Relais zu Schalten von Hochspannungskreisen bis 70 kV
Besonderheiten beim Einsatz von Vakuum- und mit Gas gefüllten Relais
1. Relaisarten
Für eine korrekte Auswahl eines Hochspannungsrelais ist die Kenntnis der Vor- und Nachteile der Lichtbogenlöschverfahren hilfreich. So werden im Bereich von 1 kV bis zu 70 kV sowohl Relais mit einem Vakuum oder einem speziellen Gas gefüllten isolierenden Kontaktkammer eingesetzt. Eine spezielle Aufgabenstellung der Lichtbogenlöschung ergibt sich bei Gleichspannungs-Hochleistungsrelais, wenn eine DC-Spannung von bis zu 1 kV in Verbindung mit einem Schaltstrom von bis 1 000 A zu schalten ist.
2. Vakuumrelais
Bei der Unterbrechung eines Stromkreises im Kilovolt-Bereich wird die Luft zwischen den Kontakten ionisiert und somit leitend. Obwohl sich die Kontakte auseinander bewegen, hält das ionisierte Gas den Stromfluss in Form eines Lichtbogens aufrecht. Durch das Entfernen von ionisierenden Gasen in einem Vakuum kann eine dielektrische Festigkeit von bis zu 2 000 V pro Millimeter Kontaktabstand erreicht werden. Vakuumrelais sind wegen ihrer guten Isolation und geringen Kontaktwiderständen geeignet für lastfrei schaltende Hochfrequenzanwendungen.
In Applikationen wie Transmittern oder Antennenkopplern dienen Vakuumrelais nur der Isolation und schalten nicht unter Last. In solchen Anwendungen, in denen Ströme nur geführt aber niemals geschaltet werden, dürfen Stromspitzen während der geschlossenen Kontakte kurzzeitig erheblich größer sein als der spezifizierte Dauerstrom.
Vakummrelais K41R | Bilder: © 2020 TE Connectivity
Das Schalten kleiner Ströme ist mit Vakuumrelais möglich. So muss z. B. bei Kondensatorentladeschaltungen ein Strom nur ein- aber nicht ausgeschaltet werden. Der Nenndauerstrom des Relais entspricht jedoch nicht dem möglichen Schaltstrom, wie es oft bei Niederspannungsrelais der Fall ist, selbst wenn nur das Einschalten (make) oder nur das Ausschalten (break) vorgesehen ist.
3. Gasgefüllte Relais
Mit dem Einbringen von speziellen Gasen- oder Gasgemischen kann das Isolierverhalten einer Kontaktstrecke gezielt beeinflusst werden. Relais mit einer SF6-Füllung werden zum Beispiel eingesetzt, wenn es darum geht, Kontakte unter Last einzuschalten. Das Gasgemisch und der Druck können so eingestellt werden, dass ein Lichtbogen erst kurz vor dem Berühren der sich schließenden Kontakte auftritt. Wenn die Schaltspannung über 3 500 V liegt, ist die Ionisation außerdem stabil genug, um einen Stromfluss aufrechtzuerhalten. Damit wird das Einschaltprellen unterdrückt und die Lebensdauer in kapazitiven Ladeschaltungen verbessert. Die Ionisation hilft dagegen nicht bei der Unterbrechung des Stroms.
4. Gasgefüllte Gleichspannungs-Hochleistungsrelais
Zum Schalten größerer Lasten werden daher eher Wasserstoff oder Stickstoff eingesetzt. Gerade in batteriebetriebenen Fahrzeugen und Anlagen können die zu schaltenden Lasten durchaus bis zu DC 1 000 A/1 000 V betragen. Das Abschalten eines Gleichstromes bewirkt mit dem Öffnen der Kontakte einen Lichtbogen, der sich aufrechterhält, bis die Kontakte weit genug getrennt sind. Die Lichtbogendauer ist besonders beim Unterbrechen induktiver Lasten stark verlängert, was den Druck in den hermetisch dichten Schaltkammern unzulässig erhöhen kann. Setzt man jedoch Kontaktschutzbeschaltungen ein oder werden nur resistive Gleichstromlasten geschaltet, lassen sich mit gasgefüllten Gleichspannungs-Hochleistungsrelais Gewichts- und Größenreduzierungen im Vergleich zu Schützen mit Luft isolierten Kontakten erzielen.
N2 gefülltes Relais EV600
All diesen hier aufgeführten Relaisarten ist gemeinsam, dass sie bedingt durch die Vakuum- bzw. Gasfüllung eine hermetisch dichte Kapselung der Kontaktkammer aufweisen. Diese Kapselung verhindert Korrosion und Verschmutzung womit diese Relais konstant niedrige Kontaktwiderstände aufweisen. Dies ist insbesondere für die Funk- und Messtechnik von Vorteil. Abgeschirmt von Umweltbedingungen haben sich gekapselte Hochspannungsrelais in vielen Applikationen bewährt, die Druck-, Temperatur- und Feuchtigkeitswechseln ausgesetzt sind. Dazu zählen neben der Medizintechnik, Telekommunikation, der Luftfahrt- und Raumfahrt auch Elektrofahrzeuge, die Bahntechnik oder Windkraftanlagen.
TE Connectivity verfügt mit seinem Brand Kilovac über eine breite Palette aller Arten von Hochspannungsrelais.
Holger Agne, TE Connectivity
