Analysis and modeling of switching arcs by means of spectroscopic methods
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts wurden spektroskopische Untersuchungen und CFD-Modellierungen an einem modifizierten Modell eines Leistungsschalters in einer CO2-Atmosphäre durchgeführt. Der Schwerpunkt lag auf dem Verhalten des Bogenplasmas direkt in der PTFE-Düse nahe dem Stromnulldurchgang. Dazu wurde eine Technik entwickelt, um in der Düse einen Beobachtungsschlitz entlang des Bogenquerschnitts anzubringen und mit einem Quarzfenster zu versiegeln, ohne die Strömungs- und Temperaturverhältnisse im Bogenplasma zu verändern. Die aus den Simulationen ermittelte Zusammensetzung wurde experimentell bestätigt, der Zeitpunkt der Strömungsumkehr vom abbrandbestimmten Bogen zur Rückströmung des Kaltgases aus dem Heizvolumen wurde experimentell bestimmt und das CFD-Modell validiert. Optische Emissionsspektroskopie mit einer intensivierten CCD-Kamera ermöglichte die Bestimmung radialer Temperaturprofile innerhalb der letzten Millisekunde und bis ca. 10 µs vor dem Stromnulldurchgang. Die Bogentemperatur und der Bogenquerschnitt nehmen wie erwartet mit dem Entladungsstrom ab (sinkende elektrische Leitfähigkeit). Wenige Mikrosekunden vor dem Stromnulldurchgang wurde eine starke Bogeneinschnürung auf einen Querschnitt von unter 1 mm bei 11 000 K Mittentemperatur ermittelt. Während der Hochstromphase wurde insbesondere im Randbereich der Entladung ein Kontinuum beobachtet, dass anhand des Spektrums den Swan-Banden des diatomaren Kohlenstoffs (C2) zugeordnet werden konnte. Dieses wird nach Verdampfung von Wandmaterial der PTFE- Düse gebildet und konnte je nach Entladungsverlauf in Emissions- und Absorptionsspektren mit dem Plasma als Hintergrundstrahler beobachtet werden. Absorptionsuntersuchungen in der letzten Millisekunde vor sowie nach dem Stromnulldurchgang mit einem intensiven Breitband-Hintergrundstrahler ergaben überraschenderweise weder eine Absorption durch Atome oder Ionen noch von C2-Molekülen. Es konnte aber eine deutliche Absorption mit einem Maximum bei 493 nm beobachtet werden, die CuF-Molekülen zugeordnet wurde. Das verhinderte die im Projekt vorgesehene Analyse des Restplasmas bei und nach dem Stromnulldurchgang. Das CFD-Simulationsmodel wurde um eine dreidimensionale Betrachtung erweitert um Instabilitäten um den Stromnulldurchgang genauer zu bewerten. Aus den gewonnen Informationen konnte das Modell um eine räumliche Berechnung des Durchschlagpfads nach dem Stromnulldurchgang erweitert werden.
Publications
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“Investigation of an Ablationdominated Arc in a Model Chamber by Optical Emission Spectroscopy”; Plasma Physics and Technology, Volume 4, S. 153-156, 2017
Methling, R.; Khakpour, A.; Wetzeler, S. & Uhrlandt, D.
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“Investigation of C2 Swan Bands in Optical Emission and Absorption Spectroscopy of Ablation-Dominated Arcs”; 22st International Conference on Gas Discharges and Their Applications; Novi Sad, Serbia, 2018
Methling, R. / Götte, N. / Wetzeler, S. / Uhrlandt, D. / Weltmann, K. D.
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“Optical Emission Spectroscopy of Ablation-Dominated Arcs during High-Current Phase and around Current Zero”; 22st International Conference on Gas Discharges and Their Applications; Novi Sad, Serbia, 2018
Weltmann, K. D. / Methling, R. / Götte, N. / Wetzeler, S. / Uhrlandt, D.
