High Fidelity Numerical Simulation of 3D Arc Extinction in a High Voltage Circuit Breaker

Cette recherche vise la simulation numérique 3D de l'arc dans un disjoncteur à haute tension SF6 à courant zéro. Dans le but de capturer et de quantifier les instabilités 3D de l'arc à courant zéro, la méthode des volumes finis est utilisée pour résoudre des équations Euler (modifiées pour les gaz réel). La méthode WENO (Weighted Essentially Non-Oscillatory) est utilisée pour atteindre une précision spatiale du 5e ordre pour une compréhension à haute résolution des phénomènes complexes impliqués dans la simulation d'arc. Le chauffage ohmique est obtenu en utilisant une méthode de différence finie compacte du 4ème ordre et le transfert d'énergie radiative est modélisé via la méthode P1. Une méthode TVD Runge- Kutta de troisième ordre est implémentée pour l'intégration temporelle. Le domaine de calcul est un cuboïde, discrétisé en maillage cartésien, à l'intérieur de la buse du disjoncteur qui comprend l'arc et exclut les parois solides et les deux électrodes. L'arc est allumé via un code interne à l'intérieur de la buse. Les résultats sont ensuite cartographiés sur le cuboïde et le courant est réduit à zéro une fois que l'état stationnaire est atteint. Pour étudier les effets 3D de l'arc, une légère asymétrie est imposée à la configuration du problème en déplaçant le domaine de calcul de sorte que l'axe de l'arc ne coïncide pas avec la ligne de symétrie du cuboïde. L'effet de ce déplacement est mesuré sur la résistance électrique du milieu gazeux à l'arc. En comparant le profil numérique de température radiale avec la mesure de température, il est conclu que le schéma WENO et les résultats du premier ordre tombent dans une plage de précision acceptable et la méthode WENO prédit un profil de température plus précis. On observe également que les résultats sont plus précis pour le noyau d'arc que pour les frontières d'arc, en raison de l'absence des termes visqueux responsables de la diffusion d'énergie et du mélange turbulent. Il est également conclu que les équations d'Euler sont capables de capturer les effets 3D de l'arc. Ces effets doivent être pris en compte dans la conception des disjoncteurs car ils sont directement proportionnels à la résistance du milieu gazeux qui a un fort impact sur l'efficacité du disjoncteur.

Abstract

This research aims at 3D numerical simulation of arc inside an SF6 high voltage circuit breaker at current zero. With the goal of capturing and quantifying the arc 3D instabilities at current zero, FVM is used to solve real-gas-modified Euler equations. A Weighted Essentially Non- Oscillatory (WENO) method is employed to reach a 5th order spatial accuracy for a better understanding of complex phenomena involved in the arc simulation. The ohmic heating is solved using a 4th order compact finite difference method and the radiative energy transfer is modelled via P1 method. A 3rd order TVD Runge-Kutta integration method is implemented to represent the solver evolution in time. The computational domain is a cuboid, discretized on a Cartesian grid, inside the circuit breaker nozzle which includes the arc and excludes the nozzle walls and the two electrodes. The arc is ignited via an in-house code inside the nozzle. The results are then mapped to the cuboid and the current is ramped down to zero once the steady state is reached. To investigate the arc 3D effects, a slight asymmetry is imposed to the problem configuration by moving the computational domain so the arc axis does not coincide the line of symmetry of the cuboid. The effect of this displacement is measured on the arc gaseous medium resistance. Comparing the numerical radial temperature profile with temperature measurement, it is concluded that although both the WENO scheme and the 1st order results fall into an acceptable range of accuracy, the WENO method predicts a more accurate temperature profile. It is observed that the results are more accurate for the arc core than the arc boundary, due to the absence of the viscous terms who are responsible for energy diffusion and turbulent mixing in the arc boundary. It is concluded that the Euler equations are capable of capturing the arc 3D effects. These effects should be considered in circuit breakers design since they are directly proportional to the medium resistance which has a strong impact on the circuit breaker efficiency.