Numerical analysis of the influence of splitter-plate erosion on an air arc in the quenching chamber of a low-voltage circuit breaker

Abstract

The influence of metal vapour on the arc behaviour during the arc-splitting process in the quenching chamber of a low-voltage circuit breaker is investigated numerically. A three-dimensional magnetohydrodynamic model of air arc plasma, taking into account the production of metal vapour from erosion of an iron splitter plate, is developed. An equation describing conservation of the iron vapour mass is added to the standard mass, momentum and energy conservation equations. The influence of the iron vapour on the thermodynamic and transport properties of the gas mixture is considered. The arc voltage, distributions of temperature, gas flow and mass fraction of iron vapour in the arc chamber are calculated. The formation of new arc roots on the splitter plate is examined. The simulation results indicate that this is strongly influenced by the presence of iron vapour from the splitter plate, due to the increased electrical conductivity in the arc root formation region. The consequences of this are dramatic. The presence of metal vapour causes the arc to attach first to the cathode side of the splitter plate, and electromagnetic forces then cause the arc on this side to move more rapidly than the arc on the anode side. The opposite occurs if metal vapour is neglected. High-speed photography of arc motion is used to confirm the arc motion predicted in the presence of metal vapour. Further, the calculated arc voltage taking into account metal vapour is lower than that calculated neglecting metal vapour, because of the increased electrical conductivity, and agrees much better with the measured voltage.

Wpływ oparów metalicznych na spawanie łukowe, część 2: Obliczanie

“…Całki zderzeniowe dla oddziaływań elektron-atom obliczono przez całkowanie pędu przekroju czynnego na przekaz pędu, który uzyskano dzięki przybliżeniu efektywnego zasięgu dla małych energii zderzenia oraz przybliżeniu klasycznemu dla dużych energii zderzeń [112]. W przypadku oddziaływań pomiędzy drobinami argonu zastosowano metody Murphy'ego i Arundella [90], co opisano również w pracy Yanga [19].…”

“…a) przewodność cieplna mieszaniny argon-miedź; b) przewodność cieplna mieszaniny argon-żelazo; c) lepkość mieszaniny argon-miedź; d) przewodność elektryczna mieszaniny argon-miedź. Dane dla mieszaniny argon-miedź pochodzą z [97, 102÷104], a dla argon-żelazo z [19,105,108] Na rysunku 6 przedstawiono porównanie współ-czynników transportu obliczonych przez różnych autorów. Podane wyniki dotyczą mieszanin argonu, żelaza i oparów miedzi.…”

“…W dotychczas opublikowanych pracach [18,123,132] został użyty łączny współczynnik dyfuzji bezpośrednio we wzorze (12), np. (18) Lepszym podejściem byłoby zastosowanie skróco-nej formy wzoru (11): (19) gdzie:…”

“…12. Mass flux of iron vapour versus distance for the composition and temperature profiles shown in figure 11 rów metalicznych są prawie identyczne, więc różnica pomiędzy tymi obliczeniami łącznych współczynników dyfuzji zwyczajnej z powodu stosunku mas pojawia się we wzorze (19).…”

Three-dimensional modelling of arc behaviour and gas shield quality in tandem gas–metal arc welding using anti-phase pulse synchronization

“…A transient three-dimensional model of an anti-phase synchronized pulsed T-GMAW process is presented. While transient threedimensional arc models have been developed to investigate geometries of interest to welding [12], plasma spraying [13], plasma waste treatment [14] and circuit interruption [15], this is the first case in which such a model has been applied to a T-GMAW process. The model has been used to investigate the interactions between the arcs and the shielding gas flow in the process region.…”