Le disjoncteur basse tension et l`arc électrique
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Le disjoncteur basse tension et l'arc électrique J.M. BAUCHIRE, D. HONG, F. GENTILS*, C. FIEVET* 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire Plan de l'exposé • Qu'est ce qu'un disjoncteur basse tension ? 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre • Quel est sont fonctionnement ? • Pourquoi des recherches sur ces disjoncteurs ? • Quelles recherches ? • Quel avenir ? Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire Qu'est ce qu'un disjoncteur ? ) Le disjoncteur est un appareillage électrique destiné à assurer, en toute sécurité, la coupure du courant dans les cas : 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre • d'une opération volontaire sur commande • d'une protection automatique dans le cas d'un court-circuit ou d'une surintensité ⇒ différent d'un interrupteur ou d'un fusible ) Divers types de disjoncteurs (en taille, en principe de fonctionnement...) existent en fonction de la tension appliquée sur la ligne : • haute tension Ö disjoncteurs à air comprimé • moyenne tension Ö disjoncteurs à SF6, à vide • basse tension Ö dans l'air et sans soufflage ⇒ Dans tous les cas, un arc électrique est formé, qu'il faut "éteindre" plus ou moins rapidement Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire Anatomie d'un disjoncteur BT... dispositif d'ouverture des contacts contact mobile (CuW) bobine 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre noyau mobile cable flexible commutation i i deplacement coupure contact fixe (Cu) mur isolant rails chambre de coupure parois (PMMA) Passage du courant en position fermée Passage du courant en position ouverte Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire Anatomie d'un disjoncteur BT... Déclenchement court-circuit dispositif d'ouverture des contacts contact mobile (CuW) bobine 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre noyau mobile cable flexible commutation i i deplacement coupure contact fixe (Cu) mur isolant rails chambre de coupure parois (PMMA) Déclenchement surintensité Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire Rappels sur l'arc électrique Déplacement de l'arc I r B X 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre I r r r F = J∧B Fractionnement de l'arc L'arc de coupure Etirement de l'arc UA = 2Uac + (L − h) ⋅ Ecol Séparation contacts ⎧UA = Uac + L ⋅ Ecol ⎨ ⎩L ↑⇒ UA ↑ Contacts fermés UA = Uac + L ⋅ Ecol U=0 UA = n ⋅ Uac + (L − n ⋅ h) ⋅ Ecol Allonger l'arc, le fractionner, le refroidir ⇒ Augmentation de UA Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire L'histoire d'une coupure... Préambule : circuit fermé 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre U, I Courant présumé : Ip Tension du réseau : e Temps R, L e ~ e=L On néglige R Avant le déclenchement sur court-circuit dIp dt Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire L'histoire d'une coupure... Acte 1 : séparation des contacts U, I e 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre Ip Courant d'arc : Ia Tension d'arc : Ua Temps R, L e ~ dIa ⎧ + Ua ⎪e = L dt ⎨ ⎪⎩Ua < e Ouverture des contacts Ö Pont métallique fondu Ö Plasma Ua Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire L'histoire d'une coupure... Acte 2 : commutation et déplacement de l'arc U, I e 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre Ip Ia Ua Temps R, L e Commutation Ö Déplacement de l'arc ~ e=L dIa + Ua dt Ua Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire L'histoire d'une coupure... Acte 3 : entrée dans la chambre de coupure U, I e Ua 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre Ip Ia Temps R, L e ~ ⎧e = Ua ⎪ ⎨ dIa ⎪⎩ dt = 0 Ua Allongement de l'arc ÖInsertion dans chambre de coupure Ö Fractionnement Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire L'histoire d'une coupure... Acte 4 : limitation du courant et extinction U, I e Ua 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre Ip Ia Temps R, L e Sectionnement de l'arc Ö Extinction ~ dIa ⎧ + Ua ⎪e = L dt ⎨ ⎪⎩Ua > e Ua Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire Les critères d'une bonne coupure ) Déplacer l'arc rapidement dans la chambre de coupure pour augmenter rapidement la tension de l'arc 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre ⇒ limiter le courant ⇒ limiter l'érosion... ) Les échecs de la coupure : • L'arc stagne entre les contacts • L'arc stagne dans la pré-chambre ⇒ Pas de limitation du courant • Milieu trop chaud • Problème diélectrique des matériaux ⇒ Re-claquage entre les contacts Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire Plan de l'exposé • Qu'est ce qu'un disjoncteur basse tension ? 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre • Quel est sont fonctionnement ? • Pourquoi des recherches sur ces disjoncteurs ? • Quelles recherches ? • Quel avenir ? Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire La recherche sur les disjoncteurs... Pourquoi ? ) Un constat : Le disjoncteur est un dispositif ancien au développement empirique 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre ) La R&D chez les fabricants et ses partenaires : • Améliorer les performances • Réduction de la taille, optimisation de la géométrie • Réduction du temps de coupure • Augmentation des courants de court-circuit supportés • Limitations des phénomènes parasites (pollution...) • Réduire les coûts • Augmenter la fiabilité • ... • Créer des outils de développement et de prédiction • Diagnostic • Simulation • Innover et tester de nouvelles solutions, de nouveaux procédés... • Garantir une compétence internationale, une expertise Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire La recherche sur les disjoncteurs... Sur quoi et comment ? 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre ) Meilleure compréhension/caractérisation/quantification/maîtrise des phénomènes physico-chimiques de l'arc et de son environnement : • Hydrodynamique des gaz • Transferts thermiques - Rôle du rayonnement • Interaction arc-matériaux • contacts électriques • séparateurs • parois plastiques • Influence des matériaux sur les propriétés de l'arc • Actionneurs (magnétique, bilame...) • Tenue diélectrique des composants )A l'aide de : • l'expérimentation : Pour tester, mesurer, quantifier, valider • la simulation numérique Pour interpréter, prédire Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire L'expérimentation dans les disjoncteurs BT... Quelques exemples... 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre Les méthodes les plus répandues pour la caractérisation de l'arc : • Mesures électriques ⇒ Tension, courant • Imagerie rapide ⇒ Déplacement arc • Imagerie avec filtres interférentiels ⇒ Localisation espèces • Spectroscopie d'émission ⇒ Identification espèces, température, densités • Spectroscopie d'absorption ⇒ Densité des espèces, T • Diagnostics magnétiques ⇒ Encore 10 min de patience...! Mais aussi la thermographie infrarouge, méthodes inverses, la strioscopie, la radiographie X, les diagnostics liés aux matériaux..., et d'autres en développement (tomographie...) Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire L'imagerie rapide temps 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre Intensité I 1 cm I Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire L'imagerie avec filtre 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre Cuivre venant des contacts Filtre Cu Vapeurs venant des parois Filtre Hβ Filtre C2 Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire Spectroscopie d'émission 19 17 15 13 11 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre 9 7 3 21 23 5 18 16 14 12 6 1 2 FeI 487.13 489.08 489.15 490.33 491.90 492.05 493.88 495.76 500.57 501.49 20 10 4 8 24 22 FeI AgI 520.91 513.93 515.08 516.75 520.23 CuI 529.25 CuI CuI FeI 522.72 523.29 526.95 527.04 528.36 507.62 511.19 AgI 525.05 CuI 520.91 CuI 515.32 6 CuI 510.55 521.82 14 - Détermination de trois régions dominées par un élément du plasma: •Atomes d’ AgI (Période I, Zone I) Zone III •Atomes de FeI (Période II, Zone II) Zone II •Atomes de CuI (Période III, Zone III) Zone I Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire Spectroscopie d'absorption Habituellement utilisée pour les parties tièdes ou froides non émissives, par exemple pour l'étude de la période post-arc a) 20000 10000 512 514 516 518 520 20000 the spectrometer) 522 nm c) 10000 b) 0 510 512 516 518 520 522 Lens Optical fibre (c) Optical fibre (a) Itrans + I emis (Light coming from the Z-pinch source) 514 po lar i ½ satio ns I em is 0 510 Optical fibre (b) (Light exiting to Intensité (a.u.) Mediumof absorption and emission (Electric arc of the circuit breaker) Intensité (a.u.) 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre Ici, absorption de l'arc pourtant très rayonnant polarisation p Polarizer P1 Itrans + ½I emis polarisation p Polarizer P2 (Light exiting to the spectrometer) Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire Spectroscopie d'absorption 2 CuI 510,5 CuI 515,3 0.5 expérimental simulation 510 512 CuI 521,8 5 3 522,0 Spectres d’émission et d’absorption des raies de cuivre neutre et de la raie d’argent neutre à 520.9 nm Spectre de référence (sans présence de l’arc) 0.0 4 longueur d’onde (nm) longueur d’onde (nm) transmission 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre 1 AgI 520,9 514 516 nm 518 520 522 Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire La simulation numérique dans les disjoncteurs BT... Quelques exemples... ) La simulation numérique c'est : • La résolution de modèles fluides couplant hydrodynamique et électromagnétisme ⇒ Champs T, v, U, E, J... 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre • Eventuellement de la cinétique chimique • Interactions avec arc-électrodes • Dans des conditions "idéales" ou plus proche de la réalité ) Mais c'est aussi tous les calculs préliminaires en vue de fournir les données de bases nécessaires : • Rayonnement – Calcul du transfert radiatif • Propriétés thermodynamiques • Coefficients de transport Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre Interaction arc-anode et influence d'un champ magnétique extérieur CPAT- Gonzalez JJ et al Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre Validation 2D-3D et influence d'un soufflage CPAT – Swierczynski et al Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre Commutation et propagation 3D Jiaotong University – Yi Wu et al Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire Quel avenir pour la recherche et les disjoncteurs BT ? ) Le disjoncteur basse tension domestique est déjà bien abouti technologiquement, fiable et peu cher 5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre ) Il peut être amélioré : • Optimisation de la taille et de la géométrie • Nature des matériaux moins polluants • Matériaux de contact plus efficace ) La poursuite de la recherche : • Pour l'amélioration des modèles et de la simulation numérique • Innover dans les moyens de diagnostic • Procédés de fabrication des matériaux de contact (frittage, collage...) • Le développement de disjoncteurs BT de puissance ) La coupure du courant en basse tension ne passe pas nécessairement par la coupure par arc et la séparation de contacts. Les semiconducteurs (IGBT) ont une place mais leur coût et les problèmes techniques (dissipation thermique) ne les rendent pas encore compétitifs
