Étude du transfert radiatif dans des plasmas thermiques de mélanges SF6 - C2F4 : application à la simulation de disjoncteurs haute tension

Study on radiative transfer in thermal plasma mixtures of SF6-C2F4 : application to high voltage circuit - breaker simulation

• Auteur / Autrice : Christopher Jan
• Direction : Yann Cressault, Alain Gleizes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie des plasmas
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arc électrique

Disjoncteurs électriques

Plasmas chauds

Mots clés libres

Disjoncteur haute tension

Plasma thermique

Mélange SF6

C2f4

Spectre d'absorption

Continuum moléculaire

Transfert radiatif

Coefficient moyen d'absorption

Arc stabilisé

Méthode volumes finis

Résumé

La coupure du courant au travers des lignes haute tension est effectuée au moyen de Disjoncteur Haute Tension (DHT) à SF6. Lors de la séparation des contacts électriques la continuité du courant est assurée par la formation d'un plasma thermique de type arc électrique. Le transfert radiatif a trois effets majeurs dans ces dispositifs : le refroidissement des zones chaudes par émission d'un rayonnement, le réchauffement du gaz froid en périphérie par absorption du rayonnement et l'ablation des parois en PTFE ([C2F4]n). La considération du transfert radiatif nécessite une description fine des spectres d'absorption du plasma (~300 000 points en fréquence). La simulation numérique de ces décharges est largement utilisée dans le cadre du développement de nouveaux DHT et la considération du transfert radiatif dans ces modèles utilise des méthodes approchées. Ceux-ci se basent sur une description des spectres d'absorption de faible résolution (~10 points) en définissant des Coefficients Moyens d'Absorption (CMA). Ce travail présente : • Une méthode originale permettant la création d'une base de données de CMA, comprenant le continuum moléculaire et atomique et les raies atomiques pour des mélanges de SF6-C2F4 à des températures de 300 à 50 000 K et des pressions de 1 à 100 bar. • Les résultats d'un modèle de transfert radiatif en 1D, obtenus avec la base spectrale fine et l'utilisation des CMA définis avec différentes moyennes (Planck, Rosseland, " mixte ",. . . ) et sur plusieurs jeux d'intervalles. L'influence de la moyenne et du nombre d'intervalles sur le flux et sa divergence sont mis en évidence. • Le développement d'un modèle d'arc stabilisé par parois résolvant les équations considérées par la méthode des volumes finis. Celui-ci permet une comparaison entre la méthode de l'émission nette et la méthode P1 qui tient compte de l'absorption du rayonnement des zones froides, mais également une comparaison entre des jeux de CMA définis sur des intervalles spectraux différents par une méthode itérative

High voltage current switching is operated by SF6 High Voltage Circuit Breakers (HVCB). While the electrical contacts separate, the current continuity is preserved by the generation of a thermal plasma of the electrical arc type. Radiative transfer has three major effects in these systems: Cooling down the hot regions by radiation emission, heating the cold gas surrounding the arc and ablating the PTFE ([C2F4]n) walls. Consideration of the radiative transfer requires a fine description of absorption spectra of the plasma (~300 000 points in frequency). Numerical simulation of these discharges is widely used for new HVCB development and the consideration of radiative transfer in such models uses approximated methods. These ones are based on low resolution absorption spectra description (~10 points) defined by Mean Absorption Coefficients (MAC). This work presents: • An original method for the generation of a data base of MAC, considering molecular and atomic continua and atomic lines for mixtures of SF6-C2F4 at temperatures from 300 K to 50 000 K and pressures from 1 to 100 bars. • Results of a 1D radiative transfer model, obtained with the fine spectral data base and with the utilization of MAC defined by various mean definitions (Planck, Rosseland, "mixed",. . . ) over various sets of spectral intervals are presented. Influence of the mean definition and the number of intervals on the flux and the divergence of the flux are highlighted. • The development of a wall stabilized arc model solving the considered equations with the finite volume method. This one allows a comparison of the net emission method with the P1 method which considers radiative absorption of cold regions, as well as a comparison between MAC sets defined by different sets of spectral intervals using an iterative method