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Zündfähigkeit von hochfrequenten Hochspannungsvorentladungen und Funken im explosionsgefährdeten Bereich

31.12.2004

Der Einsatz von Hochspannungsmaschinen in explosionsgefährdeten Bereichen verlangt eine Bewertung der von ihnen ausgehenden Gefahr als Zündquelle. Die Möglichkeit einer elektrischen Entladung bei Störungen ist sicherheitstechnischen Betrachtungen hinzuzuziehen. Über Funkenentladungen bei Gleichstrom wurde in der Literatur vielfach berichtet. Zentrale Fragen waren hier der Energieeintrag der Funken in die Gasphase und die Umwandlung von elektrischer in thermische Energie. Hochfrequente Hochspannungsvorentladungen werden zur Zeit hinsichtlich ihrer Zündwirksamkeit unterschiedlich bewertet. Innerhalb eines Forschungsprojektes an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt werden hochfrequente Hochspannungsvorentladungen und Funken mit verschiedenen Techniken untersucht. Ziel ist es, Temperatur und Volumen der aufgeheizten Bereiche zu bestimmen. Mit diesen Informationen wird der Energieeintrag in die Gasphase berechnet. Simulationsrechnungen und Experimente mit Brenngas-Luft-Mischungen werden zur Bewertung der Ergebnisse hinsichtlich der Zündwirksamkeit herangezogen.

Zentrale Einheit des Versuchsaufbaus ist eine unsymmetrische Elektrodenanordnung (Spitze-Platte), an die eine hochfrequente Hochspannung (f = 100 kHz bis 1000 kHz, Û = 9 kV bis 20 kV) angelegt wird. Die Hochspannung wird über Triggertransformerspule (Spartransformator), Frequenzgenerator und Verstärkereinheit erzeugt. Je nach Abstand und Form der Elektroden (Einfachspitze, Mehrfachspitze, Radius der Spitze) kommt es zu Funken oder Vorentladungen. Bei einem Abstand von 40 mm, einer Frequenz von 760 kHz wurden bei einer Elektrodenanordnung Mehrfachspitze-Platte Vorentladungen beobachtet. Das Eigenleuchten der Vorentladungen wurde mit einer CCD-Kamera (LaVision Flame Star) zeitaufgelöst im Bereich von 220 nm bis 830 nm aufgenommen, Abbildung 1. Mittels Schlierentechnik (Fokussierung eines He-Ne-Laserstrahls auf eine Punktblende von 500 µm) wurden die Bereiche deutlich, die durch die Vorentladung aufgeheizt werden. Die Temperaturmessung erfolgte mittels Rayleighstreuung (Excimerlaser, KrF, 248 nm).  Abbildung 2 zeigt das Temperaturfeld um eine Vorentladung (760 kHz, 5000 Schwingungsperioden). Es wurde vorausgesetzt, dass sich das Gas thermodynamisch ideal verhält und somit aus der Teilchenkonzentration die Temperatur berechnet werden kann. Die in das Volumen eingekoppelte Energie wurde mittels der Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität von Luft (80 % Stickstoff, 20 % Sauerstoff) und der gemittelten Maximaltemperatur errechnet. Abbildung 3 zeigt die gemittelte Maximaltemperatur im durch die Vorentladung aufgeheizten Volumen und die daraus berechnete eingekoppelte Energie.

Die entwickelte Methode eignet sich für die Bewertung der Zündgefahr von hochfrequenten Hochspannungsvorentladungen. Der Temperaturverlauf im Zeitbereich bis zu einer Millisekunde ist besonders interessant. Die Kombination der hier eingesetzten Messmethoden (Eigenleuchten, Schlierenaufnahmen, Rayleighstreuung) ergänzt mit Simulationsrechnungen ist ein effektives Werkzeug zur Beantwortung sicherheitstechnischer Fragestellungen.


Abbildung 1: Eigenleuchten einer Vorentladung


Abbildung 2: Temperaturfeld um eine Vorentladung


Abbildung 3: Verlauf von Temperatur, Volumen und Energie