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«Von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des ...»

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Vergleich von Strahlungs- und Turbulenzmodellen

zur Modellierung von Lichtbögen in

SF6-Selbstblasleistungsschaltern

Von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der

Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen

zur Erlangung des akademischen Grades eines

Doktors der Ingenieurwissenschaften

genehmigte Dissertation

vorgelegt von

Diplom-Ingenieur

Carsten Lüders

aus Essen

Berichter: Universitätsprofessor Dr.-Ing. A. Schnettler

Universitätsprofessor Dr.-Ing. M. Kurrat Tag der mündlichen Prüfung: 5. Dezember 2005 Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.

Berichte aus der Energietechnik Carsten Lüders Vergleich von Strahlungs- und Turbulenzmodellen zur Modellierung von Lichtbögen in SF6-Selbstblasleistungsschaltern D 82 (Diss. RWTH Aachen) Shaker Verlag Aachen 2005 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005 Copyright Shaker Verlag 2005 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten.

Printed in Germany.

ISBN 3-8322-4755-6 ISSN 0945-0726 Shaker Verlag GmbH • Postfach 101818 • 52018 Aachen Telefon: 02407 / 95 96 - 0 • Telefax: 02407 / 95 96 - 9 Internet: www.shaker.de • eMail: info@shaker.de Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Hochspannungstechnik der RWTH Aachen.

Mein besonderer Dank gilt dem Institutsleiter, Herrn Prof. Dr.-Ing. A. Schnettler, der die Arbeit anregte. Durch zahlreiche Diskussionen und eine Kooperation mit der Firma ABB trug er wesentlich zum Gelingen dieser Arbeit bei.

Herrn Prof. Dr.-Ing. M. Kurrat danke ich für die Übernahme des Korreferates und seinem Interesse an dieser Arbeit.

Der Firma ABB (Corporate Research, Baden, Schweiz) gilt mein Dank für zahlreiche Diskussionen, und wertvolle Ratschläge, die mir den Einstieg in die Thematik und deren Bearbeitung erleichtert haben.

Herrn Dr. V. Aubrecht und Prof. Dr. A. Gleizes gilt mein Dank für die Bereitstellung der Strahlungsdaten für SF6, ohne die diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre. Herrn Dr. A. Spille-Kohoff von der Firma CFX-Berlin danke ich für die Unterstützung durch Informationen über das Softwarepaket CFX.

Den Mitarbeitern des Instituts danke ich für die angenehme Arbeitsatmosphäre und viele interessante und anregende Diskussionen.

Mein besonderer Dank gilt meinen Eltern, für die Ausbildung, die sie mir ermöglicht haben.

Aachen, im Dezember 2005 Carsten Lüders Kurzfassung Hochspannungs-Leistungsschalter sind wichtige Elemente bei der Übertragung elektrischer Energie vom Kraftwerk zum Verbraucher. Schalter der dritten Generation, SF6-Selbstblasschalter, nutzen die im Kurzschlussfall umgesetzte Leistung des Schaltlichtbogens, um den zur Lichtbogenlöschung notwendigen Druckaufbau zu erzeugen. Die Weiterentwicklung und Optimierung der Leistungsschalter erfordern leistungsfähige Simulations-Tools, die die komplexen Zusammenhänge zwischen Schaltlichtbogen, Strahlung, Abbrand und Gasströmung erfassen.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell vorgestellt, das gegenüber vorhergehenden Arbeiten, in denen das experimentell orientierte Zwei-Zonen-Modell für abbrandbestimmte Lichtbögen und Selbstblasschalter hergeleitet und angewendet wurde, aufgrund der physikalisch orientierten Modellierung für eine größere Anzahl von Fragestellungen nutzbar sein soll. Der Lichtbogen wird durch die ohmsche Heizleistung, Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung in der Energieerhaltungsgleichung modelliert und stellt einen Regelkreis dar, der sein Temperaturprofil durch die Vorgabe des eingeprägtes Stroms selbst bestimmt.

Die Entwicklung dieses Modells basiert auf dem Vergleich unterschiedlicher Strahlungsmodelle und der Simulation eines SF6-Modellschalters mit experimentellen Daten.

Die Wahl eines geeignetes Strahlungsmodells ist das wesentliche Ziel, da zur Simulation abbrandbestimmter Lichtbögen sowohl die Strahlungsverluste im Lichtbogen, als auch der für den PTFE-Abbrand erforderliche Strahlungsfluss auf der Düsenoberfläche ermittelt werden müssen. Es zeigt sich, dass unter den hier gegebenen Rahmenbedingungen das P1Modell, das die Lösung von zusätzlichen Differentialgleichungen erfordert, für eine CFDSimulation deutlich besser geeignet ist, als die Methode der Partiellen Charakteristiken oder das Monte Carlo Modell, die ein Strahlverfolgungsverfahren im Lösungsraum benötigen, oder der Nettoemissionskoeffizient, der den Einsatz von Korrekturfaktoren erfordert. Die Validierung des Lichtbogenmodells erfolgt anhand wandstabilisierter Lichtbögen, für die sich die Kerntemperaturen in guter Übereinstimmung mit dem Experiment ergeben. Experimentelle Daten für Lichtbögen in einer PTFE-Düse werden zur Untersuchung abbrandbestimmter Lichtbögen verwendet, wobei neben dem Vergleich des Druckaufbaus die Struktur des Lichtbogens studiert wird. Die Wahl eines geeigneten Turbulenzmodells erfolgt anhand eines axial beblasenen Lichtbogens für verschiedene Stromstärken und den Vergleich von Temperaturprofilen. Es zeigt sich, dass nur mit dem SST-Modell die gemessenen Temperaturprofile mit guter Genauigkeit berechnet werden können. Das gesamte Modell wird anhand von Messungen an einem Modellschalter validiert, und seine Grenzen werden aufgezeigt.





Abstract

High voltage circuit breakers are important elements in the transfer of energy between the power plant and the consumer. Circuit breakers of the third generation, so-called SF6selfblast-circuit-breakers, use the energy set free by the switching arc in case of a fault to build up the pressure necessary for extinguishing the electric arc. Advancing the development and the optimization of circuit breakers requires state-of-the-art simulation tools which grasp the complex interactions between the switching arc, radiation, ablation and gas flow.

In the present thesis a model is presented which - due to its physics-based modeling - can be used to answer a wider range of different questions about SF6-arcs in comparison with preceding papers, in which the experiment-based two-zone-model for ablation-controlled electric arcs and selfblast-circuit-breakers was deduced and used. The electric arc is modelled by Ohmic heat, convection, heat conduction and radiation included in the energy balance equation and represents a control circuit which controls its temperature profile by specifying only the current.

The development of this model is based on a comparison of different radiation models and on the simulation of a SF6-model circuit breaker with experimental data.

The choice of a suitable radiation model is the essential goal of this thesis. For the simulation of ablation controlled electric arcs both the radiation losses in the arc as well as the radiation flow on the surface of the nozzle, which is necessary for the PTFE ablation, must be established. It turns out that within the given framework the P1 model, which requires solving additional differential equations, is clearly better suited for a CFD simulation than the method of the partial characteristics or the Monte Carlo model, which require a beam-pursuing process in the solution space, or the net emissions coefficient, which requires the use of correction factors.

The electric arc model was validated with the simulation of wall-stabilized electric arcs, for which the core temperatures can be calculated in good agreement with the experiment.

Experimental data for electric arcs in a PTFE nozzle are used to investigate ablationcontrolled arcs. Here, not only the pressure build-up is compared, but also the structure of the arc. A suitable turbulence model is chosen with the help of an axially blasted arc for different amperages and by comparing temperature profiles. It turns out that the measured temperature profiles can only be calculated with a reasonable degree of exactness with the help of the SST model. The entire model is validated by virtue of measurements at a model circuit breaker, and the limits of the model are shown.

Inhaltsverzeichnis i Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung

1.1 Einführung in die Thematik

1.2 Stand des Wissens

1.3 Ziel der Arbeit und Vorgehensweise

2 Physikalische Modellbildung

2.1 Funktionsweise eines SF6-Selbstblasschalters

2.2 Modellbildung

2.2.1 Modellannahmen

2.2.2 Grundgleichungen

2.3 Turbulenz-Modelle

2.3.1 Einleitung

2.3.2 Gemittelte Transportgleichungen

2.3.3 Wirbelviskositätsmodelle

2.4 Zwei-Zonen-Modell

3 Modellierung der Strahlung

3.1 Physikalische Grundlagen

3.1.1 Das Plancksche Strahlungsgesetz

3.1.2 Emission und Absorption

3.1.3 Die Strahlungstransportgleichung

ii Inhaltsverzeichnis 3.2 Approximations-Methoden

3.2.1 Methode der Partiellen Charakteristiken

3.2.2 P1-Modell

3.2.3 Nettoemissionskoeffizient

3.2.4 Monte-Carlo-Modell

3.3 Vergleich der Strahlungsmodelle

3.3.1 Bewertung der Strahlungsmodelle

3.3.2 Vergleich der Genauigkeit der Strahlungsmodelle........61 3.3.3 Auswahl des Strahlungsmodells

4 Ergebnisse und Validierung

4.1 Wandstabilisierte Lichtbögen

4.2 Simulation eines abbrandbestimmten Lichtbogens............74 4.3 Simulation und Validierung eines axial beblasenen Lichtbogens

4.4 Simulation eines Modellschalters

5 Zusammenfassung

6 Formelzeichen

7 Literatur

Einführung in die Thematik 1

–  –  –

Schaltgeräte sind wesentliche Elemente der Energieversorgung. Sie werden eingesetzt, um elektrische Systeme ein- oder ausschalten zu können und so eine zuverlässige Energieversorgung sicherzustellen. Das zentrale Schaltgerät ist der Leistungsschalter, dessen Aufgabe darin besteht, die im ungestörten Betrieb des Netzes auftretenden Betriebsströme einzuschalten, zu führen und auszuschalten.

Zusätzlich hat er die wichtige Aufgabe, im Falle eines Netzfehlers, z.B. durch Kurzschluss, die gegenüber dem Nennbetrieb erhöhten Ströme sicher, schnell und selektiv zu unterbrechen.

Das Schaltelement ist bei allen Hochspannungs-Leistungsschaltern der Schaltlichtbogen, der zwischen den sich öffnenden Kontakten entsteht. In gasbeblasenen Schaltern wird dem Lichtbogen durch eine intensive Gasströmung soviel Energie entzogen, dass er im Stromnulldurchgang verlöscht und innerhalb kürzester Zeit die Gasstrecke vom leitfähigen in den isolierenden Zustand überführt wird [Erk74], [Lin87]. Das Ausschaltvermögen wird dabei unmittelbar durch die Löschgasströmung und den Zustand des Löschgases bestimmt.

Schwefelhexafluorid (SF6) hat sich aufgrund seiner hervorragenden thermodynamischen und dielektrischen Eigenschaften als Isolier- und Löschgas in Hochspannungs-Leistungsschaltern durchgesetzt. SF6 ist ungiftig, nicht brennbar und chemisch reaktionsträge. Besonders die gegenüber anderen Gasen relativ geringe Dissoziationstemperatur und die schnelle Wiederverfestigung bewirken die guten Löscheigenschaften von SF6. Die hohe dielektrische Festigkeit des Gases ergibt sich aus der starken Elektronegativität. SF6 kann unter Bildung eines negativen Ions freie Elektronen im Gasraum einfangen [Kre96].

Drei Generationen von SF6-Hochspannungs-Leistungsschaltern werden unterschieden. Die erste Generation wurde in den sechziger Jahren in Anlehnung an den Druckluftschalter als Zweidruckschalter ausgeführt. Das zur Beblasung notwendige Löschgas wird in einem Druckbehälter gespeichert und strömt im Schaltfall über ein Ventil in den Düsenraum. Die niedrige VerflüssigungsEinleitung temperatur von SF6 bei höheren Drücken machte jedoch eine Beheizung des Druckbehälters notwendig.

Bei der zweiten Generation, dem Puffer- bzw. Autopneumatikschalter wird der Löschdruck während der Schalthandlung durch Kompression eines über einen Kanal an den Düsenraum angeschlossenen Gasvolumens erzeugt. Hierbei sind hydraulische oder pneumatische Antriebe erforderlich, die wegen der aufzubringenden Kompressionsarbeit hohe Antriebsenergien zur Verfügung stellen müssen.



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