Structural response in arc flash event

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2015-10-19
Department
Major/Subject
Teknillinen mekaniikka
Mcode
K3006
Degree programme
Konetekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
80
Series
Abstract
Hazardous arc flash events generally occur in high-voltage electrical equipment due to malfunctioning apparatus or human error. Although considerable effort has been put into describing the physics of arc generation and the resulting blast load, analysis of the structural response has only received little attention despite its apparent importance. Personnel injury or death are likely if the enclosure fails to contain the unintentional blast appropriately. Developing the correct approach for analyzing the structural response is of high interest to the electric industry, and should be considered the main motivation behind this study. In the future, expensive arc flash tests currently used to assess the safety of designs are hopefully replaced by extensively validated and verified simulation tools. The results from a thorough literary review are first presented to give the reader insight into the current state of knowledge. Two approaches customarily used to estimate the resulting blast load are next described along with the energy balance of an arc flash event. Principles governing the structural response are then introduced. The violent nature of the arc flash event suggests that the strain rate dependency of the material might play an important role. The Cowper-Symonds and Huh-Kang models attempting to capture the behaviour are described and extensively compared in typical arc flash conditions. The stochastic nature of the phenomenon implies that the arc power can often only be determined via probabilities. Although scarcely investigated in the literature, this thesis attempts to address the issue by introducing a stochastic dimensioning principle for the structure. In order to gain confidence in the methods, numerical predictions are compared to measured deformations obtained from an arc flash test. The implications of adapting the stochastic dimensioning principle to the enclosure are then investigated. Conclusions and future recommendations are finally presented.

Vaaralliset valokaarivälähdykset voivat syttyä korkeajännitteisissä sähkölaitteissa toimintahäiriön tai inhimmillisen erehyksen vuoksi. Huomattavia ponnistuksia on tehty valokaaren fysiikan kuvaamiseen, sekä syntvän paineaallon mallintamiseen. Rakenteen vasteen oikeaoppinen analysointi on tästä huolimatta kerännyt vain niukasti huomiota alan kirjallisuudessa. Henkilöturvallisuuden varmentaminen ulkoisen rakenteen oikeaoppisella suunnittelulla on kuitenkin välttämätöntä vakavan loukkaantumisriskin takia. Rakenteen vasteen analysointi on sähköteollisuuden kiinnostuksen kohteena, ja suurin syy tämän työn syntyyn. Tulevaisuudessa kalliit valokaarikokeet pystytään toivon mukaan korvaamaan laajasti varmennetuilla simulointityökaluilla. Työn alussa esitetään kattavan kirjallisuuskatsauksen keskeisimmät tulokset, jonka jälkeen valokaaren energiatase havainnollistetaan. Kaksi yleisesti käytettyä menetelmää paineaallon mallintamiseen kuvataan lopuksi. Tämän jälkeen keskeisimmät periaateet rakenteen vasteen laskennassa esitetään lukijalle. Valokaaren raju olemus antaa vihiä siitä, että materiaalin venymänopeus on otettava huomioon. Cowper-Symonds ja Huh-Kang venymänopeusmallit esitetään tämän johdosta perusteellisesti, ja mallien ennustuksia vertaillaan tyypillisissä valokaarivälähdyksissä. Valokaaren epämääräinen olemus johtaa yleisessä oikosulkutapahtumassa siihen, että valokaaren teho voidaan ainoastaan määritellä matemaattisiin todennököisyyksiin perustuen. Joskin kirjallisuudessa aihetta ollaan käsitelty vain niukasti, pyrkii tämä työ edistämään ajattelutapaa esittelemällä stokastisen mitoitusperiaatteen rakenteelle. Työn lopussa valokaarikokeessa käytetyn kotelon mitattuja muodonmuutoksia verrataan laskennallisiin arvoihin, laskentamenetelmän toimivuuden todentamiseksi. Stokastisen mitoitusoperiaatteen käyttö esimerkkitapauksessa esitetään, jonka jälkeen työn tärkeimmät johtopäätökset sekä suositukset esitetään lukijalle.
Description
Supervisor
Tuhkuri, Jukka
Thesis advisor
Myllykoski, Pirkka
Manninen, Jorma
Keywords
arc flash, arc blast, strain rate, stochastic, FEM, CFD
Other note
Citation