Kommt es bei einem Vakuum-Leistungsschalter zu einer Strombegrenzung, wenn er kleine kapazitive oder induktive Ströme unterbricht?

Kernmerkmal: Der Strom wird zwangsweise „abgeschaltet“, was zu einem Stromabbruch führt.

1. Physikalischer Prozess

Der Strom in einer Induktorspule kann sich nicht abrupt ändern (iL ist kontinuierlich). Beim Auslösen des Leistungsschalters verlängert sich der Lichtbogen in der Vakuum-Schaltkammer und kühlt ab. Aufgrund der extrem schnellen Wiederherstellung der Stärke des Vakuummediums kann der Lichtbogen zwangsweise gelöscht werden, bevor der Netzfrequenzstrom seinen natürlichen Nullpunkt erreicht (z. B. wenn der Strom noch mehrere Ampere oder sogar mehrere zehn Ampere beträgt).

2. Warum kommt es zu Stromunterbrechungen?

Der Vakuumlichtbogen verfügt über eine starke Lichtbogenlöschfähigkeit. Wenn der Strom auf ein bestimmtes Niveau absinkt (sogenannter „Stromzerhackerwert“ Ichop), reicht der vom Kathodenfleck bereitgestellte Metalldampf nicht aus, um den Lichtbogen aufrechtzuerhalten, und der Lichtbogen erlischt plötzlich.

3. Überspannungserzeugungsmechanismus:

Zum Zeitpunkt des Erlöschens des Lichtbogens (t0) ist der Induktorstrom iL=Ichop (bei positiver Richtung). Zu diesem Zeitpunkt beträgt die auf der Induktorlast gespeicherte Magnetfeldenergie 21 LIchop2 .

Da sich der Strom nicht abrupt ändern kann, lädt dieser Strom sofort die Streukapazität C auf der Lastseite auf. Gemäß U=C1 ∫idt wird die Kondensatorspannung stark ansteigen.

Theoretisch kann die Spitzenüberspannung an der Unterbrechung folgende Werte erreichen:

Umax =U0 +Ichop CL wobei U0 der Momentanwert der Versorgungsspannung, L die Lastinduktivität und C die äquivalente Kapazität zur Erde ist.

Ergebnis: Strom-Abschaltüberspannung. Das Vielfache dieser Überspannung ist direkt proportional zum Stromabschaltwert Ichop und umgekehrt proportional zur Schleifenkapazität C. Je kleiner die äquivalente Kapazität der Last (z. B. ein Transformator mit großer Kapazität und sehr kurzen Leitungen), desto kleiner ist C und desto höher ist die Überspannung, die die Windungsisolation der Wicklung gefährden kann.

Kernmerkmale: Der Strom durchläuft auf natürliche Weise den Nullpunkt und löscht den Lichtbogen, es besteht jedoch die Gefahr einer erneuten Zündung/Neuzündung.

1. Physikalischer Vorgang: Der Kondensatorstrom eilt der Spannung um 90 Grad voraus. Wenn der Kondensatorstrom iC auf natürliche Weise Null durchläuft (t=0), liegt die Versorgungsspannung genau auf ihrem Spitzenwert ±Um.

Zu diesem Zeitpunkt sind die Kondensatorplatten vollständig geladen, die Spannung beträgt =Um, die Kontakte des Leistungsschalters haben sich gerade getrennt und die Lichtbogenstrecke erholt sich.

Warum ist es schwierig, den Strom zu unterbrechen?

Da es sich um einen kapazitiven Strom handelt, ist die Temperatur des Lichtbogens niedrig, wenn der Strom den Nulldurchgang durchläuft, sodass er leicht gelöscht werden kann. Darüber hinaus erlischt der Lichtbogen auf natürliche Weise beim Nulldurchgang und es kommt zu keiner erzwungenen vorzeitigen Unterbrechung des Stroms, sodass das Konzept der „Stromabschaltung“ im Wesentlichen nicht existiert.

Überspannungserzeugungsmechanismus (Re-Durchbruch): Nachdem der Lichtbogen beim Nulldurchgang erlischt, ist eine Seite der Unterbrechung die Versorgungsspannung us (t)≈0 (ändert sich bei Null) und die andere Seite ist die eingeschlossene Kondensatorspannung uc =Um

Die transiente Erholungsspannung ur =uc −us oszilliert und steigt von Um bei der Netzfrequenz an.

Wenn die Wiederherstellungsrate der dielektrischen Festigkeit des Vakuumspalts nicht mit der Anstiegsrate von ur (insbesondere der anfänglichen hochfrequenten Schwingung) mithalten kann, wird die Isolierung zusammenbrechen, d. h. erneut durchbrechen.

Sobald ein erneuter Durchschlag auftritt, lädt und entlädt die Versorgungsspannung den Kondensator C und erzeugt hochfrequente Schwingungen. Wenn der Kondensator nach dem Nulldurchgang des Stroms erneut durchbricht und der Lichtbogen erlischt, kann es zu einer höheren Überspannung kommen.

Ergebnis: Wieder-Überspannung (mehrfache Wieder-Zündungen können das 3-5-fache der Phasenspannung erreichen). Bei Kondensatorbänken wird häufig selektives Phasenschließen oder synchrones Schalten verwendet, um einen vorzeitigen Durchschlag und eine erneute Zündung zu vermeiden.

Induktive Last: Strom möchte weiter fließen, wird aber plötzlich gestoppt → Spannung steigt stark an → Strom-abreißende Überspannung.

Kapazitive Last: Spannung wird gefangen (Charge Trapped), Wiederkehrspannung ist zu hoch, Lücke bricht zusammen → wiederholtes Laden und Entladen → Wiederzündungsüberspannung.

VTZ-15/T5000-63 Leistungsschalter für Hochspannungsgeneratoren für den Innenbereichist ein Vakuum-Leistungsschalter, der für Generatorausgänge in 15-kV- und niedrigeren Dreiphasen-Wechselstrom-50-Hz-Systemen entwickelt wurde. Es wird hauptsächlich in den Anlagenhilfskreisläufen von kleinen bis mittelgroßen Wasserkraftgeneratoren, Wärmekraftgeneratoren, neuen Energieerzeugungssystemen und Industrieanlagen-z. B. in der Chemie- und Verarbeitungsbranche- verwendet, die über eigene Kapazitäten zur Stromerzeugung verfügen.

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