Modelling of contacts erosion under the effect

of electrical arc for ac low voltage switches

 

Modélisation de l’érosion des contacts 

sous l’effet de l’arc électrique

des interrupteurs basse tension alternative

 

L.  Chaâbane1*, H. Fattoum1, M. Sassi2

1 Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tunis B.P. 37 le Bélevédère 1002 Tunis, Tunisie

2 The Petroleum Institute, Abu Dhabi, UAE

* Corresponding author. E-mail: leila.chaabane@enit.rnu.tn / l.chaabane@yahoo.fr

Received: 20 February 2009; revised version accepted: 14 January 2010

 

 Abstract

     This work focuses on the modelling of contact erosion under the effect of electrical arc, for ac low voltage switches. Its objective is the estimation of the minimal life time of this type of switches.  Because of the difficulty of this modelling, two approaches were adopted, an empirical approach and a mathematical one. The first one is based on the measurement of contacts mass variation (mobile contact and fixed one) after endurance tests witch are performed up to 25000 opening/closing cycles. The second one is based on the calculation of mass loss of contacts as a function of opening/closing cycles.  Calculation is based on the heat conduction equation. A comparison between the two approaches has been done and justifications of the differences found have been presented. Because for real tests, there is not only mass loss, but other phenomena such as redeposit of material after evaporation and solidification, oxidation phenomenon, transfer of material from one contact to the other and finally contamination of contacts by carbonaceous deposit,  due to electrical arc, coming from the electrically insulated wall of the switch. This last phenomenon has sometimes masked the real contact mass loss due to the electrical arc. 

With these approaches, it has been shown that it is easy to mathematically estimate the minimal life time of the switches and avoid expensive tests.

 

Keywords: Electrical  switches; Ac low voltage; Arc; Erosion; Mathematical approach; Empirical approach.

 

Résumé 

     Ce travail porte sur la modélisation de l’érosion des contacts sous l’effet de l’arc électrique des interrupteurs basse tension alternative. L’objectif est l’estimation de la durabilité minimale de ce type d’appareils. Connaissant la difficulté de ce type de modélisation, la démarche adoptée s’est basée sur une approche empirique et une approche mathématique. La première s’appuie sur la mesure de la variation de masse des contacts  (contact mobile et contact fixe) suite à des essais de durabilité effectués en usine et pour un nombre de manœuvres allant jusqu’à  25000 manœuvres d’ouverture/fermeture. La deuxième  sur le calcul de la perte de masse  des contacts en fonction du nombre de manœuvres, en se basant sur l’équation générale de la chaleur. Une comparaison entre les deux approches a été faite et une justification des différences trouvées a été donnée puisque dans les essais réels, il n’ya pas seulement la perte de masse, mais  d’autres phénomènes, tels que le re-dépôt de matière sur les contacts après évaporation et solidification, le phénomène d’oxydation du matériau de contact et enfin le phénomène de  dépôt de matière provenant du boîtier isolant abritant les contacts électriques. Ce dernier ayant parfois masqué la perte réelle de masse au niveau des contacts électriques. Avec ces deux approches, il a été montré  qu’il est aisé d’estimer mathématiquement la durée de vie minimale des appareillages à contacts  électriques et éviter ainsi des essais très coûteux.

 

Mots clés: Interrupteurs électriques ; Basse tension alternative ;  Arc ; Erosion ; Approche mathématique ; Approche empirique.


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