Modélisation des écoulements dans un disjoncteur haute tension

par Dannet Randrianarivao

Thèse de doctorat en Physique et ingénierie des plasmas de décharge

Sous la direction de Jean-Jacques Gonzalez et de Pierre Freton.

Soutenue en 2012

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Ce travail porte sur l'étude théorique du comportement du plasma dans un disjoncteur haute tension (DHT) pendant la phase de fort courant jusqu'au passage par zéro du courant alternatif. La pression de remplissage initiale est de 6 bars et l'intensité maximale de 57 kA. L'étude est principalement orientée sur l'influence de l'ablation des parois en téflon (C2F4) et sur la montée en pression dans les volumes d'expansion thermique. Une bonne description de cette montée en pression est indispensable car elle conditionne le soufflage de l'arc et le recouvrement diélectrique lors du passage par zéro du courant. Un modèle magnétohydrodynamique transitoire basé sur la méthode des volumes finis a été développé à partir du code commercial ArobaseFluent complété par de nombreux modules spécifiques à la description du plasma en présence de l'arc électrique. Le modèle prend en compte la description du plasma en écoulement en considérant : l'effet Joule, les forces de Lorentz ainsi que les phénomènes de turbulence et l'ablation des tuyères. Afin de pouvoir quantifier le flux d'énergie déposé par rayonnement à la paroi, différents modèles ont été implantés et appliqués tels que les modèles P-1 et DOM. Finalement un modèle hybride alliant les avantages de chacun d'eux est proposé après validation. Dans un premier temps, quelques notions générales sur les DHT sont données. Nous présentons ensuite la mise en place du modèle avec les différents modules implantés. Les résultats théoriques relatifs à la montée en pression sont comparés avec des résultats expérimentaux. La masse ablatée, ramenée à l'énergie fournie, est aussi comparée et validée avec les résultats expérimentaux. Cette masse ablatée conduit à une déformation de la géométrie que nous prenons en compte. Nous étudions l'influence du changement de la géométrie sur la montée en pression et donc sur la capacité du disjoncteur à bien fonctionner suivant le nombre des tirs. Finalement revenant sur un acquis de la communauté, une explication sur les mécanismes conduisant à la montée en pression dans les volumes de chauffage est avancée.

  • Titre traduit

    Flow modeling in high voltage circuit breaker


  • Résumé

    This work deals with the theoretical study of plasma behavior in high voltage circuit breaker (HVCB) during the high current to the zero crossing of the alternating current. The initial pressure is 6 bars and the maximum intensity is 57 kA. The study was mainly focused on the influence of ablation of the Teflon walls (C2F4) and the pressure increase in the thermal expansion volume. A good description of this pressure rise is essential because it affects the blowing of the arc and dielectric covering at the zero crossing of the current. Magneto hydrodynamic transient model based on finite volume method has been developed using the commercial code Fluent Arobase complemented by numerous modules which are specific to the description of the plasma in the presence of the electric arc. The model takes into account the description of the plasma flow by considering: the Joule effect, the Lorentz forces, the turbulence phenomena and the ablation of nozzles. In order to quantify the radiative flux deposited to the wall, different models such as the P-1 and the DOM approaches have been implemented and applied. Finally, a hybrid model which is benefiting from the advantages of both models is proposed after validation. At first, some backgrounds on HVCB are given. We then present the implementation of the model with different installed modules. The theoretical results related to the pressure rise are compared with experimental results. The ablated mass, corresponding to the deposited energy to the wall, is also compared and validated with experimental results. This ablated mass leads to a geometry deformation that we have also taken into account. We study the influence of the geometry deformation on the pressure rise and therefore the life span of the circuit breaker. Finally, an explanation of the mechanisms leading to the pressure increase in the heating volume is proposed.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (132 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 125-132

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2012 TOU3 0166
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