Soutenance mémoire
Le disjoncteur basse tension (DBT)
Le DBT est un appareillage électrique de protection dont la fonction consiste à ouvrir manuellement le circuit par action de l’usager ou automatiquement en cas de défaut électrique, à faire chuter le courant à zéro et de garantir l’isolation après coupure.
On peut citer 3 types de défauts : court-circuit, surcharge ou défaut d’isolation. Le DBT protège des réseaux électriques pour des gammes de tension inférieures au kilovolt. La Figure I.6 présente la structure interne d’un disjoncteur basse tension. Sur cette figure, nous pouvons repérer différents éléments tels que: les module thermique, magnétique, ou bien mécanique. La chambre de coupure est constituée par des plaques métalliques parallèles. Différents noms sont donnés à ces plaques tels que : séparateurs, splitters, déions. Le processus d’ouverture est différent selon les cas: la protection contre une surcharge est assurée par le module thermique constituédu bilame. Lors de sa déformation le bilame vient appuyer sur le mécanisme d’ouverture des contacts. L’ouverture en cas de surcharge est plutôt lente. La protection contre le court-circuit est assurée par un module magnétique constitué d’une bobine. En cas de courtcircuit, une forte variation de courant se produit dans le circuit engendrant alors dans le solénoïde le mouvement du percuteur qui vient ouvrir les contacts à grande vitesse.
Types de DBT
Les principaux types de DBT sont le disjoncteur isolé (Insulated Case Circuit Breaker: ICCB), le disjoncteur à boîtier moulé (Molded Case Circuit Breaker : MCCB) et le disjoncteur miniature (Miniature Circuit Breaker : MCB).
Technologie de coupure
Dans le disjoncteur basse tension, une chambre de coupure est utilisée pour accélérer l’extinction de l’arc. Le principe fondamental de la chambre de coupure consiste à déplacer l’arc vers une série de plaques métalliques afin de segmenter l’arc en plusieurs parties. La technique de coupure est basée sur la limitation de courant, ce qui signifie que la valeur crête du courant d’arc est bien inférieure à la valeur de courant prospectif. Le principe de la limitation est le suivant : Soit un circuit alternatif de tension e, débitant dans une charge Z à travers un dispositif de protection A, de résistance équivalente R et d’inductance L.
Le maximum de courant limité est atteint lorsque la tension Ua est égale à la tension de la source e. Sur la Figure I.8 le point «P » représente le point d’intersection des courbes de la tension Ua et de la tension «e ». Les courbes montrent que pour obtenir une limitation correcte, il est indispensable que l’instant de l’intersection (Point P) intervienne bien avant le maximum du courant présumé (donc < 5 ms en 50 Hz) d’où l’intérêt d’une augmentation de la tension Ua la plus rapide possible.
Pour obtenir une décroissance du courant de court-circuit, il faut que la tension maximale UM introduite par Ua soit supérieure à la tension maximum e de la source. Par conséquent, les deux conditions à respecter par Ua pour une limitation correcte sont :
(A) Développement rapide de la tension Ua obtenue dans le disjoncteur par une forte accélération de l’arc après sa naissance pour avoir le temps ts minimum ;
(B) Augmentation de la tension de l’arc pour avoir UM > e par allongement, fractionnement et refroidissement de l’arc dans la chambre de coupure.
Augmentation de la tension de l’arc
La limitation du courant est due à l’augmentation de la longueur de l’arc ainsi que de la tension à ses bornes. La longueur de l’arc peut être augmentée par la commutation de l’arc et son allongement par des rails divergents, cependant le mécanisme le plus efficace pour une augmentation rapide de la tension réside dans la phase de segmentation par les séparateurs où la tension d’arc est augmentée par des chutes de gaines anodique et cathodique [Mut_2]. Les séparateurs généralement sont en acier en raison de sa propriété ferromagnétique qui favorise l’insertion de l’arc dans la chambre de coupure [Lin_1] . De gauche à droite : dans le cas où les contacts sont fermés, le courant circule et la tension aux bornes des contacts est nulle. Après l’ouverture des contacts, l’arc crée une différence de potentiel U1 qui est la somme de la chute de tension anodique et cathodique (Uac) et de la tension de la colonne positive. La tension de la colonne dépend de sa longueur (L) et du champ électrique entre les contacts (Ecol). Une augmentation progressive de l’écartement entre les contacts induit une augmentation de la tension (U2 > U1). En présence d’un séparateur (épaisseur h), l’arc est segmenté. La tension de l’arc U3 augmente en raison des chutes additionnelles. C’est ce principe qui est utilisé dans la chambre de coupure du DBT.
Commutation et déplacement de l’arc
Lors de l’ouverture des contacts, sous l’effet du champ magnétique et de la force de pression, l’arc est allongé et déformé . Il se déplace ensuite vers la chambre de coupure. L’efficacité de la coupure dépend du temps nécessaire pour couper le courant, et donc du temps d’ouverture du contact et du temps de déplacement de l’arc entre les contacts et les séparateurs.
Les études sur le temps d’ouverture des contacts reviennent à étudier le temps d’immobilité de l’arc qui correspond au temps de stagnation sur les contacts. Ce temps joue un rôle important pour la limitation du courant et l’érosion des contacts. Le temps d’immobilité dépend de nombreux paramètres tels que : la vitesse d’ouverture du contact mobile, la nature des contacts, les conditions d’échappement du gaz de la chambre ainsi que de la polarité des contacts durant la phase de commutation. Le temps de déplacement peut être affecté par le champ magnétique, la géométrie de la chambre aussi que par les conditions d’échappement de gaz. Ces temps peuvent être appréhendés par les courbes de la tension d’arc mesurée ou par caméra rapide. Différents travaux expérimentaux et théoriques sont menés afin d’accéder à ces grandeurs.
Lindmayer [Lin_2] et Belbel [Bel_1] ont étudié expérimentalement l’influence de la vitesse d’ouverture et de la nature des contacts sur le temps d’immobilité. Pour différents matériaux de contact: cuivre, argent, nickel, et cadmium, Lindmayer a montréque le temps d’immobilité était plus faible pour le cuivre et que l’utilisation du cadmium ou de matériaux contenant de l’oxyde de cadmium donnaient un temps d’immobilité plus grand que lors de l’usage du nickel et de l’argent. Par contre, pour des vitesses d’ouverture de contact supérieures à 6 m/s, le temps d’immobilité est peu dépendant du courant prospectif de court-circuit, de la vitesse d’ouverture ou bien de la nature des contacts [Bel_1]. Le cuivre est fortement sensible à l’érosion due à la présence de l’arc et la commutation commence plus tôt lors de contacts contenant de l’argent carboné [Tou_1].
Le groupe de McBride a aussi étudié expérimentalement la commutation de l’arc [McB_7] [McB_2][McB_3][McB_4] [Pec_1] et son déplacement [Wea_1] [McB_5] [McB_6] [McB_1] [McB_8][McB_9] par la mise en place d’un système d’imagerie rapide. Concernant la commutation, ils ont montré que l’augmentation de la vitesse d’ouverture diminuera le temps d’immobilité de l’arc sur les contacts. Ils ont aussi relevéque la nature des contacts et des rails influençait la vitesse de déplacement de l’arc. La configuration des échappements de gaz est aussi essentielle pour le déplacement des pieds d’arc comme a pu le montrer McBride [McB_3].
Dans l’équipe de Rong, un modèle 3D d’arc, dans une géométrie simplifiée de chambre de disjoncteur, a été proposé pour étudier le mécanisme d’ouverture [Wu_2][Wu_3][Wu_4][Ron_3] et le déplacement de l’arc [Ron_1][Ron_2][Li_1][Li_2][Wu_1][Yan_2][Wu_5][Ma_1]. L’ouverture des contacts est provoquée par la rotation du contact mobile. Le domaine de calcul est divisé en deux parties : une zone déformée et une zone fixe. Les dimensions de la géométrie sont de 80 x 15 x 10 mm suivant l’axe x (longueur), y (hauteur), z (largeur). Lors de la simulation, le contact mobile (1) et le rail supérieur (4) sont en polarité anodique, le contact fixe (2) et le rail inférieur (3) en polarité cathodique. La simulation a été réalisée en considérant un champ magnétique externe constant de 5.5 mT et un courant de 1.5 kA [Wu_2 [Wu_3][Wu_4]. La Figure I.12 montre une partie des maillages en 2D sur le plan (xy). Autour du contact mobile, le nombre et la forme des cellules peuvent être ajustés pendant le calcul (Maillage adaptatif). Le nombre de cellules total est d’environ 132850. Entre les deux maillages fixe et adaptatif se trouve une interface fluide qui contraint les deux zones.
Les résultats ont montré que l’augmentation de la vitesse d’ouverture des contacts et du champ magnétique externe pouvait réduire le temps de la commutation.
L’évolution de la tension de l’arc, obtenue par la simulation est représentée. La grandeur représente la vitesse d’ouverture du contact mobile. La tension de l’arc augmente avant la commutation et lors de l’allongement de l’arc [Wu_2][Wu_3][Ron_3]. Entre t = 0 à t1 (1 ms), la tension de l’arc augmente linéairement, l’arc est positionné entre les deux contacts et présente une forme cylindrique. Après t1, pendant l’ouverture du contact, l’arc commence à se déplacer sur le contact mobile. La contribution de la tension provient donc de l’étirement de l’arc mais aussi des prémisses du galbe. Entre les instants t2 et t3 on observe un changement de pente dans l’évolution de la tension qui correspond à l’instant où l’arc quitte la pastille du contact fixe. Dans cet intervalle temporel, l’arc est attaché sur le bord du contact mobile. Son galbe lui permet d’approcher le rail supérieur. On observe une augmentation rapide de la tension jusqu’à l’instant t2 où l’arc commute sur le rail supérieur. Après 2.3 ms l’arc est totalement accroché sur le rail supérieur, et se déplace sous l’influence des forces.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I : Généralités – Position du sujet
I.1. L’arc électrique
I.2. Le plasma thermique
I.3. Zones anodique et cathodique
I.4. Application des arcs électriques
I.5. Le disjoncteur basse tension (DBT)
I.5.1. Types de DBT
I.5.2. Technologie de coupure
I.5.3. Augmentation de la tension de l’arc
I.5.3.1. Commutation et déplacement de l’arc
I.5.3.2. Segmentation de l’arc
I.5.4. Autres travaux
I.5.4.1. Dimensions des gaines
I.5.4.2. Courant de Foucault
I.5.4.3. Fréquence du courant
I.5.4.4. Nombre de séparateurs
I.6. Synthèse de l’étude bibliographique
CHAPITRE II : Modélisation
II.1. Introduction
II.2. Equations hydrodynamiques
II.2.1. Equation de conservation de la masse
II.2.2. Equation de conservation de la quantité de mouvement
II.2.3. Equation de conservation de l’énergie
II.3. Equations électromagnétiques
II.4. Présentation du code Ansys – Fluent
II.5. Travaux antérieurs de l’équipe sur les mouvements des pieds d’arc
II.6. Description du modèle de gaine – application à une géométrie de la littérature
II.6.1. Mise en place de l’approche de Lindmayer [Lin_1]
II.6.2. Hypothèses générales du modèle
II.6.3. Conditions initiales
II.6.4. Conditions aux limites
II.6.5. Influence du nombre de séparateurs sur le comportement de l’arc
II.6.5.1. Cas sans séparateur (0 Sp_50 A)
II.6.5.2. Cas avec un séparateur (1 Sp_50 A)
II.6.5.3. Cas avec deux séparateurs (2 Sp_50 A)
II.6.5.4. Analyse comparative suivant le nombre de séparateurs
II.6.6. Influence de l’intensité de courant sur le comportement de l’arc
II.6.7. Synthèse des résultats de modélisation
CHAPITRE III : Expériences et étude paramétrique
III.1. Présentation de l’expérience
III.1.1. Prise en main de la maquette des travaux de J. Quéméneur [Qué_1]
III.1.2. Présentation de la nouvelle maquette
III.1.3. Alimentation impulsionnelle
III.1.4. Outils de diagnostics
III.1.5. Synchronisation
III.1.6. Outil d’exploitation
III.2. Etudes paramétriques
III.2.1. Estimation du courant présumé
III.2.2. Influence de nombre de séparateur sur le comportement de l’arc
III.2.2.1. Conditions expérimentales
III.2.2.2. Caractéristiques électriques
III.2.3. Influence du «bouchage » de la chambre sur le comportement de l’arc
III.2.3.1. Conditions expérimentales
III.2.3.2. Déplacement de l’arc
III.2.4. Influence de la forme des séparateurs sur le comportement de l’arc
III.2.4.1. Conditions expérimentales
III.2.4.2. Caractéristiques de la tension
III.2.4.3. Déplacements avec imagerie
III.2.5. Influence de l’intensité sur le comportement de l’arc
III.2.5.1. Conditions expérimentales
III.2.5.2. Caractéristiques du courant
III.2.5.3. Etats des rails et des séparateurs
III.3. Synthèse des résultats expérimentaux
CHAPITRE IV : Application à la configuration expérimentale
IV.1. Géométrie et maillage
IV.2. Condition initiale
IV.3. Amorçage par un canal de Température
IV.3.1. Configuration (O-O)
IV.3.2. Configuration (F-O)
IV.4. Amorçage par un canal de Température et de Pression
IV.4.1. Choix de la pression initiale
IV.4.2. Géométrie réduite
IV.4.3. Comparaison des résultats expérimentaux et simulations
IV.4.3.1. Déplacement de l’arc
IV.4.3.2. Tension de l’arc
IV.5. Synthèse des résultats
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
