Ce travail est consacré à l’étude des parafoudres à base d’éclateurs à gaz fonctionnant dans l’air et intégrant une chambre de fractionnement d’arc dédiée à la limitation du courant de suite. L’objectif est de caractériser les phénomènes physiques mis en jeu dans ce dispositif afin d’orienter la conception d’un nouveau produit. Pour cela, un modèle numérique tridimensionnel (3D), simulé en régime transitoire et reposant sur l’hypothèse de l’Équilibre Thermodynamique Local (ETL), a été développé. En parallèle, deux bancs expérimentaux ont été mis en place afin de confronter les résultats numériques aux observations expérimentales.
Dans un premier temps, une étude bibliographique a été menée sur les approches numériques et expérimentales appliquées aux différentes technologies d’éclateurs. À partir d’une géométrie issue de la littérature, une géométrie simplifiée a été construite afin de servir de base au développement du modèle. Pour pouvoir confronter les résultats du modèle avec ceux de l’expérience, deux formes de courant ont été utilisées : une demi-alternance de courant de 50 Hz à 200 A et une impulsion de courant de type 8/20 µs de 5 kA couplée à une demi-alternance de 200 A. La comparaison des formes de l’arc et de sa tension montre un bon accord entre les simulations et les mesures expérimentaux. Elle met également en évidence le rôle de l’onde impulsionnelle dans le préchauffage de la chambre et sur le déplacement de l’arc.
Ensuite, plusieurs études paramétriques ont été réalisées afin d’évaluer l’influence de la valeur du courant, des ouvertures, de la présence de séparateurs, de la géométrie du fond de la chambre de fractionnement ainsi que de la recirculation des gaz. Les résultats mettent en évidence la propagation d’une onde de pression dans la chambre après l’impulsion de courant. Selon la configuration géométrique du dispositif (avec ou sans séparateurs, sortie ouverte ou fermée), une mauvaise évacuation de cette onde peut ralentir, voire entraver, le déplacement de l’arc. Dans la dernière partie de ces travaux, une attention particulière a été portée au développement d’un système permettant l’encapsulation complète du module. Pour cela, des travaux ont été menés concernant la conception d’une chambre de recirculation et d’un système de réinjection des gaz. |
This work focuses on the study of surge protective devices based on gas spark gaps operating in air and incorporating an arc-splitting chamber designed to limit follow current. The objective is to characterize the physical phenomena involved in this device in order to support the development of a new product. To this end, a three-dimensional (3D) numerical model was developed under transient conditions, based on the assumption of Local Thermodynamic Equilibrium (LTE). In parallel, two experimental test benches were implemented to validate and compare the numerical results with experimental observations.
First, a literature review was conducted on numerical and experimental approaches applied to various spark-gap technologies. Based on a geometry reported in the literature, a simplified configuration was developed to serve as the foundation for the numerical model. In order to enable comparison between simulations and experiments, two current waveforms were considered: a 200 A, 50 Hz half-cycle current and a 5 kA, 8/20 µs impulse current superimposed on a 200 A half-cycle. The comparison of arc morphology and arc voltage shows good agreement between numerical simulations and experimental measurements. It also highlights the role of the impulse current in preheating the chamber and influencing arc motion.
Several parametric studies were then carried out to assess the influence of current amplitude, outlet openings, the presence of arc splitters, the geometry of the bottom of the arc-splitting chamber, and gas recirculation effects. The results reveal the propagation of a pressure wave within the chamber following the current impulse. Depending on the device configuration (with or without splitters, open or closed outlet), insufficient evacuation of this pressure wave may slow down or even hinder arc motion. In the final part of this work, particular attention was given to the development of a system enabling full encapsulation of the device. To this end, studies were conducted on the design of a recirculation chamber and a gas reinjection system, aimed at improving pressure management and overall device performance. |