Modellierung des Plasmas im Vakuum-Leistungsschalter unter Berücksichtigung axialer Magnetfelder

Jenkes-Botterweck, Kerstin; Schnettler, Armin

doi:542

Modellierung des Plasmas im Vakuum-Leistungsschalter unter Berücksichtigung axialer Magnetfelder

Jenkes-Botterweck, Kerstin (Author)

2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Kerstin Jenkes-Botterweck

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2003

UmfangII, 96 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2003

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Schnettler, Armin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2003-02-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-5422
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/58842/files/Jenkes-Botterweck_Kerstin.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (600000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Vakuum-Leistungsschalter (frei) ; Plasma (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Eine zentrale Aufgabe von Leistungsschaltern ist die Unterbrechung von Kurzschlussströmen, die in Mittelspannungsnetzen Werte bis 50 kA erreichen können. In der Mittelspannung ist die Vakuumtechnik das überlegene Schaltprinzip und findet mit einem Marktanteil von über 60 % weltweit am häufigsten Verwendung. Vakuum-Leistungsschalter werden typischerweise bis zu einer Bemessungs-Spannung von 36 kV und einem Bemessungs-Kurzschlussstrom von 50 kA eingesetzt. Das eigentliche Schaltelement ist der bei der Kontakttrennung entstehende Lichtbogen. Die Kontraktion dieses Lichtbogens bei hohen Stromstärken aufgrund des Pinch-Effektes führt zu einem starken Materialabbrand auf den Kontaktoberflächen, besonders auf der Anode, und schwächt das Schaltvermögen nachhaltig. Der positive Effekt von Axial-Magnetfeld (AMF)-Kontakten auf das Schaltverhalten beruht auf der Stabilisierung des Vakuumschaltlichtbogens durch das axiale Magnetfeld, welches beim Stromfluss durch die Kontakte erzeugt wird. Dieses Konzept erlaubt nicht nur die Beherrschung größerer Ausschaltströme; durch Verringerung der Kontakterosion wird der Einsatz von Vakuumschaltern auch bei höheren Spannungen möglich. Mit Hilfe einer Computer-Simulation wird im Rahmen dieser Arbeit das Lichtbogenplasma zwischen AMF-Kontakten modelliert und so der Einfluss axialer Magnetfelder auf die Entladungsformen von Hochstromvakuumlichtbögen untersucht. Wesentliche Ziele sind dabei die Ermittlung der wichtigen Plasmaparameter wie Ladungsdichte, Stromdichte und interne Felder, die Erfassung der Bildungszeit der Anodenflecken sowie eine Abschätzung der Einflussgrößen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, durch eine kinetische Modellierung neue Wege neben den vom lokalen thermodynamischen Gleichgewicht ausgehenden Fluidmodellen für die Plasmasimulation aufzuzeigen und Lösungsansätze zu liefern. So kann auf möglichst breiter Basis zur Charakterisierung des Schaltverhaltens von AMF-Kontakten in Vakuum-Leistungsschaltern beigetragen werden.

The main task of vacuum circuit breakers is the switching of short circuit currents, which can reach values of about 50 kA in medium voltage systems. In the medium voltage area the vacuum technique is the dominant switching principle and is mostly used worldwide whereas the market share amounts 60 %. Vacuum circuit breakers are typically used up to a voltage of 36 kV and a short circuit current of 50 kV. The substantial switching element is the lightning arc which forms when separating the contacts. The constriction of this arc at higher currents because of the pinch effect leads to a strong erosion of material on the contact surfaces, especially on the anode surface, and consequently decreases the switching capability. The positive effect of axial magnetic field (AMF) contacts on the switching behaviour is based on the stabilisation of the vacuum arc by the axial magnetic field, which is produced by the current flowing through the contacts. This concept does not only enable the switching of higher currents. It also allows the application of vacuum circuit breakers at higher voltages because of the reduced erosion on the contact surface. Within the scope of this work the arc plasma between AMF contacts is modelled by a simulation program and hence the influence of axial magnetic fields on the discharge of high current vacuum arcs is studied. The main intentions are the determination of the important plasma parameters such as charge density, current density and internal fields, the investigation of the forming time of the anode spots and an estimation of the influencing variables. This work aims to point out an alternative to the widely used fluid models, which are based on a local thermodynamic equilibrium, by a kinetic modelling of the arc plasma and to present possibilities for its solution. For this reason, a substantial contribution to the characterisation of the switching behaviour of AMF-contacts is done by this project.

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