Autor: Matthias Hoffacker

Aufgrund der Klimaschädlichkeit des in Hochspannungs-Leistungsschaltern eingesetzten Löschgases Schwefelhexafluorid (SF6) wird nach einem alternativen Löschgas gesucht, welches ökonomische und ökologische Vorteile aufweist. Ein mögliches Substitut für diesen Einsatz ist Kohlenstoffdioxid (CO2). Um dieses alternative Gas mit möglichst wenigen zeit- und kostenintensiven empirischen Messreihen auf seine Eignung als alternatives Füllgas hin untersuchen zu können, sind ein tiefes Verständnis der physikalischen Vorgänge während des Abschaltvorgangs sowie eine auf unterschiedliche Gase übertragbare mathematische Modellierung notwendig. Dies erlaubt es weiterhin, das Design von Leistungsschaltern, welches bisher auf den Einsatz von SF6 ausgelegt ist, in Bezug auf ein alternatives Füllgas optimieren zu können. Die örtliche Widerstandsverteilung eines Schaltlichtbogens erlaubt Einblicke in die lokal unterschiedlich wirkenden Kühlmechanismen. Sie kann genutzt werden, um numerische Modelle, wie z.B. Computational-Fluid-Dynamics (CFD) Simulationen, über den Vergleich von Lichtbogenstrom und Lichtbogenbrennspannung hinaus anhand von experimentellen Untersuchungen zu verifizieren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte erstmalig ein Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung der örtlichen Widerstandsverteilung eines axial beblasenen Schaltlichtbogens umgesetzt werden. Dieses basiert auf der Rekonstruktion der örtlichen Potentialverteilung innerhalb des Lichtbogens anhand der Ausgangssignale einer Vielzahl von kapazitiven Feldsonden, welche das den Lichtbogen umgebende elektrische Feld erfassen. Diese Vorgehensweise erlaubt die Ermittlung der ortsaufgelösten Widerstandsverteilung, ohne die Gasströmung oder den Lichtbogen selbst zu beeinflussen. Zur Verifikation von verschiedenen Turbulenzmodellen werden mehrere geometrische Düsenanordnungen in experimentellen Versuchsserien betrachtet und jeweils die gemessene und berechnete Widerstandsverteilung miteinander verglichen. Es zeigt sich, dass die in der Literatur angewandten, auf dem k-ε Modell basierenden Turbulenzmodelle im Fall einer zylindrischen Düse akzeptable Ergebnisse liefern, die jedoch nicht auf andere Düsenformen übertragen werden können. Weiterhin kann anhand der experimentell erfassten örtlichen Widerstandsverteilung der für das Schaltversagen ursächliche Bereich innerhalb der Düse identifiziert werden.