Analyse und Modellierung von Schaltlichtbögen unter Einsatz von spektroskopischen Methoden

• Antragsteller: Dr.-Ing. Ralf Puffer, seit 8/2016; Dr. Dirk Uhrlandt
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 274929589

Moderne Gasleistungsschalter als zentrales Sicherheitselement in Energieversorgungsnetzen basieren auf dem Selbstblasprinzip. Hierbei wird der Abbrand von Düsenmaterial infolge der Strahlung des Schaltlichtbogens zum Druckaufbau in einem Heizvolumen und zwecks Löschung des Lichtbogens zur Beblasung eingesetzt. Ein Schwerpunkt in der Schalterentwicklung ist der Ersatz des klimaschädlichen Löschgases Schwefelhexafluorid z. B. durch Kohlenstoffdioxid. Für das Schaltvermögen dieser Schalter sind der Zeitbereich um den Stromnulldurchgang sowie die Phase unmittelbar danach von besonderer Bedeutung. In diesen Zeitbereichen treten physikalische Effekte auf: eine Strömungsumkehr im Heizkanal, der Wechsel von einem abbrandbestimmten zu einem axial beblasenen Bogen, die Bogenlöschung und ein Ausdampfen des Düsenmaterials durch die vorhergehende thermische Belastung. Diese Effekte sind bisher nur unzureichend verstanden und können in vorhandenen Modellen nicht quantitativ beschrieben werden. Deshalb ist die Untersuchung dieser Effekte und ihrer Wirkung auf das transiente Verhalten und die dielektrische Wiederverfestigung der Schalttrecke einschließlich einer vollständigen Modellierung auf Basis von Schaltersimulationen zentrales Ziel des Vorhabens. Ansatz ist die Untersuchung eines praxisnahen Modellschalters betrieben mit Spitzenströmen von einigen Kiloampere. Im Gegensatz zu vorhergehenden Arbeiten liegt der Schwerpunkt der Untersuchungen auf der schrittweisen Analyse der physikalischen Eigenschaften und Prozesse im zeitlichen Ablauf eines Schaltvorgangs insbesondere von der Hochstromphase bis hin zu einigen Millisekunden nach dem Stromnulldurchgang. Eingesetzt werden drei Methodengruppen, welche sich gegenseitig ergänzen. Über den gesamten Zeitbereich ist eine ortsaufgelöste Widerstandsmessung der Lichtbogenstrecke mittels kapazitiver Sensoren vorgesehen. Mittels optischer Emissionsspektroskopie wird die Lichtbogenstrahlung über den Bogenquerschnitt analysiert, um so die Plasmatemperaturen und relevante Teilchendichten ortsaufgelöst zu bestimmen. Beide Methoden wurden in Voruntersuchungen der Hochstromphase bereits erfolgreich eingesetzt. Jedoch ist noch zu klären, bis zu welchem Zeitpunkt vor dem Verlöschen des Bogens dessen Strahlungsemission noch zuverlässige Rückschlüsse erlaubt. Deshalb soll erstmals an einem solchen Schaltermodell als ergänzende Methode die Laserabsorptionsspektroskopie eingesetzt werden, um außerhalb der Bogenphase Gasdichten kälteren Gases u. a. aus der Düsenevaporation zu bestimmen. Als dritte Methodengruppe dient die Simulation der Schaltstrecke. Die Quantifizierung der Düsenevaporation nach dem Stromnulldurchgang ermöglicht hierbei eine validierte Nachbildung dieser Evaporation in den Simulationen. Basierend auf den Eingangsdaten aus den Simulationen (Temperatur, Dichte Gaszusammensetzung) erfolgt schließlich die Modellierung der dielektrischen Festigkeit und des ortsaufgelösten Verlaufs des Durchschlagspfads.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Armin Schnettler, bis 7/2016