Transient Thermal Analysis of the Circuit Breaker Current Path with the Use of FEA Simulation

Abstract

The finite element analysis (FEA) is an essential and powerful numerical method that can explicitly optimize the design process of electrical devices. In this paper, the employment of the finite element method (FEM) as ANSYS is proposed in order to aid electrical apparatus engineering and modeling of low voltage modular circuit breakers. The procured detailed model of a miniature circuit breaker (MCB) was undergoing transient thermal simulations of the current path. Acquired data were juxtapositioned with experimental data procured in the laboratory. The reflection of the simulation approach was clearly noted in the experimental results. Mutual areas of the modeled element expressed similar physical properties and robustness errors while tested in the specific conditions—faithfully reflecting those that were experimented with. Moreover, the physical phenomena essential for electrical engineering could be determined on the model stage. These types of 3D models can be used to analyze the thermal behavior of the current path during the current flowing condition.

Al-Cu Bimetalik Kompozit Hammaddesinin Elektrik Anahtarlarındaki Isınma Karakteristiğinin İncelenmesi

“…Ortaya çıkan bu termal enerji radyasyon, konveksiyon ve iletim olarak çevreye yayılır. Belirli bir iletken akım yolu uzunluğunda üretilen elektrik gücünün değeri, aşağıda belirtilen denklem ile açıklanan akım ve direncin sonucudur (Szulborski et al 2021):…”

“…İletkendeki akım akışıyla ilgili tüm hesaplamaları, aşağıdaki Maxwell denklemlerini kullanarak yapmak mümkündür (Szulborski et al 2021):…”

“…İletken veya yalıtkan malzeme tarafından aktarılan ısı, iletim yoluyla gerçekleştirilir. Nominal elektrik yükü için elektrikli cihazların termal akım yollarını hesaplarken, radyasyonla ısı transferinin payı ve doğal konveksiyon benzerdir (Szulborski et al 2021).…”

“…İletim ve taşınım için gerekli fiziksel temeli, enerjinin korunumundan bahseden termodinamiğin birinci yasasında bulmak mümkündür (Szulborski et al 2021). Taşınım, bir katı yüzey ile ona bitişik, hareket halindeki akışkan (sıvı ya da gaz) arasında ısı transfer türüdür.…”

“…Kısa devre akımı koşullarında oluşan kısa süreli ısıtma sırasında izin verilen sıcaklık değerinin, nominal akımla uzun süreli ısıtma durumundan daha yüksek olabileceği gerçeğine dikkat etmek önemlidir. Bunun nedeni, akımın daha yüksek değerine rağmen kısa süreli termal etkilerinin daha küçük olması ve izin verilen değeri aşmamasıdır (Szulborski et al 2021).…”