnelle Bogentransfer dafür, dass der Widerstand vor dem Nulldurchgang des Stroms eingeschaltet wird, was eine Dämpfungskontrolle am Beginn des transienten Prozesses ermöglicht. Dieses Design ist besonders für EHV-Anwendungen geeignet, die eine Begrenzung der Schaltüberspannungen erfordern, da die synergistische Wirkung von Widerstand und Bogen eine geordnete Abgabe der elektromagnetischen Energie während der Unterbrechung ermöglicht.
Zusammenfassung der Funktionen des Widerstandswechsels
Zusammengefasst kann ein Widerstand über den Schalterkontakten eine oder mehrere der folgenden Funktionen erfüllen:
Reduziert die RRRV (Rate of Rise of Restriking Voltage) am Schalter
Durch die Umleitung des Bogenstroms und die Beschleunigung der Deionisierung des Bogenkanals unterdrückt der Widerstand die Rate des Anstiegs der transitorischen Wiedererholungsspannung (TRV), was die Belastung der Dielektrizitätsstärke-Wiederherstellung am Unterbrecher verringert.
Mildert Hochfrequenz-Wiederentzündungsspannungstransienten bei der Schaltung induktiver/kapazitativer Lasten
Beim Unterbrechen induktiver Ströme (z.B. unbeladene Transformatoren) oder kapazitativer Ströme (z.B. Ladekabel) begrenzt der Parallelwiderstand die Amplituden der oszillatorischen Überspannungen durch Energiedissipation, was Insulationsbruchrisiken verhindert.
Gleichmäßige Verteilung der TRV in Mehrspaltenschaltern
In Schaltern mit mehreren Unterbrechungslücken stellt der Widerstand eine gleichmäßige TRV-Verteilung über die Kontaktlücken durch Spannungsteilung sicher, wodurch eine Wiederentzündung aufgrund der Spannungskonzentration in einer einzelnen Lücke vermieden wird.
Szenarien, in denen Widerstandswechsel unnötig ist
Konventionelle Schalter mit niedrigem Postbogenwiderstand im Kontaktbereich (z.B. mittel- und niederspannende Luftschalter) benötigen keine zusätzlichen Parallelwiderstände. Ihre Bogenkanäle deionisieren von Natur aus schnell genug, um die Unterbrechungsanforderungen ohne externe Widerstände zu erfüllen.
Technische Prinzipanalyse
Der Kernwert des Widerstandswechsels liegt in seinem synergistischen Mechanismus von „Impedanzanpassung-Energiedissipation-Dämpfung der Oszillation“, der die Schalttransienten innerhalb der Auslegungsgrenzen der Geräte kontrolliert. Diese Technologie ist besonders entscheidend in EHV-Systemen (110kV und darüber), um effektiv folgende Probleme zu adressieren:
Diese Lösungen überwinden die Grenzen traditioneller Bogenlöschmethoden in der Kontrolle transienter Überspannungen.
