Relais-Tipp Was bedeutet Levitation in Hochvoltschützen?

Autor / Redakteur: Axel Schneider * / Kristin Rinortner

Bei modernen Batteriesystemen mit erhöhter Kapazität geht man von Kurzschlussströmen von 15 bis 30 kA aus. Hier muss überlegt werden, ob die Forderung nach Levitationsfreiheit bestehen bleibt.

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Bild 1: Erläuterung der Levitation
Bild 1: Erläuterung der Levitation
(Bild: TE Connectivity)

Zu den Funktionen von Hochvoltschützen in E-Mobility-Anwendungen gehören das Führen und Schalten von Strömen bis 250 A bei Spannungen von 450 V DC sowie das sichere Trennen von Überströmen im Fehlerfall. Bei Batteriesystemen mit Innenwiderständen von 100 mΩ können max. Kurzschlussströme im kA-Bereich auftreten.

Durch die entsprechende Auslegung der Batteriesysteme entstehen Forderungen, bis zu 6 kA für 5 ms zu führen und Kurzschlussströme von 2 kA ohne nachhaltige Funktionsstörung des Schutzes abzuschalten. Um dies zu gewährleisten, muss verhindert werden, dass sich die Kontakte während dieser kurzen Stromspitzen öffnen und durch den dann entstehenden Lichtbogen verschweißen. Der Effekt des Öffnens von Kontakten durch den durch sie fließenden Strom wird Levitation genannt. Die resultierende Levitationskraft wirkt dabei der Kontaktschließkraft entgegen. Die Abstoßung entsteht dadurch, dass die Kontakte sich nicht vollflächig berühren, sondern der Strom durch eine punktuelle Engstelle fließen muss. Die entgegengesetzten Stromrichtungen erzeugen dann einander abstoßende Magnetfelder.

Ist der Strom groß genug, kommt es zum spontanen Abheben der Kontakte und ein elektrischer Lichtbogen wird gezündet. Ob es bei der Levitation der Kontakte zum permanenten Verschweißen kommt oder der durch den Lichtbogen erzeugte Druckanstieg die Komponente beschädigt, hängt von Stromstärke und Impulsdauer ab.

Gerade bei Stromstärken, die in der Nähe der Schwelle des spontanen Abhebens der Kontakte liegen, kann es zum Verschweißen der Kontakte kommen. Mit zunehmender Länge des Überstrompulses wird der Kontakt immer wärmer, bis die Schmelztemperatur erreicht ist. In diesem Moment sinkt der Kontakt in sein Gegenstück ein, die resultierende Kontaktkraft bricht schlagartig zusammen und es tritt auch bei der kleineren Stromstärke Levitation auf. Da der Bogenwiderstand das weitere Ansteigen des Stromes begrenzt, kommt es zu einem Wiederschließen mit nachfolgendem Verschweißen der Kontakte.

Bei Überströmen, die wesentlich größer als die Grenzströme sind, kann der frei brennende Lichtbogen einen so starken Überdruck erzeugen, dass die Schaltkammer auseinandergedrückt wird und bei schutzgasgefüllten Varianten das Gas entweicht. Bei nicht druckdichten Ausführungen ( z.B. Hochvoltschütz EVC 250) kann der Überdruck entweichen und eine explosive Zerstörung wird so vermindert.

Aktuelle Hochvoltschütze führen bis zu 6 kA für 5 ms, ohne dass Levitation auftritt. Bei modernen Batteriesystemen mit erhöhter Kapazität geht man durch die Parallelschaltung der Zellpakete von Kurzschlussströmen von 15 bis 30 kA aus. Hier muss überlegt werden, ob die Forderung nach Levitationsfreiheit bestehen bleibt, oder ob ein Verschweißen zulässig sein kann, wenn die explosive Zerstörung sicher vermieden wird.

* Axel Schneider arbeitet als Manager Application Engineering bei TE Connectivity in Berlin.

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