Мультифизическое моделирование низковольтной дуги постоянного тока
Ключевые слова:
низковольтная дуга, электрические токи, теплообмен в жидкостях, ламинарное течение, моделирование переменного/постоянного токов, конечно-элементная модель
Аннотация
В современном мире стремительно увеличивается мощность промышленного оборудования, в котором наибольшую долю используемых аппаратов защиты занимают автоматические выключатели (АВ). В связи с этим растут токи короткого замыкания, возникает необходимость в повышении надежности устройств и увеличении их отключающей способности.
При размыкании контактов электрического аппарата из-за ионизации пространства между ними возникает электрическая дуга. При этом промежуток между контактами в течении всего процесса остаётся проводящим, и прохождение тока в цепи не прекращается. Для ионизации и образования дуги необходимо, чтобы напряжение между контактами было около 15…30 В, а ток в цепи — 80…100 мА. Возникновение и гашение дуги происходит быстро и в малом объёме камеры. Моделирование этих явлений позволит глубже изучить данные процессы и представляет собой одну из актуальных проблем современного аппаратостроения.
Рассмотрено моделирование низковольтной дуги постоянного тока методом конечных элементов, для которого использовано современное апробированное программное обеспечение COMSOL Multiphysics, позволяющее решать задачи в рамках одной модели. Полная математическая модель включает различные физические подсистемы с мультифизическими связями.
Литература
1. Shin D., Golosnoy I.O., Mcbride J.W. Arc Modelling for Switching Performance Evaluation in Low-voltage Switching Devices // Proc. 28th Intern. Conf. Electric Contacts. Edinburgh, 2016. Pp. 41—45.
2. Tarczynski W., Daskiewicz T. Switching Arc Simulation // Przeglad Elektrotechniczny. 2012. V. 88(7). Pp. 60—64.
3. Ruempler C., Zacharias A., Stammberger H.Low-voltage Circuit Breaker Arc Simulation Including Contact Arm Motion // Proc. 27th Intern. Conf. Electrical Contacts. Dresden, 2014. Pp. 1—5.
4. Fei Y. e. a. Low-voltage Circuit Breaker Arcs — Simulation and Measurements // J. Phys. D: Appl. Phys. 2013. V. 46(27). P. 273001.
5. Li J. e. a. Research on the Effect of Magnetic Field on Micro-characteristics of Vacumm Arc During Arc Formation Process // Proc. 28th Intern. Symp. Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Greifswald, 2018. Pp. 295—298.
6. Chunlei L. e. a. On Novel Methods for Characterizing the Arc/contact Movement and Its Relation with the Current/voltage in Low-voltage Circuit Breaker // IEEE Trans. Plasma Sci. 2017. V. 45(5). Pp. 882—888.
7. Ye X., Dhotre M.T., Mantilla J.D., Kotilainen S. CFD Analysis of the Thermal Interruption Process of Gases with Low Environmental Impact in High Voltage Circuit Breakers // Proc. Electrical Insulation Conf. Seattle, 2015. Pp. 375—378.
8. Szulborski M, Łapczyński S, Kolimas Ł. Increasing Magnetic Blow-out Force by Using Ferromagnetic Side Plates inside MCB // Energies. 2022. V. 15(8). P. 2776.
9. Vasiraja N., Nagaraj P. The Effect of Material Gradient on the Static and Dynamic Response of Layered Functionally Graded Material Plate Using Finite Element Method // Bull. Polish Academy of Sci.: Techn. Sci. 2019. V. 67(4). Pp. 828—838.
10. Tarnowski P., Ostapski W. Pulse Powered Turbine Engine Concept —Numerical Analysis of Influence of Different Valve Timing Concepts on Thermodynamic Performance // Bull. Polish Academy of Sci.: Techn. Sci. 2018. V. 66(3). Pp. 373—382.
11. Nagarajan V.S., Kamaraj V., Sivaramakrishnan S. Geometrical Sensitivity Analysis Based on Design Optimization and Multiphysics Analysis of PM Assisted Synchronous Reluctance Motor. Bull. Polish Academy of Sci.: Techn. Sci. 2019. V. 67(1). Pp. 155—163.
12. Bini R., Basse N.T., Seeger M. Arc-induced Turbulent Mixing in a Circuit Breaker Model // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V. 44(2). Pp. 25203—25209.
13. COMSOL Multiphysics® [Офиц. сайт] www.comsol.com (дата обращения 15.02.2023).
14. AC/DC Module User's Guide [Электрон. ресурс] https://doc.comsol.com/5.4/doc/com.comsol.help.acdc/ACDCModuleUsersGuide.pdf (дата обращения 15.02.2023). Pp. 100—299.
15. Heat Transfer Module User's Guide [Электрон. ресурс] https://doc.comsol.com/5.4/doc/com.comsol.help.heat/HeatTransferModuleUsersGuide.pdf (дата обращения 15.02.2023). Pp. 147—150.
16. CFD Module User's Guide [Электрон. ресурс] https://doc.comsol.com/5.4/doc/com.comsol.help.cfd/CFDModuleUsersGuide.pdf (дата обращения 15.02.2023). Pp. 119—128.
---
Для цитирования: Рыжов В.В., Ведещенков Н.А., Дергачев П.А., Молоканов О.Н., Курбатов П.А., Астафьев В.В. Мультифизическое моделирование низковольтной дуги постоянного тока // Вестник МЭИ. 2024. № 1. С. 11—20. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-1-11-20
#
1. Shin D., Golosnoy I.O., Mcbride J.W. Arc Modelling for Switching Performance Evaluation in Low-voltage Switching Devices. Proc. 28th Intern. Conf. Electric Contacts. Edinburgh, 2016:41—45.
2. Tarczynski W., Daskiewicz T. Switching Arc Simulation. Przeglad Elektrotechniczny. 2012;88(7):60—64.
3. Ruempler C., Zacharias A., Stammberger H.Low-voltage Circuit Breaker Arc Simulation Including Contact Arm Motion. Proc. 27th Intern. Conf. Electrical Contacts. Dresden, 2014:1—5.
4. Fei Y. e. a. Low-voltage Circuit Breaker Arcs — Simulation and Measurements. J. Phys. D: Appl. Phys. 2013;46(27):273001.
5. Li J. e. a. Research on the Effect of Magnetic Field on Micro-characteristics of Vacumm Arc During Arc Formation Process. Proc. 28th Intern. Symp. Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Greifswald, 2018:295—298.
6. Chunlei L. e. a. On Novel Methods for Characterizing the Arc/contact Movement and Its Relation with the Current/voltage in Low-voltage Circuit Breaker. IEEE Trans. Plasma Sci. 2017;45(5):882—888.
7. Ye X., Dhotre M.T., Mantilla J.D., Kotilainen S. CFD Analysis of the Thermal Interruption Process of Gases with Low Environmental Impact in High Voltage Circuit Breakers. Proc. Electrical Insulation Conf. Seattle, 2015:375—378.
8. Szulborski M, Łapczyński S, Kolimas Ł. Increasing Magnetic Blow-out Force by Using Ferromagnetic Side Plates inside MCB. Energies. 2022;15(8):2776.
9. Vasiraja N., Nagaraj P. The Effect of Material Gradient on the Static and Dynamic Response of Layered Functionally Graded Material Plate Using Finite Element Method. Bull. Polish Academy of Sci.: Techn. Sci. 2019;67(4):828—838.
10. Tarnowski P., Ostapski W. Pulse Powered Turbine Engine Concept —Numerical Analysis of Influence of Different Valve Timing Concepts on Thermodynamic Performance. Bull. Polish Academy of Sci.: Techn. Sci. 2018;66(3):373—382.
11. Nagarajan V.S., Kamaraj V., Sivaramakrishnan S. Geometrical Sensitivity Analysis Based on Design Optimization and Multiphysics Analysis of PM Assisted Synchronous Reluctance Motor. Bull. Polish Academy of Sci.: Techn. Sci. 2019;67(1):155—163.
12. Bini R., Basse N.T., Seeger M. Arc-induced Turbulent Mixing in a Circuit Breaker Model. J. Phys. D: Appl. Phys. 2011;44(2):25203—25209.
13. COMSOL Multiphysics® [Ofits. Sayt] www.comsol.com (Data Obrashcheniya 15.02.2023).
14. AC/DC Module User's Guide [Elektron. Resurs] https://doc.comsol.com/5.4/doc/com.comsol.help.acdc/ACDCModuleUsersGuide.pdf (Data Obrashcheniya 15.02.2023):100—299.
15. Heat Transfer Module User's Guide [Elektron. Resurs] https://doc.comsol.com/5.4/doc/com.comsol.help.heat/HeatTransferModuleUsersGuide.pdf (Data Obrashcheniya 15.02.2023):147—150.
16. CFD Module User's Guide [Elektron. Resurs] https://doc.comsol.com/5.4/doc/com.comsol.help.cfd/CFDModuleUsersGuide.pdf (Data Obrashcheniya 15.02.2023):119—128
---
For citation: Ryzhov V.V., Vedeshchenkov N.A., Dergachev P.A., Molokanov O.N., Kurbatov P.A., Astafyev V.V. Multiphysics Simulation of a Low Voltage DC Arc. Bulletin of MPEI. 2024;1:11—20. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-1-11-20
2. Tarczynski W., Daskiewicz T. Switching Arc Simulation // Przeglad Elektrotechniczny. 2012. V. 88(7). Pp. 60—64.
3. Ruempler C., Zacharias A., Stammberger H.Low-voltage Circuit Breaker Arc Simulation Including Contact Arm Motion // Proc. 27th Intern. Conf. Electrical Contacts. Dresden, 2014. Pp. 1—5.
4. Fei Y. e. a. Low-voltage Circuit Breaker Arcs — Simulation and Measurements // J. Phys. D: Appl. Phys. 2013. V. 46(27). P. 273001.
5. Li J. e. a. Research on the Effect of Magnetic Field on Micro-characteristics of Vacumm Arc During Arc Formation Process // Proc. 28th Intern. Symp. Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Greifswald, 2018. Pp. 295—298.
6. Chunlei L. e. a. On Novel Methods for Characterizing the Arc/contact Movement and Its Relation with the Current/voltage in Low-voltage Circuit Breaker // IEEE Trans. Plasma Sci. 2017. V. 45(5). Pp. 882—888.
7. Ye X., Dhotre M.T., Mantilla J.D., Kotilainen S. CFD Analysis of the Thermal Interruption Process of Gases with Low Environmental Impact in High Voltage Circuit Breakers // Proc. Electrical Insulation Conf. Seattle, 2015. Pp. 375—378.
8. Szulborski M, Łapczyński S, Kolimas Ł. Increasing Magnetic Blow-out Force by Using Ferromagnetic Side Plates inside MCB // Energies. 2022. V. 15(8). P. 2776.
9. Vasiraja N., Nagaraj P. The Effect of Material Gradient on the Static and Dynamic Response of Layered Functionally Graded Material Plate Using Finite Element Method // Bull. Polish Academy of Sci.: Techn. Sci. 2019. V. 67(4). Pp. 828—838.
10. Tarnowski P., Ostapski W. Pulse Powered Turbine Engine Concept —Numerical Analysis of Influence of Different Valve Timing Concepts on Thermodynamic Performance // Bull. Polish Academy of Sci.: Techn. Sci. 2018. V. 66(3). Pp. 373—382.
11. Nagarajan V.S., Kamaraj V., Sivaramakrishnan S. Geometrical Sensitivity Analysis Based on Design Optimization and Multiphysics Analysis of PM Assisted Synchronous Reluctance Motor. Bull. Polish Academy of Sci.: Techn. Sci. 2019. V. 67(1). Pp. 155—163.
12. Bini R., Basse N.T., Seeger M. Arc-induced Turbulent Mixing in a Circuit Breaker Model // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V. 44(2). Pp. 25203—25209.
13. COMSOL Multiphysics® [Офиц. сайт] www.comsol.com (дата обращения 15.02.2023).
14. AC/DC Module User's Guide [Электрон. ресурс] https://doc.comsol.com/5.4/doc/com.comsol.help.acdc/ACDCModuleUsersGuide.pdf (дата обращения 15.02.2023). Pp. 100—299.
15. Heat Transfer Module User's Guide [Электрон. ресурс] https://doc.comsol.com/5.4/doc/com.comsol.help.heat/HeatTransferModuleUsersGuide.pdf (дата обращения 15.02.2023). Pp. 147—150.
16. CFD Module User's Guide [Электрон. ресурс] https://doc.comsol.com/5.4/doc/com.comsol.help.cfd/CFDModuleUsersGuide.pdf (дата обращения 15.02.2023). Pp. 119—128.
---
Для цитирования: Рыжов В.В., Ведещенков Н.А., Дергачев П.А., Молоканов О.Н., Курбатов П.А., Астафьев В.В. Мультифизическое моделирование низковольтной дуги постоянного тока // Вестник МЭИ. 2024. № 1. С. 11—20. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-1-11-20
#
1. Shin D., Golosnoy I.O., Mcbride J.W. Arc Modelling for Switching Performance Evaluation in Low-voltage Switching Devices. Proc. 28th Intern. Conf. Electric Contacts. Edinburgh, 2016:41—45.
2. Tarczynski W., Daskiewicz T. Switching Arc Simulation. Przeglad Elektrotechniczny. 2012;88(7):60—64.
3. Ruempler C., Zacharias A., Stammberger H.Low-voltage Circuit Breaker Arc Simulation Including Contact Arm Motion. Proc. 27th Intern. Conf. Electrical Contacts. Dresden, 2014:1—5.
4. Fei Y. e. a. Low-voltage Circuit Breaker Arcs — Simulation and Measurements. J. Phys. D: Appl. Phys. 2013;46(27):273001.
5. Li J. e. a. Research on the Effect of Magnetic Field on Micro-characteristics of Vacumm Arc During Arc Formation Process. Proc. 28th Intern. Symp. Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Greifswald, 2018:295—298.
6. Chunlei L. e. a. On Novel Methods for Characterizing the Arc/contact Movement and Its Relation with the Current/voltage in Low-voltage Circuit Breaker. IEEE Trans. Plasma Sci. 2017;45(5):882—888.
7. Ye X., Dhotre M.T., Mantilla J.D., Kotilainen S. CFD Analysis of the Thermal Interruption Process of Gases with Low Environmental Impact in High Voltage Circuit Breakers. Proc. Electrical Insulation Conf. Seattle, 2015:375—378.
8. Szulborski M, Łapczyński S, Kolimas Ł. Increasing Magnetic Blow-out Force by Using Ferromagnetic Side Plates inside MCB. Energies. 2022;15(8):2776.
9. Vasiraja N., Nagaraj P. The Effect of Material Gradient on the Static and Dynamic Response of Layered Functionally Graded Material Plate Using Finite Element Method. Bull. Polish Academy of Sci.: Techn. Sci. 2019;67(4):828—838.
10. Tarnowski P., Ostapski W. Pulse Powered Turbine Engine Concept —Numerical Analysis of Influence of Different Valve Timing Concepts on Thermodynamic Performance. Bull. Polish Academy of Sci.: Techn. Sci. 2018;66(3):373—382.
11. Nagarajan V.S., Kamaraj V., Sivaramakrishnan S. Geometrical Sensitivity Analysis Based on Design Optimization and Multiphysics Analysis of PM Assisted Synchronous Reluctance Motor. Bull. Polish Academy of Sci.: Techn. Sci. 2019;67(1):155—163.
12. Bini R., Basse N.T., Seeger M. Arc-induced Turbulent Mixing in a Circuit Breaker Model. J. Phys. D: Appl. Phys. 2011;44(2):25203—25209.
13. COMSOL Multiphysics® [Ofits. Sayt] www.comsol.com (Data Obrashcheniya 15.02.2023).
14. AC/DC Module User's Guide [Elektron. Resurs] https://doc.comsol.com/5.4/doc/com.comsol.help.acdc/ACDCModuleUsersGuide.pdf (Data Obrashcheniya 15.02.2023):100—299.
15. Heat Transfer Module User's Guide [Elektron. Resurs] https://doc.comsol.com/5.4/doc/com.comsol.help.heat/HeatTransferModuleUsersGuide.pdf (Data Obrashcheniya 15.02.2023):147—150.
16. CFD Module User's Guide [Elektron. Resurs] https://doc.comsol.com/5.4/doc/com.comsol.help.cfd/CFDModuleUsersGuide.pdf (Data Obrashcheniya 15.02.2023):119—128
---
For citation: Ryzhov V.V., Vedeshchenkov N.A., Dergachev P.A., Molokanov O.N., Kurbatov P.A., Astafyev V.V. Multiphysics Simulation of a Low Voltage DC Arc. Bulletin of MPEI. 2024;1:11—20. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-1-11-20
Опубликован
2023-10-18
Выпуск
Раздел
Электротехнические комплексы и системы (технические науки) (2.4.2)
