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Entwicklung eines Simulationsmodells für Schaltlichtbögen in Überspannungsableitern

Affiliation/Institute
Institut für Hochspannungstechnik und Energiesysteme (elenia)
Sander, Christian Daniel

Überspannungsschutzgeräte dienen dazu, die maximal auftretenden Spannungen in einem Stromkreis zu begrenzen. Überspannungen können durch Blitzeinschläge sowie Schalthandlungen entstehen. Für die energiereichsten Ereignisse werden Überspannungsableiter eingesetzt, die auf Funkenstrecken basieren. Während eines Impulsstroms wird ein Lichtbogenplasma zwischen den Elektroden der Funkenstrecke gezündet, das den Strom führt und somit den Schaltkreis schützt. Die dabei auftretenden hohen Temperaturen und Drücke stellen hohe Anforderungen an die mechanische und thermische Belastbarkeit des Ableiters. Aufgrund der kompakten Bauweise gekapselter Funkenstrecken, der hohen Energiedichte und der Länge der Impulse gestaltet sich eine experimentelle 
Herangehensweise als schwierig, so dass häufig nur empirisch gearbeitet werden kann. 

Die Entwicklung von Simulationsmodellen bietet hier die Möglichkeit, detaillierte Erkenntnisse und ein besseres Verständnis über das Verhalten von Lichtbogenplasmen zu gewinnen. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Entwicklung eines solchen Simulationsmodells. Dabei werden die wesentlichen Aspekte des Modells beschrieben und untersucht. Ein besonderer Fokus liegt auf den Unterschieden, die sich hier durch die im Vergleich zu anderen Schaltlichtbögen signifikant höheren Energiedichten ergeben. Wesentliche Näherungen, die bei der Simulation thermischer Plasmen häufig genutzt 
werden, sind nur noch eingeschränkt gültig. Da es sich bei dem Simulationsprogramm um eine Neuentwicklung handelt, wird in einem großen Teil der Arbeit das Konvergenzverhalten des Modells untersucht. Die verwendeten Näherungsmethoden für die Berechnung des Magnetfelds und des Strahlungstransports werden untersucht und bewertet, außerdem 
erfolgt eine Untersuchung der Wechselwirkung mit den Wänden, die das Lichtbogenplasma begrenzen. Schlussendlich wird ein Vergleich mit experimentellen Ergebnissen gezeigt, um die Genauigkeit des Modells zu bewerten. 

Es zeigt sich, dass das Modell grundsätzlich zur qualitativen Beschreibung des Systems geeignet ist, jedoch sagt es eine zu hohe Druckentwicklung im Ableiter voraus.

Surge protective devices are used to protect electric circuits from surge voltages and impulses. Overvoltage is created by lightning and load switching. Spark gaps are used to handle high energetic surge impulses. When an overvoltage occurs an arc plasma ignites between the electrodes of the spark gap that carries the current and protects the circuit. The high temperatures and pressures make high demands on the mechanical and thermal stability of the device. An experimental approach is difficult because of the high energy density, the short time scales and the compact construction of encapsulated spark gaps so an empirical approach is often used.

The development of simulation models thus gives the opportunity to gain detailed insights and a better knowledge of arc plasma behavior in spark gaps. This work focusses on the development of such a simulation model. A special emphasis is placed on the differences resulting from higher energy densities compared to other switching arcs. Under these conditions the elementary approximations used in the modelling of thermal plasmas are only valid to a limited extent. Because the simulation program is newly developed for these conditions the model's convergence behavior makes up a large part of the thesis. The employed approximative methods for the calculation of the magnetic field and of radiation transport are investigated and evaluated. The interaction with the enclosing walls is investigated in further detail. Finally the simulation is compared with experimental results to test the accuracy of the model. 

It turns out that the model is suitable for the qualitative description of the system, but it overpredicts the pressure in the arrester.

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