Untersuchungen der Wiederkehrspannung von Funkenstrecken unter Stoßstrom- und Netzbelastung

Kopp, Tobias, Hartmut

doi:10.24355/dbbs.084-202504241229-0

Thesis Thu Apr 24 2025 CC BY 4.0

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Untersuchungen der Wiederkehrspannung von Funkenstrecken unter Stoßstrom- und Netzbelastung

Kopp, Tobias Hartmut

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Für den Schutz von Personen und elektrischen Geräten werden in der Niederspannungstechnik Überspannungsableiter auf Basis von Funkenstrecken eingesetzt. Zur gezielten Weiterentwicklung dieser Funkenstrecken ist es notwendig, die genaue Wechselwirkung der Funkenstrecken mit dem elektrischen Versorgungsnetz zu kennen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit der Untersuchung dieser Wechselwirkungen, insbesondere mit der Wiederkehrspannung nach dem Ableiten eines Stoßstromes.

Als Grundlage der Arbeit dienen Ergebnisse aus Untersuchungen des elektrischen Verhaltens des Prüfkreises. Mit Hilfe dieser Ergebnisse werden die Wechselwirkung zwischen Stoßstrom- und Transformatorkreis diskutiert.

Anschließend erfolgt eine phasenweise Beschreibung des elektrischen Verhaltens der Funkenstrecke am Niederspannungsnetz. Für unterschiedliche Eingangsgrößen werden die Abhängigkeiten des elektrischen Verhaltens der Funkenstrecke dargestellt und diskutiert. Diese Teilergebnisse bilden die Grundlage für das Ableiten eines elektrischen Funkenstreckenmodells für die Implementierung in ein Netzwerkmodell.

Weiterführend erfolgt die Untersuchung des Wiederverfestigungsverhaltens von Funkenstrecken. Einerseits können hieraus notwendige Parameter für ein Funkenstreckenmodell abgeleitet werden, andererseits geben die Untersuchungen direkt Hinweise auf das elektrische Verhalten der Funkenstrecke am Niederspannungsnetz. Dies bietet die Möglichkeit in späteren Arbeiten, die hier vorgestellte Methodik weiterzuentwickeln und zur Analyse von Plasmaeigenschaften zu verwenden.

Mit den Ergebnissen des elektrischen Verhaltens des Prüfkreises, der Funkenstrecke und mit dem abgeleiteten Funkenstreckenmodell wird ein Simulationsmodell entwickelt, mit dem Sensitivitäts-Analysen für unterschiedliche Eingangsgrößen durchgeführt werden. Über so ermittelte Kennlinienfelder wird das elektrische Verhalten des Gesamtsystems beschrieben und analysiert.

Surge arresters based on spark gaps are used in low-voltage technology to protect people and electrical equipment. For further development of these spark gaps, it is necessary to know the exact interaction of the spark gaps with the electrical low-voltage grid. Therefore, the present work focuses on the research of these interactions, in particular with the returning voltage after bypassing of a surge current.

As the basis of this work, results from studies of the electrical behaviour of the test circuit are used. Here the interaction between the surge current circuit and the transformer circuit is discussed.

This is followed by a phase-by-phase description of the electrical behaviour of the spark gap in the low-voltage grid. For different input quantities, the dependencies of the electrical behaviour of the spark gap are presented and discussed. These partial results form the basis for deriving an electrical spark gap model for implementation in a network model.

Further, the resolidification behaviour of spark gaps is researched. On the one hand, parameters necessary for the spark gap model can be derived from these investigations and, on the other hand, the investigations provide direct information on the electrical behaviour of the spark gap in the low-voltage grids. This offers the possibility to improve the methodology presented here and to use it for the analysis of plasma properties in future work.

With the results of the electrical behaviour of the test circuit, the spark gap and with the derived spark gap model, a simulation model is developed which allows sensitivity analyses of different input variables. This model describes the electrical behaviour of the overall system via characteristic fields.