Diagnostic methods for electric arc plasma in low voltage circuit breakers: modeling and computational aspects

Low voltage circuit breakers are protection devices in use in order to prevent faulty and dangerous conditions in civil and industrial electric networks. A key aspect in circuit breaker engineering is the capability to timely switch the electric arc plasma occurring when the electric current flow is interrupted by breaking the circuit. The modeling and simulation of electric arc plasma, under the conditions which are met in low voltage circuit breakers, is a complex and not completely dominated issue. The aim of this research project is to develop an effective diagnostic method and the underlying know-how to monitor the complex, fast, and chaotic behavior of the electric arc plasma during the transient opening phase of a low voltage circuit breaker. The final deliverable is an algorithm returning a space-time map of a characteristic physical quantity associated to the arc plasma, in this case, its current density distribution. The final deliverable is a device returning a space-time map of a characteristic physical quantity associated to the arc plasma, in this case, its current density distribution. The results is achieved by another executive Ph.D. joint development: the focus of this work regard the algorithm development, while the experimental setup design is the main aspect of the other research activity. Such technique would be a significant improvement over and supplement to state of the art diagnostics, currently limited to electric measures of purely macroscopic electric quantities or optical methods affected by problems of practical nature. The establishment of the correlation between plasma location and macroscopic measurement will help the modeling of partially understood arc plasma physics, as well as designers and engineers working in the R&D of protection devices. Nowadays the design for those devices is based on a phenomenological and semi-empirical approach, or the analysis of multi-physical simulation and lab measurements. The developed approach is based on lumped parameter model of the arc, where the ferromagnetic nonlinearities are also evaluated and modeled. The solution is reached by minimizing a nonlinear goal function. An ad hoc, novel regularization technique was developed to improve the resolution without impacting the robustness of the regularization scheme. Numerical simulation methods are nowadays possible, based on computational magnetohydrodynamics and rich of fine modeling. Thanks to these tools, realistic synthetic data are generated, and the developed identification procedure was tested and validated, by comparison with a reference solution. The main goal of this work was accomplished with an experimental arc identification in a real breaker, during standard short circuit tests. Inversion results are in agreement with present interpretation and knowledge of arc behavior, and add useful information regarding arc evolution in low voltage circuit breaker.

Gli interruttori magnetotermici sono dispositivi di bassa tensione attualmente utilizzati per prevenire situazioni dannose o pericolose nell'ambito civile e industriale delle reti elettriche. Un loro aspetto chiave riguarda la capacità di interrompere tempestivamente l'arco elettrico generato dal sezionamento di un impianto sottoposto al passaggio di corrente. La modellazione e simulazione del plasma generato, nelle condizioni presenti all'interno dei dispositivi considerati, è un campo estremamente complesso non completamente dominato. L'obiettivo di questo progetto è lo sviluppo di un metodo di diagnostica dell'arco elettrico nell'ambito dei dispositivi di bassa tensione, atto a monitorare il suo comportamento durante l'interruzione di corto circuito. Il risultato finale è un algoritmo in grado di mostrare l'evoluzione spazio-temporale delle caratteristiche fisiche dell'arco, nel nostro caso la sua distribuzione di densità corrente. Questa tecnica potrebbe sensibilmente migliorare gli odierni metodi diagnostici utilizzati, attualmente limitati a misure elettriche di quantità globali o metodi ottici affetti da problemi di natura pratica. La creazione di una relazione tra le misure macroscopiche fin qui effettuate e l'effettiva evoluzione dell'arco elettrico, potrebbe aiutare sia lo sviluppo delle conoscenze di base nell'ambito della ricerca, sia la progettazione dei dispositivi attualmente disponibili. Oggigiorno lo sviluppo degli interruttori di bassa tensione è fortemente condizionato da un approccio semi-empirico, o dall'interpretazione a posteriori di simulazioni e prove sperimentali. Il metodo sviluppato in questa tesi si basa su un modello a parametri concentrati dell'arco elettrico, in cui sono state valutate e tenute in considerazione le non linearità dovute ai materiali ferromagnetici. La ricostruzione è affidata alla minimizzazione di una funzione obiettivo non lineare, a cui è stata applicato un termine di regolarizzazione ad hoc per migliorare la robustezza della procedura, senza impattare sulla risoluzione finale. Attualmente sono disponibili modelli di simulazione avanzata, principalmente basati sulle equazioni della magnetoidrodinamica, in grado di risolvere in maniera accurata le caratteristiche dell'arco elettrico. Grazie ad essi sono stati generati dati sintetici realistici, in modo da validare i risultati delle identificazioni per confronto con la soluzione di riferimento. L'obiettivo principale di questa ricerca è stato raggiunto identificando l'arco elettrico durante un test di corto circuito di un interruttore in commercio. I risultati mostrano un accordo con le attuali conoscenze e interpretazioni dei dati, e aggiungono un nuovo contenuto informativo sull'evoluzione dell'arco elettrico.