Étude numérique et expérimentale de l'arc électrique et de son interaction avec les électrodes, y compris le chauffage, la fusion et l'évaporation du métal et son impact sur les propriétés de l'arc

Numerical and experimental study of the electric arc and its interaction with the electrodes, including heating, melting and evaporation of the metal and its impact on the arc properties

• Auteur / Autrice : Oswaldo Ojeda Mena
• Direction : Yann Cressault, Philippe Teulet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 23/11/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Vandad Rohani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marc Bauchire, Margarita Baeva

Mots clés

Mots clés contrôlés

Basse tension

Électrodes

Modèles mathématiques

Arc électrique

Mots clés libres

Chauffage des électrodes

Arc électrique

MHD

Plasma thermique

Évaporation du métal

Simulation numérique

Electrode heating

Electric arc

MHD

Thermal plasma

Metal evaporation

Numerical simulation

Résumé

L'objectif de cette thèse est de fournir un modèle numérique qui prend en compte l'interaction entre l'arc et les parties métalliques à l'intérieur des dispositifs de coupure basse tension. Ce travail est le résultat d'une collaboration scientifique entre Schneider Electric Industries SAS (France), le laboratoire LAPLACE de l'Université Paul Sabatier (France) et l'Université de Madère (Portugal). Les simulations numériques des dispositifs de coupure à basse tension sont devenues de plus en plus disponibles avec la croissance de la puissance de traitement informatique. Elles sont utilisées pour décrire l'arc électrique, qui se forme après la séparation des contacts, et comment il interagit avec les éléments environnants à l'intérieur du dispositif. L'un des aspects qui nécessite une considération particulière est le traitement des gaines proches des électrodes, car elles sont le siège le transfert d'énergie et de courant entre l'arc et les électrodes. En particulier, les modèles existants décrivant l'interaction arc-cathode ont été adaptés aux applications de coupure à basse tension, où les électrodes sont principalement constituées de matériaux non thermoïoniques. Lorsque l'arc interagit avec les électrodes, il provoque le chauffage, la fusion et la vaporisation du métal. La présence de vapeurs métalliques dans l'arc affecte ses propriétés et son comportement global dans le dispositif. Le présent travail porte donc notamment sur les effets de cette vaporisation de métal et son incorporation dans le modèle de l'arc électrique. À cette fin, des bases de données de propriétés pour différents mélanges air-métal sont utilisées, en plus d'un modèle d'ablation pour estimer les pertes de masse dans les électrodes. Les modèles portent sur des applications de commutation à basse tension, telles que l'ouverture de contacts. Les résultats numériques ont été comparés aux données obtenues expérimentalement. La comparaison montre une bonne concordance de la tension et du courant de l'arc. Des images à haute vitesse de l'arc sont également comparées à la température et à la distribution du métal calculées. Enfin, une étude de l'impact du matériau des électrodes sur les simulations numériques a également été réalisée.

The objective of this thesis is to deliver a numerical model which will consider the interaction between the arc and metallic parts within low voltage switching devices. The work is the result of a collaboration between Schneider Electric Industries SAS (France), the LAPLACE laboratory from the Paul Sabatier University (France), and the University of Madeira (Portugal). Numerical simulations of low voltage switching devices have become increasingly available with the growth of computational processing power. They are used to describe the electric arc, that is formed after the contacts separate, and how it interacts with the surrounding elements inside the switching device. One of the aspects that requires especial consideration is the treatment of the near-electrode layers since they define the energy and current transfer between the arc and the electrodes. In particular, existing models describing the arc - cathode interaction have been adapted to the low-voltage switching applications, where the electrodes are made mostly of non-thermionic materials. As the arc interacts with the electrodes, it will cause heating, melting, and vaporization of the metal. The presence of metal vapors in the arc will affect its properties and global behavior in the device. The present work studies how the metal vaporization effects are included in the electric arc model. For this purpose, property databases for different air-metal mixtures are used, in addition to an ablation model to estimate the mass losses in the electrodes. The models are applied in low voltage switching applications, such as the opening of contacts under an electric load, where the numerical results were compared to data obtained experimentally. The comparison shows good agreement of the arc voltage and arc current. High-speed images of the arc are also compared with the calculated temperature and metal distribution. Finally, a study of the impact of the electrode material on the numerical simulations was also performed.