Étude des arcs et leurs conséquences sur les matériaux de contact électrique de puissance pour des applications DC

Study of electrical arcs and their impact on electrical contact materials for power DC applications

• Auteur / Autrice : Elsa Yee Kin Choi
• Direction : James Brian Alexander Mitchell, Erwann Carvou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/07/2015
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : PRES : Université européenne de Bretagne (2007-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Metalor Technologies France SAS

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés électriques

Arc électrique

Mots clés libres

Arcs électriques

Matériaux

Caractérisations électriques

Electrical arcs

Materials

Electrical characterisations

Résumé

À ce jour, nous trouvons de nombreux systèmes requérant l'usage du courant continu dans l'industrie automobile, aéronautique, ferroviaire ou encore dans les panneaux solaires. L'ouverture et la fermeture des circuits alimentés (relais, interrupteurs, etc.) engendrent inévitablement un arc électrique (température ~5000 K). Celui-ci provoque des dégradations plus ou moins importantes aux matériaux de contact, telles que l'érosion, la soudure et l'augmentation de la résistance de contact, pouvant engendrer des dysfonctionnements des appareillages et porter atteinte à la sécurité des personnes qui les utilisent. Face à la demande de puissance électrique des appareils actuels, il est nécessaire d'augmenter la tension ou le courant d'alimentation. La tension actuelle à bord d'une voiture est de 14 VDC, il est envisagé d'augmenter cette tension à 42 VDC afin d'augmenter la puissance pour faire face à la croissance des appareils électroniques et électriques embarqués. L'intérêt d'augmenter la tension, notamment pour des applications liées au milieu automobile, permet de maintenir l'intensité du courant donc conserver un faible diamètre de câble pour une puissance plus importante et permet de ne pas rajouter une masse supplémentaire à la voiture. Cependant, le passage d'une tension de 14 VDC à 42 VDC augmente fortement ces dommages causés aux matériaux de contact par les arcs électriques. Il existe différents moyens permettant la diminution de la durée d'arc, par exemple l'optimisation du dispositif mécanique (modification de la vitesse d'ouverture des contacts, double coupure), ou bien l'utilisation d'aimants permanents qui génèrent un champ magnétique et soufflent l'arc hors de la zone de contact ou encore la modification du matériau de contact (composition chimique, forme). Les matériaux caractérisés dans cette étude allient le soufflage magnétique et l'optimisation de la composition chimique de façon à trouver un bon compromis pour limiter les dégâts causés par les arcs d'ouverture et par les arcs de fermeture. En effet, l'action du champ magnétique permet de diminuer la durée de l'arc d'ouverture (diminution d'un facteur 10) mais n'a malheureusement aucun effet sur l'arc de fermeture. D'où la nécessité de modifier la composition chimique du matériau, notamment par ajout d'oxydes métalliques (SnO2) afin de limiter les dommages de l'arc de fermeture.

Nowadays, we find many systems requiring the use of direct current in the automotive, aerospace, rail, or in solar panels. The opening and closing of the powered circuits (as relays, switches, etc.) inevitably generate an electric arc (temperature ~5000 K). This arc causes more or less significant damage to the contact materials, such as erosion, welding and increase the contact resistance, which can lead to malfunction of the equipment and impair the safety of people who use them. Facing the electric power demand of current devices, it is necessary to increase the voltage or the supply current. Currently, the voltage on board a car is 14VDC, it is planned to increase this to 42VDC voltage, to increase the power to deal with the increase of embedded electronics and electrical appliances. The interest to increase the voltage, especially for applications related to the automotive environment, keeps the current intensity therefore maintain a low cable diameter for greater power and allows not to add an additional weight to the car. However, the passage of a voltage of 14VDC to 42VDC greatly increases the damage caused to contact materials by electric arcs. There are different ways to decrease the arc duration, e.g. optimizing the mechanical device (change in opening speed of the contacts, double break), or the use of permanent magnets that generate a magnetic field and blow the arc out of the contact area, or changing the contact material (chemical composition, shape). The materials characterized in this study combine magnetic blowing and optimizing the chemical composition in order to find a good compromise to limit the damage caused by break and make arcs. Indeed, the action of the magnetic field can reduce the duration of the break arc (decrease by a factor 10) but unfortunately has no effect on the make arc. Hence, the need to modify the chemical composition of the material, including adding metal oxide (SnO2) to limit the make arcs damages.