Experimentelle Untersuchung des Bogenlaufs und der Oberflächentemperatur an Transversal-Magnetfeld-Anordnungen im Vakuum
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des hier beschriebenen Projektes war es, das Verhalten kontrahierter Vakuum-Hochstromlichtbögen zwischen Transversal-Magnetfeld-Kontakten sowie deren Wechselwirkung mit den Kontaktstücken systematisch experimentell zu untersuchen. Von besonderem Interesse sind hierbei die Gestalt und Wanderungsgeschwindigkeit des Lichtbogens sowie die Temperaturverteilung auf den Kontaktoberflächen, da sie ein entscheidendes Kriterium für die Lichtbogenlöschung nach dem Stromnullpunkt darstellt. Der entwickelte Versuchsschalter ermöglicht erstmalig die zweidimensionale Bestimmung der Lichtbogenabmessungen und des Laufweges des Bogens. Über Spiegel werden beide Blickrichtungen nebeneinander auf einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Aus den optischen Aufnahmen werden die Momentangeschwindigkeiten des Lichtbogens, die Rotationsanzahl sowie die Stromdichte der kontrahierten Bogensäule ermittelt. Die untersuchten Topf- und Spiralkontakte zeigen deutlich unterschiedliche Lichtbogenbewegungen. Verläuft die Bogenbewegung beim Topfkontakt überwiegend gleichmäßig, verhält sich das Bogenplasma auf Spiralkontakten sehr unruhig. Die Momentanwerte der Geschwindigkeiten zeigen große Fluktuationen zwischen einigen 10 m/s und einigen 100 m/s. Außerdem treten neben dem typischen kontrahierten Lichtbogen auch Plasmajetmoden auf. Diese verschiedenen Plasmaformen lassen sich durch das zweidimensionale Aufnahmeverfahren vorteilhaft darstellen. Damit wird aber auch der weitere Untersuchungsbedarf deutlich, um das komplexe Plasmaverhalten erklären zu können. Neben den Geschwindigkeiten werden auch die Laufwege der Bogenfußpunkte durch die zweidimensionale Betrachtung erfasst. Im Ergebnis sind die Laufwege neben den Magnetfeldern insbesondere durch die lokale Oberflächentemperatur der Kontakte besfimmt. Damit kommt der Kontakttemperaturverteilung und deren messtechnischen Bestimmung eine große Bedeutung zu. Die zweidimensionale Aufnahme ermöglicht ebenfalls eine genauere Bestimmung der Stromdichten in den Bogenfußpunkten. Hier zeigen sich die bekannten Werte zwischen einigen kA/cm^2 und etwa 40 kA/cm^2. Allerdings liefern die Hochgeschwindigkeitsaufnahmen auch eine Fluktuation der Stromdichten, so dass neben der bekannten allgemeinen Tendenz keine klare Abhängigkeit vom Augenblickswert des Stromes möglich ist. Die berührungslose Temperaturmessung der Kontaktoberfläche ist aufgrund der stark unterschiedlichen Leuchtdichten von Kontaktoberfläche und Lichtbogen im Infrarotbereich nur ohne Lichtbogenstrahlung möglich. Daher erfolgt die Temperaturmessung im Stromnulldurchgang. Es zeigte sich, dass der entwickelte Messaufbau mittels Verhältnispyrometrie unter Verwendung der Hochgeschwindigkeitskamera eine zu geringe Empfindlichkeit aufweist, um die Temperaturstrahlung der Kontaktoberfläche im Stromnullbereich zu detektieren. Als Alternative zu diesem Messverfahren wurde die Messung mittels eines kommerziellen Bandpyrometers durchgeführt. Hiermit können Aufnahmen der Infrarotstrahlung der Kontaktoberfläche bei Stromnull erreicht werden. Voraussetzung für eine Temperaturmessung ist jedoch die Bestimmung des zu berücksichtigenden Emissionsgrads des Kontaktmate rials im entsprechenden Spektralbereich. Berührungslose Temperaturmessungen sind bereits durchgeführt worden. Die Angaben in der Literatur zum Emissionsgrad sind jedoch nicht übereinstimmend und führen zu unzulässigen Messfehlern. Hier besteht Untersuchungsbedarf, da die Oberflächentemperatur eine wichtige Größe für die physikalischen Prozesse im Vakuumlichtbogen darstellt. Mit der vorliegenden Arbeit wurden die theoretischen und versuchstechnischen Voraussetzungen für weiterführende detaillierte Untersuchungen des Vakuumlichtbogenverhaltens geschaffen, um das Verständnis der physikalischen Vorgänge und die zielgerichtete Weiterentwicklung von Simulationen zu ermöglichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Optical Investigations of High-Current Vacuum Arc Behavior on Spiral-Shaped and Cup-Shaped RMF-Contacts, 55th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, Vancouver, Kanada, 14-16 September 2009
C. Wolf, M. Kurrat, M. Lindmayer und D. Gentsch
- Arcing Behaviour on TMF-Contacts at High-Current Interrupting Operations, 24th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Braunschweig, Germany, 30 August - 3 September 2010
C. Wolf, M. Kurrat, M. Lindmayer und D. Gentsch
- Arcing Behavior on Different TMF-Contacts at High-Current Interrupting Operations, IEEE Transactions on Plasma Science. Volume 39, Issue 6, Juni 2011
C. Wolf, M. Kurrat, M. Lindmayer, E.-D. Wilkening und D. Gentsch
- Non-Contact Temperature Measurement on CuCr-Electrodes in Vacuum after High-Current Interruption, XlXth Symposium on Physics of Switching Arc, Brno, Czech Republic, 05-09 September 2011
C. Wolf, M. Kurrat, M. Lindmayer und D. Gentsch
