Étude de la composition chimique et des propriétés thermodynamiques et radiatives d'un plasma de SF6-C2F4 en condition de déséquilibre thermique

Study of the chemical composition and thermodynamic and radiative properties for a SF6-C2F4 plasma in non-thermal equilibrium

• Auteur / Autrice : Xavier Baumann
• Direction : Philippe Teulet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie des plasmas
• Date : Soutenance le 20/02/2019
• 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-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yann Cressault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas, Électrodynamique des

Arc électrique

Disjoncteurs électriques

Mots clés libres

SF6

C2F4

Disjoncteurs haute-tension

Composition chimique

Propriétés thermodynamiques

Propriétés radiatives

2T

Hors équilibre thermique

Chemical composition

Radiative properties

Thermodynamics properties

SF6

C2F4

Chemical kinetic

2T

Non-thermal equilibrium

Résumé

Le transport du courant électrique sur de longues distances nécessite l'emploi de la haute-tension pour minimiser les pertes en énergie. Toutefois, lorsqu'un défaut survient sur le réseau, il faut pouvoir couper le courant électrique. À cette fin, on utilise des appareils spécifiques comme les disjoncteurs haute-tension qui doivent être capables de couper l'arc électrique qui se forme lors de l'ouverture des contacts électriques. Afin de concevoir et d'améliorer les disjoncteurs, les industriels recourent de plus en plus aux modélisations numériques simulant le comportant de l'arc électrique et du plasma qui le sous-tend. Toutefois, les phénomènes ayant lieu dans le plasma sont complexes et nécessitent une expertise bien spécifique, disponible dans les laboratoires de recherche publique. Cette thèse s'inscrit dans un partenariat entre l'industriel Siemens et l'équipe AEPPT du LAPLACE dans le but de créer une banque de données, nécessaire aux modélisations numériques, afin d'étudier spécifiquement la phase d'extinction de l'arc électrique. Cette banque porte sur les propriétés thermodynamiques et radiatives du plasma. Les coefficients de transport, essentiels, ont fait l'objet d'une autre thèse effectuée en parallèle de celle-ci par G. Vanhulle. Le calcul de ces propriétés est relativement bien connu si le plasma est à l'équilibre thermodynamique. Néanmoins, lors de l'extinction de l'arc, les électrons libres et les particules lourdes (molécules, atomes et ions) ne sont plus nécessairement à l'équilibre thermique et sont décrits par des températures différentes (on parle alors de plasma 2T). L'originalité de cette thèse réside dans l'extension du calcul des propriétés d'un plasma SF_6-C_2 F_4 en conditions hors équilibre thermique. Nous commençons par discuter le calcul des températures internes des espèces lourdes (température d'excitation des niveaux électroniques, vibrationnels et rotationnels) puis le calcul des fonctions de partition, indispensables pour obtenir les autres propriétés du plasma. Pour obtenir la composition chimique 2T du plasma, nous avons développé une approche fondée sur la cinétique chimique qui est basée sur un ensemble d'équations de bilan de peuplement, permettant de limiter les approximations physiques simplificatrices. Toutefois, cette approche n'est pas adaptée pour calculer une grande banque de données. Nous avons donc opté pour une méthode de calcul de la composition selon deux lois d'action de masse multi-températures. À l'aide des compositions chimiques obtenues, nous calculons ensuite les propriétés thermodynamiques et radiatives. Les propriétés thermodynamiques (densité, enthalpie et capacité thermique) sont décrites et les résultats sont discutés. Les propriétés radiatives sont plus complexes à obtenir. Nous présentons en détails les processus radiatifs et les phénomènes d'élargissement des raies atomiques permettant d'obtenir les coefficients d'émission et d'absorption du plasma. Enfin, nous discutons le transfert du rayonnement à travers le plasma et nous présentons nos résultats en utilisant la méthode du coefficient d'émission nette permettant de déterminer la divergence du flux radiatif dans les modèles magnétohydrodynamiques.

To transport the electrical current on large distances, we have to use high voltage to minimize the energy losses. However, if an electrical fault occurs in the distribution network, we should be able to turn off the electrical current. For this purpose, we use specific devices: the high voltage circuit breakers that should to shut off the electrical arc formed when the electrical contacts are separated. To design and to upgrade the high voltage circuit breakers, the manufacturers are increasingly using numerical modelisations that simulate the electrical arc and the plasma behaviors. Nevertheless, the physics phenomena in the plasma are complex. To describe them, a specific expertise, available in the public research laboratories, is necessary. This thesis is in a partnership between the Siemens company and the AEPPT group in LAPLACE to create a databank to study the extinction phase of electrical arc. This data bank includes thermodynamic and radiative properties of plasma. The transport coefficients have been studied in another thesis conducted in parallel by G. Vanhulle. The calculation of these properties is relatively well known if the plasma is in local thermodynamic equilibrium. But, during the extinction of arc, the free electrons and the heavy particles (molecules, atoms and ions) are not necessary in thermal equilibrium and are describe by different temperatures (the plasma is referred to as 2T plasma). The originality of this thesis is in the extension of the calculation of properties for a SF_6-C_2 F_4 plasma out of thermal equilibrium. First, we discuss the calculation of internal temperatures of heavy particles (excitation temperatures of electronic, vibrational and rotational levels). Then, we report the calculation of partition functions that are essential to get the others properties. To get the 2T chemical composition of the plasma, we developed an approach based on a set of balance equations. In this method, the physical approximations are limited but it is not adapted for the massive calculation of a databank. Therefore, we opted for a method based on two multi-temperature laws of mass action. With the chemical compositions, we calculated the thermodynamic and radiative properties. The thermodynamic properties (mass density, enthalpy and heat capacity) are described and the results are discussed. The radiative properties are complex. We describe in details the radiative processes and the broadening phenomena of atomic lines to get the emission and absorption coefficients. Finally, we discuss the transfer of radiation across the plasma. We show our results resulting of the net emission coefficient method to get the divergence of radiation flux used in magneto-hydrodynamic model.