Antoni Sawicki

The model of internal column of hollow cathode vacuum discharge

Analyzes the characteristics of rarefied, nonequilibrium-state plasmas in the internal column of a hollow cathode discharge (HCD). The analysis is based on the theory of plasma disintegration in a strong electric field (Dreicer 1959, 1960). It is demonstrated that this process has a crucial influence upon the forming of directed flux of electrons with energy values 20-30 eV at the exit of the hollow cathode. The obtained values significantly exceed the energy of thermal motion of electrons in the plasma disintegration zone. A new method is suggested of calculating electron density and electric field intensity in respect to the axis of the internal column in the channel model of the discharge. In addition, a method is presented of calculating the length of the internal column and the energy of the directed electron flux at the exit of the hollow cathode on the basis of HCD fundamental parameters.

Modeling of electrical and thermal processes in stream plasmatrons

Generalizations of the basic characteristics of electrical discharge in plasmatrons with an edge, with a sectioned insert between the electrodes, and with a porous insert between the electrodes are carried out in this paper. They are based on the theory and methods of the two-layer arc. The boundary condition of the third kind on an area arc has been used. The analytical expression for a generalization function of the heat transfer coefficient of an arc, denoted in conventional temperature, has been obtained. Analytical expressions for a multiplier generalization function have been given. The relations obtained in the paper link basic electric, gas-dynamic, and geometric parameters of the plasmatrons.

Mathematical models of electric arc with variable plasma column length used for simulations of processes in gliding arc plasmatrons

Differential arc models with various length of plasma column have been described. They were modified to obtain electrical processes in plasmatrons with periodic gliding arc discharge. The models were also transformed into integral forms. Macromodels of arcs have been created and simulations of electrical processes in plasmatrons have been carried out. Comparisons of results obtained with experiments known from literature have shown usefulness of the developed mathematical models to simulate gliding arc discharges. Streszczenie. Opisano modele rozniczkowe luku elektrycznego o zmiennej dlugości kolumny plazmowej. Dokonano ich modyfikacji w celu odwzorowania procesow elektrycznych w plazmotronach z wyladowaniem ślizgowym powtarzającym sie (gliding arc). Przeksztalcono te modele do postaci calkowej. Utworzono makromodele lukow i wykonano symulacje procesow elektrycznych w plazmotronach. Z porownania uzyskanych wynikow ze znanymi z literatury przebiegami eksperymentalnymi wynikla przydatnośc opracowanych modeli matematycznych do symulowania wyladowan gliding arc. (Modele matematyczne luku elektrycznego o zmiennej dlugości kolumny do symulowania procesow w plazmotronach gliding arc).

Modified arc models in a SF6 power circuit breaker

Selected operating properties of high voltage power switches that use SF6 as extinguishing medium have been described. Selected physical properties of switching arc that occurs in those devices have been presented, with special focus on results of experimental research conducted in KEMA laboratory in Netherlands. Important flaws of mathematical models of switching arc described in literature have been indicated, despite they include variation of dissipation power, as well as step decrease of voltage during linear decrease of current. Method for obtaining modified Mayr and hybrid models with aforementioned properties have been described. They differ from other known models by consistent introduction of preliminary assumptions and simpler form. Properties of these models have been researched using computer simulations. Their usefulness in engineering work have been demonstrated. Streszczenie. W artykule opisano wybrane właściwości eksploatacyjne wyłączników wysokonapięciowych mocy, które używają SF6 jako medium gaszeniowego. Zaprezentowano wybrane właściwości fizyczne łuku łączeniowego, który występuje w tych aparatach. Szczególną uwagę zwrócono na wyniki badań eksperymentalnych przeprowadzonych w laboratorium KEMA w Holandii. Wskazano na istotne mankamenty modeli matematycznych łuku łączeniowego opisywanych w literaturze, pomimo że uwzględniają one zmienność mocy rozpraszanej, a także skokowy spadek napięcia podczas liniowego zmniejszania prądu. Opisano metodę otrzymania zmodyfikowanych modeli Mayra i hybrydowego o wspomnianych wcześniej właściwościach. Od innych znanych modeli różnią się one konsekwentnym wprowadzaniem założeń wstępnych i prostszą postacią. Zbadano właściwości tych modeli za pomocą symulacji komputerowych. Wykazano przydatność tych modeli w pracach inżynierskich. (Zmodyfikowane modele łuku w wyłączniku mocy z SF6).

Applying a modified Voronin arc model for simulating processes in gliding arc plasma generators

The paper presents modified variants of the Voronin model of electric arc. In these modified variants, free changes in the arc diameter caused by current alternations are taken into account. Current alternations, in turn, are due to variable forcing voltage and diverging electrodes, on which the variable length arc is gliding. To approximate the arc diameter, two different functions are applied, allowing for the arc diameter expansion at the point of the current passing through zero. Simulations of the processes occurring in the circuit with a voltage source and a gliding arc (GA) plasma generator indicate that the mathematical model developed adequately represents the current and voltage variation in the elongated electric arc. Streszczenie. W artykule przedstawiono zmodyfikowane warianty modelu Woronina luku elektrycznego. Uwzglednia on swobodne zmiany średnicy kolumny luku wywolane zmianami natezenia prądu. Z kolei zmiany prądu są spowodowane dzialającym zmiennym wymuszeniem napieciowym i rozbieznością elektrod, po ktorych ślizgając sie porusza sie luk o zmiennej dlugości. Wykorzystano dwie rozne funkcje aproksymujące średnice kolumny, w ktorych uwzgledniono ekspansje przekroju luku w okolicach przejścia prądu przez wartośc zerową. Drogą symulacji procesow w obwodzie ze źrodlem napieciowym i plazmotronem gliding arc wykazano zdolnośc opracowanego modelu matematycznego do odwzorowywania przebiegow prądu i napiecia w rozciąganym luku elektrycznym. (O wykorzystaniu zmodyfikowanego modelu Woronina luku elektrycznego do symulowania procesow w plazmotronach gliding arc).

An integral method for determining the parameters of the universal electric arc model describing an arc with a hyperboliclinear static characteristic

The article presents the limitations in usage of voltage-current static characteristics in mathematical modeling of an electric arc. On the basis of the experimental data approximations of static characteristics the Pentegov electric arc model for simulating processes in a simple electric arc circuit is proposed. The parameters of static characteristics and electric arc model were obtained by the integral method. A satisfactory agreement between experimental data and simulation results has been obtained for air and argon under different gas pressures. Streszczenie. W publikacji wskazano na ograniczenia w wykorzystaniu charakterystyk statycznych napięciowo-prądowych do modelowania matematycznego łuku elektrycznego. Na podstawie przyjętej aproksymacji charakterystyk statycznych eksperymentalnych łuku, zaproponowano wykorzystanie uniwersalnego modelu Pentegowa do symulowania procesów w prostym obwodzie elektrycznym. Parametry charakterystyki statycznej i modelu matematycznego obliczono za pomocą metody całkowej. Uzyskano zadowalającą zgodność wyników symulacji i wybranych badań eksperymentalnych łuku swobodnego w powietrzu i argonie o różnym ciśnieniu. (Metoda całkowa wyznaczania parametrów uniwersalnego modelu łuku elektrycznego o charakterystyce statycznej hiperboliczno-liniowej).