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Zündung von Wasserstoff/Luft-Gemischen durch elektrische Entladungen bei hochfrequenter Wechselspannung

31.10.2007

Elektrische Entladungen (Vor-/Teilentladungen) können brennbare Gas/Luft-Gemische entzünden und müssen daher beim Explosionsschutz elektrischer Geräte berücksichtigt werden. Diesbezüglich wurde an der Spitze-Platte-Anordnung (stark inhomogenes Feld) durch eine Wechselspannung (f = 630 kHz) die Zündfähigkeit eines Wasserstoff/Luft-Gemisches durch Vorentladungen untersucht, indem die Anzahl der Schwingungen und damit die Pulsdauer variiert wurde.

Das Akkumulieren von Entladungen bei hochfrequenter Wechselspannung ist durch die mangelnde Beweglichkeit der Ionen zu erklären, die während einer Halbschwingung des elektrischen Feldes nicht die Elektrode erreichen können und somit im elektrischen Feld verbleiben. Der Energieinhalt wird im wesentlichen durch die Anzahl der Ionisationen und damit dem Entstehen von Ladungsträgern (Ionen) bestimmt. Mit Erhöhung oder Verringerung des Anteils von Wasserstoff in Luft nimmt die zur Zündung notwendige Anzahl an Schwingungen und damit die notwendige Pulsdauer zu.

Beim Vergleich mit der Zündgrenzkurve (Bild 1) wird deutlich, dass die Energie der Vorentladungen bei hochfrequenter Wechselspannung in Abhängigkeit von der Anzahl an Schwingungen akkumuliert. Die Ladungsmenge vergrößert sich dabei überproportional durch Erhöhung der Feldstärke und proportional durch Erhöhung der Anzahl der Schwingungen.

Hinsichtlich der Dimensionierung der Luft- und Kriechstrecken für explosionsgeschützte elektrische Geräte dürfen die in dieser Veröffentlichung untersuchten Effekte nicht vernachlässigt werden. Eine Übertragung auf andere brennbare Gase soll weitere Aufschlüsse über die relevanten chemischen und physikalischen Prozesse aufzeigen.


Bild 1: Abhängigkeit der zur Zündung notwendigen Anzahl von Schwingungen einer hochfrequenten Wechselspannung vom Volumenanteil Wasserstoff (s = 40 mm, U = 11 kV)