Re–ignition phenomena in low–voltage circuit breaker

In der vorliegenden Arbeit werden Wiederzündvorgänge von Lichtbögen in Niederspannungsleistungsschalter im Kurzschlussfall untersucht. Einflussfaktoren bzw. Mechanismen, die die Wiederzündwahrscheinlichkeit beeinflussen, werden identifizieren. Sie soll damit die Entwicklung neuer Niederspannungsleistungsschalter mit höheren Kurzschlussabschaltvermögen unterstützen. Die Grundlage für die Untersuchung von Wiederzündvorgänge bilden standardisierte einphasige 10 kA/600V Kurzschlussunterbrechungsversuche. Bei den durchgeführten Tests werden die Lichtbogenspannung sowie die Löschblechspannungen, der Lichtbogenstrom, der sogenannte Nachstrom, und der Schaltkammerdruck gemessen. Die Bogenbewegung in der Schaltkammer wird mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Es konnten zwei unterschiedliche Wiederzündphänomene beobachtet werden. Ein Phänomen wird als "unverzögertes Wiederzünden" bezeichnet. Der Lichtbogen zündet hierbei unmittelbar nach dem Stromnulldurchgang wieder. Die statistische Analyse der Messergebnisse zeigt eine geringe Abhängigkeit der Wiederzündwahrscheinlichkeit vom Schaltkammerdruck und von der Lichtbogenenergie. Eine eindeutige Korrelation besteht zwischen dem Ausgang eines Kurzschlussunterbrechungsversuch und der sogenannten "Exit–Voltage". Je kleiner diese Spannung ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit eines Schaltversagens. Neben kurzgeschlossenen Löschblechen ist vor allem das Rückzünden des Lichtbogens Ursache für eine niedrige Exit–Voltage. Verschiedene Mechanismen die ein Rückzünden begünstigen werden diskutiert. Beim "verzögerten Wiederzünden" wird der Lichtbogen im Nulldurchgang zunächst gelöscht, zündet aber nach einer bestimmten Zeitspanne (Nachstromphase) wieder. Messungen des Nachstromes und der elektrischen Feldstärke entlang der Schaltstrecke zeigen, dass sich während der Nachstromphase eine Hochdruck–Glimmentladung in der Kontaktstrecke ausbildet, gefolgt von einem Umschlag in eine Lichtbogenentladung. Eine qualitative und quantitative Beschreibung des Glimm–Lichtbogen–Umschlagprozesses wird vorgestellt. Das mathematische Modell zeigt eine Abhängigkeit der Wiederzündwahrscheinlichkeit von der Rauigkeit der Kathodenoberfläche (Anzahl der Elektronenemissionsquellen).