3/6 Octobre 2006 - Bonascre Fonctionnement des Fusible MT
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L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES CNRS UMR 6069 - 24, Avenue des Landais F63177 AUBIERE CEDEX http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E P T 5e Journées du Réseau Plasmas Froids Fonctionnement des Fusible MT Etudes expérimentales et théoriques W. Bussière, T. Latchimy • Qu’est-ce qu’un fusible ? • Le rôle de protection du fusible • Les mécanismes physiques dans le fusible MT • Les essais en laboratoire • Calculs et modélisation LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 1/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T • Qu’est-ce qu’un fusible ? • Expériences sur les premières machines électrostatiques (1745) : Early Leyden Jars (NL) (Leyden bottle, capacitor) An advanced electrostatic battery in 1795 St. Petersburg, 6 August 1783. Prof. Richman and his assistant being struck by lightning while charging capacitors. The assistant escaped almost unharmed, whereas Richman was dead immediately. The pathologic analysis revealed that "he only had a small hole in his forehead, a burnt left shoe and a blue spot at his foot. [...] the brain being ok, the front part of the lung sane, but the rear being brown and black of blood." The conclusion was that the electric discharge had taken its way through Richmann's body. The scientific community was shocked. D’où l’idée de protection des systèmes et des personnes LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 2/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E P T Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques • Qu’est-ce qu’un fusible ? • Première référence bibliographique du fusible : Edward Nairne (1774) Produire des décharges de capacités en toute sécurité : - Utilisation de fils métalliques reliés à la source d’énergie : ils agissent tels des résistances et leurs longueurs sont choisies afin que, lorsque les courants de la décharge sont trop importants, ils se comportent tels des fusibles, i.e. il y désintégration du fil (première observation des résidus "unduloids"). • Illustrations sur les premiers fusibles : Connecteurs Connecteurs Fil de fer Fil de fer Fil de fer Fil de fer Soudure Boule métallique Fusible développé par S. P. Thompson (1879) Fusible développé par C.V. Boys et H.H. Cunyngham (1883) On retrouve deux éléments fondamentaux d’un fusible : connexions (électrodes), élément fusible. LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 3/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E P T Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques • Qu’est-ce qu’un fusible ? • Evolution vers des fusibles encapsulés : T.A. Edison (May 1880) : premier brevet revendiquant le fait de placer l’élément fusible dans une enveloppe en verre "The small safety wire becomes heated and melts away, breaking the overload branch circuit. It is desirable, however, that the few drops of holt molten metal resulting therefrom should not be allowed to fall upon carpets or furniture, and also that the small safety-conductor should be relieved of all tensil strain ; hence I enclose the safety-wire in a jacket or shell of nonconducting material" • Evolution vers des fusibles encapsulés avec matière de remplissage W.M. Morley (1890) : premier brevet citant la présence d’une matière de remplissage dispersée plus ou moins répartie dans la cavité “Dry chalk (craie), marble, bath brick, sand, mica, emery, asbestos (amiante)" Electrode Electrode Enveloppe LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre Matière de remplissage Elément(s) fusible 4/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T • Qu’est-ce qu’un fusible ? • Les fusibles actuels : Fusibles miniatures Fusibles Basse Tension (BT,LV, < 1 000 V) Fusibles Haute Tension (HT, HV) incluant les fusibles MT (High Breaking Capacity Fuse) Dénomination complétée par la structure (encapsulé, semi-encapsulé, à liquide, …) LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 5/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T • Qu’est-ce qu’un fusible ? • Les fusibles actuels : Fusibles miniatures Fusibles Basse Tension (BT,LV, < 1 000 V) Fusibles Haute Tension (HT, HV) incluant les fusibles MT (High Breaking Capacity Fuse) Dénomination complétée par la structure (encapsulé, semi-encapsulé, à liquide, …) Electrode Cavité de remplissage (Silice compacte ou dispersée) Elément fusible Electrode LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 6/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T • Qu’est-ce qu’un fusible ? • Les fusibles actuels : Fusibles miniatures Fusibles Basse Tension (BT,LV, < 1 000 V) Fusibles Haute Tension (HT, HV) incluant les fusibles MT, HBC (High Breaking Capacity Fuse) Dénomination complétée par la structure (encapsulé, semi-encapsulé, à liquide, …) Electrode Cavité de remplissage Elément(s) fusible Electrode Noyau central isolant Fulgurite LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 7/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E P T Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques • Qu’est-ce qu’un fusible ? • Les fusibles actuels : Fusibles miniatures Fusibles Basse Tension (BT,LV, < 1 000 V) Fusibles Haute Tension (HT, HV) incluant les fusibles MT (High Breaking Capacity Fuse) Dénomination complétée par la structure (encapsulé, semi-encapsulé, à liquide, …) Fusibles à expulsion (HV) LAEPT Montage 3 phases en BT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre Fusibles à semi-conducteur en BT 8/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques P T • Qu’est-ce qu’un fusible ? • Les fusibles actuels : Fusibles miniatures Fusibles Basse Tension (BT,LV, < 1 000 V) Fusibles Haute Tension (HT, HV) incluant les fusibles MT (High Breaking Capacity Fuse) Dénomination complétée par la structure (encapsulé, semi-encapsulé, à liquide, …) Dénomination complétée par l’utilisation - Fusibles associés / Backup fuses Fusible capable d’interrompre tout fusible capable d’interrompre tout courant de défaut depuis le courant maximal de coupure jusqu’au courant minimal de coupure - Fusibles à usage général / General Purpose Fuses Fusible capable d’interrompre tout courant de défaut depuis le courant maximal de coupure jusqu’au courant provoquant la fusion de l’élément fusible en moins d’une heure - Fusibles à coupure intégrale / Full Range Fuses Fusible capable d’interrompre tout courant de défaut depuis le courant maximal de coupure jusqu’au courant continu minimum capable de causer la fusion de l’élément fusible LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 8/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T Le rôle de protection du fusible • Protection des biens et de personnes quelque soit la tension du réseau LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 9/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T Le rôle de protection du fusible • Protection des biens et de personnes quelque soit la tension du réseau Arcing substation and exploding transformer 500 kV disconnect switch, one phase opens "Used with permission from Bert Hickman, Stoneridge Engineering, http://www.teslamania.com" "Used with permission from Bert Hickman, Stoneridge Engineering, http://www.teslamania.com" LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 10/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E P T Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques Le rôle de protection du fusible • Sources de puissance adaptée à l’étude des fusibles MT en laboratoire : Banc capacitif : demi-onde de courant ∼ sinusoïdale 50 Hz Station de puissance en alternatif : 100 kVA C2 Onde présumée L Courant limité THY D C1 LAEPT R 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre Onde limitée 11/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T Le rôle de protection du fusible • Sources de puissance adaptée à l’étude des fusibles MT en laboratoire : Banc capacitif : demi-onde de courant ∼ sinusoïdale 50 Hz Station de puissance en alternatif : 100 kVA LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 12/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E P T Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques Les mécanismes physiques dans le fusible MT • Principe de fonctionnement du fusible MT : Régime de préarc : depuis l’application du courant de défaut jusqu’à la création de l’arc au niveau des sections réduites Matière de remplissage (sable de silice) Cavité de remplissage (céramique, composite) Elément fusible muni de sections réduites LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 13/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T Les mécanismes physiques dans le fusible MT • Principe de fonctionnement du fusible MT : Régime de préarc : depuis l’application du courant de défaut jusqu’à la création de l’arc au niveau des sections réduites Etape 1. Passage du courant nominal In LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 14/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T Les mécanismes physiques dans le fusible MT • Principe de fonctionnement du fusible MT : Régime de préarc : depuis l’application du courant de défaut jusqu’à la création de l’arc au niveau des sections réduites Etape 2. Passage du courant de défaut I >> In : fusion dans les zones de plus grande résistance ohmique I LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 15/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T Les mécanismes physiques dans le fusible MT • Principe de fonctionnement du fusible MT : Régime de préarc : depuis l’application du courant de défaut jusqu’à la création de l’arc au niveau des sections réduites Etape 3. Passage du courant de défaut I >> In : vaporisation des ponts fondus (formation plasma Ag) I • Plasma métallique issu de la vaporisation des ponts fondus • Autant de plasmas créés que des zones avec sections réduites • Vaporisation partielle, éjection de gouttelettes d’argent fondu LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 16/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques P T Les mécanismes physiques dans le fusible MT • Principe de fonctionnement du fusible MT : Régime d’arc : depuis la création de l’arc (augmentation rapide de la tension) jusqu’au retour à zéro du courant dans le fusible Etape 4. Passage du courant de défaut I >> In : interaction avec l’isolant granulaire (formation plasma Ag_SiO2) et érosion de l’élément fusible (ou « burn-back ») I I LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 17/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques P T Les mécanismes physiques dans le fusible MT • Principe de fonctionnement du fusible MT : Régime d’arc : depuis la création de l’arc (augmentation rapide de la tension) jusqu’au retour à zéro du courant dans le fusible LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 18/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T Les mécanismes physiques dans le fusible MT • Observation du fonctionnement par imagerie ultrarapide : Cordin Dynafax à 35 000 fr/s ~ 110 images pour 3 ms de fonctionnement en forte surcharge (durée de préarc ~ 0,85 ms) Décharge capacitive (présumé : 3,2 kA – Uch = 460 V – E ~ 1 kJ) LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 19/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ P T Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques Courant / A LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre A E Tension / V 20/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques P T Les mécanismes physiques dans le fusible MT • Etude du "burn-back" : Estimation des vitesses d’érosion Détermination des taux d’érosion Etude de la répartition des vapeurs métalliques et des vapeurs issues de la décomposition de la silice : filtres interférentiels centrés sur les transitions neutres Ag ou sur les transitions une fois ionisées du silicium LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 21/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques P T Les mécanismes physiques dans le fusible MT • Etude des propriétés radiatives du plasma Ag_SiO2: Identifier les transitions spectrales Spectroscopie d’émission dans le visible (+UV) avec CCD (1 trace d’acquisition ~ 30 .. 100 µs) LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 22/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques P T Les mécanismes physiques dans le fusible MT • Etude des propriétés radiatives du plasma Ag_SiO2: Identifier les transitions spectrales Spectroscopie d’émission dans le visible (+UV) avec CCD (1 trace d’acquisition ~ 30 .. 100 µs) Début de fonctionnement ~ 0, 85 ms Fin de fonctionnement ~ 3,5 ms LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 23/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E P T Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques Les mécanismes physiques dans le fusible MT • Etude des propriétés radiatives du plasma Ag_SiO2 : Déterminer les raies thermométriques Les transitions métalliques sont fortement absorbées ce qui fausse les mesures de température : elles sont principalement réparties en périphérie dans les zones les plus froides D’où l’utilisation des transitions Si+ Si II (1) 385,366 385,602 385,259 nm 2 2 0 2 0 3p D3/2-5/2-3/2 - 4p P3/2-3/2-1/2 Intensité (u.a.) Intensité (u.a.) Si II (3) 412,805 413,087 413,089 nm 2 2 2 0 3d D3/2-5/2-5/2 - 4f F5/2-5/2-7/2 _ _ _ l 380 l l 385 l l 390 _ 3.0 2.0 s mp Te _ 1.0 s) (m 4.0 Longueur d'onde (nm) LAEPT _ 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre _ l 408 l l 413 l l 418 _ 3.0 2.0 ( ps m Te 1.0 ) ms 4.0 Longueur d'onde (nm) 24/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E P T Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques Les mécanismes physiques dans le fusible MT • Etude des propriétés radiatives du plasma Ag_SiO2 : Estimation de la température Application de la méthode des rapports de raies pour les deux triplets Si+ centrés à 385 nm et 413 nm Exploitation des profils d’intensité expérimentaux par des profils de Voigt Hypothèse : distribution de Boltzmann pour les niveaux d’énergie ~ 0,9 ms LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre ~ 3,0 ms 25/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E P T Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques Les mécanismes physiques dans le fusible MT • Etude des propriétés radiatives du plasma Ag_SiO2 : Estimation de la densité électronique L’élargissement par effet Stark est prépondérant Les profils expérimentaux des transitions Si+ centrées à 634 et 637 nm sont approximés par des profils de Voigt Les élargissements théoriques sont tabulés pour des conditions de température et de densité électronique ~ 0,9 ms LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre ~ 3,0 ms 26/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T Les mécanismes physiques dans le fusible MT • Etude des propriétés radiatives du plasma Ag_SiO2 : Variation de la densité électronique en fonction de la température LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 27/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T Les mécanismes physiques dans le fusible MT • Etude des propriétés radiatives du plasma Ag_SiO2 : Cohérence des mesures Comparaison des rapports d’intensité pour les multiplets Si+ utilisés dans les mesures de température et de densité électronique avec les valeurs théoriques obtenues dans le cadre du couplage LS pour les niveaux d’énergie Notion de grandeurs moyennes Rayonnement intégré sur une profondeur donnée non estimable Incertitudes sur les Aki des transitions Si+ LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 28/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E P T Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques Les mécanismes physiques dans le fusible MT Sable de silice Quartz 375 µm Masse volumique de 3 compactage (g/cm ) • Influence des propriétés morphométriques du sable de silice : Définir les propriétés morphométriques utiles Masse volumique de compactage (porosité), granulométrie moyenne, dimensions des granulats, tortuosité, ... Caractériser l’influence des propriétés morphométriques sur la dissipation de l’énergie Grandeurs électriques Température et densité électronique du plasma Pression : pression sable, pression gaz, pression plasma Diffusion fluide : forces de freinage définies par la détermination expérimentale des coefficients de Darcy et de Forchheimer 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 150 200 250 300 350 400 450 Granulométrie moyenne (µm) φ= LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre ρ0 − ρ ρ0 29/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E P T Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques Les mécanismes physiques dans le fusible MT • Influence des propriétés morphométriques du sable de silice : Exemple de la mesure de la pression Pression exercée par le sable B < D < F < 1000 µm Pression exercée par le fluide qui diffuse dans les interstices de la matière de remplissage LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 30/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E P T Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques Les mécanismes physiques dans le fusible MT • Influence des propriétés morphométriques du sable de silice : Exemple des coefficients de Darcy et Forchheimer L’estimation de ces coefficients permet de prendre en compte la forme des granulats dans leur ensemble afin de tester différentes matières de remplissage Ces coefficients sont indispensables pour la modélisation de la dissipation de l’énergie (P 2 S ⎛P − PE2 − 2 D 2 RT ln⎜⎜ S ⎝ PE ) ⎞ 2 LDRTφµ ⎟⎟ + + 2 LD 2 RTφ 2 β = 0 k ⎠ φ, k, β, dP PE µ −φ 2 u k : perte de charge par frottement visqueux entre le fluide et les grains de silice (loi de Darcy) caractérisée par k : coefficient de Darcy − φ 3 βρ u u : perte de charge par inertie (loi de Forchheimer) caractérisée par β : coefficient de Forchheimer 6 1x10 dP/dl (Pa/m) dP/dl (Pa/m) 5 1x10 4 1x10 3 1x10 1x10 5 1x10 2 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 d particule = 1.5 × τ = 1.80 4 -1 Vitesse (m.s ) LAEPT e 5 Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 1 2 1− ε ε × d pore ∆P 36τ (τ − 1) µv 2.05τ (τ − 1) ρv 2 = + 2 2 L d pore ε2 ε (3 − τ ) d pore dpore = 116 µm 0 D, T L >> dP 1x10 1x10 D, T 275 µm 6 PS 3 -1 v (m.s ) 31/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T Les essais en laboratoire • Reproduire le fonctionnement industriel à l’échelle du laboratoire : Bancs capacitifs Station de puissance 100 kVA 50 Hz Contrôle des paramètres industriels : facteur de puissance (cosϕ) et angle d’enclenchement (θ) Essais de normalisation Etude des reclaquages Simulation expérimentale d’une ligne réelle LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 32/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E P T Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques Calculs et modélisation • Calculs appliqués au plasma Ag_SiO2 : Calcul de composition : évolution en fonction de la température de la concentration de chacune des espèces présentes au sein du plasma Ag_SiO2 Calculs à volume constant (minimisation de l’énergie libre d’Helmoltz) ou à pression constante (minimisation de l’énergie libre de Gibbs) Prise en compte des spécificités du fusible Espèces présentes (Argent, Silice, Air, ..), proportions massiques, instants au cours du fonctionement du fusible Les trois états solide, liquide et vapeur en fonction de l’instant d’observation Volume plasma variable, pression variable Difficultés pour les données fondamentales Calcul/Biliographie/Estimation des potentiels d’interaction utiles pour le calcul des intégrales de collision LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 33/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T Calculs et modélisation • Calculs appliqués au plasma Ag_SiO2 : Composition pour un plasma Air/Argent/Silice Hypothèses de calcul : Pression fixée 1 bar Pourcentages massiques : 2% air, 98% argent et silice (respectivement 99% et 1%) LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 34/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T Calculs et modélisation • Calculs appliqués au plasma Ag_SiO2 : Composition pour un plasma Air/Argent/Silice Hypothèses de calcul : Pression fixée 1 bar Pourcentages massiques : 2% air, 98% argent et silice (respectivement 1% et 99%) LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 35/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T Calculs et modélisation • Coefficients de transport pour un plasma Ag_SiO2 : Conductivité électrique, conductivité thermique, viscosité : grandeurs essentielles pour la modélisation de la dissipation de l’énergie dans le fusible Calcul de la viscosité pour différentes pressions pour différents mélanges et trois pressions LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 36/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T Calculs et modélisation • Modélisation de la dissipation d’énergie dans le fusible MT : Les modèles qui existent : Régime de préarc : ++ - - lignes de champ dans l’élément fusible - contraintes mécanique et thermique - diffusion thermique au sein de l’élément - fusion et vaporisation, pression - durée de préarc ∼ Régime d’arc : LAEPT +- - modèles empiriques (rayonnement, gradients, aspects thermiques et de dissipation) - modèles semi-empiriques pour un fusible donné dans des conditions données - modèle de Daalder -- - représentation réaliste des mécanismes de dissipation de l’énergie 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 37/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E P T Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques Calculs et modélisation • Modélisation de la dissipation d’énergie dans le fusible MT : Cas particulier du modèle coupé micro/macro pour les milieux poreux appliqué au fusible MT : Problème : comment représenter un isolant dispersé en tenant compte des caractéristiques imposées par les granulats (forme, distribution, points de contact, …) Homogénéisation du milieu poreux LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 38/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E P T Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques Calculs et modélisation • Modélisation de la dissipation d’énergie dans le fusible MT : Cartographie de la distribution en température : Préarc 0,85 ms LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 39/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T Calculs et modélisation • Modélisation de la dissipation d’énergie dans le fusible MT : Cartographie de la distribution en température : Régime d’arc 2,30 ms LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 40/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ A E P T Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques Calculs et modélisation • Modélisation de la dissipation d’énergie dans le fusible MT : Cartographie de la distribution en température : Régime d’arc 5 ms 5,25 ms LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 41/42 L LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUES http://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/ Fonctionnement des Fusibles Etudes expérimentales et théoriques A E P T En conclusion • Etude du fusible MT : Etude pluridisciplinaire Expérimentations, calculs théoriques, modélisation Icefa 2007 Clermont-Ferrand : International Conference on Electric Fuses and their Applications (Laept, UBP) http://www.univ-bpclermont.fr/CONGRES/icefa2007/ LAEPT 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre 42/42
