Hochspannungsschalter

Bogen-Spannung in Gasleistungsschaltern

In Gasleistungsschaltern ist die Bogen-Spannung ein kritischer Parameter, der den Unterbrechungsprozess und die Gesamtleistung des Schalters beeinflusst. Die Bogen-Spannung kann von einigen hundert Volt bis zu mehreren Kilovolt reichen, abhängig von verschiedenen Faktoren. Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Erklärung der wesentlichen Faktoren, die die Bogen-Spannung beeinflussen:

1. Bogenlänge

• Prinzip: Der Spannungsabfall über dem Bogen ist direkt proportional zur Länge des Bogens. Je länger der Bogen, desto höher ist die erforderliche Spannung, um den Bogen aufrechtzuerhalten.

• Erklärung: Wenn die Kontakte in einem Gasleistungsschalter sich trennen, bildet sich ein Bogen zwischen ihnen. Die Bogenlänge kann viel länger als der ursprüngliche Kontaktspalt sein, da der Bogen durch magnetische Felder oder Gasströmungen verlängert wird (Bogenverlängerung). Je länger der Bogen, desto höher ist der Spannungsabfall über ihm, was es erleichtert, den Bogen zu löschen, da mehr Energie erforderlich ist, um ihn aufrechtzuerhalten.

2. Gasart

• Prinzip: Die Bogen-Spannung hängt von den physikalischen Eigenschaften des umgebenden Gasmediums ab, wie Druck, Temperatur und Ionisierungszustand.

• Erklärung: Verschiedene Gase haben unterschiedliche dielektrische Festigkeit und thermische Leitfähigkeit, was den Aufbau und die Stabilität des Bogens beeinflusst. Zum Beispiel wird Schwefelhexafluorid (SF₆) in Hochspannungsschaltern häufig verwendet, aufgrund seiner ausgezeichneten Isolier-Eigenschaften und der Fähigkeit, schnell nach dem Stromdurchgang zu deionisieren. Gase mit höherer dielektrischer Festigkeit erfordern höhere Spannungen, um den Bogen aufrechtzuerhalten, was die Bogenlöschung unterstützt.

3. Kontaktmaterial

• Prinzip: Das Material der Bogenkontakte hat einen geringen Einfluss auf die Bogen-Spannung, vor allem auf den Spannungsabfall in den Anoden- und Kathodenbereichen.

• Erklärung: Der Hauptspannungsabfall in einem gasförmigen Bogen tritt im Bogenkörper selbst auf, nicht an den Kontaktoberflächen. Allerdings kann das Kontaktmaterial den lokalen Spannungsabfall in der Nähe der Anode und Kathode, bekannt als Anoden- und Kathodenfall, beeinflussen. Materialien mit niedrigeren Arbeitsfunktionen (z.B. Kupfer, Silber) neigen dazu, niedrigere Kathodenfälle zu haben, aber dieser Effekt ist relativ klein im Vergleich zur gesamten Bogen-Spannung. Daher hat die Wahl des Kontaktmaterials nur einen marginalen Einfluss auf die gesamte Bogen-Spannung.

4. Kühlung des Bogens

• Prinzip: Die innere Leistung des Bogens ist das Produkt aus Strom und Bogen-Spannung. Wenn der Bogen durch Kühlung mehr Wärme verliert, erhöht er seine Leistung, indem er die Bogen-Spannung erhöht.

• Erklärung: Die Kühlung des Bogens kann durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung erfolgen. In Gasleistungsschaltern hilft die Gasströmung (häufig durch Puffermechanismen oder magnetische Blasenwicklungen induziert), den Bogen abzukühlen und seine Temperatur zu senken. Wenn der Bogen abkühlt, wird er weniger leitfähig, was zu einer Erhöhung der Bogen-Spannung führt. Diese erhöhte Spannung macht es schwieriger für den Bogen, sich aufrechtzuerhalten, und unterstützt somit seine Löschung.

5. Strom durch den Bogen

• Prinzip: Gasbogen zeigen eine negative Spannungs-Strom-Charakteristik, was bedeutet, dass die Bogen-Spannung zunimmt, wenn der Strom abnimmt und umgekehrt.

• Erklärung: Wenn der Strom während des Stromnullübergangs gegen Null geht, tendiert die Bogen-Spannung zu einem starken Anstieg. Dies liegt daran, dass der Bogen bei geringem Strom instabiler wird und die reduzierte Anzahl von Ladungsträgern zu einem höheren Widerstand führt, was einen höheren Spannungsabfall zur Folge hat. Umgekehrt ist der Bogen bei höherem Strom stabiler, und der Spannungsabfall ist geringer. Dieses Verhalten ist wichtig, um zu verstehen, wie sich der Bogen in der Nähe des Stromnullpunkts verhält, wo eine erfolgreiche Unterbrechung entscheidend ist.

6. Zufällige Ausreißer und Zusammenbrüche der Bogen-Spannung in der Nähe des Stromnullpunkts

• Prinzip: In der Nähe des Stromnullübergangs zeigt die Bogen-Spannung zufällige Ausreißer und Zusammenbrüche, die entscheidend für die Bogenlöschung sind.

• Erklärung: Wenn der Strom gegen Null geht, wird der Bogen zunehmend instabil. Die Bogen-Spannung kann aufgrund der schnellen Änderungen im physikalischen Zustand des Bogens, wie der Dichte der geladenen Teilchen und der Temperatur, zufällig fluktuieren. Diese Fluktuationen können zu plötzlichen Spitzen der Bogen-Spannung führen, die zum Zusammenbruch des Bogens führen. Wenn die Bogen-Spannung ausreichend steigt, kann sie die Wiederherstellungsspannung des Systems überschreiten und den Bogen löschen. Dieses Phänomen ist entscheidend, um sicherzustellen, dass der Bogen erfolgreich beim Stromnullpunkt unterbrochen wird.

Zusammenfassung

Die Bogen-Spannung in Gasleistungsschaltern wird von mehreren Faktoren beeinflusst, einschließlich der Bogenlänge, der Gasart, dem Kontaktmaterial, Kühlungseffekten und dem Strom durch den Bogen. Die Bogen-Spannung spielt eine wichtige Rolle im Unterbrechungsprozess, insbesondere in der Nähe des Stromnullpunkts, wo zufällige Ausreißer und Zusammenbrüche bestimmen, ob der Bogen erfolgreich gelöscht wird. Das Verständnis dieser Faktoren ist entscheidend für die Gestaltung und den Betrieb effizienter und zuverlässiger Gasleistungsschalter.