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Almurr, Jessica
Universite Clermont Auvergne, Ecole Doctorale des Sciences pour l'Ingenieur, Laboratoire de physique de Clermont - LPC, groupe arc electrique et plasma thermique, CNRS UMR 6533, TSA 60026, CS 60026, 63178 Aubiere Cedex (France); Entreprise Socomec, equipe GTD, recherche et developpement (France)2020
Universite Clermont Auvergne, Ecole Doctorale des Sciences pour l'Ingenieur, Laboratoire de physique de Clermont - LPC, groupe arc electrique et plasma thermique, CNRS UMR 6533, TSA 60026, CS 60026, 63178 Aubiere Cedex (France); Entreprise Socomec, equipe GTD, recherche et developpement (France)2020
AbstractAbstract
[en] This work is a contribution to the study of the behavior of an electric arc within low-voltage DC switch. For several decades, many studies had been established to study the behavior of an electric arc within circuit breaker, especially low-voltage circuit breaker LVCB. However, given the complexity of the physical phenomena in question, studies are focused on one or several parameter which influences the arc motion. This study highlights the influence of a strong external magnetic field on the behavior of an electric arc established in the air, at atmospheric pressure and going between nominal In and surcharge 4In. The problematic in this thesis will be approached by means of experimental and theoretical methods using numerical simulation. The experimental approach is carried out by means of an experimental bench designed to create an electric arc in similar conditions to those found in the industrial switch. The experimental bench allows us to vary the parameters which affect the arc displacement, such as current level, contact opening speed, terminal exhaust and specifically external blast field. To this end, a Helmholtz coil is designed to generate a magnetic field of 0,2 T equivalent to a magnetic field created by a Neodymium permanent magnet which is integrated within the industrial switch. Experimental results allow to achieve the visualization of the dynamics of the electrical arch by means of a speed camera (89 000 images/s) in addition to the electric characteristics measurements. The second approach is to develop three-dimensional time-dependent models which simulate the arc motion. The models are based on solving a system of MHD equations for the LTE arc column. For the numerical resolution we used the commercial software COMSOL Multiphysics. These models applied to the industrial switch simulate the plasma arc behavior upon the electrical contacts opening and the arc commutation on the rails under effects of a strong external magnetic field. Numerical simulation allows investigating the electric and physical characteristics of the arc during breaking which will help to refine the technical choices and so optimizing the conception of the industrial switch. The numerical results were compared with the experimental results and showed a good agreement. Improvements to the model are discussed as perspectives for this work. (author)
[fr]
Ce travail est une contribution a l'etude de comportement d'un arc electrique au sein des appareils de coupure DC basse tension. Depuis plusieurs decennies, de nombreuses etudes portant sur le comportement d'un arc electrique au sein des appareils de coupure ont ete investiguees, en particulier sur les disjoncteurs basse tension. Cependant, vu la complexite des phenomenes physiques qui interviennent, les etudes se focalisent sur un ou plusieurs parametres qui influencent le mouvement de l'arc selon les techniques de coupure utilisees dans les appareils. Cette etude se consacre sur l'influence d'un fort champ magnetique externe sur le comportement d'un arc electrique etabli dans l'air, sous pression atmospherique et pour des courants allant du nominal In a la surcharge 4In. La problematique dans cette these sera abordee par deux approches l'une experimentale et l'autre theorique en utilisant la simulation numerique. La premiere approche consiste a mettre en place un dispositif experimental concu pour reproduire un arc electrique dans des conditions similaires a celles trouvees dans l'interrupteur industriel. Le banc d'essai permet de faire varier les parametres qui affectent le deplacement de l'arc, tel que l'intensite du courant, la vitesse d'ouverture des contacts, l'echappement et specifiquement dans notre problematique l'intensite du champ magnetique exterieur applique. A cette fin, une bobine de Helmholtz est concue pour generer un champ magnetique de l'ordre de 0,2 T, qui est equivalent a l'intensite d'un champ magnetique cree par un aimant permanent de type Neodyme integre dans l'interrupteur industriel. Les resultats experimentaux permettent d'acceder a la visualisation de la dynamique de l'arc electrique a l'aide d'une camera rapide (89 000 images/s) ainsi qu'a la mesure des grandeurs electriques qui caracterisent la coupure. La deuxieme approche consiste a developper des modeles tridimensionnels qui simulent le mouvement d'un plasma d'arc. Les modeles utilises sont classiques, ils sont bases sur un systeme d'equations magnetohydrodynamiques pour la colonne d'arc a l'ETL. Pour la resolution numerique de ce systeme, nous avons choisi le logiciel commercial COMSOL Multiphysics. Ces modeles appliques a l'interrupteur industriel simulent le comportement du plasma d'arc lors de la phase d'ouverture des contacts electriques ainsi que la commutation de l'arc sur les rails en presence d'un fort champ magnetique externe. Les simulations numeriques permettent d'acceder aux grandeurs electriques et physiques de l'arc au cours de la coupure permettant d'aiguiller les choix techniques pour optimiser la conception. Enfin, des comparaisons entre simulations numeriques et resultats experimentaux sont presentees et discutees. Les resultats numeriques ont ete confrontes avec les resultats experimentaux et ont montre un bon accord. Des ameliorations du modele sont discutees comme perspectives de ce travail. (auteur)Original Title
Etude de l'arc electrique dans la chambre de coupure d'un interrupteur DC sous l'effet d'un fort champ magnetique exterieur
Primary Subject
Source
30 Sep 2020; 177 p; 79 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; These Docteur d'Universite, Specialite: Electronique et Systemes
Record Type
Miscellaneous
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
C CODES, COMPARATIVE EVALUATIONS, COMPUTERIZED SIMULATION, CURRENT DENSITY, DC SYSTEMS, ELECTRIC ARCS, EQUILIBRIUM PLASMA, EQUIPMENT PROTECTION DEVICES, HEAT TRANSFER, MAGNET COILS, MAGNETIC FIELDS, MAGNETOHYDRODYNAMICS, MESH GENERATION, PHOTOVOLTAIC POWER SUPPLIES, PLASMA POTENTIAL, PLASMA SIMULATION, SWITCHES, TEMPERATURE DISTRIBUTION
COMPUTER CODES, CURRENTS, ELECTRIC COILS, ELECTRIC CURRENTS, ELECTRIC DISCHARGES, ELECTRIC POTENTIAL, ELECTRICAL EQUIPMENT, ELECTRONIC EQUIPMENT, ENERGY SYSTEMS, ENERGY TRANSFER, EQUIPMENT, EVALUATION, FLUID MECHANICS, HYDRODYNAMICS, MECHANICS, PLASMA, POWER SUPPLIES, POWER SYSTEMS, SIMULATION, SOLAR EQUIPMENT
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