Lichtbogen- und Überschlagsanalyse
Elektrische Entladungen mittels Feldsimulationen verstehen
Elektrische Überschläge entstehen oft an unerwarteten Stellen. Scharfe Kanten, Feldmaxima und kleinste Geometrieabweichungen entscheiden, wann die Durchschlagsfestigkeit von Luft überschritten wird und ein Lichtbogen entsteht. Feldsimulationen analysieren diese Effekte und machen Designs robuster.
Ein elektrischer Überschlag entsteht, wenn die lokale elektrische Feldstärke entlang eines potenziellen Entladungswegs die Durchschlagsfestigkeit des Mediums übersteigt. Diese Schwelle hängt von den Eigenschaften des Isoliermediums ab – bei Luft liegt dieser Richtwert häufig bei etwa 3 kV/mm. Die elektrische Feldstärke wiederum folgt aus der Ladungsverteilung, die wesentlich durch Materialeigenschaften und Geometrie bestimmt wird. Scharfe Kanten, Spitzen oder enge Radien führen zu lokalen Feldmaxima – und diese Effekte verschieben den Überschlag oft weg von der erwarteten Engstelle hin zur tatsächlich höchsten Feldkonzentration.
Berechnung der elektrischen Felder zwischen den Stromschienen einer Jakobsleiter. Das Bild auf der linken Seite zeigt die elektrischen Potentiale. In der Mitte ist das elektrische Feld dargestellt und auf der rechten Seite sind mehrere Feldlinien dargestellt, die mögliche Entladungspfade repräsentieren.
Die Jakobsleiter (Hornableiter) – zwei sich nach oben öffnende Stromschienen, die einen Luftspalt bilden – ist aus dem Physikunterricht oder von Anlagen mit Hochspannung bekannt. Hornableiter (engl. Horn Gap Arrester bzw. Horn Fuse) wurden früher verwendet, um Überspannungen kontrolliert zur Erde abzuleiten. Tritt eine überhöhte Spannung auf, zündet zwischen den Hörnern ein Lichtbogen, der den Strom zur Erde führt. Nach dem Zünden erwärmt der Lichtbogen die Luft und steigt aufgrund des Kamineffekts nach oben. Da der Abstand der Hörner zunimmt, trifft der Lichtbogen auf einen immer breiteren Spalt, bis er sich trennt und erlischt.
Hornableiter sind anschauliche Beispiele für die Entstehung eines Lichtbogens und für das Zusammenspiel von elektrischen Feldern und Strömungsmechanik. Die gleichen Mechanismen wirken in Steckverbindern, Leistungselektronik und Relais ebenso wie bei elektrostatischen Entladungen (ESD) – mit unterschiedlicher Intensität und Dynamik.
Das Bild zeigt drei Verläufe der elektrischen Feldstärke entlang eines Pfades bei unterschiedlichen Potentialdifferenzen. Wird eine Potentialdifferenz von 15 kV angelegt (schwarze Kurve), ist die gesamte Strecke unter der kritischen Feldstärke für Luft (3 kV/mm), bei 18 kV (rote Kurve) ist die Feldstärke über die gesamte Länge über den kritischen Wert. Bei 16,5 kV (grüne Kurve) sind Teile der Strecke über dem Grenzwert und Teile darunter. Hier ist eine verlässliche Aussage nicht möglich, weil sich Teilentladungen bilden können, die zu Feldänderungen führen können.
Analyse elektrischer Felder und Hotspots
Zwischen Bauteilen, die sich auf unterschiedlichen elektrischen Potenzialen befinden, baut sich ein elektrisches Feld auf, das durch geringe Abstände, Spitzen oder scharfe Kanten stark konzentriert werden kann. Eine elektrostatische Simulation ermöglicht es, die Felder an realen 3D‑Geometriemodellen zu berechnen und dadurch kritische Bereiche frühzeitig im Entwicklungsprozess zu erkennen. Durch die Analyse der Feldlinien – diese verlaufen immer parallel zum elektrischen Feldvektor – lassen sich Pfade bestimmen, an denen Entladungswege am wahrscheinlichsten sind und ob lokale Feldstärken kritisch werden.
Die tatsächliche Feldverteilung hängt von den Geometrieabmessungen, der Ladungsverteilung und den Materialeigenschaften ab. Diese Effekte sind nicht intuitiv sichtbar und werden erst durch eine elektrostatische Simulation vor dem Hardwareaufbau erkennbar. Die Simulation des in Bild 2 betrachteten Beispiels der Jakobsleiter zeigte, dass die Kanten der Metallstäbe das lokale Feld verstärken. Der initiale Überschlag entsteht dadurch nicht an der geometrisch engsten Stelle, sondern an den Kanten – ein typischer, oft übersehener Effekt.
Entladungen sind somit keine Zufälle, sondern direkte Folgen der Feldverteilung. Wer versteht, wo und warum das Feld zu stark wird, kann Durchschläge vermeiden – oder gezielt erzeugen - und legt damit die Grundlage für die Analyse der eigentlichen Überschlagszündung.
Das Bild zeigt den zeitlichen Verlauf einer Entladung zwischen den Stromschienen einer Jakobsleiter. An die Stromschiene wird eine linear steigende Quelle angelegt. Die Kurve zeigt die Änderung der Spannung zwischen den Stromschienen über die Zeit. Nach 10 ns wird die kritische Spannung (22 kV) erreicht und es entsteht ein leitender Pfad zwischen den Stromschienen. In den Bildern wird die Leitfähigkeit der Luft zwischen den Stromschienen zu unterschiedlichen Zeitpunkten dargestellt, von blau (niedrige Leitfähigkeit) bis rot (hohe Leitfähigkeit).
Simulation der Überschlagszündung
Mit der Inception‑Voltage‑Analyse, wie sie in Ansys Maxwell integriert ist, lässt sich die Durchschlagsspannung entlang eines Pfads mit der höchsten Feldstärke in einem Gas semianalytisch abschätzen. Die Methode bewertet die lokale Feldstärke entlang eines Pfades und verknüpft diese mit den Materialdaten des Mediums. So ergibt sich ein Spannungswert, ab dem ein Durchschlag wahrscheinlich wird. Während die reine E‑Feld‑Analyse lediglich zeigt, wo ein Durchschlag bevorzugt entstehen kann, beantwortet die Inception-Voltage‑Analyse die Frage, ab welcher Spannung ein Überschlag realistisch wird. Die Inception Voltage sagt, wann es zündet – aber nicht, wie sich der Überschlag anschließend entwickelt.
Ein Lichtbogen entsteht nicht instantan, sondern entwickelt sich über die Zeit – auch wenn diese sehr kurz ist. Mit Ansys Charge Plus lässt sich der zeitliche Verlauf eines Lichtbogens mittels gekoppelter elektrischer Felder und der Gasphysik modellieren. Das Tool zeigt, wann die ersten freien Ladungsträger entstehen und wie sie sich entlang eines bevorzugten Pfads zu einem leitfähigen Plasmakanal verstärken. Die Simulation der Jakobsleiter demonstriert dieses Verhalten anschaulich: Wird der Strom erhöht, steigt die Elektronendichte zunächst lokal an, breitet sich entlang der stärksten Feldlinie aus und bildet schließlich einen durchgängigen Kanal.
So werden lokale, für das Engineering entscheidende Effekte sichtbar:
• Wie schnell zündet der Lichtbogen? Wie verläuft das initiale Zünden des Lichtbogens? Was passiert während des Entladevorgangs?
• Wo setzt der Plasmakanal tatsächlich an – an der engsten Stelle oder am stärksten Feldmaximum?
• Welche Strom- und Spannungsverläufe treten beim Zünden auf? Wie stark fällt die Spannung beim Übergang ins Plasma ab?
• Wie beeinflussen Gas, Druck oder Feuchte den Prozess – etwa über die lokale Durchschlagsfestigkeit?
So entsteht nicht nur eine anschauliche Visualisierung, sondern eine belastbare physikalische Grundlage für konstruktive Entscheidungen. Damit ist klar, dass die Zündung kein Zufallsereignis ist, sondern ein determinierbarer physikalischer Prozess.
Die multiphysikalische gekoppelte Simulation wird von einem Kontrolltool (Ansys System Coupling) gesteuert, das wiederum die Zeitschritte und den Datentransfer steuert. Der elektromagnetische Feldlöser (Ansys Maxwell) berechnet die Kräfte und Verluste, die als Eingabe für den Strömungslöser (Ansys Fluent) benötigt werden. In der Strömungssimulation werden aus den Verlusten und Kräften die lokalen Leitfähigkeiten und Temperaturen berechnet, die wieder zurück an die elektromagnetische Simulation geliefert werden.
Verhalten und Dynamik von Lichtbögen
Ein stabiler Lichtbogen entsteht, wenn genügend Leistung im System vorhanden ist, um das Plasma dauerhaft leitfähig zu halten. Dieses Zusammenspiel aus elektrischen Strömen, Temperaturfeldern, Gasbewegung und Lorentzkraft lässt sich in einer gekoppelten Simulation von Ansys Maxwell und Ansys Fluent transient simulieren. Sobald ein Lichtbogen gezündet hat, entstehen Verluste im Arc-Kanal, die zu erhöhter Temperatur und damit zu geringerer Gasdichte führen. Gleichzeitig beeinflussen die elektrischen Ströme das Magnetfeld, wodurch Lorentzkräfte entstehen. Damit die gekoppelte Physik realistisch bleibt, müssen elektromagnetische und strömungsmechanische Berechnungen in jedem Zeitschritt miteinander kommunizieren.
Die Jakobsleiter demonstriert dieses Zusammenspiel eindrucksvoll: Der Lichtbogen steigt nicht aufgrund einer „mystischen Plasmaeigenschaft“ nach oben, sondern wegen der verringerten Gasdichte und des daraus resultierenden thermischen Auftriebs. Position und Form des Lichtbogens verändern sich fortlaufend – ebenso wie Strömung und Temperaturfelder. Die gleichen Mechanismen wirken auch in technischen Schaltgeräten, in denen ein Lichtbogen unter Leistung kontrolliert geführt oder verdrängt werden muss.
Ein anschauliches Beispiel ist das Öffnen eines Relais: Wird der Kontakt geöffnet entsteht ein Lichtbogen, dieser wird durch das Magnetfeld der integrierten Permanentmagnete seitlich aus dem Kontaktbereich gedrückt. Das Magnetfeld wirkt mit dem Strom im Plasmakanal zusammen und erzeugt Lorentzkräfte, die den Lichtbogen „ausblasen“. Eine gekoppelte Maxwell- und Fluent-Simulation bildet diesen Vorgang realistisch ab: Maxwell liefert Stromdichte, Verluste und Lorentzkraft, Fluent berechnet Temperaturfelder, Gasbewegung und die veränderte Leitfähigkeit. Der Lichtbogen verhält sich im Modell so, wie man es aus Experimenten kennt – ein Baustein für belastbare Designentscheidungen.
In einem Relais wird der elektrische Lichtbogen durch ein magnetisches Feld aus dem Kontakt gedrückt. In dem Bild sind die lokalen Temperaturen und die elektrische Leitfähigkeit im Gas für unterschiedliche Zeiten dargestellt.
Nutzen für Engineering und Entwicklung
Die Kombination aus Feldanalyse, Durchschlagsspannung, Plasmaentstehung und gekoppelter Arc-Simulation ermöglicht es, Entladungsrisiken früh zu erkennen und gezielt zu steuern. Statt nur „geht / geht nicht“ zu prüfen, entsteht ein tiefes Verständnis dafür, wo ein Überschlag entsteht, wie er sich ausbreitet und unter welchen Bedingungen er stabil bleibt. Auf dieser Grundlage lassen sich Baugruppen gezielt robuster auslegen, Prototyp-Iterationen reduzieren und der Weg zu einem sicheren, normgerechten Design deutlich verkürzen.
Für Produktdesigner und Entwicklungsingenieure bedeutet das: Man erkennt nicht nur, dass ein Problem entsteht, sondern kann anhand der simulierten Entladungspfade, lokalen Feldmaxima und Lichtbogenverläufe eindeutig nachvollziehen, warum es auftritt. Diese physikalische Transparenz macht den entscheidenden Unterschied – sei es durch kleine Anpassungen der Geometrie, durch optimierte Radien an potenziellen Hotspots oder durch eine gezielte Führung des Lichtbogens über Magnetfelder. Gerade bei Bauteilen, die im realen Betrieb hohen Spannungsgradienten ausgesetzt sind, entscheidet die bewusste Kontrolle der Feldverteilung oft darüber, ob eine Baugruppe 100, 10.000 oder 100.000 Schaltzyklen zuverlässig übersteht.
Der Autor: Dr. techn. Rene Fuger verantwortet das Business Development im Bereich niederfrequente Elektromagnetik beim Simulationsspezialisten Cadfem (Austria) GmbH in Wien. Neben Projektarbeit und technischer Beratung von Kunden ist er Seminarreferent. Unter anderem leitet er das eintägige Seminar »Analyse von Entladephänomenen mit Ansys Charge Plus: Elektrische Überschläge und Lichtbögen effizient simulieren«: Inhalte und Anmeldung: www.cadfem.net/charge
Aus der Theorie in die Praxis
Wer tiefer einsteigen und Entladungsphänomene nicht nur beobachten, sondern aktiv simulieren und beherrschen will, findet bei Cadfem die passenden Werkzeuge und Trainings: Im Seminar „Ansys Charge Plus für elektrostatische Entladungen“ lernen Teilnehmer beispielsweise, wie sich kritische Entladungspfade, Zündbedingungen und Feldhotspots systematisch analysieren lassen. Ergänzend bietet Cadfems „Let’s Simulate“ zur Simulation elektrischer Lichtbögen einen direkten Blick in die Dynamik realer Lichtbogenverläufe und lädt dazu ein, die Simulation unmittelbar selbst auszuprobieren. Diese Formate bieten einen praxisnahen Startpunkt, um eigene Hochspannungs-, ESD- oder Lichtbogenanwendungen zu entwickeln.