Untersuchung des transienten Abklingverhaltens der Plasmaeigenschaften von Funkenstrecken nach Stoßstromanregung

In dieser Arbeit wird experimentell die Wiederverfestigungsphase von Funkenstrecken untersucht, die als Typ-1-Blitzstromableiter in Niederspannungsnetzen zum Schutz vor direkten und indirekten Blitzeinschlägen eingesetzt werden. Im Fokus steht der Einfluss des Stoßstromenergieeintrags sowie der Kammergeometrie auf die Plasmaeigenschaften in einem ausgasenden, engen Spalt.

Zunächst werden der Versuchsaufbau, die verwendeten Diagnoseverfahren (Plasmadruck, Plasmaleitfähigkeit, Plasmawiderstand und Kinematografie) und die verwendete Modellfunkenstrecke inklusive eines Modells zur induktiven Messeinkopplung vorgestellt. Daraus folgt die Beschreibung der Wechselwirkungen der Ableitphasen – von der Zündung über die Hochstromphase bis hin zur Wiederverfestigung.

Mithilfe der durch diese Arbeit geschaffene Untersuchungsumgebung findet eine datengetriebene Modellbildung der experimentellen Ergebnisse mittels einer Design of Experiments-Methodik statt. Dabei wird jeweils ein Modell für die Plasmaspannung, den Plasmadruck und die Plasmaleitfähigkeit erstellt. Diese Modelle ermöglichen eine Sensitivitätsanalyse, mit der der Einfluss der Eingangsparameter auf die jeweiligen Ausgangsgrößen quantifiziert werden kann. Ergänzend werden Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen physikalisch tiefergehend eingeordnet und zur fundierten Bewertung der Ergebnisse der folgenden Kapitel der Arbeit herangezogen.

Abschließend wird ein hybrides Modell entwickelt, das experimentelle Daten mit theoretischem, physikalischen Wissen kombiniert, um den zeitlichen Verlauf der Plasmatemperatur und Massendichte während eines Ableitvorgangs abzubilden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Massendichte besonders sensitiv auf den Plasmazustand reagiert und ein spezifisches Verhalten in Abhängigkeit von Energieeintrag und Kammergeometrie aufweist. Es werden die aufgestellten Hypothesen nachfolgend durch die Analyse der Verlustmechanismen des Plasmas in Kombination mit den optischen Methoden verifiziert.