Évaluation d'une nouvelle architecture pour des générateurs impulsionnels de classe méga-volt minimisant la pollution liée aux techniques d'isolations

Evaluation of a new megavolt class pulse generator architecture minimizing pollution from insulation techniques

• Auteur / Autrice : Léo Sousbielle
• Direction : Laurent Pécastaing
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 09/11/2023
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur appliquées à la mécanique et au génie électrique (Anglet) - Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur Appliquées à la Mécanique et au génie Electrique / SIAME
• Jury : Président / Présidente : Valérie Vigneras
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Pécastaing, Yann Cressault, Bucur Novac, Hermann Rothard, Eric Vagnon, Marc Rivaletto, Benjamin Lassalle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Cressault, Bucur Novac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Électromagnétisme

Mots clés libres

Impulsion électromagnétique (IEM)

Générateur de Marx

Gaz hexafluorure de soufre (SF6)

Simulation circuit

Simulation électromagnétique (EM) 3D

Prototype

Electromagnetic pulse (EMP

Marx generator

Sulfur hexafluoride (SF6) gas

Circuit simulation

3-D electromagnetic (EM) simulation

Prototype

Résumé

Afin d'étudier l'interaction d'une impulsion électromagnétique (IEM) avec les systèmes, dans le cadre d'applications militaires et civils, le CEA Gramat met en œuvre deux grands simulateurs expérimentaux. Ils se composent d'une antenne alimentée par un générateur impulsionnel permettant d'atteindre plusieurs mégavolts (Millions de Volts) avec des temps de montée de l'ordre de la nanoseconde. Les sources de tension associées à ces simulateurs ont été développées dans les années 1980 - 1990.Les performances des générateurs actuels et notamment l'obtention de temps de montée ultra-rapides sont obtenues grâce à un générateur de Marx associé à deux étages de compression temporelle (dits étage de transfert et étage de peaking). L'isolation électrique de ces sources impulsionnelles repose essentiellement sur les propriétés du gaz SF6 (hexafluorure de soufre). Néanmoins, ce gaz possède un inconvénient majeur. Il s'agit d'un gaz à effet de serre environ 23 500 fois plus nocif que le CO2. L'évolution de la réglementation internationale impose de limiter très fortement les rejets de ce gaz dans l'atmosphère, voire si possible d'exclure son utilisation. Cette thèse est une étude amont prospective, dédiée au développement d'un générateur impulsionnel de classe mégavolt pour le remplacement du générateur impulsionnel de l'un des deux simulateurs IEM actuellement en service au CEA Gramat. Le futur générateur, s'il y en a un devra permettre une amélioration significative en matière de réduction des émissions de gaz à effet de serre, tout en préservant les mêmes performances et conditions d'utilisation. En particulier, le générateur devra s'adapter à l'antenne existante. De plus, il est primordial qu'un fort niveau de fiabilité du moyen soit conservé et que sa maintenabilité soit améliorée. L'étude bibliographique de cette thèse montre qu'il n'existe pas à ce jour de gaz de substitution permettant de remplacer le SF6 avec le même niveau de performance électrique et sans nuisance environnementale. L'originalité de ces travaux réside alors sur le développement d'un générateur de Marx compact avec un temps de montée rapide, permettant de supprimer un des étages de compression temporelle (l'étage de transfert). Les avantages de cette solution sont multiples : suppression d'un étage encombrant et coûteux, réduction de la durée du stress électrique favorable à la suppression du SF6 et compacité. Ces divers avantages favorisent la conception d'une enceinte étanche en pression et au vide (primaire) afin de limiter fortement les émissions de SF6.D'après l'état de l'art bibliographique réalisé, le principe « Marx - Peaking » n'a jamais été mis en œuvre à des niveaux de performances exigées par les simulateurs du CEA Gramat. Néanmoins, les travaux de simulation détaillés (simulation circuit et simulation électromagnétique 3D) réalisés dans cette thèse montrent que ces objectifs sont atteignables avec cette architecture.Le développement d'un prototype, nommé PEPSIE, acronyme de « Prototype Evolutif Pour Simulateur d'Impulsion Electromagnétique », a permis de valider les performances d'un générateur de Marx à échelle 1/3, soit une amplitude de sortie d'environ 750 kV compatible avec l'architecture « Marx - Peaking ». La confrontation avec les résultats expérimentaux a permis de valider nos modèles de simulations et ainsi de conforter le dimensionnement du futur générateur 2,2 MV. L'architecture de ce générateur de Marx permettrait en pratique de couvrir un fonctionnement sur 70% de la plage de tension avec une isolation à l'air sec pressurisé et pour un fonctionnement supérieur à 70% de sa plage, une isolation sous SF6 (pur ou mélangé) serait nécessaire.

The CEA Gramat has two large experimental simulators to study the electromagnetic pulse (EMP) interaction with various items of interest, both for military and civil applications. These facilities are composed of a large antenna, feed by a pulsed power generator, capable of producing a MV pulse with a nanosecond rise time. The high-voltage pulsed power drivers were developed during the 80's and 90's.The very challenging performance of the existing pulsed power system feeding the EMP antenna are met with a Marx generator being connected to a double pulse compression stage made of a bulky Transfer stage connected to a further Peaking stage. The electrical insulation of these pulsed power sources was designed to rely completely on the performance of SF6 gas. Unfortunately, this technique presents a major inconvenient, as SF6 is a greenhouse gas about 23,500 time more polluting than CO2. Further EU restrictions on the use and waste regulations of this greenhouse gas are currently being discussed, to greatly limit its release in the atmosphere, and very possible to completely suppress its usage in the near future.This Ph.D represents an early study that focuses on the development of a MV-class pulsed power generator to open the way of replacing the pulsed power system for one of the EMP simulators currently in use at the CEA Gramat. The future generator should allow a significative reduction in terms of greenhouse gas emissions, while preserving the same performance as the existing generator and therefore being fully adapted to be coupled to the present antenna system. In addition, the new generator must preserve a high level of reliability and an improved maintainability. The literature study demonstrates that none of the possible existing eco-friendly gases described can be used to replace the SF6 gas with an equivalent dielectric performance and without a negative environmental impact. The novelty of the present work described in the Thesis is mainly related to the Marx generator compactness and its fast rise time of its output voltage pulse, allowing the suppression of one of the pulse compression stages (the Transfer stage). The advantages of the new Marx design are therefore obvious, firstly, the suppression of a bulky and costly pulse compression stage. Secondly, a reduction in the time high electric field stress is applied to some components and which may allow operating the system even without SF6. Lastly, the compactness of the new design allowing the use of a leakproof vessel under pressure, with this in turn facilitating the application of a vaccum technique that drastically reduces the release of SF6 gas in the atmosphere.The novel state-of-the-art system suggested for future implementation is therefore based on the simpler ‘Marx - Peaking' structure, a type of system which has never been implemented in practice to fulfil the demanding requirements stated for such installations by CEA Gramat. However, detailed numerical modelling (circuit simulation and 3D electromagnetic simulation) presented in the Ph.D Thesis show that, all design objectives are achievable.The development and tests of a Marx generator prototype termed PEPSIE, which stands for ‘Prototype Evolutif Pour Simulateur d'Impulsion Electromagnétique', have met all the requirements of the new design, compatible with the system structure ‘Marx - Peaking' at a scale of 1/3 i.e., for an output of about 750 kV. The experimental results obtained allowed benchmarking the numerical simulation models as well, opening the way for the development of the future full scale 2.2 MV Marx generator. The novel design demonstrated for the prototype Marx generator allows the system to be operated in practice with pressurized dry air up to 70% of its maximum predicted output voltage and to operate above 70% of its range, SF6 (pure or in mixture) should be required.