Étude du transfert d'énergie entre un arc de court-circuit et son environnement : application à l'Arc Tracking

par Hadi El Bayda

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Alain Gleizes et de Flavien Valensi.

Soutenue en 2012

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    L'arc tracking est un phénomène d'arc électrique se produisant lors d'un court-circuit, ayant tendance à se propager le long des câbles. Lié à la dégradation des gaines diélectriques, il peut entraîner la coupure de l'alimentation électrique et l'endommagement du milieu environnant, et est particulièrement redouté dans l'aviation. L'augmentation de la puissance électrique et les réductions de poids pour la prochaine génération d'aéronefs va nécessiter l'emploi de tensions plus élevées et le remplacement du cuivre par l'aluminium dans les câbles électriques. Des matériaux composites vont également être utilisés dans la structure. Ces changements peuvent conduire à l'apparition d'un nouveau type d'Arc Tracking, ce qui nécessite une meilleure connaissance de ce phénomène et de son impact. L'objectif de cette thèse est d'évaluer l'énergie transférée dans le cas d'un arc ayant lieu entre deux câbles adjacents dans un toron, en courant continu. Pour cela un dispositif a été développé, permettant de mettre sous tension des échantillons de câble pendant une durée déterminée sous un courant donné. Les mesures électriques sont corrélées à l'observation par imagerie rapide et à l'énergie rayonnée par l'arc mesurée par des fluxmètres. Pour évaluer la dégradation des câbles ceux-ci sont pesés avant et après les essais. A partir de ces mesures, de l'analyse thermodynamique et du calcul des coefficients d'émission nette d'un plasma d'air et de vapeurs métalliques, le bilan d'énergie a été réalisé. Les résultats obtenus montrent que pour les câbles à base du cuivre (DR) et d'aluminium (AD) la quantité d'énergie transférée aux électrodes est d'environ 40 % de l'énergie électrique totale. La quantité d'énergie rayonnée est de 25 à 28 % (jusqu'à 30 % pour les câbles AD) de la quantité d'énergie fournie à la colonne d'arc, la moitié l'étant dans le domaine VUV. Entre 24 et 34 % de l'énergie totale est fournie au plasma et sera perdue par conduction-convection. Dans le cas des câbles en aluminium, une énergie de combustion due à la formation d'oxydes s'ajoute à l'énergie électrique ; l'ablation des câbles est plus forte mais cela conduit paradoxalement à des durées d'arc nettement plus faibles que dans le cas des câbles en cuivre. Un second dispositif a été développé pour étudier le cas d'un arc entre l'extrémité d'un câble et une plaque de matériau composite. Une série d'essais a été réalisée dans le but de caractériser ce type de décharge au moyen de mesures électriques corrélées avec l'imagerie rapide. De plus l'échauffement de la plaque a été mesuré au moyen d'une camera infrarouge. Les résultats montrent que l'élévation de température, liée à l'énergie transférée aux électrodes, est plus rapide avec le câble à base de cuivre. L'élévation de température est trois fois plus importante lorsque la plaque est connectée à l'anode que dans le cas contraire.

  • Titre traduit

    Study of energy transfer between a short-circuit arc and its environment : application to Arc Tracking


  • Résumé

    Arc tracking is an electric arc phenomenon occurring during a short circuit and tending to propagate along the wires. Associated to wire dielectric coating degradation it can lead to power breakdown and damages to surrounding materials and is particularly feared in aeronautics' domain. Electrical power increase and weight reduction for the next generation of aircrafts will lead to use higher voltage and replacing copper by aluminum in the wires. Composite materials will also be more widely used in aircraft structure. These modifications can cause the apparition of a new kind of arc tracking which demands better knowledge of this phenomenon and its consequences. The aim of this thesis is to evaluate the energy transferred in the case of an arc between two nearby cables in a bundle under direct current. A setup has then been developed allowing to power up wire samples for a given period of time under a specified current. Electrical measurements were correlated to high speed imaging and measurements of radiated energy performed with radiation heat flux sensors. In order to study wire degradation, samples are weighted before and after the tests. From these measurements, thermodynamic analysis and calculation of net emission coefficients of air-metal (Al and/or Cu) plasma, the energy balance has been achieved. The results obtained show that for copper cables (DR) and aluminum cables (AD), the amount of energy transferred to the electrodes is about 40 % of the input electric energy. The quantity of radiated power is between 25 and 28 % (up to 30 % for aluminum cable) of the arc column energy, the half being in the VUV range. Between 24 and 34 % of the total energy is supplied to the plasma and will be lost by conducto-convection. In the case of aluminum cables, energy of combustion due to the formation of aluminum oxides is added to the electrical energy; cable erosion is higher but leads paradoxically to arcing times significantly lower than in the case of copper cables. A second experimental setup has been developed to study the case of an arc occurring between an extremity of a cable and a composite plate. Series of tests were realized to characterize this type of discharge, by performing electrical measurements correlated with arc fast imaging. Furthermore, the heating of plate was measured using an infrared camera. Results show that the rise in temperature due to the energy transfer to the electrodes using copper was faster than when using aluminum cable.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (189 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 179-189

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2012 TOU3 0153
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