Diagnostic methods for electric arc plasma in low voltage circuit breakers: measuring and apparatus design

The aim of this research project is to develop an effective diagnostic method and underlying know-how to monitor the complex and fast behavior of the electric arc plasma during the transient opening phase of a low voltage circuit breaker. Our idea relies on adopting inverse methods based on magnetic measurements to be recorded by an apparatus which, owing to the many demanding requirements, has to be inevitably fast, accurate, compact and located in a hostile environment. The final deliverable is an experimental setup returning a space-time map of the magnetic flux density close to the circuit breaker side wall associated to the unknown arc plasma current density distribution. 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 (e.g. IR and high speed cameras, optical fibres) affected by problems of practical nature. The complexity and time behavior of the phenomena under study require sampling the magnetic flux density at a large number of locations at high sampling rate. This work led to the design of a magnetic sensor array, based on Hall effect sensors, and a data acquisition system. The diagnostic method to develop strongly rely on high quality and massive magnetic and electric measures. Particularly, owing to the important sensitivity of inverse methods to signal noise, accurate sensors signal conditioning and calibration is required. This is a difficult challenge due to the reduced space available to locate sensors and the rapid dynamic and high intensities of the spurious electric and magnetic fields around the current breaker, during the short circuit event. Laboratory tests have proven the ability of the developed system to reconstruct the arc current density distribution under real experimental conditions.

L'obiettivo di questo progetto di ricerca è di sviluppare un metodo diagnostico efficace e il relativo know-how per monitorare il comportamento complesso e veloce dell’arco elettrico durante la fase transitoria di apertura in corto circuito di un interruttore di bassa tensione. La nostra idea si basa sull’applicazione di metodi inversi basati su misure magnetiche da effettuare con un dispositivo che, in base a requisiti esigenti, deve essere inevitabilmente veloce, accurato, compatto e posto in un ambiente ostile. Il risultato finale è un setup sperimentale che restituisce una mappa spaziale e temporale della densità del flusso magnetico vicino alla parete laterale dell'interruttore, associato alla distribuzione non nota della densità di corrente dell'arco elettrico. Tale tecnica sarebbe un miglioramento e un’integrazione significativa allo stato attuale della diagnostica, ad oggi limitato a misure di grandezze elettriche o metodi ottici (ad esempio telecamere IR e telecamere ad alta velocità, fibre ottiche), soggetti a problemi di natura pratica. La complessità e il comportamento temporale dei fenomeni allo studio richiedono di campionare la densità del flusso magnetico in un numero significativo punti con un’elevata velocità di campionamento. Questo lavoro ha portato alla progettazione di un array di sensori di campo magnetico basato su sensori a effetto Hall e un sistema di acquisizione dati. Il metodo diagnostico da sviluppare deve basarsi fortemente su misure elettriche di alta qualità e significativamente numerose. Soprattutto, a causa della sensibilità dei metodi inversi al rumore, sono richieste un’accurata calibrazione dei sensori e dell’analisi dei segnali. Questa è una sfida difficile dovuta allo spazio ridotto disponibile per posizionare i sensori, alle dinamiche rapide e alle alte intensità dei campi elettrici e magnetici spuri intorno all'interruttore in prova, durante il corto circuito. Test di laboratorio hanno dimostrato la capacità del sistema sviluppato a ricostruire la distribuzione della densità della corrente d'arco in condizioni sperimentali reali.