Interaction entre arc et matière granulaire lors d’une coupure ultra-rapide dans un fusible

Interaction between arc and granular material during a high speed power cut in a fuse

• Auteur / Autrice : Xavier Just
• Direction : Jean-Marc Chaix, Rémy Dendievel, Olivier Bonnefoy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 21/11/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Louis Vignoles
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Bonnefoy, Gérard Thomas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Muriel Carin, William Bussière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arc électrique

Tomographie

Fusibles (électricité)

Mots clés libres

Fusibles

Intéraction arc/matière

Modélisation par élements finis

Radiographie ultra-rapide

Micro-tomographie RX

Fuses

Arc/matter interaction

Finite element modeling

Ultra-fast radiography

X-ray micro-tomography

Résumé

Ce travail s’inscrit dans le projet Fusible Ecologiquement et Economiquement Efficace destiné à la protection des onduleurs à commutation en tension (FE2E) porté par la société Mersen. Les fusibles étudiés sont constitués de lames d’argent noyées dans du sable de silice aggloméré. Lors d’un court-circuit, un arc électrique apparaît au niveau de rétrécissements dans les lames d’argent (« sections réduites »). Les coupures ultrarapides (moins de 100 microsecondes) ont été très peu étudiées. La structure formée après coupure (fulgurite) est constituée d’un canal d’arc entouré de silice fondue. C’est sur ces structures que cette étude a été réalisée.Après une étude bibliographique, un travail expérimental a été mené pour comprendre comment l’énergie de l’arc est absorbée par la matière. Des observations de coupures par radiographie in situ réalisées à l’ESRF ont permis d’établir des liens entre les phénomènes de création de fulgurite et les mesures électriques. Des observations et des mesures ont été réalisées. Elles ont conduit à établir des corrélations entre le volume, la nature et la structure de la masse isolante générée lors de la coupure et les caractéristiques électriques de l’arc. Les mesures ont en particulier permis d’obtenir des dimensions et des formes caractéristiques des zones affectées thermiquement lors des coupures aux grands di/dt.Grâce à ces informations, des modèles numériques ont été développés, avec pour objectifs de décrire la formation du canal d’arc et d’estimer l’effet du confinement de l’arc par le sable de silice. Des géométries 1D axisymétriques puis 2D ont été utilisées. L’arc électrique était considéré comme une densité de puissance et le sable comme un milieu continu équivalent. Deux cas extrêmes ont été testés, l’un dans lequel la matière vaporisée est confinée dans un canal d’arc fermé, l’autre dans lequel elle s’échappe instantanément. Cela a permis d’identifier les conséquences du confinement sur les phénomènes lors de la coupure.La corrélation entre modélisation et expérience a conduit à un modèle simple dont les résultats sont conformes aux mesures expérimentales et qui permettent de donner des éléments pour le dimensionnement des nouveaux fusibles. Les phénomènes à prendre en compte dans le futur ont été identifiés, comme la propagation de la silice liquide et l’écoulement du gaz dans le milieu granulaire et la formation de l’arc.

This work is part of a project called Environmentally and Economically Effective Fuses (FE2E) driven by the Mersen company. The studied fuses are silver blades embedded in agglomerated silica sand. In case of short circuit, an electric arc appears in shrinked parts (“notches”) of silver blades. The structure formed after the cut (fulgurite) consists in an arc channel surrounded by amorphous silica. Extremely fast cuts (less than 100 microseconds) have been poorly studied.After a bibliographical review, an experimental work was performed to understand how the arc power is absorbed by the surrounding material. Power cuts observations using in situ radiography performed at the ESRF allowed to establish links between fulgurite formation phenomena and electric measurements. Observations and measurements led to correlations between volume, nature and structure of the insulating mass generated during the power cut and electrical characteristics of the arc. In particular, these measurements provided characteristic sizes and shapes for heat affected zones during power cuts at high di/dtNumerical models were developed on this basis for describing the arc channel formation and determining the role of silica sand containment. 1D then 2D axisymmetric geometries were used. The electric arc was considered as a power source and the sand as an equivalent continuous medium. Two extreme cases were tested: when the vaporized material was confined to a closed arc channel and when it escapeed immediately from the arc channel. The results helped identify the consequences of gas containment in the arc channel during power cut.Modeling vs experience correlations led to a simple model which gives information for optimizing new fuses. Some phenomena to be taken into account in future works have been identified, such as the liquid silica penetration and gas flow in the granular packing and the early stages of arc formation.