Eigenschaften von Vakuum-Schaltlichtbögen in Hochspannungsanwendungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Kurrat; Professor Dr. Dirk Uhrlandt
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 576950665

Das Schalten hoher Ströme bei hohen Spannungen im Energieverteilnetz erfolgt bisher mit Leistungsschaltern, in denen gesundheits- und umweltschädliche Materialien (das Klimagas Schwefelhexafluorid SF6 und fluorhaltige Düsenmaterialien wie Polytetrafluoräthylen) entscheidend für ihre Funktionalität sind. An Alternativen wird intensiv geforscht. Eine davon sind Vakuumschalter, die jedoch bisher nur im Bereich der Mittelspannung einsetzbar sind. Um Hochspannungsleistungsschalter mit Vakuumbögen zu realisieren, müssen große Kontaktabstände und Serienschaltungen von Kontakten realisiert werden. Das komplexe Verhalten von Lichtbögen in Vakuumschaltern bei großen Kontaktabständen ist jedoch ungenügend untersucht. Entscheidend sind die Moden des Bogens insbesondere an der Anode, welche zu unterschiedlicher Elektrodenerosion führen. Insbesondere bei der Serienschaltung von zwei Shaltern spielen Abweichungen von der Symmetrie eine große Rolle für die Spannungsfestigkeit. Zudem werden aufgrund von mechanischen Vorteilen die jeweils beweglichen Elektroden in beiden Schaltern mit unterschiedlicher Polarität betrieben. In Voruntersuchungen wurden signifikante Unterschiede im Vakuumbogenverhalten und im Anodenansatz beobachtet, wenn in einem Schalter die Anode und im anderen Schalter die Kathode bewegt wird. Die Gründe sind bisher nicht bekannt, was die Suche nach technischen Lösungen erschwert. In diesem Projekt wollen die Antragsteller das besondere Verhalten von langen Vakuumbögen in Abhängigkeit der Polarität der bewegten Elektrode untersuchen. An der TU Braunschweig ist dafür eine geeignete experimentelle Anlage eines optisch zugänglichen Doppelkontaktsystems vorhanden. Die Erfahrungen des Leibniz-Instituts in Greifswald sollen genutzt werden, um erstmals spektroskopische Analysen in einem solchen System einzusetzen. Damit sollen die physikalischen Mechanismen u.a. der Ausbildung der Anodenspots bei langen Bögen aufgeklärt und mit dem bekannten Verhalten bei kurzen Bögen verglichen werden. Mit Hilfe abbildender optischer Emissionsspektroskopie in Form schneller Videospektroskopie sollen Dichten und Temperaturen der atomaren und ionischen Spezies im Vakuumbogen bestimmt werden. Dabei besteht die Herausforderung, die erwarteten Abweichungen von Lokalen Thermodynamischen Gleichgewicht zu berücksichtigen und auf gängige Näherungen zu verzichten. Dies soll durch geeignete Modellansätze für Speziesdichten und Strahlungstransport erreicht werden. Zusätzlich sollen Profile der Oberflächentemperatur der Elektroden gemessen werden, um das zeitliche und räumliche Erosionsverhalten einzuschätzen. Mit der schrittweisen Betrachtung von zylindrischen Modellelektroden und Axial-Magnetfeld-Kontakten (AMF) soll den Einfluss von Magnetfeldern auf das Bogenverhalten ermittelt werden. Erwartet werden Erkenntnisse zu den Mechanismen der Anodenspotausbildung in langen Bögen und den Gründen des asymmetrischen Verhaltens in Abhängigkeit der Polarität der bewegten Elektrode.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen