Characterization of the plasma behavior in a low voltage circuit breaker through the development of a digital tool and associated experiments
Caractérisation du comportement du plasma dans un disjoncteur basse tension par le développement d'un outil numérique et d'expériences associées
Résumé
The arc splitting process and the quantification of additional voltage drops are the major phenomena to understand and to optimize the Low Voltage Circuit Breaker (LVCB). The aim of our work is to understand their behavior through experiments and then their representation by our model. Therefore, a three-dimensional (3D) magnetohydrodynamic modeling is carried out on a simplified LVCB geometry. The developments are based on the commercial code Ansys @Fluent with UDF (User Define Functions). The plasma is described by fluid equations and a finite volume method. To study and isolate the mechanisms, the experimental and numerical work were realized on a simplified geometry, composed by two parallel electrodes with or without splitter plates. Numerically, the additional voltage resulting from the sheaths at the plasma/material interfaces, is considered by an approximate method based on the theoretical characteristic of voltage variation, as the function of current density. This additional resistivity allows to present the current flow in the materials and create some delay at the switching during the splitting process. Further to the experiments, the arc behavior is characterized by electrical measurements (Voltage, current) and by high-speed camera. The arc ignition is realized by a copper fuse of 0.1 mm. The geometry can be more or less closed at its both extremities in order to highlight the effects of pressure force and/or Lorentz force. The description of arc behavior was found similar between the simulation and experiments results. However, the initial conditions of our model proved to be preponderate while at the same time, the conditions remained delicate to determine.
Les processus liés à la segmentation de l'arc et à la quantification des chutes de tension additionnelles sont les phénomènes prépondérants à la compréhension et à l'optimisation des Disjoncteurs Basse Tension (DBT). Le but de nos travaux est d'appréhender leurs comportements par l'expérience et leurs représentations par l'outil numérique. Pour cela une modélisation magnétohydrodynamique tridimensionnelle (3D) est réalisée sur une géométrie simplifiée de DBT. Les développements sont basés sur le code commercial Ansys @Fluent agrémenté d'UDF (User Define Functions). Afin d'étudier et d'isoler les mécanismes, les travaux expérimentaux et numériques sont réalisés sur une maquette simplifiée constituée de deux électrodes en parallèle et de la présence optionnelle de séparateurs. Numériquement la tension additionnelle, provenant de la présence des gaines aux interfaces plasma/matériau, est prise en compte par une méthode approchée basée sur la caractéristique théorique d'une variation de la tension en fonction de la densité de courant. Cette résistivité additionnelle permet une représentation du passage du courant vers les matériaux et du retard à la commutation sur le séparateur en fonction de la chute de tension. Les travaux ont été menés entre deux rails en utilisant un et deux séparateurs. Côté expérimental, le comportement de l'arc est caractérisé par des mesures électriques (Tension, courant) et par des acquisitions de la caméra rapide. L'amorçage de l'arc est initié par un fil fusible en cuivre de 0.1 mm. La géométrie étudiée peut être plus ou moins fermée à ses extrémités afin de mettre en évidence les effets des forces de pression et/ou des forces de Lorentz. Une bonne analogie de la description du comportement de l'arc est retrouvée entre les résultats du modèle et les résultats expérimentaux. Cependant les conditions initiales du modèle s'avèrent prépondérantes et dans les mêmes temps délicats à déterminer.
Origine : Version validée par le jury (STAR)