Stromunterbrechung in Gas-Hochspannungsschaltern
Detaillierte Erklärung des Bögenlöschens in einem Puffer-SF6-Schaltgerät
In einem Puffer-SF6-Schaltgerät ist der Bögenlöschevorgang ein kritischer Mechanismus, der die zuverlässige Unterbrechung von hohen Strömen, insbesondere bei Kurzschlussbedingungen, sicherstellt. Der Vorgang beinhaltet die Wechselwirkung zwischen den Hauptkontakten, den Bögenkontakten und einer PTFE (Polytetrafluorethylen)-Düse, die den Fluss des komprimierten SF6-Gases leitet, um den Bogen zu löschen. Im Folgenden eine detaillierte Erklärung des Bögenlöschevorgangs, Schritt für Schritt:
Anfangszustand: Hauptkontakte geöffnet, Strom auf Bögenkontakte umgeleitet
Hauptkontakte: Die Hauptkontakte, die größer sind und für den Transport des normalen Laststroms ausgelegt sind, sind konzentrisch außen um die Bögenkontakte angeordnet. In diesem Anfangszustand sind die Hauptkontakte bereits geöffnet, und der Strom wurde auf die Bögenkontakte umgeleitet (kommutiert).
Bögenkontakte: Die Bögenkontakte sind kleiner und speziell darauf ausgelegt, die hohen Temperaturen und Drücke während des Bögens zu bewältigen. Sie sind im Begriff, sich zu öffnen, und sobald sie das tun, entzündet sich ein Bogen zwischen ihnen.
Bogenentzündung: Bögenkontakte beginnen sich zu trennen
Als die Bögenkontakte beginnen, sich zu trennen, fließt der Strom weiterhin durch den kleinen Spalt zwischen ihnen und bildet einen Bogen. Zu diesem Zeitpunkt ist der Bogen noch relativ stabil, und die PTFE-Düse, die am beweglichen Kontakt befestigt ist, beginnt, das komprimierte SF6-Gas aus dem Puffervolumen in Richtung des Bogens zu leiten.
Der Gasfluss ist anfänglich eingeschränkt, da der Bogenquerschnitt, besonders bei hohen Kurzschlussströmen, groß sein kann. Dieses Phänomen, bei dem der Bogenquerschnitt größer als der Düsendurchmesser ist, wird als Stromverschliss bezeichnet. Während des Stromverschlisses wird der Gasfluss teilweise vom Bogen blockiert, was verhindert, dass er den Bogen effektiv abkühlt.
Aufbau des Gasdrucks und Bogenverengung
Mechanische Bewegung und Wärmeübertragung: Während die Bögenkontakte weiter auseinander gehen, führt die mechanische Bewegung der Kontakte zur weiteren Kompression des SF6-Gases im Puffervolumen. Zudem wird Wärme vom Bogen auf das Gas übertragen, wodurch dessen Temperatur schnell ansteigt. Diese Kombination aus mechanischer Kompression und Wärmeübertragung führt zu einem signifikanten Anstieg des Gasdrucks im Puffervolumen.
Annäherung an den Stromnullpunkt: Als der Bogen sich seinem natürlichen Nullpunkt nähert (dem Punkt, an dem der Wechselstrom durch Null geht), beginnt der Bogenquerschnitt, sich zu verringern. Diese Reduzierung der Bogengröße ermöglicht es dem komprimierten SF6-Gas, freier durch die Düse zu fließen.
Kraftvolles Gasstoß: Gerade als die Bögenkontakte vollständig getrennt sind, wird das komprimierte Gas im Puffervolumen durch die Düse freigesetzt und erzeugt einen kraftvollen Stoß, der direkt auf den Bogen trifft. Dieser hochgeschwindige Gasfluss kühlt den Bogen schnell ab, dehnt ihn aus und stört das ionisierte Plasma, was zur Auslöschung des Bogens führt.
Bogenauslöschung und Wiederherstellung der Dielektrizitätsstärke
Bogenlöschung: Sobald der Bogen beim Stromnullpunkt ausgelöscht ist, hört der Stromfluss auf, und der Bogen existiert nicht mehr. Das Fehlen des Bogens bedeutet, dass die Wärmequelle entfernt ist, was das SF6-Gas abkühlen lässt.
Rekombination der Gasteilchen: Nachdem der Bogen ausgelöscht ist, beginnen die zerfallenen SF6-Gasteilchen (wie SF4, S2F10 usw.) wieder zusammenzufinden und die ursprüngliche chemische Struktur von SF6 wiederherzustellen. Dieser Rekombinationsprozess stellt auch die isolierenden Eigenschaften des Gases wieder her.
Wiederherstellung der Dielektrizitätsstärke: Die schnelle Rekombination der Gasteilchen und das Abkühlen des Gases führen zu einer schnellen Wiederherstellung der Dielektrizitätsstärke zwischen den Kontakten. Dies stellt sicher, dass der Bogen nicht neu entzündet wird, wenn die Spannung zwischen den Kontakten nach dem Durchlaufen des Stroms durch Null steigt.
Bewegung der Kontakte stoppt: Mit dem gelöschten Bogen und der wiederhergestellten Dielektrizitätsstärke stoppt die Bewegung der Kontakte. Der Gasdruck innerhalb des Schaltgeräts (CB) stabilisiert sich, und das System kehrt in einen normalen, nicht leitenden Zustand zurück.
Wichtige Punkte zu beachten:
Stromverschliss: Bei hohen Kurzschlussströmen kann der Bogenquerschnitt größer als der Düsendurchmesser sein, was den Gasfluss vorübergehend blockiert. Dieses Phänomen wird als Stromverschliss bezeichnet. Trotzdem setzt der Gasdruck aufgrund der mechanischen Kompression und der Wärmeübertragung vom Bogen weiter zu.
Puffervolumen und Düsenkonstruktion: Das Puffervolumen ist ein entscheidender Bestandteil, der das komprimierte SF6-Gas speichert, das dann durch die PTFE-Düse freigesetzt wird. Die Düse ist so konstruiert, dass sie den Gasfluss präzise auf den Bogen lenkt und damit eine effektive Kühlung und Bögenlöschung gewährleistet.
Schnelle Wiederherstellung der Dielektrizitätsstärke: Einer der wesentlichen Vorteile von SF6-Gas ist seine Fähigkeit, seine isolierenden Eigenschaften nach der Bögenlöschung schnell wiederherzustellen. Dies stellt sicher, dass das Schaltgerät hohe Ströme sicher unterbrechen kann, ohne das Risiko einer Bogenneuentzündung einzugehen.
Fazit
Der Bögenlöschevorgang in einem Puffer-SF6-Schaltgerät ist eine hoch effiziente und zuverlässige Methode zur Unterbrechung hoher Ströme, insbesondere bei Kurzschlussbedingungen. Die Kombination aus mechanischer Kompression, Gasfluss und den einzigartigen Eigenschaften des SF6-Gases sorgt dafür, dass der Bogen schnell ausgelöscht wird und die Dielektrizitätsstärke zwischen den Kontakten rasch wiederhergestellt wird. Diese Konstruktion ermöglicht es dem Schaltgerät, große Fehlerströme zu bewältigen, während die Integrität und Sicherheit des elektrischen Systems gewahrt bleibt.
