ISBN 9783843917933

978-3-8439-1793-3, Reihe Energietechnik

Julia Rüther
Weiterentwicklung und Vereinfachung eines Simulationsmodells für Schaltlichtbögen in Löschblechkammern

201 Seiten, Dissertation Technische Universität Braunschweig (2014), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Um einen Stromkreis unterbrechen zu können, werden in der Niederspannungstechnik vorwiegend mechanische Schaltgeräte eingesetzt, bei denen der bei Kontakttrennung entstehende Lichtbogen die Schaltaufgabe übernimmt. Für die effiziente Weiterentwicklung von Schaltgeräten werden neben experimentellen Messreihen zunehmend auch numerische Simulationen eingesetzt. Die vorliegende Arbeit "Weiterentwicklung und Vereinfachung eines Simulationsmodells für Schaltlichtbögen in Löschblechkammern" beschäftigt sich mit der mathematischen Nachbildung des Schaltlichtbogens und stellt Simulationsergebnisse zum Aufteilungsvorgang des Bogens an Löschblechen im Vergleich mit Messungen dar.

Hierzu wird ein System aus Gleichungen zur Beschreibung der Gasdynamik und der Elektromagnetik mithilfe des Strömungssimulationsprogramms ANSYS CFX gelöst. Dabei werden die folgenden Teilaufgabenstellungen gezielt betrachtet: Die Berücksichtigung des Energietransportes durch verschiedene Strahlungsmodelle, die Nachbildung des Magnetfeldes mit und ohne ferromagnetische Löschblechwerkstoffe und Untersuchungen zur unterschiedlichen Einbindung einer makroskopisch vereinfachten Nachbildung der Lichtbogenfallgebiete in die Simulation.

Trotz der steigenden Leistungsfähigkeit von Computern ist die Simulation von Lichtbögen in Schaltgeräten insbesondere durch die komplexe Geometrie mit hohen Rechenzeiten verbunden. Daher liegt ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit auf der Vereinfachung der komplexen Struktur des Löschblechstapels bestehend aus einer Vielzahl an Einzelblechen zu einem Ersatzkontinuum. Für die Vereinfachung des Stapels wird eine Kombination aus anisotropen Materialparametern und porösen Gebietseigenschaften gewählt und anhand vereinfachter Modelle validiert.

Es wird die Lichtbogenaufteilung in einer Modellschaltkammer mit einem Löschblechstapel aus sieben Einzelblechen und aus vier Einzelblechen vorgestellt. Mit beiden Geometrien erfolgt jeweils ein Vergleich mit der porösen Vereinfachung, das heißt mit dem vereinfachten Ersatzkontinuum. Ergänzend wird ein Vergleich zu Messergebnissen mit identischer Kammergeometrie und vier Löschblechen gezogen.