Re-ignition phenomena in low-voltage circuit breakers

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden Wiederzündvorgänge von Lichtbögen in Niederspannungsleistungsschalter im Kurzschlussfall untersucht. Einflussfaktoren bzw. Mechanismen die die Wiederzündwahrscheinlichkeit beeinflussen, werden identifizieren. Sie soll damit die Entwicklung neuer Niederspannungs-Leistungsschalter mit höheren Kurzschlussabschaltvermögen unterstützen.<br />Die Grundlage für die Untersuchung von Wiederzündvorgänge bilden standardisierte einphasige 10 kA/600V Kurzschlussunterbrechungsversuche.<br />Bei den durchgeführten Tests werden die Lichtbogenspannung sowie die Löschblechspannungen, der Lichtbogenstrom, der sogenannte Nachstrom, und der Schaltkammerdruck gemessen. Die Bogenbewegung in der Schaltkammer wird mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Es konnten zwei unterschiedliche Wiederzündphänomenen beobachtet werden. Ein Phänomen wird als "unverzögertes Wiederzünden" bezeichnet. Der Lichtbogen zündet hierbei unmittelbar nach dem Stromnulldurchgang wieder. Die statistische Analyse der Messergebnisse zeigt eine geringe Abhängigkeit der Wiederzündwahrscheinlichkeit vom Schaltkammerdruck und der Lichtbogenenergie. Eine eindeutige Korrelation besteht zwischen dem Ausgang eines Kurzschlussunterbrechungsversuch und der sogenannte "Exit-Voltage". Je kleiner diese Spannung ist, desto höher die Wahrscheinlichkeit eines Schaltversagens. Neben kurzgeschlossenen Löschblechen ist vor allem das Rückzünden des Lichtbogens Ursache für eine niedrige Exit-Voltage. Verschiedene Mechanismen die ein Rückzünden begünstigen werden diskutiert. Beim "verzögerten Wiederzünden" wird der Lichtbogen im Nulldurchgang zunächst gelöschte, zündet aber nach einer bestimmten Zeitspanne (Nachstromphase) wieder. Messungen des Nachstromes und der elektrischen Feldstärke entlang der Schaltstrecke zeigen, dass sich während der Nachstromphase eine Hochdruck-Glimmentladung in der Kontaktstrecke ausbildet, gefolgt von einem Umschlag in eine Lichtbogenentladung. Eine qualitative und quantitative Beschreibung des Glimm-Lichtbogen-Umschlagprozesses wird vorgestellt. Das mathematische Modell zeigt eine Abhängigkeit der Wiederzündwahrscheinlichkeit von der Rauigkeit der Kathodenoberfläche (Anzahl der Elektronenemissionsquellen).<br />

Low-voltage circuit breakers are used in power distribution systems in order to provide load protection in overload and short circuit events. However, at high short circuit currents, where the breaker reaches its interrupting capacity limit, a successful interruption cannot be ensured. In the case of a failed interruption, an arc re-ignites across the contacts of the breaker and the current continuous to flow after current zero crossing, representing a major threat to individuals and electrical systems. Thus arc re-ignitions are to be avoided.<br />The objective of the present work is to determine the breakdown mechanism that causes arc re-ignition in order to understand what leads to a successful or a failed interruption under short circuit conditions and subsequently provide knowledge on factors that affect re-ignitions, as a basis for developing better performance circuit breakers. For this purpose, re-ignition processes during standardized 10 kA/600V single-phase short circuit interruption tests were investigated.<br />Commercial small frames of molded case circuit breakers were used in this study. A comprehensive monitoring system was employed including high speed imaging, measurement of arc chute splitter plate voltages, arc voltage, arc current, post arc current and arc camber pressure. Two different re-ignition phenomena were observed during the experimental tests.<br />The first phenomenon is the so-called "instantaneous re-ignition". Here, the arc re-ignites immediately after current zero crossing and short circuit current (in the order of thousands of amperes) continues to flow with reverse polarity. Statistical analysis of the measurement results shows that the arc chamber pressure as well as the arc energy has a negligible impact on the interruption performance of the breaker. The only measured parameter that is clearly relatable to the outcome of an interruption tests (successful or failed) is the so-called "exit-voltage". The lower the exit-voltage, the higher the probability for an instantaneous re-ignition. The reasons for a low exit-voltage are: a) shorted splitter plates due to re-solidified metal droplets; b) the arc pulls away from the splitter plates and stays across the contacts (back-strike). Influencing factors and mechanism invoked to create a back-strike opportunity are introduced. The second phenomenon is called "delayed re-ignition". In this case, the re-ignition takes place a certain time period (post-arc-period) after current zero-crossing. The exit-voltage, the arc energy, the peak and mean arc voltages and arc current have only marginal influence on the probability of delayed re-ignitions. The measurements of post arc current and the electric field strength along the contact gap indicate that a glow discharge in air at atmospheric pressure is established during the post-arc-period, followed by a glow-to-arc transition. Based on the results obtained, a qualitative description as well as a mathematical description of a glow-to-arc transition is presented. The mathematical model shows the dependency of the re-ignition probability on the number of protrusions (emission sites) on the contact surface.<br />The theory and the experimental data presented will be useful for those who design and develop low-voltage circuit breakers or need to understand the critical factors and the degree to which these factors can impact the re-ignition process.<br />