Hartgas

Unter Hartgas versteht man in der elektrischen Energietechnik Materialien, die zur Löschung von Schaltlichtbögen in elektrischen Anlagen, speziell in elektrischen Leistungsschaltern eingesetzt werden.

Funktionsweise

Wird ein Lichtbogen in einem Leistungsschalter in enge Berührung mit dem als Hartgas verwendeten Isolierstoffes gebracht, wird dieser durch die hohen Temperaturen (Pyrolyse und Photodegeneration) an der Oberfläche in flüchtige Bestandteile zersetzt. Als Materialien sind organische Verbindungen wie Harnstoff, Plexiglas oder andere Polymere, beispielsweise PP, PA66 und PTFE geeignet, die sich rußfrei zersetzen und keine Kriechströme verursachen. Zum Zwecke des Brandschutzes wird dem Material roter Phosphor zugesetzt.

Der Schaltlichtbogen besteht aus einem stark erhitzten und ionisierten Gas (Plasma). Bei dessen Abkühlung kommt es zur Rekombination der Ladungsträger und damit zu einer Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit. Besonders im Bereich der Ionisationstemperatur nimmt die elektrische Leitfähigkeit bei weiterer Abkühlung stark ab. Die Änderung der im Plasma gespeicherten Wärmeenergie ergibt sich aus der Leistungsbilanz des Lichtbogens:

${\displaystyle dQ=u_{\mathrm {Lichtbogen} }\cdot i_{\mathrm {Lichtbogen} }-P_{\mathrm {rad} }-P_{\mathrm {kond} }-P_{\mathrm {konv} }}$

Dabei bezeichnet ${\displaystyle u_{\mathrm {Lichtbogen} }\cdot i_{\mathrm {Lichtbogen} }}$ die elektrisch zugeführte Wärmeleistung, während ${\displaystyle P_{\mathrm {rad} }}$ für die abgeführte Leistung durch Wärmestrahlung, ${\displaystyle P_{\mathrm {kond} }}$ für Wärmeleitung (Konduktion) und ${\displaystyle P_{\mathrm {konv} }}$ für Konvektion (Wärmeströmung) stehen. Die durch den lokalen Überdruck des Hartgases erzeugte Löschmittelströmung bewirkt dabei eine konvektive Kühlung des Lichtbogens.

Zusätzlich gelangen Zersetzungsprodukte des Hartgases in das Lichtbogenplasma und verändern dessen Zusammensetzung und Eigenschaften. Dieser als Hartgaseffekt bezeichnete Vorgang beeinflusst ebenfalls die Kühlung und die elektrische Leitfähigkeit des Lichtbogens. Der Lichtbogen brennt dabei in einer durch die Zersetzungsprodukte stark mit Wasserstoff angereicherten Umgebung zwischen Hartgasplatten oder einer Hartgasdüse ab. Der Isolator wird durch den Abbrand gering verbraucht, abgenutzte Düsen müssen gegebenenfalls ersetzt werden, da der Durchmesser des Düsenhalses einen Einfluss auf den Hartgaseffekt hat. Engere Düsen führen zu einer schnelleren Funkenlöschung.

Verwendung

Hartgas-Leistungsschalter wurden in den 1930er Jahren als Alternative zu Wasser- und Ölschaltern entwickelt, um einfache, flüssigkeitslose Schaltgeräte zur Verfügung zu haben. Die Schalter wurden auch als „kompressorlose Druckgasschalter“ bezeichnet, da das Gas zur Lichtbogenlöschung durch den Schalter selbst erzeugt wird. Hartgasschalter werden auch heute noch vor allem als Lasttrennschalter in Mittelspannungsschaltanlagen eingesetzt. So arbeiten beispielsweise die Löschkammern Innenraum-Lasttrennschalter der Baureihen LETM der Fritz Driescher KG oder L-TRI 5 von Schneider Electric nach dem Hartgas-Prinzip.

Siehe auch

• Leistungsschalter
• Selbstblasschalter
• Ölschalter
• Gasisolierte Schaltanlage

Literatur

• Eduard Vinaricky (Hrsg.): Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen : Grundlagen, Technologien, Prüfverfahren. 2., vollständig neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-42431-8, 4.3.1.1.2 Löschverfahren und Schaltmedien, S. 437–438, doi:10.1007/978-3-642-56237-2 (Erstausgabe: 1960). 

Einzelnachweise

1. 1 2 3 Eduard Vinaricky (Hrsg.): Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen. Grundlagen, Technologien, Prüfverfahren. 2., vollständig neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-42431-8, 4.3.1.1.2 Löschverfahren und Schaltmedien, S. 437–438, doi:10.1007/978-3-642-56237-2. 
2. ↑ Thomas Krampert: Ausschaltverhalten von Mittelspannungs-Lasttrennschaltern auf Basis von Stickstoff-Kohlenstoffdioxid-Mischungen (= Aachener Beiträge zur Energieversorgung. Band 214). Shaker Verlag, Aachen 2022, ISBN 978-3-9822584-9-2, doi:10.18154/RWTH-2022-01010. 
   1. ↑ S. 28–29
   2. ↑ S. 22
   3. ↑ S. 24–25
3. Marvin Bendig: Ausschaltvermögen von Mittelspannungs-Lasttrennschaltern bei Verwendung atmosphärischer Lösch- und Isoliergase (= Aachener Beiträge zur Hochspannungstechnik. Band 76). Verlag Mainz, Aachen 2020, ISBN 978-3-95886-380-4, doi:10.18154/RWTH-2020-11022. 
   1. ↑ S. 13
   2. ↑ S. 14
   3. ↑ S. 12
   4. ↑ S. 76–77
4. ↑ Patentanmeldung DE102006015306A1: Lichtbogen-Löscheinrichtung für einen elektrischen Schalter. Angemeldet am 29. März 2006, veröffentlicht am 4. Oktober 2007, Anmelder: Siemens AG, Erfinder: Jürgen Heydendorf, Ralph Hohenberger.‌
5. ↑ Dieter Vondereck, Wolfgang Dünkel: Hochspannungs-Schaltgeräte – in der Region und aus Kassel. In: Verein Deutscher Ingenieure, Bezirksverein Nordhessen (Hrsg.): technik nordhessen. Informationen aus den technisch-wissenschaftlichen Vereinen Nordhessens und Süd-Niedersachsens. Nr. 2, 2018, 5.7.1 Hartgasschalter, S. 31 (vde-kassel.de [PDF; abgerufen am 11. September 2026]). 
6. ↑ AEG (Hrsg.): Hilfsbuch für elektrische Licht- und Kraftanlagen. 4. Auflage. W. Girardet, Essen 1939, Leistungsschalter für Hochspannung, S. 167 (polsl.pl [PDF]). 
7. ↑ Luftisolierte Mittelspannungs-Innenraum-Lastschaltgeräte Typ LDTM. Fritz Driescher KG, abgerufen am 11. September 2026. 
8. ↑ Mittelspannungsverteilungsanlagen. (PDF) L-TRI 5. Schneider Electric, Februar 2011, S. 10–11, abgerufen am 11. September 2026.