Etude du mélange g3 en vue du remplacement du SF6 dans l'appareillage électrique haute tension - comportement thermodynamique et de la stabilité à long terme.

Study of the g3 mixture for the replacement of SF6 in high voltage electrical equipment - thermodynamic behavior and long-term stability

• Auteur / Autrice : Driss El kinaoui
• Direction : Christophe Coquelet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Inscription en doctorat le 15/02/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Energétique et Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : CTP - Centre Thermodynamique des Procédés
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université de Recherche Paris Sciences et Lettres (2015-2019)

Mots clés

Mots clés libres

Propriétés thermohpysiques

Stabilité à long terme

Comportement thermodynamique

Modèle thermodynamique

Thermo-physical properties

Long-term stability

Thermodynamic behavior

Thermodynamic model

Résumé

Dans l'industrie de la production des équipements électriques, l'usage des gaz et des substances chimiques, est très connu. Notamment dans la production et le fonctionnement des disjoncteurs électriques, qui se constituent de plusieurs composantes, parmi lesquelles, la chambre d'isolation qui représente le coeur du disjoncteur. Cette partie est la plus importante dans ce type d'équipement car elle contient l'élément isolant de l'arc électrique, produit au moment du fonctionnement du disjoncteur. Cet élément isolant est, généralement, composé d'un gaz pur ou d'un mélange gazeux. Historiquement le SF6 (Hexafluorure de soufre) est le gaz le plus utilisé dans l'isolation de l'arc électrique au niveau des disjoncteurs à haute et moyenne tension, MAIS avec les réglementations mises en action ces dernières années, son usage devient très limité, d'où la nécessité de trouver une autre solution afin de le remplacer. Le SF6 avec toutes ses qualités opérationnelles, représente pour l'environnement un élément nocif et un gaz contribuant au réchauffement climatique et à l'effet de serre (PRG de 23,000 fois que celui du CO2), avec une durée de vie dans l'atmosphère de 3200 ans. Vis-à-vis les réglementations environnementales imposées et dans le but de réduire l'émission globale des gaz à effets de serre, les producteurs des disjoncteurs électriques, sont appelés à trouver des gaz d'isolation de l'arc électriques, avec un très bas potentiel de réchauffement global (PRG). Pour répondre aux exigences, et depuis des années, et après plusieurs essais, General Elecrtic, notamment la filiale GE Grid Solutions site de Villeurbanne France, représenté par Dr. Yannick KIEFFEL et l'équipe du laboratoire Materials & Eco-design, a proposé un mélange gazeux avec des propriétés de l'isolation de l'arc électrique similaires voire supérieures à celles du SF6 mais ayant un impact environnemental réduit : Le mélange g3 ‘'Green Gas for Grid'' comme une solution de remplacement viable de point de vue : économique, technique et environnemental. L'objectif de la thèse, est d'étudier les propriétés thermodynamiques du mélange g3, et développer un modèle le plus adapté et le plus précis possible pour pouvoir calculer les propriétés thermodynamiques du mélange g3 selon n'importe quelles compositions. Le travail en modélisation nécessite la présence des données expérimentales fiables qui vont servir à l'ajustement des paramètres nécessaires au bon fonctionnement des modèles thermodynamiques existants. Pour ce, le travail sur la thèse se déroulera en deux principales phases : • Mesure et modélisation des propriétés thermodynamiques de la substance chimique Novec 4710. • Choix des modèles adaptés pour les calculs des propriétés thermodynamiques du mélange g3 et mesures de ces propriétés. Le dernier objectif de cette thèse est d'étudier les produits de dégradation du mélange g3 arqué, par le biais des essais de vieillissement accéléré, afin d'identifier les produits de dégradation, avoir des solutions de valorisation de ces produits, et estimer une durée de vie du mélange g3 dans les appareillages électriques.

In the electrical equipment production industry, the use of gases and chemicals is well known. Particularly in the production and operation of electrical circuit breakers, which consist of several components, including the insulation chamber which represents the heart of the circuit breaker. This part is the most important in this type of equipment because it contains the insulating element of the electric arc, produced during the operation of the circuit breaker. This insulating element is generally composed of a pure gas or a gas mixture. Historically SF6 (Sulfur hexafluoride) is the gas most used in electric arc insulation at high and medium voltage circuit breakers, BUT with the regulations implemented in recent years, its use is becoming very limited, hence the need to find another solution to replace it. SF6 with all its operational qualities, represents a harmful element for the environment and a gas contributing to global warming and the greenhouse effect (GWP 23,000 times that of CO2), with a lifespan in the atmosphere. 3200 years old. With regard to the environmental regulations imposed and with the aim of reducing the overall emission of greenhouse gases, the producers of electric circuit breakers are called upon to find gases to insulate the electric arc, with a very high low global warming potential (GWP). To meet the requirements, and for years, and after several tests, General Elecrtic, in particular the subsidiary GE Grid Solutions site of Villeurbanne France, represented by Dr. Yannick KIEFFEL and the team of the Materials & Eco-design laboratory, proposed a gas mixture with electric arc insulation properties similar or even superior to those of SF6 but having a reduced environmental impact: The g3 mixture `` Green Gas for Grid '' as a viable alternative from the point of view of: economic, technical and environmental. The objective of the thesis is to study the thermodynamic properties of the g3 mixture, and to develop the most suitable and precise model possible to be able to calculate the thermodynamic properties of the g3 mixture according to any compositions. Modeling work requires the presence of reliable experimental data which will be used to adjust the parameters necessary for the proper functioning of existing thermodynamic models. For this, the work on the thesis will take place in two main phases: • Measurement and modeling of the thermodynamic properties of the chemical substance Novec 4710. • Choice of models suitable for the calculations of the thermodynamic properties of the mixture g3 and measurements of these properties. The last objective of this thesis is to study the degradation products of the arcuate g3 mixture, through accelerated aging tests, in order to identify the degradation products, to have solutions for upgrading these products, and to estimate a duration. life of the g3 mixture in the electrical equipment.