Einfluss des Prüfkreises auf das Abreißstromverhalten von Vakuumschaltern unter Berücksichtigung spezieller Netzkonfigurationen in der Mittelspannung

Vakuumschalter besitzen gegenüber anderen Schalttechnologien die Besonderheit, dass der zu unterbrechende Strom kurz vor dem natürlichen Nulldurchgang bei Werten im Ampere-Bereich abreißt. Besonders bei bestimmten Netzbedingungen in der Mittelspannungsebene bei großen induktiven Lasten und kleinen Gesamtströmen können hohe Überspannungen die Folge sein, wodurch lastseitig angeschlossene Betriebsmittel Schaden nehmen können oder die Schaltstrecke selbst dielektrisch versagen kann. Diese Arbeit behandelt diesen speziellen Fall durch experimentelle Untersuchungen und theoretische Lösungen in Form von numerischen Berechnungen. Ziel ist es dabei im Wesentlichen, verschiedene Prüfbedingungen sowie Kontaktwerkstoffe zu variieren. Zunächst wird ein Prüfkreis aufgebaut, der sich in der Struktur im Gegensatz zu bisherigen Arbeiten auf diesem Gebiet an Vorgaben relevanter Prüfvorschriften der IEC-Norm orientiert. Die Besonderheit ist hierbei die diskrete Trennung von Speise- und Lastseite, deren Bindeglied der untersuchte Schalter darstellt. Durch den Schalter gekoppelt kommt es zu einem Zusammenwirken bestimmter Elemente beider Seiten als Schwingkreis mit Resonanzfrequenzen bis in den Megahertz Bereich, welche damit deutlich größer als die Netzfrequenz sind. Hierbei wird ausführlich auf den Einfluss der einzelnen Kreisparameter eingegangen. Die dabei untersuchten Stromhöhen belaufen sich auf bis zu 890 A im Scheitel bei 50 Hz, während die treibende Spannung im Bereich zwischen 230 V und 3,2 kV eingestellt werden kann. Um eine exakte Auswertung der Vorgänge beim Stromabriss zu ermöglichen, wird der Abreißstrom nicht direkt ausgewertet, sondern mithilfe der genauer zu messenden Wiederkehrspannung berechnet. Somit ist es möglich, direkt auf den netzfrequenten Anteil des Stroms zu schließen, der letztlich für die Überspannung auf der Lastseite verantwortlich ist. Die aufgrund der experimentellen Ergebnisse aufgestellten Theorien zum Einfluss einzelner Kreisparameter werden durch ein Simulationsmodell bestätigt, welches sowohl den Prüfkreisaufbau als auch die nichtlineare, vereinfachte Kennlinie des Metalldampfbogens berücksichtigt. Nach den Schaltversuchen werden die relevanten Kontakte bezüglich ihrer Oberflächenstruktur durch lichtmikroskopische Analysen und Aufnahmen durch ein Rasterelektronenmikroskop auf ihre Eignung als Kontaktmaterial für den verwendeten Lastschaltertypen untersucht. Dabei zeigen sich für die verschiedenen Materialien Unterschiede in der Aufschmelzung der Oberflächen