Erfahrungsbericht zum Auslandsaufenthalt am Kyushu Institute of Technology in Japan gefördert durch den Herbert Kind Preis

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1 Erfahrungsbericht zum Auslandsaufenthalt am Kyushu Institute of Technology in Japan gefördert durch den Herbert Kind Preis Masoumeh KOOCHACK ZADEH Technische Universität Darmstadt, Fachgebiet Hochspannungstechnik, Landgraf Georg Straße 4, Darmstadt darmstadt.de Einleitung Gefördert durch den Herbert Kind Preis und mit großer Unterstützung von Prof. Hinrichsen trat ich im Rahmen meiner Promotion an der TU Darmstadt einen Projektaufenthalt in Japan an. Die Entscheidung für Japan fiel aus zwei wesentlichen Gründen: 1. Mein persönliches Interesse für das Kennenlernen der geheimnisvollen Kultur Japans, die ich nur durch die Medien, und zwar als eine Sammlung von z.t. widersprüchlichen Bräuchen kannte, und die ganz anders als die unseren sind. 2. Spitzenforschung im Bereich der Vakuumschalttechnik, die aktuell in Japan betrieben wird und wichtige Erkenntnisse für mein Promotionsprojekt bringen würde. Die ersten Kontakte mit dem Kyushu Institute of Technology (KIT) nahm ich über meinen Mitbetreuer Prof. Smeets von KEMA mit meinem späteren Betreuer Prof. Ikeda auf. Zu meiner Überraschung kümmerten sich dann Prof. Ikeda und seine Mitarbeiter um alle Dinge, die ich für den Aufenthalt benötigte. Vom Antrag für das Studentenwohnheim über Krankenversicherung und Meldebescheinigung bis hin zur Abholung vom etwa 70 km entfernten Flughafen. Die japanische Gastfreundlichkeit hörte allerdings hier nicht auf. Während meines gesamten Aufenthalts standen mir die Mitarbeiter des Instituts bei allen technischen, alltäglichen und Reise Angelegenheiten mit Rat und Tat zur Seite. Wegen der Sprachbarriere und auf Grund der japanischen Bürokratie, die die deutsche mit Abstand übertrifft, wären ohne ihre Hilfe viele einfache Dinge des Lebens wie z.b. die Bedienung der Waschmaschine fast unmöglich, viele wichtige Tätigkeiten wie die Behördengänge sehr kompliziert gewesen und viele interessante und wunderschöne Ecken Japans mir verborgen geblieben. Zur Verbesserung der Kommunikation vor allem außerhalb von KIT bemühte ich mich neben dem Verstehen der japanischen Kultur ebenfalls um die Sprache. Der Kurs Japanese Language for Foreign Students of Kyushu Institute of Technology ermöglichte mit einer sehr guten Didaktik einen raschen Zugang zur gesprochenen Alltagsprache. Die geschriebene Sprache mit über 2000 Zeichen blieb mir jedoch völlig fremd. Niemand wollte mich wohl für meinen relativ kurzen Aufenthalt damit abschrecken. Die von KIT organisierten Besprechungen mit den beteiligten Institutionen über den Projektverlauf in verschiedenen Regionen Japans leisteten jeweils zusätzlich zu ihrem eigentlichen Zweck einen sehr großen Beitrag zum Kennenlernen der japanischen Kultur. Ich bekam so viel vom kulturellen Erbe Japans zusätzlich zu den modernen Sehenswürdigkeiten des Landes zu sehen. Die unzähligen prachtvollen Tempel im Kontrast zum ultramodernen Bahnhofkomplex in Kioto, der Tsukiji Fischmarkt in Tokio mit den, wie es heißt, besten Sushi Bars der Welt und das zweitgrößte Aquarium

2 der Welt mit riesigen Walen und Mantas in Okinawa waren die prägnantesten Erlebnisse. Hinzu kommt die kulinarische Vielfalt, die wohl einerseits durch den Hang der Japaner zum Erhalt der traditionellen Gerichte sowie ihre Anpassung an das moderne Leben und andererseits durch die Liebe zur Kreation neuer Gerichte und Adoption fremder Rezepte bis zu ihrer Perfektion entstanden ist. Prof. Ikeda stellte mir zu Beginn des Aufenthalts zwei Themen zur Bearbeitung vor. Eins von ihnen passte inhaltlich sehr gut zu meinem eigenen Projekt, für das ich mich entsprechend auch entschied. Ich befasste mich in dieser Zeit also mit dem dielektrischen Verhalten von Vakuumschaltern nach einer Kurzschlussstrom Unterbrechung. Im nächsten Abschnitt erläutere ich die technischen Details zum Projekt. Technischer Bericht In der Mittelspannung (1 kv < U m < 52 kv) hat sich inzwischen der Vakuumschalter gegenüber anderen Schaltern wie Öl, Druckluft oder SF6 Schaltern durchgesetzt. Ein Pol eines Vakuumschalters besteht aus einer Vakuumkammer wie in Abbildung 1 dargestellt. Die Vorteile des Vakuumschalters liegen in einer großen Durchschlagsfestigkeit, einer hohen Lebensdauer und einem geringen Wartungsbedarf. Entsprechend den verschiedenen Verwendungen von Vakuumschaltern müssen diese Lastströme von Abbildung 1: einzelne Vakuumkammer bis zu mehreren Kiloampere und Kurzschlussströme bis zum oberen zweistelligen Kiloamperebereich unterbrechen. Während des Unterbrechungsbetriebs des Vakuumschalters fließt der Strom durch den Vakuum Lichtbogen vom Öffnungszeitpunkt der Kontakte an bis mindestens zum nächsten Stromnulldurchgang. Wegen des Verdampfens des Kontaktmaterials und des Ausstoßes einiger Metallpartikel aus der Funkenstrecke während des Brennens des Vakuum Lichtbogens erodiert die Kontaktoberfläche ein wenig nach jedem Betrieb. Außerdem kondensiert das verdampfte Metall auf der Kontaktoberfläche und trägt somit ebenfalls zu einer weiteren Veränderung der Oberfläche bei. Dies kann zu einer Veränderung der Isolationseigenschaften von Vakuumschaltern während ihrer Lebensdauer führen [1]. Um den Effekt der Kurzschlussstromunterbrechung auf die mikroskopische Veränderung der Kontaktoberfläche und in Folge auf die Isolationseigenschaften der Vakuumschalter untersuchen zu können, werden in dieser Arbeit die Vordurchschlagströme (Feldemissionsströme) und die Durchschlagspannung gemessen. Die Feldemissionstheorie geht davon aus, dass die Elektronen aus dem Metall der Elektroden bereitgestellt werden. Diese Theorie wurde von Fowler und Nordheim zum ersten Mal aufgestellt. Hierbei durchtunneln Elektronen ab einer lokalen Feldstärke von E > V/m die Energiebarriere zwischen Metall und Vakuum. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron die Barriere durchtunnelt, ist stark abhängig von der Feldstärke E. Die Elektronen, die aufgrund von Emission aus der Metalloberfläche austreten, ergeben den Emissionsstrom. Bei großflächigen Elektroden, wie sie in Vakuumschaltern Verwendung finden, fällt auf, dass ein messbarer Emissionsstrom schon bei Feldstärken von E = 10 7 V/m auftritt. Da die Oberfläche auf den Kontakten uneben ist, wird das makroskopische Feld an der Kontaktoberfläche verzerrt. Der

3 Feldverstärkungsfaktor β beschreibt das Verhältnis von mikroskopischer zu makroskopischer Feldstärke. Die Fowler Nordheim Gleichung beschreibt die Feldemission und ergibt sich zu [2]: log log1, ,, 2,84 10, Hierbei ist d der Elektrodenabstand, β der Feldverstärkungsfaktor, A e die betrachtete Emissionsfläche, Φ die Austrittarbeit, U die Spannung zwischen den Elektroden und I der Feldemissionsstrom. Die Messungen wurden an Vakuumkammern des gleichen Typs durchgeführt. Tabelle 1 zeigt ihre Bemessungswerte. Um den äußeren Durchschlag der Vakuumkammer zu vermeiden und sicher zu gehen, dass die Durchschläge nur innerhalb der Kammer stattfinden, ist diese in einem Behälter untergebracht, der mit einer mit Fluor behandelten Flüssigkeit mit der Bezeichnung FC 72 gefüllt ist und eine hohe Durchschlagsfestigkeit von 149 kv/cm aufweist. 1 Tabelle 1: Bemessungswerte der Vakuumkammer. Bemessungsspannung Bemessungsstrom Bemessungskurzschlussstrom Nominale Schlagweite 3,6/7,2 kv 630 A 16/12,5 ka 8 mm Dielektrischer Test Für die Untersuchung der Isolationseigenschaften von Vakuumkammern wird Gleichspannung von bis zu 100 kv sowohl positiver als auch negativer Polarität an diese angelegt (Abbildung 2). Der Feldemissionsstrom durch die Vakuumkammer wird mit Hilfe eines Shunt Widerstands von R sh = 1 kω gemessen. Da es sich um Gleichspannung handelt, ist die Kompensation eines kapazitiven Stromes, wie sie im Falle einer Wechselspannung notwendig wäre, nicht erforderlich. Für jede Messung wurde die Spannung soweit erhöht, bis messbarer Feldemissionsstrom (Empfindlichkeitsgrenze 5 µa) angezeigt wurde DC Source R L 1MΩ Voltage divider Voltage measurement Abbildung 2: Ersatzschaltbild R sh 1 kω Vacuum Interrupter Field emission current measurement (Feldemissionsstrom Einsetzspannung u e ). Danach wurde die Spannung in 1 kv Schritten erhöht, bis ein interner Durchschlag auftrat (Durchschlagspannung u b ). Für jede Spannungshöhe wurde der Feldemissionsstrom erfasst. Mit den gemessenen Werten des Feldemissionsstroms und den zugehörigen Spannungswerten wurde dann das Fowler Nordheim Diagramm gezeichnet. Dies ergab eine Gerade mit einer bestimmten Steigung und Y Achsenabschnitt. Mit diesen beiden Werten wiederum wurden der Feldverstärkungsfaktor β und die Emissionsfläche A e ermittelt. Diese zwei Parameter sind Indikatoren für die mikroskopische Qualität der Kontaktoberfläche. Unterbrechungstest Der Kurzschlussstrom Unterbrechungstest wurde für Ströme mit Effektivwerten von 7, 11 und 16 ka und einer Frequenz von 50 Hz und 60 Hz bei unterschiedlicher Lichtbogenzeit durchgeführt: θ = 0

4 (Öffnung der Kontakte am Anfang der Stromhalbwelle) und θ = 90 (Öffnung der Kontakte beim Spitzenwert des Stroms). Nach dem Stromnulldurchgang und der Unterbrechung des Stroms wurde keine Wiederkehrspannung an die Vakuumkammer angelegt. Messergebnisse Der dielektrische Test wurde sowohl an neuen Vakuumkammern als auch an solchen, die zuvor schon Stromunterbrechungstests ausgesetzt waren, durchgeführt. Die Messung des Feldemissionsstroms und der Durchschlagspannung wurden an jeder Kammer für kleine Schlagweiten bis zu 3 mm und sowohl für positive als auch negative Spannungspolarität durchgeführt. Jede Messung wurde mit derselben Einstellung von Schlagweite und Polarität dreimal wiederholt. Mittels der Fowler Nordheim Gleichung werden der Feldverstärkungsfaktor β und Austrittfläche A e für jeden Fall definiert. Die Ergebnisse sind bereits in [3] und [4; eingereicht] veröffentlicht. Es wird hier nur kurz auf die Ergebnisse des Unterbrechungstests mit î = 10 ka und 60 Hz eingegangen. Vier Kammern wurden beim Unterbrechungstest mit î = 10 ka und θ = 0 und vier weitere mit î = 10 ka und θ = 90 beansprucht. Danach wurde der dielektrische Test wiederholt und die Messungen des Feldemissionsstroms, der Einsetzspannung und der Durchschlagspannung bei jeder Kammer für beide Polaritäten und Schlagweiten von 1,5 und 3 mm durchgeführt. Abbildung 3 zeigt die gemessenen Durchschlagspannungen u b und Einsetzspannungen u e bei 1,5 mm Schlagweite. Abbildung 4 zeigt die aus den Ergebnissen der Feldemissionsstrommessung berechneten Feldverstärkungsfaktoren. Breakdown voltage u b, Inception voltage u e average ub average ue 10 ka, 90 10kA, 0 new bottle Abbildung 3: Durchschlags und Einsetzspannungsmessungen bei Schlagweite 1,5 mm an neuen Vakuumkammern sowie bereits beanspruchten Kammern bei Unterbrechungstests mit î = 10 ka, θ = 90 und î = 10 ka, θ = 0. Field enhancement factor β average min max 10kA, ka, 0 new bottle Abbildung 4: Verstärkungsfaktor für Schlagweiten von 1,5 und 3 mm an neuen Vakuumkammern sowie bereits beanspruchten Kammern bei Unterbrechungstests mit î = 10 ka, θ = 90 und î = 10 ka, θ = 0.

5 Aus Abbildung 3 und 4 ist ersichtlich, dass im Falle von Unterbrechungstests mit Kontaktöffnung bei niedrigem Stromwert (θ = 0 ) sich die dielektrischen Eigenschaften (Durchschlag und Einsetzspannung sowie Feldverstärkungsfaktor) nicht wesentlich verändern. Aber bei Unterbrechungstests mit Kontaktöffnung beim Spitzenwert des Stroms (θ = 90 ) kann eine wesentliche Veränderung der dielektrischen Eigenschaften der Vakuumkammer beobachtet werden. Das liegt an der Tatsache, dass sich vor der Bildung eines völlig diffusen Vakuum Lichtbogens ein hochkonzentrierter Lichtbogenspalt zwischen den Kontakten formiert. Die Dauer dieser Phase kann bis zu einigen Millisekunden betragen [2]. Die benötigte Zeit für die Umwandlung zu einem diffusen Lichtbogen ist eine Funktion des Stroms bei Kontaktöffnung, so dass die Umwandlungszeit umso länger ist, je höher der Strom bei Kontaktöffnung ist. Deshalb ist der Effekt des anfänglichen Brücken Lichtbogenspalts am größten, wenn die Kontakte nahe dem Spitzenwert des Stroms geöffnet werden. Schlussfolgerung Feldemissionsstroms und Durchschlagspannungsmessungen wurden bei neuen Vakuumkammern und bereits mit durch Unterbrechungstests beanspruchten Kammern durchgeführt. Der Vergleich der Messergebnisse zeigt, dass im Falle eines Unterbrechungstests mit Kontaktöffnung beim Scheitelwert des Kurzschlussstroms ein Anstieg des Feldverstärkungsfaktors und ein Absinken der Durchschlagspannung im Vergleich zu den neuen Vakuumkammern beobachtet werden kann. Bei Kontaktöffnung mit niedrigem Stromwert kann jedoch keine wesentliche Veränderung im Vergleich zu den neuen Vakuumkammern beobachtet werden. Die Messung der Durchschlagspannung bei der nominalen Schlagweite zeigt jedoch, dass sogar nach dem Unterbrechungstest die Durchschlagspannung in jedem Falle höher ist als die Nennstehwechselspannung. Danksagung An dieser Stelle bedanke ich mich herzlich bei der Energietechnischen Gesellschaft im VDE für das mir zuerkannte Stipendium des Herbert Kind Preises. Mein besonderer Dank gilt meinen Betreuern Prof. Hisatoshi Ikeda und Prof. Masayuki Hikita in Kyushu Institute of Technology, sowie der freundlichen Aufnahme durch das gesamte Institut Department of Electrical Engineering. Ich danke außerdem Herrn Prof. Dr. Ing. Volker Hinrichsen, der meinen Aufenthalt in Japan stets unterstützt und gefördert hat sowie Herrn Prof. Rene Smeets, der den Kontakt nach Japan hergestellt hat. Ich danke auch der KEMA und der Firma Siemens, die meinen Forschungsaufenthalt während eines laufenden Drittmittelprojekts akzeptiert und unterstützt haben. Quellen [1] U. Ernst, K. Cheng, X. Godechot and M. Schlaug Dielectric Performance of Vacuum Interrupters after Switching, in Proc. of XXIInd International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Matsu, Japan, [2] P. G. Slade The Vacuum Interrupter: Theory, Design, and Application, Chapter 2, pp , [3] M. Koochack Zadeh, V. Hinrichsen, H. Ikeda, M. Hikita Insulation properties of vacuum interrupters after short circuit current interruption, 16 th International Symposium on High Voltage Engineering, Cape Town, South Africa, August [4] M. Koochack Zadeh, V. Hinrichsen, H. Ikeda, M. Hikita, K. Harada Effect of Short Circuit Switching on Dielectric Properties of Vacuum Interrupters, Transmission and Distribution Conference and Exposition, New Orleans, Louisiana, April 2010 (submitted).