Wie löscht SF6 einen Bogen?

Wie SF6 (Schwefelhexafluorid) Bogenlöschung funktioniert

1. Physikalische und chemische Eigenschaften von SF6

• Hohe Isolierstärke: SF6-Moleküle haben eine starke negative Elektronegativität, die es ihnen ermöglicht, freie Elektronen schnell zu fangen und negative Ionen zu bilden. Diese negativen Ionen bewegen sich langsamer und sind weniger wahrscheinlich, Ionisation hervorzurufen, was zur hohen Isolierstärke des SF6-Gases führt. Dies macht SF6 im Vergleich zu Luft oder Vakuum in Bezug auf die Isolation weit überlegen.

• Hohe Wärmekapazität: SF6 hat ein großes Molekulargewicht (ca. 146) und zeigt eine hohe Wärmekapazität und thermische Leitfähigkeit. Wenn ein Bogen erzeugt wird, kann das SF6-Gas eine beträchtliche Menge an Wärme absorbieren, den Bogen schnell abkühlen und seine Temperatur senken.

• Chemische Stabilität: SF6 ist bei Raumtemperatur sehr stabil, zerfällt jedoch unter hohen Temperaturen (z.B. während der Bogenbildung) in niedrigere Fluorkomplexe (wie SF4, S2F10 usw.). Diese Zersetzungsprodukte kombinieren sich nach dem Erlöschen des Bogens wieder zu SF6, wodurch die isolierenden Eigenschaften des Gases wiederhergestellt werden.

2. Grundprinzipien der SF6-Bogenlöschung

Bogenbildung und -erlöschen: Wenn ein Schaltgerät geöffnet wird, trennen sich die Kontakte, und der Strom fließt durch den kleinen Spalt zwischen den Kontakten, wodurch ein Bogen entsteht. Die Anwesenheit des Bogens erzeugt lokale hohe Temperaturen, wodurch das Kontaktmaterial verdampft und eine große Anzahl von freien Elektronen produziert, die den Bogen aufrechterhalten.

Rolle des SF6-Gases:

• Schnelles Abkühlen des Bogens: Das SF6-Gas hat eine hohe Wärmekapazität und kann die vom Bogen erzeugte Wärme schnell absorbieren, wodurch die Bogen-Temperatur stark sinkt. Mit sinkender Temperatur nimmt die kinetische Energie der geladenen Teilchen (Elektronen und Ionen) im Bogen ab, was die Energie des Bogens verringert.

• Hemmung der Ionisation: SF6-Moleküle können freie Elektronen aus dem Bogen schnell fangen und negative Ionen bilden. Diese negativen Ionen bewegen sich langsamer und sind weniger wahrscheinlich, den Ionisationsprozess aufrechtzuerhalten, was die weitere Entwicklung des Bogens hemmt.

• Wiederherstellung der Isolierstärke: Nachdem der Bogen erloschen ist, stellt das SF6-Gas seine isolierenden Eigenschaften schnell wieder her. Aufgrund seiner überlegenen Isolierstärke im Vergleich zu Luft wird die Isolation zwischen den Kontakten schnell wiederhergestellt, was verhindert, dass der Bogen wieder entzündet wird.

3. Detaillierter Prozess der SF6-Bogenlöschung

• Anfängliche Phase der Bogenbildung: Als die Kontakte des Schaltgeräts beginnen, sich zu trennen, fließt der Strom durch den kleinen Spalt zwischen ihnen, wodurch ein Bogen entsteht. Die Bogen-Temperatur steigt schnell auf mehrere tausend Grad Celsius, wodurch das Kontaktmaterial verdampft und eine große Anzahl von freien Elektronen produziert wird.

• Kühlwirkung des SF6-Gases: Während der Bogen entsteht, absorbiert das SF6-Gas schnell die vom Bogen erzeugte Wärme, wodurch die Bogen-Temperatur sinkt. Gleichzeitig fangen SF6-Moleküle freie Elektronen aus dem Bogen, bilden negative Ionen und hemmen den Ionisationsprozess.

• Bogen-Erlöschen: Mit sinkender Bogen-Temperatur nimmt die Energie der geladenen Teilchen im Bogen allmählich ab, was zum vollständigen Erlöschen des Bogens führt. Zu diesem Zeitpunkt stellt das SF6-Gas seine isolierenden Eigenschaften schnell wieder her, erhöht die Isolierstärke zwischen den Kontakten und verhindert, dass der Bogen wieder entzündet wird.

• Nachbogen-Wiederherstellung: Nachdem der Bogen erloschen ist, rekombinieren die Zersetzungsprodukte des SF6 (wie SF4, S2F10 usw.) schnell zu SF6, wodurch die ursprüngliche chemische Struktur und die isolierenden Eigenschaften des Gases wiederhergestellt werden. Dieser Prozess erfolgt sehr schnell, meist innerhalb weniger Millisekunden.

4. Vorteile der SF6-Bogenlöschung

• Schnelles Bogen-Erlöschen: Das SF6-Gas kann den Bogen fast augenblicklich erlöschen, meist nahe dem Nullübergang des Stroms. Dies reduziert die Dauer des Bogens und minimiert den Schaden an den Kontakten.

• Schnelle Wiederherstellung der Isolation: Nach dem Erlöschen des Bogens stellt das SF6-Gas seine Isolierstärke schnell wieder her, verhindert, dass der Bogen wieder entzündet wird, und gewährleistet eine zuverlässige Unterbrechung des Stroms.

• Eignung für hohe Spannungen und hohe Ströme: Die hohe Isolierstärke und die ausgezeichnete Bogenlöschleistung von SF6 machen es besonders geeignet für Anwendungen mit hohen Spannungen und hohen Strömen, wie in UHV-Übertragungssystemen (Ultra-Hochspannung).

• Keine Brandgefahr: SF6-Gas ist nicht brennbar, was das Feuerrisiko ausschließt, das bei ölgefüllten Schaltgeräten auftreten kann, und es sicherer für elektrische Systeme macht.

5. Anwendungen der SF6-Bogenlöschung

• Hochspannungsschaltgeräte: SF6-Gas wird in Hochspannungsschaltgeräten weit verbreitet eingesetzt, insbesondere in Systemen, die bei 110 kV und darüber arbeiten, einschließlich UHV- und EHV-Übertragungssystemen (Ultra- und Extra-Hochspannung). SF6-Schaltgeräte bieten ausgezeichnete Unterbrechungsleistung, kompakte Bauform und lange Lebensdauer, was sie ideal für häufige Betriebsvorgänge und Unterbrechungen von hohen Strömen macht.

• Lastschalter und Trennschalter: Neben Schaltgeräten wird SF6-Gas auch in Lastschaltern und Trennschaltern eingesetzt, um eine zuverlässige Isolation und Bogenlöschung zu gewährleisten.

• GIS (Gasgefüllte Schaltanlagen): In GIS-Systemen dient SF6-Gas als Isoliermedium in geschlossenen Schaltanlagen, wodurch eine hohe Dichte elektrischer Verbindungen und eine zuverlässige Isolation erreicht wird.

Zusammenfassung

SF6-Gas löscht Bogeng wirksam, indem es seine überlegenen Isolierungseigenschaften, die hohe Wärmekapazität und die schnelle Wiederherstellung der Isolierstärke nutzt. Dieses effiziente Bogenlöschverfahren macht SF6-Schaltgeräte zu wesentlichen Komponenten in Hochspannungsstromsystemen und gewährleistet einen sicheren und zuverlässigen Betrieb. SF6 wird in Stromübertragungs- und -verteilungssystemen weit verbreitet eingesetzt, wo seine Fähigkeit, Bogeng schnell zu löschen und eine Wiederentzündung zu verhindern, entscheidend für die Aufrechterhaltung der Systemstabilität und -sicherheit ist.