The magnetic camera: analysis and improvement of non-invasive short circuit diagnostics in low voltage circuit breakers

Circuit breakers are fundamental components of electrical circuits: in every infrastructure these devices are essential to guarantee the protection of the system from possible faulty conditions, such as overloads or short circuits. The market requires more and more compact circuit breakers and therefore a growing amount of energy per unit space has to be handled: circuit breakers must be perfectioned and their design improved to ensure people’s safety. The worst condition is represented by the short circuit: it is important to study such phenomenon and its consequence, the electric arc. Throughout the years, different methods have been used to analyze and understand the electric arc plasma and its dynamics inside the small extinction chamber of the circuit breaker. This thesis work focuses on using a diagnostic tool, called magnetic camera, targeting low voltage circuit breakers. Such method is innovative and its advantage lies in its non-invasiveness. It allows the definition of the space-time map of the magnetic flux density generated by the short circuit current: such field is produced by the solid conductive path, a known geometry, and by a contribution of the electric arc plasma, whose position is unknown and has to be identified by the collected experimental magnetic field recordings. The conducted analysis regards two ABB low voltage circuit breakers: MCB SN201 and RCBO DS301C. The tool has also been upgraded for future studies. This thesis aims at researching and improving the presented diagnostic method in order to exploit it during the design and the testing phase of new products.

Gli interruttori sono componenti fondamentali dei circuiti elettrici: in ogni infrastruttura questi dispositivi sono indispensabili per garantire la protezione dell’impianto da possibili condizioni di guasto, come sovraccarichi o cortocircuiti. Il mercato richiede interruttori sempre più compatti ed è quindi necessario gestire una crescente quantità di energia per unità di spazio: gli interruttori devono essere perfezionati e il loro design migliorato per garantire la sicurezza delle persone. La peggior condizione è rappresentata dal cortocircuito: è importante studiare tale fenomeno e la sua conseguenza, l’arco elettrico. Nel corso degli anni, sono stati utilizzati diversi metodi per analizzare e comprendere il plasma dell’arco elettrico e la sua dinamica all’interno della piccola camera di estinzione dell’interruttore. Questo lavoro di tesi si concentra sull’utilizzo di uno strumento diagnostico, chiamato telecamera magnetica, mirato agli interruttori di bassa tensione. Tale metodo è innovativo e il suo vantaggio risiede nella sua non invasività. Esso consente di definire la mappa spazio-temporale della densità di flusso magnetico generata dalla corrente di cortocircuito: tale campo è prodotto dall’effettivo percorso conduttivo, di geometria nota, e da un contributo del plasma dell’arco elettrico, la cui posizione non è conosciuta e deve essere identificata dai dati sperimentali relativi al campo magnetico. L’analisi condotta riguarda due interruttori in bassa tensione realizzati da ABB: MCB SN201 e RCBO DS301C. Lo strumento è stato inoltre migliorato per studi futuri. L’obiettivo della tesi consiste nel ricercare e migliorare il metodo diagnostico presentato al fine di sfruttarlo durante la fase di progettazione e test di nuovi prodotti.