Dans la décharge électrique observée lors de la séparation des contacts d'un Disjoncteur Haute Tension (DHT) à SF6, le rayonnement joue trois rôles principaux. Il constitue d'abord un terme de perte d'énergie dans les zones chaudes de l'arc, ce qui diminue leur température. Ensuite, dans les zones plus froides, l'absorption de ce rayonnement tend à augmenter la température du gaz. Enfin, la part du rayonnement parvenant aux parois en PTFE (polymère dont la chaine de base est [C2F4]n) est responsable de son ablation et contribue à la montée en pression qui induit l'auto-soufflage de l'arc et aboutit à la coupure du courant. Dans cette étude nous calculons les flux et la divergence du flux en résolvant l'Equation du Transfert Radiatif (ETR) qui requiert une base de données spectrales de coefficients d'absorption.
Dans une première partie, nous établissons une base de coefficients d'absorption sur près de 300 000 points spectraux (entre 30 nm et 4,5 m en longueur d'onde), de 300 à 50 000 K, de 1 à 100 bar et différentes proportions de SF6/C2F4. Nous considérons les continua moléculaires et atomiques ainsi que les raies atomiques pour lesquelles nous traitons les profils élargis en tenant compte des effets de pressions et Doppler ainsi que leurs déplacements.
Dans une seconde partie, nous utilisons cette base de données pour calculer un flux et une divergence de flux de référence sur des profils de température imposés, issus d'une simulation de DHT. Pour des raisons de capacités de stockage et de temps de calcul, l'utilisation de notre base détaillée de données dans les simulations d'arc, n'est pas envisageable. Cette contrainte implique l'utilisation de méthodes approchées qui considèrent le plasma, soit comme isotherme et sphérique dans le cadre de l'utilisation d'un Coefficient d'Emission Nette (CEN), soit comme une succession de corps gris sur plusieurs intervalles spectraux qui mènent à la définition de Coefficients Moyens d'Absorption (CMA). Le nombre d'intervalles spectraux doit alors être très réduit, en général inférieur à 10.
Nous avons donc optimisé une nouvelle base de données de CMA, en comparant les flux et les divergences de flux calculés au moyen de CMA, à nos résultats de référence (300 000 points). L'optimisation a porté à la fois sur le type de moyenne utilisée et sur le nombre d'intervalles. La « moyenne mixte » qui combine la moyenne de Planck à haute température, avec pondération des raies, et la moyenne normale à basse température, apparaît comme la plus précise. Par ailleurs nos résultats montrent qu'une précision satisfaisante peut être obtenue avec 5 intervalles.
Dans une dernière partie nous étudions, au moyen d'un modèle axisymétrique d'arc stabilisé par parois, l'influence du rayonnement sur la température de l'arc. Nous modélisons le transfert radiatif en utilisant la méthode de l'émission nette et la méthode P1. Nous ne constatons aucune différence entre l'utilisation de CMA définis sur 5 intervalles et sur 10 intervalles spectraux avec la « moyenne mixte ». Nous remarquons également que certains intervalles correspondent à un milieu optiquement mince et peuvent être traités par la méthode de l'émission nette ce qui peut simplifier considérablement le temps de calcul dans les modèles. |
In electrical discharges observed during contacts separation in an SF6 High Voltage Circuit Breaker (HVCB), radiative transfer plays three main roles. It first constitutes a term of energy loss in hot areas of the arc which decreases their temperature. In colder regions, absorption of radiation tends to heat the gas. Finally, the radiation fraction reaching the PTFE wall (polymer based on the C2F4 molecule) is responsible for its ablation which contributes to the pressure increase inducing the self-blowing of the arc and ends with the current cutting. In this study we calculate fluxes and divergence of the flux solving the Radiative Transfer Equation (RTE) which requires a spectral data base of absorption coefficients.
In a first part we establish a data base of absorption coefficients over almost 300 000 spectral points (between wavelengths of 30 nm and 4.5 µm), from 300 to 50 000 K, 1 till 100 bar and several proportions of SF6/C2F4. We consider molecular and atomic continua as well as atomic lines for which we treat profile broadening considering pressure and Doppler effects and their shift.
In a second part, we use this data base to calculate a reference flux and divergence of the flux in imposed temperature profiles from an HVCB discharge simulation. For memory capacity and calculation time reasons, usage of our detailed data base in electric arc simulation is not conceivable. This constrain implies to use approximated methods which consider the plasma either spherical and isothermal in the case of the Net Emission Coefficient (NEC) method, or as a succession of grey body over several spectral intervals which leads to the definition of Mean Absorption Coefficient (MAC). The number of spectral intervals has to be strongly reduced and is usually inferior to 10.
We have optimized a new data base of MAC, comparing fluxes and divergence of the flux calculated with the MAC, to our reference results (300 000 spectral points). This optimization was based on the mean definition as well as on the intervals number. The so called “mixed mean” which combines a Planck average at high temperature, with a weighting for atomic lines, and a normal average at low temperature, appears as the most precise definition. Moreover, our results show that a satisfying precision can be obtained with 5 intervals.
In a last part we study, using an axisymmetric model of a wall stabilized arc, the influence of radiation on the arc temperature. We model radiative transfer using the NEC and P1 methods. We do not observe any difference while using MAC defined over 5 intervals or 10 intervals with the “mixed mean”. We also notice that some intervals corresponding to an optically thin medium can be treated with the NEC method which can significantly simplify models calculation time. |