Ce travail est consacré à l’étude d’un Disjoncteur Basse Tension (DBT). Un disjoncteur est constitué de différents systèmes de protection : une partie magnétique et une partie thermique. Lors du déclenchement de ces protections ou bien par ouverture volontaire du circuit par un opérateur, un arc est créé entre un contact fixe et un contact mobile. L’arc situé sur le contact mobile saute ensuite sur un rail. L’arc établi entre les deux rails est ensuite déplacé sous l’influence de différentes forces vers une chambre de coupure. Tant que l’arc existe le réseau est fermé et la protection n’est pas efficace. L’arc doit donc être coupé le plus rapidement possible. La chambre de coupure est constituée de séparateurs qui viennent segmenter l’arc. Au niveau de chacun des séparateurs se situent des gaines anodique et cathodique. Lorsque la tension aux bornes de l’arc devient supérieure à celle aux bornes du réseau, l’intensité du courant décroit naturellement conduisant à une extinction de l’arc. Ainsi contrairement aux disjoncteurs à hautes tensions, on ne recherche pas le passage par zéro du courant pour éteindre l’arc mais la plus grande hausse possible et rapide de la tension pour conduire à l’extinction. La limitation de courant est réalisée par allongement de l’arc et par augmentation de la tension aux bornes de l’arc. L’objectif de cette thèse porte sur la caractérisation du plasma et sur l’étude des chutes de tension additionnelles aux électrodes (Rails et séparateurs) par l’outil numérique et expériences associées.
Pour cela une modélisation magnétohydrodynamique tridimensionnelle (3D) est réalisée sur une géométrie simplifiée de DBT. Les développements sont basés sur le code commercial Ansys @Fluent agrémentés d’UDS (User Define Subroutine). Le plasma est décrit par les équations fluides et une méthode de volumes finis. Numériquement la tension additionnelle, provenant de la présence des gaines aux interfaces plasma/matériau, est prise en compte par une méthode approchée basée sur la caractéristique théorique d’une variation de la tension en fonction de la densité de courant. Cette résistivité additionnelle permet une représentation du passage du courant vers les matériaux et du retard à la commutation sur le séparateur en fonction de la chute de tension. Afin d’étudier et d’isoler les mécanismes, les travaux numériques sont réalisés sur une maquette simplifiée constituée de deux électrodes parallèles et de la présence optionnelle de séparateurs. Des études paramétriques (Influence du nombre de séparateur, valeur de l’intensité de courant) sont réalisées.
Afin de valider et confronter nos résultats théoriques, des campagnes expérimentales sont menées en étudiant le comportement de l’arc dans une maquette simplifiée. Des mesures électriques (Courant et tension) sont effectuées pour caractériser l’arc. Des acquisitions par caméra rapide permettent d’observer le déplacement de l’arc. La géométrie étudiée peut être plus ou moins fermée à ses extrémités afin de mettre en évidence les effets des forces de pression et/ou des forces de Lorentz. Les résultats expérimentaux (caractéristiques électriques et images de la caméra) ont été discutés. L’influence de la force de pression a clairement été mise en évidence.
De bonnes corrélations sont obtenues avec les résultats de la simulation : on observe un allongement et un galbe de l’arc avant qu’il ne commute sur le séparateur, ce qui entraîne une augmentation de la tension ; après la segmentation de l’arc sur un séparateur, 20 V supplémentaires ont été retrouvés au niveau des chutes de tension anodique et cathodique. Ainsi une description « macroscopique » sans décrire finement les mécanismes physiques présents au niveau des gaines a permis de décrire la résistance additionnelle et une montée de la tension. Nous sommes donc à présent en mesure en couplant notre modèle magnétohydrodynamique avec une équation de circuit de décrire la phase de limitation de courant.
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This work is devoted to the study of a Low Voltage Circuit Breaker (LVCB). A circuit breaker consists of different protection systems: a magnetic part and a thermal part. When these protections are switch on or by voluntary opening of the circuit by an operator, an arc is created between a fixed contact and a mobile contact. The arc located on the mobile contact then jumps onto a rail. The arc established between the two rails is then moved under the influence of different forces to a breaking chamber. As long as the arc exists the network is closed and the protection is not effective. The arc must therefore be cut off as quickly as possible. The interrupting chamber consists of separators which segment the arc. Anodic and cathodic sheaths are located at each sides of the separators. When the voltage at the arc terminals becomes higher than that at the mains terminals, the current intensity naturally decreases leading to an extinction of the arc. Thus, unlike high-voltage circuit breakers, the aim is not to extinguish the arc close to the zero of the current, but to extinguish the arc with the greatest possible and rapid rise in voltage. Current limitation is achieved by lengthening the arc and increasing the voltage across the arc. The objective of this thesis is to characterize the plasma and to study the additional voltage drops at the electrodes (Rails and separators) using the numerical tool and associated experiments.
For this purpose, a three-dimensional magneto hydrodynamic (3D) modeling is carried out on a simplified LVCB geometry. The developments are based on the Ansys @Fluent commercial code with UDS (User Define Subroutine). The plasma is described by fluid equations and a finite volume method. Numerically the additional voltage, resulting from the presence of sheaths at the plasma/material interfaces, is taken into account by an approximate method based on the theoretical characteristic of a voltage variation as a function of current density. This additional resistivity allows a representation of the current flow to the materials and the switching delay at the separator as a function of the voltage drop. In order to study and isolate the mechanisms, the digital work is carried out on a simplified geometry consisting of two parallel electrodes and the optional presence of separators. Parametric studies (Influence of the number of separators, value of the current intensity) are carried out.
In order to validate and compare our theoretical results, experimental campaigns are carried out by studying the behavior of the arc in a simplified geometry. Electrical measurements (current and voltage) are carried out to characterize the arc. Fast camera acquisitions are used to observe the arc's displacement. The studied geometry can be more or less closed at its extremities in order to highlight the effects of pressure forces and/or Lorentz forces. The experimental results (electrical characteristics and camera images) were discussed. The influence of the pressure force was clearly demonstrated.
Good correlations are obtained with the results of the simulation: an elongation and curvature of the arc before it switches on the separator is observed, which leads to an increase in voltage; after segmentation of the arc on a separator, an additional 20 V was found at the anodic and cathodic voltage drops. Thus a "macroscopic" description without fine description of the physical mechanisms present in the sheaths made it possible to describe the additional resistance and a rise in voltage. We are now able to describe the current limiting phase by coupling our magneto hydrodynamic model with a circuit equation.
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