Modélisation de l’arc électrique dans un disjoncteur à vide

Modelling of the electric arc in a vacuum interrupter

• Auteur / Autrice : Yilin Langlois
• Direction : Alain Jardy, Pierre Chapelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 05/11/2010
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Henrion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Jardy, Pierre Chapelle, Gérard Henrion, Yves Delannoy, Jean-Jacques Gonzalez, François Gentils, Dunpin Hong
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Delannoy, Jean-Jacques Gonzalez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champs magnétiques

Arc électrique

Génie mécanique

Mots clés libres

Arc électrique sous vide

Disjoncteur

Champ magnétique axial (AMF)

Modélisation fluide

Simulation numérique

Étude expérimentale

Vacuum arc plasma

Circuit breaker

Axial magnetic field (AMF)

Fluid flow model

Numerical simulation

Experimental study

Résumé

Un modèle numérique d’un arc électrique diffus dans un disjoncteur à vide à champ magnétique axial (AMF) a été développé dans le but de mieux comprendre à terme la transition d’un mode de fonctionnement diffus de l’arc vers un mode plus concentré. Le comportement du plasma d’arc a été simulé depuis la sortie de la zone de mélange cathodique jusqu’à l’entrée de la gaine anodique. Le modèle bidimensionnel est basé sur un système d’équations hydrodynamiques à deux fluides non magnétisés (ions et électrons), incluant les équations de conservation d’énergie ionique et électronique. Il est démontré que les processus d’ionisation et de recombinaison et les effets visqueux sont négligeables. Les transferts radiatifs ne sont pas considérés en première approximation. Outre les forces dues au champ AMF, le modèle inclut les forces dues aux trois composantes du champ magnétique induit par l’arc. Deux régimes d’écoulement des ions, supersonique (aux faibles densités de courant) et subsonique (aux fortes densités de courant), sont considérés. Près de la cathode, les conditions aux limites sont spécifiées à partir de résultats de la littérature. A proximité de l’anode, elles sont basées sur une description simplifiée de la gaine anodique. Les résultats de simulation présentés mettent en évidence une constriction du courant et un comportement différent des ions aux faibles et aux fortes densités de courant, et renseignent sur l’influence de divers paramètres (intensité du courant, distance interélectrode). Ce travail présente également une étude expérimentale, basée sur des visualisations par vidéo rapide de l’arc et des mesures pyrométriques de la température de la surface de l’anode

A model of a diffuse arc in a vacuum circuit breaker with an axial magnetic field (AMF) has been developed with the ultimate aim to better understand the transition of the arc from a diffuse mode to a more confined mode. The interelectrode plasma is simulated from the exit of the mixing region on the cathode side to the entrance of the anode sheath. The two-dimensional model is based on the solution of a system of two-fluid (ions and electrons) hydrodynamic equations, including in particular the energy balance equations relative to both the ions and the electrons, which are treated as non-magnetized particles. It is demonstrated that ionisation and recombination processes, as well as viscous effects, can be neglected. Radiation losses are not taken into account in a first approximation. In addition to the forces due to the AMF, the model considers the forces created by the three components of the magnetic field induced by the arc current. The possibility of both supersonic (at low current density) and subsonic (at high current density) ionic flow regimes is considered. On the cathode side, the boundary conditions are specified using results from the literature. On the anode side, they are based on a simplified description of the anode sheath. The simulation results presented show a constriction of the current lines, emphasize the differences in the behaviour of the ions at low and high current densities, and provide some insight on the influence of various operating parameters (arc current, gap length). The present work comprises also an experimental study, based on high-speed camera visualisations of the arc and measurements of the temperature at the anode surface