Öffnen von Stromkreisen

Das Öffnen von Stromkreisen bedeutet normalerweise Übergangsprozess, bei dem sich der Strom im Stromkreis von einem bestimmten Wert auf Null ändert. In der letzten Phase des Öffnens des Stromkreises entsteht zwischen den Kontakten der Trennvorrichtung eine Lücke, die neben der Nullleitfähigkeit auch eine ausreichend hohe Spannungsfestigkeit aufweisen muss, um der Einwirkung der wiederhergestellten Stromkreisspannung standzuhalten.

Physikalische Eigenschaften der Bogenentladung

Lichtbogen kann auftreten, wenn der Spalt zwischen den Kontakten (Elektroden) bricht oder wenn sie sich öffnen. Wenn sich die Kontakte öffnen, wird die Lichtbogenbildung zwischen ihnen durch die Bildung leuchtender „Flecken“ auf der Kontaktoberfläche begünstigt, die eine Folge erheblicher Stromdichten über kleine „Trennungsbereiche“ sind. Dies führt dazu, dass sich beim Öffnen der Kontakte ein Lichtbogen bildet, selbst bei einer relativ niedrigen Spannung (in der Größenordnung von mehreren zehn Volt).

Es ist allgemein anerkannt, dass die Mindestbedingungen für das Auftreten einer zumindest instabilen Lichtbogenbildung an den Kontakten sind Strom ca. 0,5 A und Spannung 15 – 20 V.

Das Öffnen der Kontakte bei niedrigeren Spannungs- und Stromwerten geht meist nur mit kleinen Funken einher. Bei höheren Leerlaufspannungen, aber geringeren Strömen ist eine Bildung zwischen den offenen Kontakten möglich Glimmentladung.

Das Vorliegen einer Glimmentladung ist durch einen deutlichen Abfall der Kathodenspannung (bis zu 300 V) gekennzeichnet. Wenn beispielsweise eine Glimmentladung in eine Bogenentladung übergeht, wenn der Strom im Stromkreis zunimmt, sinkt der Spannungsabfall an der Kathode auf 10 bis 20 V.

Die charakteristischen Merkmale der Bogenentladung bei hohem Druck eines Gasmediums sind:

• hohe Stromdichte in der Lichtbogensäule;

• hohe Temperatur des Gases im Lichtbogenkanal, die 5000 K erreicht, und unter Bedingungen intensiver Entionisierung 12000 – 15000 K und höher;

• hohe Stromdichte und geringer Spannungsabfall an den Elektroden.

Normalerweise besteht das Ziel darin, sicherzustellen, dass der Stromkreisöffnungsprozess so schnell wie möglich abläuft. Zu diesem Zweck werden spezielle Schaltgeräte (Schalter, Leistungsschalter, Schütze, Sicherungen, Lasttrennschalter usw.) verwendet.

Lichtbogenphänomene werden nicht nur bei Leistungsschaltern beobachtet. Beim Öffnen der Kontakte kann ein Lichtbogen entstehen. Hochspannungstrennschalter, wenn die Isolierung der Leitungen überlappt, wenn die Schutzelemente der Sicherungen durchgebrannt sind usw.

Die Komplexität der Geräte dieser Geräte hängt von den an sie gestellten Anforderungen hinsichtlich Betriebsspannung, Bemessungsströmen und Kurzschlussströmen, Höhe der auftretenden Überspannungen, atmosphärischen Bedingungen, Drehzahlwerten usw. ab.

Merkmale des Öffnens von Stromkreisen durch Trennschalter

Die Frage des Löschens langer offener Lichtbögen bei Wechselstrom stellt sich am häufigsten bei der Arbeit mit einfachen Trennschaltern wie Auslösegeräten. Solche Trennschalter verfügen nicht über spezielle Lichtbogenunterdrückungsvorrichtungen, und wenn die Kontakte öffnen, leiten sie den Lichtbogen nur in die Luft.

Um die Bedingungen für die Lichtbogenstreckung zu verbessern, werden Trennschalter mit Horn- oder zusätzlichen Stabelektroden ausgestattet, entlang derer der Lichtbogen angehoben und auf eine große Länge gedehnt wird.

Im Internet sind viele Videos hochgeladen, die den Lichtbogenvorgang zeigen, wenn sich die Kontakte von Trennschaltern unter Last öffnen (diese sind leicht zu finden, indem Sie nach „Lichtbogentrennschalter“ suchen).

Offene Lichtbögen an Trennschaltern oder zwischen Leitern und Erde auf Stromleitungen werden durch Wind stark gefördert. Bei Wind kann der Lichtbogen kürzer sein und daher schneller verschwinden als bei Windstille. Allerdings sollte ein Faktor wie Wind aufgrund seiner Inkonsistenz nicht berücksichtigt werden, sondern auf der Grundlage schwierigerer Bedingungen – der vollständigen Abwesenheit von Wind.

Mit Hilfe von Trennschaltern ist es unmöglich, einen großen Strom abzuschalten, da der Lichtbogen gleichzeitig eine beträchtliche Länge erreicht, eine große Flamme bildet und die Kontakte der Trennvorrichtung stark schmilzt. Ein starker offener Lichtbogen beschädigt leicht die Isolatoren, mit denen er in Kontakt kommt, führt zu einer Überlappung zwischen den Phasen, was zu einem Kurzschluss im Netzwerk führt.

Herkömmliche Trennschalter werden häufig zum Trennen von Leerlaufströmen kleiner Transformatoren, kapazitiven Lastleitungsströmen, Schwachlastströmen usw. verwendet.

Möglichkeiten, Stromkreise zu öffnen

Grundsätzlich sind folgende Methoden zum Öffnen von Stromkreisen mit Gleichstrom und Wechselstrom möglich.

1. Einfache Lichtbogenbildung in Stromkreisen

Zu dieser Gruppe gehören solche Verfahren zum Öffnen von Stromkreisen mit Gleich- und Wechselstrom, bei denen keine besonderen zusätzlichen Maßnahmen zur Strombegrenzung im Stromkreis vor dem Öffnen der Kontakte oder besondere Maßnahmen zur Reduzierung der Lichtbogenenergie in der Lichtbogenstrecke des Stromkreises getroffen werden Unterbrecher.

Bei dieser Öffnungsmethode sind die Bedingungen für die Unterbrechung des Stromkreises höchstens gegeben Lichtbogenlöschkammer der Trennvorrichtung indem die erforderliche Spannungsfestigkeit der Lücke erzeugt wird, wenn der Strom den Nulldurchgang durchläuft (Wechselstrom) oder ein ausreichender Wert der Lichtbogenspannung erreicht wird (Gleichstrom).

Während der Lichtbogenbildung können sich die Kontakte des Geräts in jeder Phase des im Stromkreis fließenden Stroms öffnen, daher müssen die Kontakte und Elemente der Lichtbogenkammer für die Wirkung eines Lichtbogens relativ hoher Leistung und Energie ausgelegt sein.

Lichtbogenlöschkammern für Elektrogeräte

Lichtbogenrutsche für Leistungsschalter

2. Begrenzte Lichtbogenöffnung von Stromkreisen

Zu solchen Ausschlussmethoden gehören solche, bei denen ein relativ großer aktiver bzw Reaktivität, wodurch der Strom im Stromkreis im Vergleich zu seinem Wert vor Beginn der Begrenzung deutlich abnimmt. Der Schalter schaltet den begrenzten Strom ab, der im Stromkreis verbleibt.

In diesem Fall entsteht an den Kontakten ein leistungsbegrenzter Lichtbogen, und das Löschen des Lichtbogens über den verbleibenden Strom ist eine einfachere Aufgabe, als wenn der Strom nicht begrenzt wäre.

Herkömmlicherweise zählen wir solche Abschaltmethoden in die gleiche Gruppe, bei denen die Phase der Stromunterbrechung streng festgelegt ist oder die Brenndauer des Lichtbogens an den Kontakten durch einige besondere Maßnahmen, beispielsweise Ventilvorrichtungen usw., begrenzt ist.

3. Lichtbogenloses Öffnen von Stromkreisen

Der Vorgang des Öffnens von Stromkreisen ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenentladung an den Hauptkontakten aufgrund des Einflusses der Induktivität und Gegeninduktivität der Stromkreise vollständig oder in Form eines sehr kurzzeitig instabilen Lichtbogens erfolgt . Diese Art der Stromkreisöffnung wird üblicherweise durch Hochleistungsventile (Siliziumdioden oder Thyristoren) erreicht, die als Überbrückungselemente der Hauptkontakte des Leistungsschalters dienen.

Lichtbogenlöscheigenschaften beim Öffnen von Gleich- und Wechselstromkreisen

Von den Löschbedingungen für Gleichlichtbögen und lange offene Wechsellichtbögen sind Wechselstromlichtbogenlöschbedingungen mit aktiver Entionisierung der Schaltgerätestrecke grundsätzlich ausgenommen.

Bei einem Dauerlichtbogen oder einem offenen langen Wechsellichtbogen kommt es vor allem deshalb zum Erlöschen, weil die elektrische Energiequelle beim Strecken des Lichtbogens nicht in der Lage ist, den Spannungsabfall in der Lichtbogensäule abzudecken, wodurch ein instabiler Zustand entsteht und die Lichtbogen erlischt.

Wenn in einem Wechselstromkreis ein Lichtbogen auftritt, wenn die Lichtbogensäule aktiv entionisiert wird oder in eine Reihe kurzer Lichtbögen aufbricht, kann der Lichtbogen gelöscht werden, selbst wenn die Quelle noch über eine große Versorgungsspannung verfügt, um das Brennen des Lichtbogens aufrechtzuerhalten, was jedoch ausfällt nicht ausreicht, um seine Zündung sicherzustellen – bei einem Stromnulldurchgang.

Unter Bedingungen aktiver Entionisierung während des Stromnulldurchgangs nimmt die Leitfähigkeit der Lichtbogensäule so stark ab, dass zumindest für kurze Zeit eine erhebliche Spannung an sie angelegt werden muss, um den Lichtbogen in der nächsten Halbwelle zu starten.

Wenn der Stromkreis nicht in der Lage ist, eine ausreichende Spannung bereitzustellen, und die Geschwindigkeit, mit der er in der Lücke ansteigt, nach dem Nulldurchgang des Stroms unterbrochen wird, d. h. der Lichtbogen erscheint nicht in der nächsten Halbwelle und der Stromkreis ist endgültig ausgeschaltet.

Betrachten Sie dann die häufigsten Lichtbogenkreise einfach öffnen.

Wenn die Spannung und der Strom der Stromquelle bestimmte kritische Werte überschreiten, dann an den Kontakten der elektrischen Trennvorrichtung Beim Öffnen kommt es zu einer stabilen Bogenentladung… Wenn die Kontakte weiter auseinanderlaufen oder der Lichtbogen in die Lichtbogenlöschkammer des Trennschalters geblasen wird, entstehen instabile Lichtbogenbrennbedingungen und der Lichtbogen kann gelöscht werden.

Wenn die Spannung und der Strom im Stromkreis ansteigen, nimmt die Schwierigkeit, instabile Lichtbogenbedingungen zu erzeugen, rapide zu. Bei Spannungen von Tausenden und Zehntausenden Volt und relativ hohen Strömen (Tausende Ampere) entsteht in den Kontakten der Trennvorrichtung ein sehr starker Lichtbogen. Um diesen zu löschen und damit den Stromkreis zu unterbrechen, müssen Maßnahmen ergriffen werden mehr oder weniger ausgefeilte Lichtbogenlöschgeräte ... Besonders große Schwierigkeiten treten beim Abschalten von Gleichstromkreisen auf.

Auch bei einem Rock sind erhebliche Schwierigkeiten zu überwinden. Kurzschlussströme in Wechselstromkreisen für kurze Zeiträume (Hundertstel- und Tausendstelsekunden).

Das schnelle Unterbrechen des Stromkreises und die Beseitigung der daraus resultierenden Kurzschlüsse in Elektroinstallationen werden durch eine Reihe von Umständen und vor allem durch die Notwendigkeit der Aufrechterhaltung der Betriebsstabilität bestimmt. elektrische Systeme, Schutz von Drähten und Geräten vor den thermischen Auswirkungen von Kurzschlussströmen, Schutz von Kontakten und Lichtbogenkammern von Trennvorrichtungen vor der zerstörerischen Wirkung eines starken Lichtbogens.

Von großer Bedeutung ist auch die schnelle Beseitigung des Leerlauflichtbogens in Geräten für Niederspannungssteuerkreise, die in der Regel für eine sehr große Anzahl von Schaltvorgängen ausgelegt sind. Die Verkürzung der Brenndauer des Lichtbogens führt zu einer Verringerung des Brennens von Kontakten und anderen Elementen des Geräts und damit zu einer Erhöhung der Lebensdauer.

Eine sehr schnelle Beseitigung des Lichtbogens kann jedoch zu sehr großen Überspannungen im Stromkreis führen, da der Lichtbogen bei geöffnetem Stromkreis die im Stromkreis gespeicherte elektromagnetische Energie absorbiert, die in elektrostatische Stoßenergie umgewandelt werden kann. Daher kann die Bogenentladung in manchen Fällen eine positive Rolle spielen. Dies sollte berücksichtigt werden.

Das Problem, zuverlässige Hochgeschwindigkeits-Hoch- und Niederspannungs-Trennvorrichtungen zu schaffen, basiert in erster Linie auf der richtigen Lösung des Problems der Lichtbogenlöschung in ihnen.

Die Unterbrechung von Nieder- und Hochspannungsstromkreisen mit der Bildung eines starken Lichtbogens in den Kontakten elektrischer Geräte ist ein komplexer Prozess, dessen Untersuchung einer Vielzahl theoretischer und experimenteller Studien und Designentwicklungen gewidmet ist.

Abhängig von der Höhe der Betriebsspannung, der Höhe der Ströme, der erforderlichen Betriebszeit der Trennvorrichtungen, den Sicherheitsbedingungen usw. gibt es in der Praxis eine Vielzahl von Methoden zum Löschen von Wechsel- und Gleichlichtbögen.

Derzeit ist die einfache Lichtbogenbildung immer noch der Hauptweg, den die Hoch- und Niederspannungs-Wechselstrom- und Gleichstrom-Schaltgerätetechnologie weiterhin einschlägt.

Siehe auch:Hochspannungs-Vakuum-Leistungsschalter – Aufbau und Funktionsprinzip