مدل‌سازی و شبیه‌سازی قوس الکتریکی در کلید گازی با استفاده از معادلات MHD
محورهای موضوعی : مهندسی برق و کامپیوتردیاکو عزیزی 1 * , محمدرضا عليزاده پهلواني 2 , احمد غلامي 3
1 - دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران غرب
2 - دانشگاه مالک اشتر
3 - دانشگاه علم و صنعت ایران
کلید واژه: جریان الکتریکی قوس الکتریکی کلید ولتاژ,
چکیده مقاله :
یکی از مهم‌ترین بخش‌های هر شبکه الکتریکی، کلیدهای قطع و وصل جریان و ولتاژ هستند که بر اساس نوع کاربرد و ساختمان آنها به چند دسته اساسی تقسیم می‌شوند. یکی از انواع طبقه‌بندی‌ها بر اساس ساختمان و ساختار عملکرد می‌باشد که بر این اساس کلیدهای گازی، خلأ، روغنی، هوا فشرده، هوا مغناطیسی و ... معرفی می‌شوند. در این میان کلیدهای گازی با توجه به قابلیت استفاده وسیع در سطوح ولتاژ بالا، به عنوان پرکاربردترین کلیدها شناخته می‌شوند و بر همین اساس، بررسی رفتار کلید در حالت‌های مختلف از جمله بررسی قوس الکتریکی تشکیل‌شده بین الکترودها در لحظه قطع کنتاکت‌ها از اهمیت خاصی برخوردار است. در این مقاله سعی شده بر اساس قوانین حاکم بر رفتار سیال در حوزه الکترومغناطیسی و معادلات MHD (مغناطیسی، هیدرودینامیکی) رفتار قوس الکتریکی به صورت دقیق مدل‌سازی و شبیه‌سازی شود. در ادامه پس از مدل‌نمودن قوس، تأثیر اعمال میدان‌های مغناطیسی خارجی بر روی قوس و حرکت آن در محفظه کلید جهت خنک‌سازی و خفه‌نمودن قوس در حالت دوبعدی با استفاده از نرم‌افزار تحلیل فیزیک چندگانه COMSOL شبیه‌سازی شده است.
In this paper, a dynamic arc model based on MHD (Magneto Hydro Dynamic) equations for a high voltage (HV) SF6 interrupter has been investigated and analyzed. Moreover, for simulating the insulating performance and interrupting characteristics of the SF6 interrupter, dynamic variation of the arc, such as arc moving in the presence of Lorentz force have been established, and the compressibility and viscosity of SF6 gas in the whole interrupting course has been taken into consideration. The mass-fraction equation is introduced to the model on the basis of traditional mass, momentum, and energy-balance equations. The distributions of temperature field, pressure field, and mass fraction in the arc chamber are calculated.
[1] R. D. Garzon, High Voltage Circuit Breakers, Design and Applications, Copyright 2002 by Marcel Dekker, 2nd Edition, Revised and Expanded.
[2] X. Zhang, J. Zhang, and G. Pietsch, "Estimation of the arc power during a three-phase arc fault in MV electrical installations," IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 35, no. 3, pp. 724-730, Jun. 2007.
[3] M. Bujotzek and M. Seeger, "Parameter dependence of gaseous insulation in SF6," IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 20, no. 3, pp. 845-855, Jun. 2013.
[4] J. L. Guardado, S. G. Maximov, E. Melgoza, J. L. Naredo, and P. Moreno, "An improved arc model before current zero based on the combined Mayr and Cassie arc models," IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 20, no. 1, pp. 138-142, Jan. 2005.
[5] I. B. Matveev, A. A. Tropina, S. I. Serbin, and V. Y. Kostyuk, "Arc modeling in a plasmatron channel," IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 36, no. 1, pp. 293-298, Feb. 2008.
[6] Q. Wang, X. Li, D. Chen, and M. Rong, "Simulation of the venting configuration effects on arc plasma motion in low-voltage circuit breaker," IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 38, no. 9, pp. 2300-2305, Sep. 2010.
[7] W. Z. Wang, J. D. Yan, M. Rong, Y. Wu, and J. W. Spencer, "Investigation of SF6 arc characteristics under shock condition in a supersonic nozzle with hollow contact," IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 41, no. 4, pp. 915-928, Apr. 2013.
[8] V. Abbasi, A. Gholami, and K. Niayesh, "Impact of external magnetic field on plasma current layer deformation during contact opening in medium - voltage puffer SF6 circuit breaker," IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 40, no. 6, pp. 1759-1767, Jun. 2012.
[9] G. Gregory and K. J. Lippert, "Applying low - voltage circuit breakers to limit arc-flash energy," IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 48, no. 4, pp. 1225-1229, Jul./Aug. 2012.
[10] J. Fontchastagner, O. Chadebec, H. Schellekens, G. Meunier, and V. Mazauric, "Coupling of an electrical arc model with FEM for vacuum interrupter designs," IEEE Trans. on Magnetics, vol. 41, no. 5, pp. 1600-1603, May 2005.
[11] X. Li, D. Chen, R. Dai, and Y. Geng, "Study of the influence of arc ignition position on arc motion in low-voltage circuit breaker," IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 35, no. 2, pp. 491-497, Apr. 2007.