SIMULATION VON LICHTBÖGEN

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1 Institut für Energietechnik SIMULATION VON LICHTBÖGEN Dipl.-Phys. Mario Mürmann Rapperswil, 24. April 2018

2 Inhaltsverzeichnis Was sind Lichtbögen aus phänomenologischer Sicht? aus mikroskopischer Sicht? im Vergleich mit metallischen Leitern? Physik von Lichtbögen Welche physikalischen Phänomene sind beteiligt? Benötigen wir Gleichungen? Wenn ja, welche? Welches «Material» hat ein Lichtbogen? Modellierung und Simulation von Lichtbögen Wie kann man das Verhalten von Lichtbögen vorhersagen? Anwendungsbeispiele Simulationsresultate 2

3 Was sind Lichtbögen? Was ist ein Lichtbogen? Blitze «Elektrischer Strom durch Luft (Gas)» Auftreten in Natur (Gewitter) und in Geräten (Schalter, Steckdosen, Eisenbahn etc.) Gase gelten eigentlich als Isolatoren Entstehung eines Plasmas durch Freisetzen von Elektronen Isolierendes Gas wird zu elektrischem Leiter Freie Ladungsträger ähnlich wie in einem Metall, aber völlig anderes Verhalten Quelle: 3

4 Was sind Lichtbögen? Was ist ein Lichtbogen? Blitze «Elektrischer Strom durch Luft (Gas)» Auftreten in Natur (Gewitter) und in Geräten (Schalter, Steckdosen, Eisenbahn etc.) Gase gelten eigentlich als Isolatoren Entstehung eines Plasmas durch Freisetzen von Elektronen Isolierendes Gas wird zu elektrischem Leiter Freie Ladungsträger ähnlich wie in einem Metall, aber völlig anderes Verhalten Quelle: 4

5 Was sind Lichtbögen? Was ist ein Lichtbogen? Im Metall sind Elektronen frei beweglich Im Metall sind Atomrümpfe starr Im Gas trennen sich Atomrümpfe und Elektronen bei hohen Temperaturen, Drücken und elektr. Feldstärken Metall Quelle: Ein (leitfähiges) Plasma entsteht Gaseigenschaften bleiben erhalten Physikalische Beschreibung erfordert Kenntnis von Fluiddynamik, Elektrodynamik, Chemie, Wärmetransport etc. Quelle: 5

6 Was sind Lichtbögen? Was ist ein Lichtbogen? Im Metall sind Elektronen frei beweglich Im Metall sind Atomrümpfe starr Im Gas trennen sich Atomrümpfe und Elektronen bei hohen Temperaturen, Drücken und elektr. Feldstärken Ein (leitfähiges) Plasma entsteht Gaseigenschaften bleiben erhalten Physikalische Beschreibung erfordert Kenntnis von Fluiddynamik, Elektrodynamik, Chemie, Wärmetransport etc. Quelle: Kloc, P., Aubrecht, V., Bartlova, M., Coufal, O.: Radiation transfer in air and air-cu plasmas for two-temperature profiles, Journal of Physics D: Applied Physics, 2015,

7 Physik von Lichtbögen Physik eines Lichtbogens Fluiddynamik - kompressible, turbulente Strömung - Temperatur und Druck werden ermittelt Navier-Stokes-Gleichungen ρ + ρv = 0 ρv + ρv v = p + τ + σ E B + ρ el E ρh + ρhv λ T = p + τv + σe2 j rad ρ = f(p, T) 7

8 Physik von Lichtbögen Physik eines Lichtbogens Fluiddynamik - kompressible, turbulente Strömung - Temperatur und Druck werden ermittelt Elektrodynamik - Strom und Spannung werden ermittelt - Kraftwirkung auf Ladungen Maxwell-Gleichungen D = ρ el B = 0 E = B H = σe + D 8

9 Physik von Lichtbögen Physik eines Lichtbogens Strahlungstransportgleichung Fluiddynamik - kompressible, turbulente Strömung - Temperatur und Druck werden ermittelt j Rad = 0 4πε ν,i κ ν,i 0 4π I ν dω dν Elektrodynamik - Strom und Spannung werden ermittelt - Kraftwirkung auf Ladungen Wärmetransport - Konvektiver Wärmetransport - Strahlungstransport (T~20000 K) 9

10 Physik von Lichtbögen Physik eines Lichtbogens Fluiddynamik - kompressible, turbulente Strömung - Temperatur und Druck werden ermittelt Elektrodynamik - Strom und Spannung werden ermittelt - Kraftwirkung auf Ladungen Wärmetransport - Konvektiver Wärmetransport - Strahlungstransport (T~20000 K) Chemische Reaktionen - Kontakt- und Gehäuseabbrand Quelle: Kloc, P., Aubrecht, V., Bartlova, M., Coufal, O.: Radiation transfer in air and air-cu plasmas for two-temperature profiles, Journal of Physics D: Applied Physics, 2015,

11 Physik von Lichtbögen Physik eines Lichtbogens Fluiddynamik - kompressible, turbulente Strömung - Temperatur und Druck werden ermittelt Elektrodynamik - Strom und Spannung werden ermittelt - Kraftwirkung auf Ladungen Wärmetransport - Konvektiver Wärmetransport - Strahlungstransport (T~20000 K) Chemische Reaktionen - Kontakt- und Gehäuseabbrand Elektrischer Schaltkreis L I 0 + R 1 I C I 1 = U 0 R 1 I C I 1 R 2 I 2 R 2 I 2 = 0 I 0 I 1 I 2 = 0 11

12 Physik von Lichtbögen Kopplung der verschiedenen Gleichungen D = ρ el B = 0 E = B H = σe + D j el = σe I 2 = j el da R 2 = f σ j Rad = 0 4πε ν,i κ ν,i 0 4π I ν dω dν ρv ρh ρ + ρv = 0 + ρv v = p + τ + σ E B + ρ el E + ρhv λ T = p + τv + σe2 j Rad ρ = f(p, T) L I 0 + R 1 I C I 1 = U 0 R 1 I C I 1 R 2 I 2 R 2 I 2 = 0 I 0 I 1 I 2 = 0 12

13 Physik von Lichtbögen Kopplung der verschiedenen Gleichungen Elektrische Leitfähigkeit, Ohmsche Wärme und Feldkräfte koppeln Navier-Stokes- und Maxwell-Gleichungen D = ρ el B = 0 E = B H = σe + D j el = σe I 2 = j el da R 2 = f σ j Rad = 0 4πε ν,i κ ν,i 0 4π I ν dω dν ρv ρh ρ + ρv = 0 + ρv v = p + τ + σ E B + ρ el E + ρhv λ T = p + τv + σe2 j Rad ρ = f(p, T) L I 0 + R 1 I C I 1 = U 0 R 1 I C I 1 R 2 I 2 R 2 I 2 = 0 I 0 I 1 I 2 = 0 13

14 Physik von Lichtbögen Kopplung der verschiedenen Gleichungen Elektrische Leitfähigkeit, Ohmsche Wärme und Feldkräfte koppeln Navier-Stokes- und Maxwell-Gleichungen Strahlungseigenschaften koppeln Navier- Stokes-Gleichungen an Strahlungstransport j Rad = D = ρ el B = 0 E = B H = σe + D 0 4πε ν,i κ ν,i 0 4π j el = σe I 2 = j el da R 2 = f σ I ν dω dν ρv ρh ρ + ρv = 0 + ρv v = p + τ + σ E B + ρ el E + ρhv λ T = p + τv + σe2 j Rad ρ = f(p, T) L I 0 + R 1 I C I 1 = U 0 R 1 I C I 1 R 2 I 2 R 2 I 2 = 0 I 0 I 1 I 2 = 0 14

15 Physik von Lichtbögen Kopplung der verschiedenen Gleichungen Elektrische Leitfähigkeit, Ohmsche Wärme und Feldkräfte koppeln Navier-Stokes- und Maxwell-Gleichungen Strahlungseigenschaften koppeln Navier- Stokes-Gleichungen an Strahlungstransport Elektrische Stromdichte und Lichtbogenwiderstand koppeln Maxwellgleichungen an Schaltkreis ρv ρh ρ + ρv = 0 + ρv v = p + τ + σ E B + ρ el E + ρhv λ T = p + τv + σe2 j Rad ρ = f(p, T) j Rad = D = ρ el B = 0 E = B H = σe + D 0 4πε ν,i κ ν,i L I 0 + R 1 I C I 1 = U 0 R 1 I C I 1 R 2 I 2 R 2 I 2 = 0 I 0 I 1 I 2 = 0 0 4π j el = σe I 2 = j el da R 2 = f σ I ν dω dν 15

16 Physik des Lichtbogens Materialparameter Zum Schliessen der Gleichungen werden Materialparameter benötigt σ,ρ,λ,κ,h,cp,l,r1,c,u0 D = ρ el B = 0 E = B H = σe + D j el = σe I 2 = j el da R 2 = f σ j Rad = 0 4πε ν,i κ ν,i 0 4π I ν dω dν ρv ρh ρ + ρv = 0 + ρv v = p + τ + σ E B + ρ el E + ρhv λ T = p + τv + σe2 j Rad ρ = f(p, T) L I 0 + R 1 I C I 1 = U 0 R 1 I C I 1 R 2 I 2 R 2 I 2 = 0 I 0 I 1 I 2 = 0 16

17 Physik von Lichtbögen Materialparameter Spezifische Enthalpie h Wärmeleitfähigkeit λ Dichte ρ Viskosität η Elektr. Leitfähigkeit σ Absorptionskoeffizienten κ Quelle: Kloc, P., Aubrecht, V., Bartlova, M., Coufal, O.: Radiation transfer in air and air-cu plasmas for two-temperature profiles, Journal of Physics D: Applied Physics, 2015,

18 Physik von Lichtbögen Materialparameter Spezifische Enthalpie h Wärmeleitfähigkeit λ Dichte ρ Viskosität η Elektr. Leitfähigkeit σ Absorptionskoeffizienten κ Parameter müssen vorab als Funktion von Temperatur und Druck tabelliert sein. Quelle: Kloc, P., Aubrecht, V., Bartlova, M., Coufal, O.: Radiation transfer in air and air-cu plasmas for two-temperature profiles, Journal of Physics D: Applied Physics, 2015,

19 Physik von Lichtbögen Materialparameter Spezifische Enthalpie h Wärmeleitfähigkeit λ Dichte ρ Viskosität η Elektr. Leitfähigkeit σ Absorptionskoeffizienten κ Parameter müssen vorab als Funktion von Temperatur und Druck tabelliert sein. Quelle: Cressault, Y., Gleizes, A., Riquel, G.: Properties of air-aluminum thermal plasmas, Journal of Physics D: Applied Physics, 2012,

20 Physik von Lichtbögen Materialparameter Spezifische Enthalpie h Wärmeleitfähigkeit λ Dichte ρ Viskosität η Elektr. Leitfähigkeit σ Absorptionskoeffizienten κ Parameter müssen vorab als Funktion von Temperatur und Druck tabelliert sein. Quelle: Kloc, P., Aubrecht, V., Bartlova, M., Coufal, O.: Radiation transfer in air and air-cu plasmas for two-temperature profiles, Journal of Physics D: Applied Physics, 2015,

21 Modellierung und Simulation von Lichtbögen Physikalische Modellierung Fluiddynamik (inkl. Mesh Motion) E-Dynamik Elektrodynamik (inkl. Mesh Motion) Strahlungsmodellierung Fluiddynamik Strahlung Schaltkreissimulation Plasmachemie (durch Materialparameter berücksichtigt) Lichtbogensimulation Kontaktabbrand und Gehäuseerosion Gute Interpolation der Materialdaten notwendig Schaltkreis Chemie Abbrand Mixture Model in CFD (bestenfalls) nicht notwendig 21

22 Modellierung und Simulation von Lichtbögen Simulationsumgebung Software am IET: Star-CCM+ von Siemens PLM (ehemals CD-Adapco) Entwicklungszusammenarbeit IET - Siemens Alternative: Ansys Fluent + EMAG + MpCCI Vereinfacht: Matlab / Python etc. Projekte Projektpartner weltweit sowie Entwicklungsprojekte in CH 22

23 Modellierung und Simulation von Lichtbögen Vereinfachte «Simulation»: Behandlung des Lichtbogens in 1D als AWP u = f(u, t) Änderung des Lichtbogenwiderstands durch Ansatz von Cassie/Mayr oder durch Änderung der Temperatur (fixe Geometrie) u = I 0 I 0 I1 I 2T R = 2 R τ 1 RI 2 P Cassie/Mayr f T Temperatur R L I 0 + R 1 I C I 1 = U 0 R 1 I C I 1 R 2 I 2 R 2 I 2 = 0 I 0 I 1 I 2 = 0 23

24 Modellierung und Simulation von Lichtbögen Vereinfachte «Simulation»: Behandlung des Lichtbogens in 1D als AWP Änderung des Lichtbogenwiderstands durch Ansatz von Cassie/Mayr oder durch Änderung der Temperatur (fixe Geometrie) 24

25 Anwendungsbeispiel 1: Bewegte Kontakte Mesh Motion aufgrund bewegter Kontakte Netz (Mesh) ändert sich aufgrund potentiell vorhandener Bewegungen Zunächst Deformation des Netzes Dann Austausch des Netzes durch Remeshing oder Laden von vordefinierten Netzen 25

26 Anwendungsbeispiel 2: Niederspannungsschalter «Numerical analysis of arc plasma behaviour during contact opening process in low-voltage switching device» Yi Wu, Mingzhe Rong, Zhiqiang Sun, Xiaohua Wang, Fei Yang and Xingwen Li Quelle: Wu, Y. et al.: Numerical analysis of arc plasma behaviour during contact opening process in low-voltage switching device, Journal of Physics D: Applied Physics, 2007,

27 Anwendungsbeispiel 2: Niederspannungsschalter 27

28 Anwendungsbeispiel 3: «Arc Rails» Experimentelle und numerische Untersuchungen an der TU Braunschweig: Thomas Rüther (2008): Experimente Alexandra Mutzke (2009): Numerische Simulation, ANSYS + ANSYS CFX Julia Rüther (2014): Numerische Simulation, ANSYS + ANSYS CFX Christian Rümpler (2009) (TU Ilmenau, Fraunhofer Institute SCAI): Numerische Simulation: ANSYS + ANSYS Fluent via MpCCI, mit Abbrand Modell besteht aus zwei parallelen Leitern und einer «Splitter Plate» Lichtbogen wird experimentell mit einem Draht gezündet, numerisch durch einen leitfähigen Kanal Der elektrische Strom dient als Randbedingung, die Spannung wird ermittelt. 28

29 Anwendungsbeispiel 3: «Arc Rails» 29

30 Anwendungsbeispiel 4: Blitzschutzgerät Blitzschutzgerät der Firma Streamer-Electric Ableiten der Blitzenergie gegen Erde Anschliessendes wird ein schnelles Löschen des Lichtbogens angestrebt 30

34 Anwendungsbeispiel 4: Blitzschutzgerät 34

35 Simulation von Lichtbögen Lichtbogensimulation am IET 3D-Simulationen mittels Star-CCM+ (3D) oder vereinfachte Rechnungen mit Matlab/Simulink Berücksichtigte Phänomene: Fluiddynamik inkl. Strahlung und chem. Reaktionen Elektrodynamik Materialabbrand Bewegte Geometrien Elektrische Schaltkreise Zunehmende Vernetzung mit Industriepartnern 35