Influence of copper contamination on thermophysical, radiation, and dielectric breakdown properties of CO2-N2 mixtures as replacement of SF6 in circuit breakers

par Linlin Zhong

Thèse de doctorat en Ingénierie des plasmas

Sous la direction de Yann Cressault et de Mingzhe Rong.

  • Titre traduit

    Influence des vapeurs de cuivre sur les propriétés thermo-physiques, radiatives, et diélectriques des mélanges CO2-N2 destinés à remplacer le SF6 dans les disjoncteurs haute-tension


  • Résumé

    La thèse porte sur les propriétés thermodynamiques, de transport, de diffusion de rayonnement, et diélectriques des mélanges CO2-N2 contaminés par du cuivre, pour des températures de 300 - 30,000 K et des pressions 0.1 - 16 bar. Les motivations de ce travail ainsi qu'un état de l'art sur le remplacement du SF6 et l'influence des vapeurs métalliques dans de tels dispositifs sont présentés dans le chapitre 1. Le chapitre 2 étudie les compositions à l'équilibre calculées à partir de la méthode de minimisation de l'énergie libre de Gibbs, en considérant la présence de phases condensées dans le plasma. A partir de ces compositions, nous présentons les propriétés thermodynamiques comme la densité de masse, l'enthalpie et la chaleur spécifiques à pressions constante. Les corrections de Virial et Debye-Hückel sont prises en compte pour tenir compte de l'effet des ions et des hautes pressions. Dans le chapitre 3, les coefficients de transport (conductivité électrique, viscosité, et conductivité thermique) et les coefficients de diffusion combinés (coefficients de diffusion ordinaires combinés, ceux liés au champ électrique, aux gradients de pression et de température) sont calculés selon la théorie de Chapman-Enskog. Les intégrales de collision nécessaires au calcul de ces coefficients sont obtenues pour les interactions neutre-neutre et neutre-ion à partir d'un potentiel de Lennard-Jones modifié. Dans le chapitre 4, les coefficients d'émission nette (CEN) sont calculés en considérant le rayonnement des raies atomiques, du continuum atomique, des raies moléculaires et du continuum moléculaire. Les élargissements en pression des raies (élargissements de Van der Waals et de résonance), les élargissements Stark, et l'élargissement sont pris en compte dans la détermination d'un facteur de fuite qui permet de simplifier le calcul du coefficient d'émission des raies. Le rayonnement du continuum atomique tient compte de l'attachement radiatif, de la recombinaison radiative et du Bremsstrahlung. Dans le chapitre 5, les propriétés diélectriques de claquage (incluant la fonction de distribution d'énergie des EEDF), le coefficient réduit d'ionisation réduit, le coefficient réduit d'attachement électronique, le coefficient effectif réduit d'ionisation, et le champ critique réduit) du gaz chaud ont été calculés sur la base de l'approximation à deux termes de l'équation de Boltzmann. Les interactions, incluant les collisions élastiques, excitation, ionisation et attachement entre électrons et espèces neutres sont pris en compte dans la résolution de l'équation de Boltzmann. Les sections efficaces d'ionisation de Cu2 et CuO non disponibles dans la littérature ont été calcules selon la méthode DM. La conclusion des travaux et leurs perspectives sont présentés dans le chapitre.


  • Résumé

    Sulfur hexafluoride (SF6) is a greenhouse gas designated by the Kyoto Protocol because of its extremely high global warming potential (GWP). CO2, N2, and their mixtures have the potential to replace SF6 in certain applications, such as circuit breakers. In these electric apparatus, copper vapour resulting from the heating of electrodes can modify the characteristics of arc plasmas, which must be taken into account when setting up physical models. This dissertation, therefore, investigates the thermodynamic, transport, diffusion, radiation, and dielectric breakdown properties of CO2-N2 mixtures contaminated by copper at temperatures of 300 - 30,000 K and pressures of 0.1 - 16 bar. The equilibrium compositions are calculated using the minimization of Gibbs free energy with consideration of condensed species. Copper vapour is found to condense at temperatures below 3000 K. Based on the compositions, the thermodynamic properties, including mass density, specific enthalpy, and specific heat at constant enthalpy, are determined according to their definitions. The Debye-Hückel corrections are also considered in the calculation of compositions and thermodynamic properties. The transport coefficients (including electrical conductivity, viscosity, thermal conductivity) and combined diffusion coefficients (including the combined ordinary diffusion coefficient, combined electric field diffusion coefficient, combined temperature diffusion coefficient and combined pressure diffusion coefficient) are calculated based on the Chapman-Enskog theory. The newly developed Lennard-Jones like phenomenological model potential is adopted to describe the neutral-neutral and neutral-ion interactions in determining collision integrals. The net emission coefficients (NEC) of gas mixtures are calculated with considering atomic lines and continuum and molecular bands and continuum. The pressure broadening (Van der Waals broadening and the resonance broadening), Stark broadening, and Doppler broadening are taken into account in the determination of escape factors. The continuum radiation of atoms is described by radiative attachment, radiative recombination, and Bremsstrahlung. The dielectric breakdown properties (including EEDF, reduced ionization coefficient, reduced electron attachment coefficient, reduced effective ionization coefficient, and reduced critical electric field strength) of hot gas mixtures are calculated based on the two-term approximation of the Boltzmann equation. The interactions, including elastic, excitation, ionization and attachment collisions, between electrons and neutral species are taken into account in solving the Boltzmann equation. The ionization cross sections of Cu2 and CuO which are unavailable in literatures are calculated using the DM method. Compared with SF6-Cu mixtures, CO2-N2-Cu mixtures present much different thermophysical, radiation, and dielectric breakdown properties. As an arc quenching gas, CO2-N2-Cu mixtures have lower ??Cp and thermal conductivity at low temperatures but present higher ??Cp, thermal conductivity, and NEC in the medium temperature range. As an insulating medium, the hot CO2-N2-Cu mixtures have much poorer dielectric strength below 2000 K, whereas above 2000 K, they present better dielectric breakdown performance than SF6-Cu mixtures.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2017 par Université Paul Sabatier [diffusion/distribution] à Toulouse

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Informations

  • Sous le titre : Influence of copper contamination on thermophysical, radiation, and dielectric breakdown properties of CO2-N2 mixtures as replacement of SF6 in circuit breakers
  • Détails : 1 vol. (145 p.)
  • Notes : Thèse soutenue en co-tutelle.
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