Etude des forces à l'origine du déplacement d'un arc électrique dans un disjoncteur basse-tension

Study of the forces leading to the electrical arc movement in the low-voltage circuit breaker

• Auteur / Autrice : Jean Quéméneur
• Direction : Pierre Freton, Mathieu Masquère
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie des plasmas
• Date : Soutenance le 14/04/2016
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Disjoncteurs électriques

Arc électrique

Volumes finis, Méthodes de

Mots clés libres

Plasma thermique

Imagerie rapide

Arc de coupure

Mesures de pression

Modélisation fluide

Disjoncteur Basse-Tension

Méthode des volumes finis

Thermal plasma

Numerical modelling

Finite volume method

Breaking arc

High-speed imaging

Pressure measurement

Low-voltage circuit breaker

Résumé

Le Disjoncteur Basse-Tension (DBT) est un appareil classique de la distribution électrique depuis plus de cinquante ans. Mais aujourd'hui, avec l'arrivée de produits bas-coût fabriqués dans les pays émergents, les industriels sont soumis à une forte pression pour développer de nouveaux systèmes moins encombrants, utilisant d'autres matériaux, ou incorporant davantage de fonctionnalités. Cette recherche est très compliquée dans la mesure où le DBT est un système hautement multi-physique (mécanique, thermique, physique des matériaux, physique des plasmas, ...). De fait, le développement de nouveaux produits passe par un processus empirique long et coûteux. Cet effort pourrait être réduit par l'utilisation de modèles prédictifs permettant d'arriver plus vite à un système fonctionnel. De nos jours, avec l'augmentation des moyens de résolution numérique, de plus en plus de travaux portent sur la description multi-physique en 3D du DBT et notamment sur la chambre de coupure ou l'arc électrique est amorcé, se déplace et doit être éteint, l'objet de nôtre étude. Le travail de cette thèse se divise en deux axes complémentaires : le développement d'un modèle fluide 3D en méthode des volumes finis simulant l'arc électrique et son déplacement dans la chambre de coupure; ainsi que la mise en place d'un dispositif expérimental permettant d'analyser le phénomène physique en œuvre. Pour ces deux points la problématique est abordée dans une configuration simplifiée de DBT où l'arc se déplace entre deux rails parallèles dans une chambre parallélépipédique. Basé sur le savoir-faire du groupe AEPPT, un modèle numérique est établi pour simuler le plasma thermique. Les particularités de ce modèle, du fait de l'application, sont la nécessité d'une résolution précise du champ magnétique en utilisant le calcul de Biot & Savart pour les conditions limites ainsi que l'utilisation de méthodes permettant le déplacement et la commutation de l'arc. La validation de ce modèle se fera à géométrie similaire par confrontation avec l'expérience. En s'inspirant de précédents travaux nous avons réalisé une maquette expérimentale composée d'un réacteur faisant office de chambre de coupure et d'un mécanisme permettant l'amorçage de l'arc dans le réacteur par ouverture rotative du contact à vitesse contrôlée. D'autres paramètres modifiables sont la taille du réacteur ainsi que les matériaux qui le constituent. Les diagnostiques disponibles en plus de la mesure de courant et de tension sont l'imagerie rapide et la mesure de pression en différents points de la chambre de coupure. Notre expérience est utile pour la réalisation d'études paramétriques en découplant facilement les paramètres. En outre, par la mise en évidence des phénomènes prépondérants, notre maquette aide à la mise en place du modèle en plus de permettre sa validation expérimentale. Cette thèse est donc une étape cruciale vers la mise en place d'un modèle prédictif.

Low-Voltage Circuit Breakers (LVCB) are classical apparatuses of electrical distribution since more than fifty years. But nowadays, with the outbreak of low-cost products from the developing countries, industry is under a strong stress in order to improve their devices by making them more compact, using different materials or to implement new functionalities. This research is harsh since LVCB are highly multiphysics systems (mechanics, thermal properties, materials, plasma physics, ...). Therefore, developing new products goes through a long and expensive empirical process. Those efforts could be reduced by using predictive models allowing to get faster to a functional device. With the improvements of the numerical solution capacity, there are more and more works toward the 3D multiphysical description of the LVCB, especially on the extinction chamber where the electrical arc is ignited, moved and must be quenched. This is the subject of our work. The study described here is divided in two complementary parts: development of a 3D fluid model with finite volume method simulating the electrical arc and its movement inside the arc extinction chamber; and the set-up of experimental means to analyse this physical phenomenon. For those two points, we use a simplified LVCB configuration with an arc moving between two parallel rails inside a rectangular box chamber. Based on AEPPT's know-how, a numerical model is established to simulate thermal plasma. Particularities on this model, due to the application, are the resolution of Biot&Savart law to calculate precisely the magnetic field for the boundary condition and the development of methods to model the arc roots movement and commutation of the arc from the moving contact to the rail. Validation of this model will be done with the same geometry by confrontation with the experiment. Inspired by precedent works we designed a test apparatus with a reactor representing the extinction chamber of the LVCB and an opening mechanism allowing arc ignition by contact opening at a specified speed. Other parameters such as size of the chamber and materials can be modified. Measurements will include high speed imaging and pressure acquisition in several points of the reactor in addition to the classical current and voltage measurements. This experiment is useful for parametric studies with its easy uncoupling of the parameters. Moreover, by highlighting the dominating phenomena for arc movement, this set-up helps in the build-up of the model over and above the experimental validation.