Physik von Mikro-Lichtbögen in Niederspannungsschaltgeräten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Margarita Baeva; Dr. Dirk Uhrlandt
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524731006

Das Projekt zielt ab auf die physikalische Beschreibung von Niederstrom-Lichtbögen (zwischen 0.5 und 20 A) in Niederspannungs-Gleichstrom-Schaltgeräten. Eine wachsende Bedeutung kommt diesen Schaltgeräten u.a. in der Elektromobilität und in lokalen Netzen mit Photovoltaik-Anlagen und Batterien zu. Lichtbogen-Schalter sind als kostengünstige Geräte oder in Kombination mit Halbleiterschaltern in der Hybridschalttechnik attraktiv, da sie eine galvanische Trennung und ein hohes Isolationsniveau bieten. Trotz ihres jahrzehntelangen Einsatzes ist das grundlegende Verständnis der physikalischen Prozesse von Schaltlichtbögen noch sehr eingeschränkt insbesondere bei kleinen Strömen. Ein unerwartetes Verhalten der Lichtbogenspannung bei kleinen Bogenlängen wurde in Voruntersuchungen zu diesem Projekt gefunden, welches sich nicht mit konventionellen elektrischen Lichtbogenmodellen beschreiben lässt. Zudem arbeiten Niederspannungsschalter i.A. mit Elektroden aus nicht feuerfesten Kupferlegierungen, für die die Beschreibung des Stromtransfers in den Lichtbogen bei Atmosphärendruck und kleinen Strömen ein offenes theoretisches Problem darstellt u.a. auf Grund der geringen thermionischen Elektronenemission bis zur Verdampfungstemperatur dieser Materialien. Diese Probleme sollen im Projekt durch kombinierte experimentelle und theoretische Untersuchungen behandelt werden. Im Projekt sollen Lichtbögen zwischen flachen zylindrischen Elektroden in Luft bei Atmosphärendruck exemplarisch für typische Niederspannungsschalter betrachtet werden. Kupferkomposite und reines Kupfer sollen als Elektrodenmaterialien verwendet werden. Untersucht werden sollen die Strom-Spannungs-Charakteristik während der Stromunterbrechung bei kleinen und zunehmenden Elektrodenabständen, die räumliche Struktur des Bogens einschließlich der Elektrodenschichten und der Bogenansatz an den Elektroden. Eine dominante Rolle des Metalldampfes, starke Abweichungen vom lokalen thermodynamischen Gleichgewicht und die Herausbildung von Spotmoden an beiden Elektroden werden erwartet und sollen gerade für niedrige Ströme bestätigt werden. Hierfür soll ein Modellschalter aufgebaut werden, an dem die Bogenstruktur mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, Tomographie und Spektroskopie untersucht wird. Erarbeitet werden soll eine Multi-Fluid Nichtgleichgewichtssimulation des Bogens einschließlich der Elektrodenschichten und selbstkonsistent gekoppelt mit Elektrodenmodellen unter Berücksichtigung der Plasmachemie in Kupferdampf. Hiermit soll zum ersten Mal eine selbstkonsistente Beschreibung des Stromtransfers und Bogenansatzes an nicht feuerfesten Kathoden bei niedrigen Strömen erreicht werden. Die Beschreibung soll die Strom-Spannungs-Charakteristik erklären und mit den Messungen am Modellschalter validiert werden. Schlussfolgerungen sollen auf die Schaltcharakteristik, die Elektrodenerosion, die Lebensdauer und das Langzeitverhalten von Niederspannungsschalter bei kleinen Strömen gezogen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: High-speed camera
• Gerätegruppe: 5430 Hochgeschwindigkeits-Kameras (ab 100 Bilder/Sek)