Über das Teilentladungsverhalten von strombegrenzenden Hochspannungs-Hochleistungssicherungen (PDF)

Die vorliegende Arbeit berichtet über das Teilentladungsverhalten von strombegrenzenden Hochspannungs-Hochleistungssicherungen kontinentaler Bauart. Neben der Ermittlung des TE-Verhaltens in Abhängigkeit von diversen Parametern und der Untersuchung ihrer Ursachen wurden verschiedene Möglichkeiten zur TE-Reduktion entwickelt und verglichen.
Die Bestimmung des TE-Verhaltens stützt sich auf bekannte Messverfahren der TE-Diagnostik wie Impulsladungsbestimmung und phasenaufgelöste TE-Analyse (PRPDA). Die Messungen wurden in eigens entwickelten Prüfgefässen (SiPK) durchgeführt, die es erlaubten, die Sicherungen definierten Prüfparametern auszusetzen. Die Prüfparameter waren Spannungshöhe, Stromstärke, Druck, Gasart, Temperatur, sowie Art und Feuchte des Löschmittels. Das Löschmittel ist der Hauptverursacher der TE in Sicherungen. In ihm spielen sich sowohl Volumen- als auch Oberflächenentladungsprozesse ab, weshalb das Ladungsspektrum von wenigen pC bis zu mehreren hundert nC reicht. Entsprechend schwankt auch die Impulsrate von wenigen Impulsen pro Sekunde bis zu mehreren hunderttausend. Die TE-Parameter (QTE, N) sind über der Prüfzeit (tmess = 40 min) nicht konstant, sondern sinken in Abhängigkeit verschiedener Parameter. Die stärkste Absenkung wurde bei Strombelastung gefunden. Die Absenkung wird auf die Leitfähigkeit der Sandkornoberflächen und plasmachemische Prozesse wie Ozonbildung zurückgeführt. Die Auswirkungen der TE auf das Schaltverhalten waren bei den untersuchten Prüflingen selbst bei längerer Belastung gering, obwohl eine Erosion der Schmelzleiter festgestellt werden konnte.
Zur Verminderung der TE in Sicherungen wurden verschiedene Verfahren implementiert: Variation von Konstruktionsparametern mit Hilfe einer FEM-Simulation, kapazitive und resistive Feldsteuerung der Sicherung sowie der Sicherungskapselung, Variation der Löschmittelporosität und -feuchte. Die stärkste TE-Reduktion konnte mit einer Imprägnierung des Löschmittels durch polymeres Siliziumdioxid erreicht werden, wodurch aber die zum Löschen erforderliche Porosität vollständig eliminiert wird. Aus wirtschaftlicher Sicht ist die Reduktion der Löschmittelporosität durch Verwendung bi- oder multidisperser Löschmittelkörnungen am besten geeignet, da kaum Änderungen im Fertigungsprozess der Sicherungen erforderlich sind und sich hohe Reduktionswerte erreichen lassen. Problematisch sind dabei der Einfluss auf das Schaltverhalten und die Segregation. Diese Effekte traten bei feldsteuernden Massnahmen nicht auf. Die Feldsteuerung wurde mit Siliziumkarbid als leitfähiger Komponente realisiert, das in organische oder keramische Matrizen eingebunden war. Auch hier konnten hohe Reduktionswerte erreicht werden, allerdings erfordern Feldsteuerungen einen Mehraufwand in Konstruktion und Fertigung.