Plasmadynamische Simulation von Schaltlichtbögen in Luft

In den elektrischen Energieversorgungsnetzen kommt den Schaltgeräten neben dem betriebsmäßigen Ein- und Ausschalten eine wichtige Sicherheitsfunktion zu, die darin besteht, daß bei Fehlern im Netz der dabei fließende Kurzschlußstrom im Hundertstel-Sekunden-Zeitmaßstab sicher unterbrochen wird. Dies erfolgt durch das bei der rasch eingeleiteten Kontakttrennung entstehende heiße, zunächst noch gut leitfähige Plasma, den sog. Schaltlichtbogen. In Niederspannungsnetzen, d.h. Netzen mit Betriebsspannungen bis 1000 Volt, geschieht dies ausschließlich an ruhender Umgebungsluft, wobei der Lichtbogen durch Magnetfelder – sie werden i.a. durch geeignete Stromführung in den Elektroden vom abzuschaltenden Strom selbst erzeugt, siehe Bild 5 – verlängert und in ein Löschsystem hineinbewegt wird, wo er infolge Energieentzug verlischt. Das Lichtbogenverhalten in solchen Anordnungen ist ein außerordentlich komplexes Phänomen, das sich bisher einer Vorausberechnung weitgehend entzog. Dank der starken Fortschritte in der Rechentechnik rückt in jüngerer Zeit die Komplett-Simulation dieses Verhaltens zunehmend in den Bereich des Möglichen, so daß bei der Schaltgeräteentwicklung experimenteller Aufwand und damit Zeit und Kosten reduziert werden können. Nachfolgend wird über mit DFG-Unterstützung durchgeführte Arbeiten auf diesem Gebiet berichtet. Details und weitere Literatur sind in [1-3] enthalten. Bild 1 zeigt ein Schema der miteinander gekoppelten Vorgänge im Schalterplasma zwischen den Elektroden ("Lichtbogensäule"), Bild 2 derjenigen am Übergang zu den Elektroden. Da alle Prozesse auf das Gesamtverhalten Einfluß nehmen, muß eine realistische Simulation diesem Rechnung tragen. Wegen der Geometrie von Schaltgeräten ist darüberhinaus eine dreidimensionale Nachbildung sinnvoll.