Bedingungen unter Kurzschlussstrom für Schaltgeräte

Ausführliche Erklärung des Stromflusses beim Schließen und des Vorschlags in Schaltgeräten
In Schaltgeräten, insbesondere in Leistungsschaltern (CB) und Lasttrennschaltern (LBS), bezieht sich der Stromfluss beim Schließen auf den Prozess, bei dem ein elektrischer Bogen entsteht, wenn die Kontakte beginnen, sich zu schließen. Dieser Prozess beginnt nicht genau, wenn die Kontakte körperlich aufeinandertreffen, sondern kann einige Millisekunden früher eintreten, aufgrund eines Phänomens, das als Vorschlag bekannt ist. Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Erklärung dieses Phänomens und seiner Auswirkungen.
1. Vorschlag: Initiation des Bogens vor dem Kontaktieren
•    Dielektrischer Durchschlag: Während des Schließvorgangs nähern sich die Kontakte einander an, und das isolierende Medium (wie Luft, SF6 oder Vakuum) zwischen ihnen erleidet einen dielektrischen Durchschlag. Dies geschieht, weil das elektrische Feld in der Lücke zwischen den Kontakten zunimmt, je näher sie kommen. Wenn die Feldstärke die dielektrische Festigkeit des Isoliermediums überschreitet, bricht die Lücke zusammen, und es wird ein Schaltbogen initiiert.
•    Aufbau des elektrischen Feldes: Das elektrische Feld zwischen den Kontakten baut sich auf, während sie sich einander annähern. Dieses Feld ist proportional zur Spannung über den Kontakten und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen ihnen. Wenn das Feld stark genug ist, führt es zur Ionisierung der Gasmoleküle in der Lücke, was zu der Bildung eines leitfähigen Pfades für den Stromfluss führt.
•    Bogeninitiation: Der Bogen wird initiiert, bevor die Kontakte tatsächlich aufeinandertreffen, typischerweise mehrere Millisekunden früher. Diese frühzeitige Bogeninitiation wird als Vorschlag bezeichnet. Während des Vorschlags bildet sich der Bogen in der kleinen Lücke zwischen den Kontakten, und der Strom fließt durch den Bogen, anstatt darauf zu warten, dass die Kontakte körperlichen Kontakt aufnehmen.
2. Auswirkungen des Vorschlages
•    Übermäßiges Schmelzen der Kontaktoberflächen: Wenn die Energie, die im Vorschlag beteiligt ist, groß ist, kann dies zu einem übermäßigen Schmelzen der Kontaktoberflächen führen. Dies ist besonders problematisch bei Kurzschlussbedingungen, wo der Strom extrem hoch sein kann. Das geschmolzene Metall auf den Kontaktoberflächen kann zur Verwachsung der Kontakte führen, bei der die beiden Oberflächen miteinander verschmelzen.
•    Verwachsung der Kontakte: Verwachsene Kontakte können verhindern, dass das Schaltgerät angemessen auf den nächsten Öffnungsbefehl reagiert. Wenn die Betriebsmechanik des Schaltgeräts nicht ausreichend Kraft bietet, um die verwachsenen Punkte zu trennen, kann das Gerät versagen, sich richtig zu öffnen, was potenzielle Sicherheitsrisiken und Geräteschäden nach sich ziehen kann.
•    Kurzschlussstromcharakteristika: Kurzschlussströme enthalten oft eine Gleichstromkomponente, die dazu führen kann, dass der Spitzenwert des Stroms viel höher ist als bei einem reinen Wechselstromkurzschluss. Dieser erhöhte Spitzenstrom kann die Auswirkungen des Vorschlages verstärken und zu schwereren Kontaktschäden und Verwachsungen führen.
•    Abhängigkeit vom Bogenspannung: Die Spannung über dem Bogen (Bogenspannung) hängt stark von dem Unterbrechungsmedium ab, das in den Schaltgeräten verwendet wird. Selbst bei sehr kurzen Bogenlängen können in der Nähe der Elektroden erhebliche Spannungsabfälle auftreten. Dies liegt daran, dass der Bogenwiderstand entlang seiner Länge nicht gleichmäßig ist, und die Bereiche in der Nähe der Elektroden tendenziell einen höheren Widerstand aufweisen, aufgrund der Konzentration von Wärme und ionisierten Teilchen.
3. Schließen unter Kurzschlussbedingungen
•    Leistungsschalter (CB): Bei Leistungsschaltern ist der Schließvorgang unter Kurzschlussbedingungen besonders herausfordernd. Die hohen Strompegel und die Anwesenheit einer Gleichstromkomponente können zu intensiven Bögen und Kontaktschäden führen. Moderne Leistungsschalter sind mit fortschrittlichen Materialien und Kühlmechanismen konzipiert, um diese Effekte zu mildern, aber der Vorschlag bleibt ein Problem.
•    Lasttrennschalter (LBS): Lasttrennschalter sind auch anfällig für den Vorschlag während des Schließvorgangs, insbesondere in Hochstromanwendungen. Allerdings werden LBS-Geräte typischerweise in Niederspannungs- und Niedrigstromanwendungen eingesetzt, verglichen mit Leistungsschaltern, so dass das Risiko schwerer Kontaktschäden im Allgemeinen geringer ist.
4. Stufen des Schließvorgangs in Schaltgeräten
Der Schließvorgang von Schaltgeräten kann in mehrere Stufen unterteilt werden, wie in der Abbildung gezeigt:
•    Stufe 1: Anfänglicher Annäherung der Kontakte: Die Kontakte beginnen, sich einander zu nähern, und das elektrische Feld zwischen ihnen startet zu bauen. In dieser Phase fließt kein Strom, aber das Potenzial für den Vorschlag nimmt zu.
•    Stufe 2: Vorschlagsbogenbildung: Als die Kontakte näher kommen, überschreitet das elektrische Feld die dielektrische Festigkeit des Isoliermediums, was zu einem dielektrischen Durchschlag führt. Ein Vorschlagsbogen entsteht, und der Strom beginnt, durch den Bogen zu fließen, bevor die Kontakte aufeinandertreffen.
•    Stufe 3: Kontaktaufprall und Bogenübertrag: Die Kontakte treffen schließlich körperlich aufeinander, und der Bogen überträgt sich von der Lücke zwischen den Kontakten auf die Kontaktoberflächen. Der Strom fließt weiterhin durch den nun geschlossenen Kreislauf.
•    Stufe 4: Stationärer Betrieb: Nachdem die Kontakte vollständig geschlossen sind, tritt das System in den stationären Betrieb ein, und der Strom fließt durch die geschlossenen Kontakte ohne jegliches Bögen.
5. Minderungsstrategien
Um die Auswirkungen des Vorschlages und der Kontaktschweißung zu minimieren, können verschiedene Design- und Betriebsstrategien angewendet werden:
•    Verwendung von Isoliermedien mit hoher dielektrischer Festigkeit: Die Verwendung von Isoliermedien mit hoher dielektrischer Festigkeit, wie SF6-Gas oder Vakuum, kann die Wahrscheinlichkeit des Vorschlages reduzieren, indem ein höheres elektrisches Feld erforderlich ist, um den Durchschlag zu initiieren.
•    Fortschrittliche Kontaktmaterialien: Die Verwendung von Kontaktmaterialien mit hohen Schmelzpunkten und guter thermischer Leitfähigkeit kann helfen, die Kontaktschäden während des Vorschlages zu reduzieren. Materialien wie Kupfer-Wolfram-Legierungen werden häufig in Hochspannungsschaltgeräten verwendet.
•    Kühlmechanismen: Die Integration von Kühlmechanismen, wie Puffer-Systemen oder gezwungenem Gasfluss, kann helfen, die Wärme vom Bogen abzuführen und die Temperatur der Kontaktoberflächen zu senken, was das Risiko der Verwachsung verringert.
•    Verbesserungen im mechanischen Design: Sicherstellen, dass die Betriebsmechanik ausreichend Kraft bietet, um eventuelle verwachsene Punkte während des Öffnungsvorgangs zu trennen, kann verhindern, dass das Schaltgerät versagt, sich richtig zu öffnen.
•    Schutzsysteme: Die Implementierung von Schutzsystemen, wie Überstromrelais und Fehlererkennungsmechanismen, kann helfen, Kurzschlussbedingungen schneller zu erkennen und darauf zu reagieren, was die Dauer und Intensität des Bogens reduziert.
Fazit
Das Phänomen des Vorschlages, bei dem der Bogen initiiert wird, bevor die Kontakte körperlich aufeinandertreffen, ist ein entscheidender Aspekt des Schließvorgangs in Schaltgeräten. Es kann zu übermäßigen Kontaktschäden, Verwachsungen und potenziellen Fehlfunktionen des Schaltgeräts führen. Das Verständnis der Faktoren, die zum Vorschlag beitragen, wie der Aufbau des elektrischen Feldes und die Eigenschaften des Isoliermediums, ist entscheidend für das Design und den Betrieb zuverlässiger Schaltgeräte. Durch die Anwendung geeigneter Minderungsstrategien, wie die Verwendung von Isoliermedien mit hoher dielektrischer Festigkeit, fortschrittlichen Kontaktmaterialien und Kühlmechanismen, können die Auswirkungen des Vorschlages minimiert werden, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb von Schaltgeräten sowohl in Leistungsschaltern als auch in Lasttrennschaltern sicherzustellen.