Investigation on the spatial arc resistance distribution of switching arcs in gas filled high voltage circuit breakers
Electrical Energy Systems, Power Management, Power Electronics, Electrical Machines and Drives
Final Report Abstract
Die in diesem Forschungsprojekt weiterentwickelten Messaufbauten, Algorithmen und Untersuchungsmethoden haben ein sehr großes Potential für die Anwendung zur Untersuchung alternativer Isolier- und Löschgase in Leistungsschaltern aufgezeigt. Der im vorangegangenen Projekt entwickelte non-invasive Prüfaufbau zur Untersuchung der Lichtbogenwiderstandsverteilung mit Hilfe von kapazitiven Feldsensoren konnte durch verschiedene Erweiterungen der Messtechnik robuster gegen elektromagnetische Einkopplungen ausgelegt werden. Weiterhin sind die zur Auswertung der Messdaten entwickelten Algorithmen um die Funktion der Position- und Radiusanalyse erweitert worden, welche über ein erweitertes Trilaterationsverfahren zur Analyse ausgedehnter Objekte entwickelt worden ist. Da die Validierung der experimentellen Messdaten mit simulativen Resultaten keine zufriedenstellende Übereinstimmung insbesondere bei Variation der Düsengeometrie aufgezeigt hat, ist ein zusätzlicher Messaufbau entwickelt worden, welcher mit Hilfe optischer Methoden die Untersuchung der Interaktion von Schaltlichtbogen und Löschgas ermöglicht. Es konnte gezeigt werden, dass mit dem neu entwickelten Prüfstand die Untersuchung sowohl von Kaltgasströmungen in Isolierstoffdüsen als auch Untersuchung von Lichtbögen auf Basis zeitaufgelöster High-Speed-Kamera Aufnahmen möglich ist. Dieser Prüfstand erlaubt den Vergleich der experimentell ermittelten Parameter, wie der Lichtbogenposition oder des Lichtbogendurchmessers, mit dem bereits existierenden kapazitiven Messaufbau. Zusätzlich können mit Hilfe des optischen Prüfstandes verschiedene Isolier- und Löschgase hinsichtlich ihrer spezifische Eigenschaften in Bezug auf die Lichtbogeninteraktion und die Löscheigenschaften untersucht werden. Durch Kopplung der einzelnen Verfahren miteinander können sowohl die Einzelverfahren als auch die experimentelle und simulative Forschung an Schaltlichtbögen weiterentwickelt werden. Hierdurch entsteht eine Basis für weiterführende Grundlagenuntersuchungen, die eine detaillierte Validierung der experimentellen Ergebnisse und den dazugehörigen Algorithmen erlaubt. Es wird ein Stand der Technik erreicht, der fortan als Basis für eine bessere Abbildung von physikalischen Vorgängen in CFD Simulationen dient und beispielsweise Annahmen, welche bislang in den Einzelverfahren getroffen wurden bestätigen oder widerlegen kann. Die Untersuchungsergebnisse haben gezeigt, dass Annahmen des vergangenen Projektes (z.B. für die Positionsbestimmung bzw. die Radiusbestimmung) genauer beschrieben, sowie frühere theoretischen Untersuchungen der Interaktion von Löschgas und Schaltlichtbogen bestätigt werden können. Die Erweiterung der Simulationsmodelle um die thermische Nachstromphase konnte durch die Nachbildung der Wiederkehrspannung im Zeitbereich von einigen Mikrosekunden nach Stromnulldurchgang erreicht werden. Die Implementierung der vollständigen Interaktion von Schaltlichtbogen und Prüfkreis ist umgesetzt worden, bedarf jedoch noch einiger Optimierungsschritte zur numerischen Stabilisierung der Simulationsmodelle um den vollständigen Schaltvorgang abzubilden. Weiterführende Untersuchungen sollten sich darauf konzentrieren, dass der in diesem Projekt konstruierte optische Prüfaufbau sowie die Rekonstruktionsalgorithmen weiterentwickelt werden, um neben der qualitativen auch die quantitative Untersuchung Interaktion von Schaltlichtbogen und Löschgas zu ermöglichen. Um das optische Messverfahren ebenfalls zur Untersuchung der Widerstandsverteilung des Lichtbogens zugänglich zu machen, können weitere Verfahren wie die Interferometrie adaptiert werden, welche die Temperaturbestimmung des Plasmas ermöglichen würde oder aber über die Anwendung von Spektroskopie Verfahren, welche die Untersuchung z.B. von Gaszusammensetzungen erlauben. Weiterhin könnten damit auch simulativ ermittelte Temperaturprofile etc. validiert bzw. Simulationsmodelle entsprechen der Ergebnisse der Untersuchungen weiterentwickelt werden. Diese Erweiterung würde das Vergleichsspektrum der physikalischen Parameter aller Einzelmethoden vervollständigen und zu einer Steigerung der Genauigkeit der Verfahren genutzt werden.
Publications
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“Contactless and Non- Invasive Determination of the Position of an Axially Blown Switching Arc in a Circuit Breaker Model”, 19th International Symposium on High Voltage Engineering; Pilsen, Czech Republic, 2015
Forschelen, M. / Weuffel, M. / Nikolic, P. G. / Schnettler, A.
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“Validation of a Noninvasive Measuring Method to Determine the Arc Position of an Axially Blown Switching Arc”; Plasma Physics and Technology 2/2, Journal, S. 175-178
Forschelen, M. / Nikolic, P. G. / Stoffels, M. / Schnettler, A.
