Relais für zukünftige Gleichspannungsnetze

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Der Lichtbogen interagiert mit dem Gas der Umgebung

Ein interessanter Aspekt ist dabei die Wechselwirkung des Lichtbogens mit dem Gas der Umgebung.

Ein frei brennender Lichtbogen in Luft hat einen Spannungsabfall von circa 30 V/mm. Bei Einsatz von geeigneten Gasen kann man dem Lichtbogen auf gleichem Raum mehr Energie entziehen, der Spannungsabfall pro zurückgelegtem Weg vergrößert sich und der Lichtbogen benötigt eine höhere Spannung um zu bestehen.

Die Elektronen aus der Kathode werden im elektrischen Feld beschleunigt und geben ihre Energie an das umgebende Gas ab, überwiegend durch Stoßionisation. Die dabei entstehenden freien Elektronen werden wiederum beschleunigt und erzeugen noch mehr freie Elektronen, sodass ein Lawinen-Effekt einsetzt. Dies geschieht in der Ionisationszone, an der Grenze zwischen Kathodenfallgebiet und Bogensäule.

Je nach Gasdichte und Medium ändert sich die freie Weglänge und damit der Energieaustausch pro Wechselwirkung. Diese Abhängigkeiten lassen sich nutzen, um eine zur Unterbrechung dieses Lawineneffekts geeignete Kombination aus Gastyp, Druck und Kontaktabstand herzustellen.

Unterschiedliche Gase verhalten sich verschieden

Bild 2 zeigt exemplarisch einen Vergleich des Abschaltvorgangs eines Gleichspannungs-Schützes in Luft- und Wasserstoffatmosphäre bei 300 V Gleichspannung und 1000 A. Der Vergleich zeigt bei dieser hohen Abschaltleistung eine um den Faktor drei verbesserte Abschaltzeit für die Kontakte in der Wasserstoffumgebung.

Auch mit Stickstoff werden gute Ergebnisse erzielt

Sehr gute Ergebnisse erzielt man neben Wasserstoff auch mit Stickstoff, welcher den Lichtbogen ebenfalls deutlich schneller löscht als Luft. Messungen der Lichtbogenbrenndauer für ein kompaktes Gleichspannungs-Relais mit Kupferkontakten und einem Kontaktabstand von 5 mm in verschiedenen Medien sind aus Tabelle 1 ersichtlich.

Die Werte lassen sich aber nicht verallgemeinern, sondern zeigen lediglich eine Tendenz. Bei anderen Strom-Spannungsverhältnissen ändern sich auch die Zeiten relativ zueinander.

Wasserstoff-Trennschalter für den Automobilbereich

Mit Wasserstoff gefüllte Trennschalter wie die Serie EV/EP von Panasonic werden zurzeit hauptsächlich im Automobilbereich verwendet. Die sich öffnenden Kontaktstücke werden in einer mit Wasserstoff gefüllten Keramikkammer gekapselt. Der Vorteil ist dabei, dass reine Kupferkontakte verwendet werden können, die einen sehr guten Kontaktwiderstand ergeben.

Diese Technologie kann neben der Anwendung im Automobilbereich aber auch für zukünftige Relais in Gleichspannungsnetzen in der Industrie eingesetzt werden.

Literatur

[1] Direct Current Components + Grid, European ENIAC project, www.eniac.eu, www.dcc-g.eu.

[2] Anheuser, M.; Behrens, V.; Berger, F.; Mützel, T.: Schaltende Kontakte und deren Werkstoffe, Einführungsvortrag, VDE-Fachbericht 71, 23. Albert-Keil-Kontaktseminar, Karlsruhe, 2015.

[3] Vinaricky , E.: Elektrische Kontakte und Anwendungen. Springer Verlag 2016.

* Dr. Dieter Volm ist Senior General Manager für den Bereich Business Development Components bei Panasonic Electric Works Europe in Ottobrunn.

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