Ein Artikel zur Verständigung der Kontakttrennungsstadien eines Vakuumschalters

Stufen der Kontakttrennung bei Vakuumschaltgeräten: Bogenentstehung, Bogenlöschung und Schwingungen

Stufe 1: Anfängliche Öffnung (Bogenentstehungsphase, 0–3 mm)
Die moderne Theorie bestätigt, dass die anfängliche Phase der Kontakttrennung (0–3 mm) entscheidend für die Unterbrechungsleistung von Vakuumschaltgeräten ist. Am Anfang der Kontakttrennung wechselt der Bogenstrom immer von einem eingeschränkten Modus in einen diffusen Modus – je schneller dieser Übergang erfolgt, desto besser ist die Unterbrechungsleistung.

Drei Maßnahmen können den Übergang von einem eingeschränkten zu einem diffusen Bogen beschleunigen:

• Reduzierung der Masse beweglicher Komponenten: Während der Entwicklung von Vakuumschaltgeräten hilft die Reduzierung der Masse des leitenden Klammerns, die Trägheit beweglicher Teile zu verringern. Vergleichstests zeigen, dass dieser Ansatz die anfängliche Öffnungsgeschwindigkeit in unterschiedlichem Maße verbessert.

• Erhöhung der Kraft der Öffnungsfeder, um sicherzustellen, dass sie während der frühen Öffnungsphase (0–3 mm) wirksam wird.

• Minimierung des Kontaktdrückwegs (idealerweise 2–3 mm), um die Öffnungsfeder so früh wie möglich in den Trennprozess einbeziehen zu können.

Traditionelle Schaltgeräte verwenden in der Regel eine Steckkontaktkonstruktion. Bei Kurzschlussströmen führen elektromagnetische Kräfte dazu, dass die Fingerkontakte sich fest am leitenden Stab klammern, was zu einer Nullkomponente der Kraft in Bewegungsrichtung führt. Im Gegensatz dazu verwenden Vakuumschaltgeräte eine flache Kontaktfläche. Wenn ein Kurzschlussstrom auftritt, wirkt die starke elektromagnetische Kraft als Abstoßungskraft auf die Kontakte.

Dies bedeutet, dass die Kontakttrennung nicht auf die vollständige Freigabe der Kontaktdrückfeder warten muss – die Trennung erfolgt fast gleichzeitig mit der Bewegung des Hauptwellen (mit vernachlässigbarer oder minimaler Verzögerung). Daher kann die Öffnungsfeder mit minimaler Druckweite früher wirken und die anfängliche Öffnungsgeschwindigkeit erhöhen. Da die anfängliche Antriebskraft in dieser Phase die elektromagnetische Abstoßung ist, muss die Masse aller beweglichen Komponenten minimiert werden. Strukturelle Konzepte wie geteilte oder zusammengesetzte Mechanismen – oft mit langen und zahlreichen Gelenken – sind daher für Vakuumschaltgeräte ungeeignet, da sie die Erreichung hoher anfänglicher Öffnungsgeschwindigkeiten behindern.

Stufe 2: Bogenlöschung (3–8 mm)
Wenn die Kontakte sich auf 3–4 mm trennen, ist der Übergang des Bogens in den diffusen Modus in der Regel abgeschlossen – dies ist das optimale Fenster für die Bogenlöschung. Umfangreiche Tests haben bestätigt, dass der ideale Bogenabstand für die Unterbrechung 3–4 mm beträgt. Wenn der Stromnullpunkt an diesem Punkt auftritt, fällt die Dichte des Metallverdampfers schnell ab und die Dielektrizitätsstärke über dem Abstand erholt sich schnell, was zu einer erfolgreichen Unterbrechung führt. Die Antriebskraft in dieser zweiten Stufe ist die Öffnungsfeder.

In einem dreiphasigen System, wenn die Bogenlöschung beim ersten Stromnullpunkt auftritt, beträgt die Bogendauer etwa 3 ms (angenommen, die Kontakte trennen sich in der Mitte zwischen zwei Stromnullpunkten, bei denen der Abstand ausreichend groß ist). Um bei einem 3–4 mm Abstand die Unterbrechung zu erreichen, sollte die durchschnittliche Öffnungsgeschwindigkeit in dieser Phase 0,8–1,1 m/s betragen. Bei Umrechnung auf die gebräuchliche Messung von 6 mm beträgt die äquivalente durchschnittliche Öffnungsgeschwindigkeit etwa 1,1–1,3 m/s – ein Bereich, der weltweit von Vakuumschaltgeräten weit verbreitet ist. Allerdings stammt diese Daten aus mechanischen Betriebstests unter Leerlaufbedingungen. Bei Hochstromunterbrechungen ist die tatsächliche Öffnungsgeschwindigkeit erheblich höher, da die zusätzliche elektromagnetische Abstoßungskraft zur Kontaktbewegung beiträgt. Als Ergebnis kann sich der bewegliche Kontakt innerhalb desselben Zeitraums 6–8 mm bewegen.

Um die Bogendauer zu minimieren, sollten in der zweiten Stufe spezielle Dämpfungsmassnahmen angewendet werden, um die Geschwindigkeit des leitenden Stabs rasch zu reduzieren. Die Einsetzung des Öl-Dämpfers muss sorgfältig gesteuert werden. Die erste Stufe erfordert eine schnelle Trennung, aber die Öffnungsfeder ist noch nicht vollständig aktiv. In der zweiten Stufe sollte die Geschwindigkeit reduziert werden – die Öffnungsfeder darf nicht zu stark sein, sonst verhindert sie die Geschwindigkeitsreduktion, verlängert die Bogendauer und erschwert die dritte Stufe.

Stufe 3: Schwingungen (8–11 mm)
Aufgrund des kleinen Kontaktabstands und der kurzen Öffnungszeit bei Vakuumschaltgeräten müssen sich die schnell beweglichen Kontakte innerhalb eines extrem kurzen Zeitraums stoppen. Unabhängig von der verwendeten Dämpfungsmethode bleibt die Geschwindigkeitsänderungsrate hoch, sodass starke mechanische Schocks unvermeidlich sind. Die Restschwingungen dauern in der Regel etwa 30 ms. Derzeit benötigen sowohl inländische als auch internationale Vakuumschaltgeräte etwa 10–12 ms, bis sich der bewegliche Kontakt trennt und in die Schwingungszone eindringt, während die Bogendauer typischerweise 12–15 ms beträgt. Offensichtlich beginnt die lokal geschmolzene Kontaktoberfläche erst nach dem Eindringen in die Schwingungszone, sich abzukühlen und zu verfestigen. Diese intensiven Schwingungen spritzen unvermeidlich geschmolzenes Metall, bilden scharfe Vorsprünge auf der Kontaktoberfläche und hinterlassen suspendierte metallische Partikel zwischen den Kontakten – wichtige externe Faktoren, die zu Wiederentzündungen beitragen. Solche Designmängel werden oft in begrenzten Typentests nicht vollständig offengelegt, was zu einem langanhaltenden Mangel an Bewusstsein für dieses Problem führt.

Fazit
Entwickler von Vakuumschaltgeräten müssen den gesamten Prozess der Kontakttrennung genau beachten. Schlüsselstrategien umfassen: Reduzierung der beweglichen Masse, Erhöhung der anfänglichen Öffnungsgeschwindigkeit, zeitnahe Reduzierung der Geschwindigkeit in der zweiten Stufe und Minimierung der Bogendauer, damit der Bogen vor dem Eindringen der Kontakte in die Schwingungszone gelöscht wird. Dies bietet ausreichend Kühlzeit für die Kontaktoberfläche und reduziert die Intensität der Schwingungen. Ein gut gestaltetes Trennprofil, das diesen mechanischen und elektrischen Prinzipien entspricht, verbessert erheblich sowohl die mechanische als auch die elektrische Lebensdauer und steigert die Gesamtzuverlässigkeit und Leistung.