Magneto-Optische Lichtbogen-Analyse in Vakuumschaltern

Das Mittel- und Hochspannungsnetz der Zukunft wird durch die Energiewende vor neue Herausforderungen gestellt. Zunahme von erforderlichem Schaltvermögen, Automatisierung, Flexibilität und damit verbundene hohe Schalthäufigkeit bedingen einen vermehrten Einsatz von Leistungsschaltern. Vakuum-Leistungsschalter stellen in der Mittelspannungsebene (U < 72,5 kV) bereits den Stand der Technik dar und stoßen durch stetige Weiterentwicklung auch in den Bereich der Hochspannungsebene vor. Sie sind dabei eine klimaverträgliche Alternative zu SF6-Leistungsschaltern. Die Ziele der Entwicklung von Vakuum-Leistungsschaltern sind daher eine erhöhte Schaltleistung, bei gleichzeitig verbesserter Lebensdauer.

Die Lebensdauer des Vakuum-Leistungsschalters wird maßgeblich durch die Beanspruchung der Metall-Kontakte durch den Lichtbogen bestimmt. Dieser entsteht beim Öffnen der Kontakte und dem Unterbrechen des Stromes (bis zu 30.000 A im Fehlerfall). Durch den extrem heißen Lichtbogen kommt es zu lokalen Aufschmelzungen des Kontaktmaterials, welche die Schaltleistung stark herabsetzen. Um dies zu verhindern, werden spezielle Kontaktgeometrien genutzt, die den Lichtbogen in Bewegung versetzen und die Wärmeenergie so über eine größere Fläche gleichmäßig verteilen.

Zur Untersuchung des Lichtbogens im Vakuum können zwei Prinzipien genutzt werden. Mit Hochgeschwindigkeitskameras kann die Bewegung und Intensität in einer Modell-Vakuumkammer mit Einblickgläsern aufgezeichnet werden. Alternativ kann ein am Fachgebiet entwickeltes Messverfahren verwendet werden, welches das Magnetfeld des Lichtbogens mit Hall-Sensoren misst. Dabei werden mehrere Sensoren um die Schaltkammer platziert. Durch das gemessene Magnetfeld wird die Position und Form des Lichtbogens bestimmt. Bewegt sich der Lichtbogen nun zwischen den Kontakten, ist dies messtechnisch ebenfalls darstellbar. Zusätzlich werden die Stromstärke und die Lichtbogenspannung gemessen.

Im Rahmen des Projektes ist ein Modell-Schalter zu entwickeln, der gleichzeitig optische und magnetische Untersuchungen ermöglicht. Dadurch soll zunächst das magnetische Messverfahren bestätigt werden. Anschließend können grundlegende Versuche zu einem besseren Verständnis des Lichtbogenverhaltens beitragen. Dieses Verständnis dient dann der Weiterentwicklung kommerzieller Vakuum-Leistungsschalter.