Modélisation et simulation de la phase post-arc d'un disjoncteur sous vide

Model of the post-arc phase of vacuum circuit breaker

• Auteur / Autrice : Pierre Sarrailh
• Direction : Laurent Garrigues, Jean-Pierre Boeuf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et ingénierie des plasmas de décharge
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amorçage (électricité)

Disjoncteurs électriques à vide

Arc électrique

Mots clés libres

Disjoncteur

Post-arc phase

Modèle de plasma

Gaine

Evaporation

Claquage

Résumé

Les disjoncteurs sous vide utilisent les propriétés diélectriques du vide afin d'interrompre un courant de défaut (plusieurs dizaines de kA) dans des réseaux de distribution électrique moyenne tension (1 à 52 kV). L'inconvénient majeur de cette technologie est le risque d'échec de coupure (re-claquage) pendant la phase post-arc. La thèse avait pour objectifs d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques intervenant lors de la phase post-arc et d'isoler les mécanismes susceptibles de mener à un échec de la coupure du courant dans le disjoncteur. Le premier chapitre rappelle les enjeux et l'état de l'art de la modélisation de la phase post-arc. Il permet de justifier le développement d'un modèle original de la phase post-arc prenant en compte le comportement du plasma et des vapeurs métalliques évaporés soumis à une forte tension. Les quatre chapitres suivants exposent les quatre étapes de développement du modèle post-arc dans une géométrie 2D-cylindrique: 1) modèle non-collisionnel de croissance de gaine et d'érosion du plasma, 2) modèle d'évaporation sous vide, 3) interaction plasma/vapeurs métalliques et 4) estimation du risque de claquage. Enfin le dernier chapitre est l'occasion de revenir au problème industriel et expose les résultats de simulations dans des conditions proches de la réalité

Vacuum circuit breakers (VCB) use the dielectric properties of vacuum to interrupt a fault current (several tens of kA) in a medium voltage network (1 to 52 kV). The major problem in this technology is avoiding a breakdown event during the post-arc phase. The objectives of this thesis work were to better understanding the physical phenomena during the post-arc phase and to determine the possible mechanisms leading to a breakdown event in VCB. The first chapter presents the challenges and the state of art of modeling the post-arc phase. It justifies the development of a new model of the post-arc phase taking into account the behavior of the plasma subjected to a rapidly increasing voltage and the transport of metal vapor during this phase. The next chapters detail the four steps of the post-arc phase model development for a two-dimensional cylindrical geometry: 1) the non-collisional hybrid model of the sheath expansion and plasma erosion, 2) the model of evaporation into a vacuum, 3) the plasma/metal vapor interaction and 4) an estimation of the risk of instantaneous breakdown. The last chapter returns to the industrial problem and results of simulations in real geometries are presented.