Injection d'un spray liquide dans le volume thermique d'un disjoncteur haute tension utilisant du CO2

Liquid spray injection inside the expansion volume of a CO2 high voltage circuit breaker

• Auteur / Autrice : Paolo Errante
• Direction : Christophe Corre, Samir Makhlouf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 05/02/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philippe Matas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Corre, Pierre Freton, Samir Makhlouf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yannick Hoarau, Simona Tonini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Disjoncteurs électriques

Pulvérisation

Lagrange, Équations de

Mots clés libres

Description Euler-Lagrange d’un spray

Modèle d’évaporation

Tables thermodynamiques

Interpolation consistante

Disjoncteur haute tension

Chambre d’expansion

Simulation numérique

Eulerian-Lagrangian description of a spray

Evaporation model

Thermodynamic tables

Consistent interpolation

High voltage circuit breaker

Expansion chamber

Numerical simulation

Résumé

Les réseaux électriques contribuent au bon fonctionnement et au bien-être des sociétés industrialisées en assurant la connexion entre sites de production d’électricité et sites de consommation, selon des standards bien définis de qualité, de sécurité et de fiabilité. Des phénomènes atmosphériques tels que précipitations, orages et vents violents peuvent endommager les équipements de transport de l’électricité et conduire à un défaut de service aux forts impacts économiques et sociaux. Afin de préserver l’infrastructure de transport de l’électricité des conséquences de tels aléas, il faut pouvoir interrompre le courant : cette fonction est assurée par des disjoncteurs haute tension. Dans ces appareils, une déconnexion mécanique des contacts électriques est réalisée pour interrompre le passage du courant. La rupture électrique du milieu dans lequel les contacts sont immergés se produit lorsque la tension est suffisamment élevée. La génération d’un arc électrique entre les contacts permet au courant de continuer à passer d’un contact à l’autre en dépit de la séparation mécanique effectuée. Des mesures spécifiques doivent alors être adoptées afin de confiner et d’éteindre l’arc électrique pour assurer l’interruption définitive du passage du courant. Dans les réseaux actuels de transport de courant alternatif, les technologies d’interruption du courant sont essentiellement basées sur le gaz SF6 (hexafluorure de soufre). Ce gaz présente cependant un Potentiel de Réchauffement Global particulièrement élevé et l’Institut SuperGrid étudie des solutions alternatives aux technologies de disjoncteur à base de SF6. Substituer au SF6 des gaz environnementalement plus vertueux, comme le CO2, se paie d’une performance d’interruption de courant dégradée. Les propriétés physiques de ces gaz alternatifs sont en effet insuffisantes pour fournir le niveau de performance du SF6. Une voie possible pour surmonter cette limitation est d’améliorer les propriétés d’un gaz tel que le CO2 en lui ajoutant des espèces chimiques bien choisies. Dans le cadre du programme de recherche mené à SuperGrid sur l’équipement des sous-stations haute tension, il a été proposé d’introduire ces espèces par le biais d’un spray liquide au niveau de la chambre d’expansion du disjoncteur. L’interaction entre les gouttelettes injectées et le mélange de gaz chauds admis dans la chambre puis refoulé vers la zone d’arc lors de la séparation mécanique entre les contacts électriques doit permettre de vaporiser le spray puis d’évacuer vers la zone d’arc le mélange gazeux modifié. Ces travaux de thèse viennent en appui d’études expérimentales menées à SuperGrid sur l’évaluation de cette stratégie d’injection d’un spray liquide. Il s’agit de développer et de mettre en oeuvre une méthodologie de simulation du dispositif qui permette de quantifier la vapeur produite et de guider les choix de conception d’une chambre avec spray. L’outil de simulation développé s’appuie sur une description Euler-Lagrange pour l’interaction mélange gazeux / spray. Le classique modèle d’Abramzon et Sirignano disponible dans le code CFD utilisé est mis en oeuvre pour décrire le spray évaporant après validation sur un cas de référence de la littérature. Les propriétés thermophysiques du mélange gazeux sont décrits par des jeux de valeurs tabulées. Une stratégie d’interpolation consistante est développée pour garantir l’obtention d’états satisfaisant le second principe de la thermodynamique. La simulation URANS de l’écoulement instationnaire dans la chambre d’expansion est validée par comparaison avec une mesure de pression réalisée sur banc d’essai. Le couplage avec le modèle de spray permet de quantifier la quantité de vapeur d’huile créée et transportée en dehors de la chambre d’expansion. La chaîne de calcul est appliquée à l’évaluation des impacts de quelques choix de conception (temps de déclenchement du spray, position de l’injecteur, caractéristiques des gouttelettes).

Electric networks represent one of the key element of industrialized societies wellness. Their main role is to bring connection between electric power production and consumption sites, providing well specified standards of quality, safety and security. Atmospheric phenomenons such as rainfall, lightning strikes and strong winds may provoke severe accidents to the electricity transport equipment, leading to service deficiencies. To protect the electricity transport infrastructure from such anomalies, the interruption of faults currents is required. This task is assigned to devices known as circuit breakers. In these kind of switchgears, the mechanical disconnection of elecricity conductors parts is realized to interrupt the current passage. The electrical breakdown of the medium in which such contacts are immersed, occurs when the voltage is sufficiently high. The generation of an electric arc causes the current to flow between the two contacts. Specific measures have to be adopted in order to confine and extinguish the electric arc, for a definitive interruption of the current passage. Nowadays, in AC transmission grids, the fault current interrupting technologies are based on the use of the SF6 (sulfur hexafluoride). SF6 is harmful for the environment because of its high Global Warming Potential. Ongoing researches within SuperGrid Institute aim at proposing alternative interruption technologies not using SF6. Unfortunately, replacing SF6 with environment friendly gases worsens the current interruption process: their physical properties being not sufficient to ensure the same performances observed when SF6 is employed. A possible way to overcome this limitation is to enhance clean gases properties by adding some chemical species. In the framework of the research activities of the High Voltage Substation Equipment program of SuperGrid, it has been proposed to introduce such species by means of an evaporative liquid spray. The interaction between injected droplets and the mixture of hot gases successively flowing into the chamber and vented outside the chamber during the mechanical separation of the electric contacts should allow spray evaporation and transport of the modified gas mixture towards the arc region. The thesis work complements experimental studies performed at SuperGrid Institute regarding this liquid spray injection strategy. Its key objective is the development and application of a numerical simulation strategy for the device which allows to quantify the vapor produced by spray evaporation and to guide the design choices of a chamber with spray. The simulation tool developed in the thesis is built on an Eulerian-Lagrangian description of the interaction between the gas mixture and the spray. The standard Abramzon & Sirignano’s model available in the CFD code used for the study is applied to describe the evaporating spray once validated on a reference experiment taken from the literature. The thermophysical properties of the gas mixture are described using sets of tabulated values. A consistant interpolation strategy is developed to ensure the calculation of states satisfying the second principle of thermodynamics. The URANS simulation of the unsteady flow in the expansion chamber is validated by comparison with a pressure measurement performed on the test-rig. The coupling with the spray model allows to quantify the amount of vapor produced and transported outside the expansion chamber. The computational loop is applied to the assessment of some design options (starting injection time, injector location, spray characteristics).