Phénomènes en proche paroi et stabilité de la colonne pour un arc électrique dans les disjoncteurs basse tension

New-wall properties and stability of electric arcs in low-voltage circuit breakers

• Auteur / Autrice : Pierre Maruzewski
• Direction : Daniel Henry, Julian Scott
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon

Mots clés

Mots clés libres

Arc électrique, couche limite, stabilité, disjoncteur, réseau électrique, basse tension, modélisation, approximation Tchebychev

Résumé

Un court-circuit sur un réseau basse-tension est en général interrompu par un appareil de coupure fonctionnant dans l'air grâce à la création d'un arc électrique. Depuis de nombreuses années, la simulation numérique permet d'aider à la compréhension des phénomènes mis en jeu dans un tel processus. Un des deux objectifs de la thèse est de simuler les phénomènes en proche paroi du disjoncteur lorsque l'arc est créé car les interactions de l'arc avec la paroi jouent un rôle prépondérant en particulier en raison des possibilités de vaporisation du matériau de paroi. À partir d'un code de simulation d'arc existant, des résultats numériques ont pu être comparés à des essais expérimentaux. Différentes simulations en fonction du maillage et des conditions aux limites ont aidé à l'élaboration d'un modèle à deux zones : une zone externe définie par l'arc et le fluide éloignée de la paroi et une zone interne contenant la région proche paroi. Dans la zone externe, le modèle reste le même mais les conditions aux limites ont été changées. Et un modèle de couche limite est introduit dans la zone interne. Le deuxième objectif de la thèse s'intéresse à la colonne d'arc électrique. Le but est de débuter une étude de stabilité de la colonne d'arc. Dans une telle étude, il est nécessaire de connaître un état dit état de base. Cet arc de base doit être stationnaire. Un arc stationnaire s'établit s'il existe une paroi ou un puits massique qui décharge l'excès de chaleur. La recherche de ces arcs stationnaires avec puits massique, appelés arcs aspirés a mis en évidence l'existence de familles d 'arcs aspirés pour une pression et un champ électrique donnés. Dans la suite de l'étude de stabilité, l'analyse du spectre de valeurs propres pour un arc typique collé à la paroi a permis de constater la présence de modes de diffusion magnétique, de modes acoustiques et de modes couplés croissants.

Low-tension circuit breakers generally rely on the extinction of the electric arc created when the current-carrying contacts separate. The dynamics of the arc has been studied for a number of years using numerical simulations of the coupled fluid dynamics/electromagnetic governing equations. One of the objectives of this thesis is to improve numerical simulation near the wall, where there is a thin boundary layer whose accurate numerical description requires fine meshes, and hence long Computing times, unless special measures are taken. Different simulations, based on an existing code, have aided in the development of a two ragion model, with one region away from the wall and another representing the boundary layer. In the external zone, the full equations are used, but the boundary conditions at the wall are modified by the existence of the thin wall-layer. This external flow forms the outer boundary conditions for a boundary layer calculation. As part of own numerical studies, we have also compared results of simulations with those of experiments. The second topic of the thesis is the stability of an arc column. A basic arc state is perturbed and the growth or decay of the perturbations with time used to determine the stability or otherwise of that basic state. The basic state used was a simple, steady, axisymmetric arc of infinite length, but we found that, in general, to maintain such an arc steady, some means of extracting the heat generated by the arc was necessary, a requirement which was met by introducing a sink of mass at the axis. A study of such arcs, cooled by the influx from outside, showed a variety of families of different solutions, for a given pressure and electric field strength. Having selected a particular basic state, the linearised equations were solved for the normal modes and their eigenvalues used to examine stability. Different types of unstable and stable modes were found, which were interpreted in terms of magnetic diffusion, acoustics and unstable coupled modes.