The initiation of electric arcs and the possible impact in industrial environments

Abstract

Advancing knowledge and understanding of electrical arc flash and arc blast hazards through experimentation, modelling and analysis is the main goal of the present thesis. To achieve this, initially, significant work has been carried out to analyse existing data on arc flash hazards and mitigation engineering practices in industrial premises. Then, experimental investigations on the electrical arc characteristics have been conducted which together with the development of an analytical model for quantification of arc’s energy components have formed the core of the research project. Electrical characteristics of the initial stage of the arc have been obtained experimentally using different test systems developed in the course of this study. Two different arc initiation mechanisms have been examined: self-breakdown spark gap (SBSG) and wire-guided spark gap (WGSG) discharge initiation. Data post-processing techniques have been developed to obtain arc voltage and current waveforms for calculating the electrical arc energy available in the discharge. An analytical model has been developed based on the hydrodynamic approach, to further analyse the energy dissipated and to obtain the energy components associated with thermal, acoustic-kinetic and light emission processes. This analysis of the energy components provides data for safety considerations which are currently not taken into account by the existing standards. Furthermore, analysis and evaluation of the suitability of black-box models for predicting the arc characteristics during its initiation taking into account electric circuit parameters have been performed. Initial conditions for analysis of the ratio of the arc current over voltage have been obtained from experimental waveforms to investigate the arc-electrical circuit interaction. This can be considered as a first step towards establishment of a complete accurate link between the microscale and macroscale manifestation of the arc flash and arc blast phenomena. It is envisaged that further understanding of the complex energy conversion processes taking place in the post-arc-initiation process can provide additional tools for quantifying arc energy components and improving arc flash and arc blast safety.

Ο κύριος σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η διεύρυνση της γνώσης και της κατανόησης του μεγέθους των συνεπειών λόγω των φωτοθερμικών εκλύσεων και του ωστικού κύματος που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια του ηλεκτρικού τόξου μέσω πειραμάτων, μοντελοποίησης και ανάλυσης. Προς την επίτευξη αυτού, αρχικά, σημαντικό βάρος δόθηκε στην ανάλυση προϋπαρχόντων δεδομένων που αφορούν τις συνέπειές του και τις πρακτικές που εφαρμόζονται από μηχανικούς για τη μείωση του μεγέθους των συνεπειών σε βιομηχανικά περιβάλλοντα. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται ο κύριος κορμός της έρευνας που αποτελείται από την πειραματική έρευνα που εκτελέστηκε για την διερεύνηση των χαρακτηριστικών του ηλεκτρικού τόξου και εν συνεχεία η πρόταση ενός αναλυτικού μοντέλου που αναπτύχθηκε για την ποσοτικοποίηση των επιμέρους εκλυόμενων ενεργειών. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του αρχικού σταδίου ανάπτυξης του ηλεκτρικού τόξου αποκτήθηκαν πειραματικά μέσω διαφόρων συστημάτων που αναπτύχθηκαν κατά την διάρκεια της παρούσας μελέτης. Δύο μηχανισμοί έναρξης του τόξου διερευνήθηκαν: έναρξη εκκένωσης σε διάκενο σπινθήρα (self-breakdown spark gap: SBSG) και έναρξη εκκένωσης σε διάκενο σπινθήρα υποκινούμενη από το βραχυκύκλωμα της ανόδου με την κάθοδο λόγω παρουσίας σύρματος (wire-guided spark gap: WGSG). Αναπτύχθηκαν επίσης τεχνικές επεξεργασίας των πειραματικών δεδομένων για την απόκτηση των κυματομορφών της τάσης και της έντασης του ηλεκτρικού τόξου ούτως ώστε να υπολογιστεί η ηλεκτρική ενέργεια που βρίσκεται διαθέσιμη στην εκκένωση. Το αναλυτικό μοντέλο που έχει προταθεί βασίστηκε σε μια υδροδυναμική προσέγγιση για την περαιτέρω ανάλυση της εκλυόμενης ενέργειας σε επιμέρους που είναι η θερμική, η ακουστική-κινητική και η ενέργεια λόγω έκλυσης φωτός. Αυτή η ανάλυση των επιμέρους ενεργειών προσφέρει δεδομένα χρήσιμα για ζητήματα ασφαλείας, οι οποίες επιμέρους ενέργειες δεν λαμβάνονται υπόψιν επί του παρόντος στα υπάρχοντα πρότυπα. Επίσης, έχει εκπονηθεί η ανάλυση και η αξιολόγηση της καταλληλότητας των μοντέλων τύπου μαύρου κουτιού για την πρόβλεψη των χαρακτηριστικών του τόξου κατά την έναρξή του λαμβάνοντας υπόψιν το ηλεκτρικό κύκλωμα. Οι αρχικές συνθήκες για την ανάλυση του λόγου της έντασης προς την τάση του ηλεκτρικού τόξου εξήχθησαν από τις κυματομορφές που προέκυψαν από τα πειράματα για την διερεύνηση της αλληλεπίδρασης κυκλώματος-ηλεκτρικού τόξου. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως ένα πρώτο βήμα προς τη δημιουργία μιας ακριβούς σύνδεσης μεταξύ των εκδηλώσεων των φωτοθερμικών εκλύσεων και του ωστικού κύματος του ηλεκτρικού τόξου σε επίπεδο μικροκλίμακας με την έντονη λάμψη και την έκρηξη που παρουσιάζεται στη μακροκλίμακα. Αναμένεται πως η περαιτέρω κατανόηση των περίπλοκων διεργασιών μετατροπής ενέργειας που εκτυλίσσονται μετά την έναρξη του ηλεκτρικού τόξου μπορεί να προσφέρει παραπάνω εργαλεία για την ποσοτικοποίηση των επιμέρους ενεργειών του τόξου και τη βελτίωση των μέσων προστασίας κατά κατά των συνεπειών λόγω του ηλεκτρικού τόξου και της έκρηξης λόγω αυτού.