Le disjoncteur basse tensionLe disjoncteur basse tensionetet
l'arc l'arc éélectriquelectrique
J.M. BAUCHIRE, D. HONG, F. GENTILS*, C. FIEVET*
5e Journées du Réseau Plasmas Froids - 04/10/06 - Bonascre
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Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire
• Qu'est ce qu'un disjoncteur basse tension ?
• Quel est sont fonctionnement ?
• Pourquoi des recherches sur ces disjoncteurs ?
• Quelles recherches ?
• Quel avenir ?
Plan de l'exposé
Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire
Le disjoncteur est un appareillage électrique destiné à assurer, en toute sécurité, la coupure du courant dans les cas :
• 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 disjoncteurs à air comprimé• moyenne tension disjoncteurs à SF6, à vide• basse tension dans l'air et sans soufflage
⇒ Dans tous les cas, un arc électrique est formé, qu'il faut "éteindre" plus ou moins rapidement
Qu'est ce qu'un disjoncteur ?5e
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Les disjoncteurs basse tension – J.M. Bauchire
Anatomie d'un disjoncteur BT...
i i
dispositif d'ouverturedes contacts
noyau mobile
bobine
contact fixe(Cu)
cable flexible
contact mobile(CuW)
mur isolant
railschambre de
coupure
coupure
parois (PMMA)
deplacement
commutation
Passage du courant en position ferméePassage du courant en position ouverte
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Anatomie d'un disjoncteur BT...
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dispositif d'ouverturedes contacts
noyau mobile
bobine
contact fixe(Cu)
cable flexible
contact mobile(CuW)
mur isolant
railschambre de
coupure
coupure
parois (PMMA)
deplacement
commutation
Déclenchement surintensité
Déclenchement court-circuit
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Fractionnement de l'arc
( ) colacA EhLUU ⋅−+= 2
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Rappels sur l'arc électrique
Contacts fermés
0=U
Etirement de l'arc
⎩⎨⎧
↑↑⇒
⋅+=
A
colacA
ULELUU
Séparation contacts
colacA ELUU ⋅+=
( ) colacA EhnLUnU ⋅⋅−+⋅=
I
I X BJFrrr
∧=Br
Déplacement de l'arc
Allonger l'arc, le fractionner, le refroidir ⇒ Augmentation de UA
L'arc de coupure
L'histoire d'une coupure... Préambule : circuit fermé
Courant présumé : Ip
Temps
U, I
Tension du réseau : e
R, L
~edtdI
Le p=
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Avant le déclenchement sur court-circuit
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On néglige R
Ip
Temps
U, I e
Tension d'arc : Ua
Courant d'arc : Ia
R, L
~e Ua⎪⎩
⎪⎨⎧
<
+=
eU
UdtdILe
a
aa
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L'histoire d'une coupure... Acte 1 : séparation des contacts
Ouverture des contacts Pont métallique fondu Plasma
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U, I e
Ua
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R, L
~e Uaaa U
dtdILe +=
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L'histoire d'une coupure... Acte 2 : commutation et déplacement de l'arc
Commutation Déplacement de l'arc
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L'histoire d'une coupure... Acte 3 : entrée dans la chambre de coupure
Allongement de l'arc Insertion dans chambre de coupure Fractionnement
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L'histoire d'une coupure... Acte 4 : limitation du courant et extinction
Sectionnement de l'arc Extinction
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Les critères d'une bonne coupure
Déplacer l'arc rapidement dans la chambre de coupure pour augmenter rapidement la tension de l'arc
⇒ 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
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• Qu'est ce qu'un disjoncteur basse tension ?
• Quel est sont fonctionnement ?
• Pourquoi des recherches sur ces disjoncteurs ?
• Quelles recherches ?
• Quel avenir ?
Plan de l'exposé
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Un constat :Le disjoncteur est un dispositif ancien au développement empirique
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
La recherche sur les disjoncteurs... Pourquoi ?
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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 numériquePour interpréter, prédire
La recherche sur les disjoncteurs... Sur quoi et comment ?
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L'expérimentation dans les disjoncteurs BT... Quelques exemples...
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...)
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eL'imagerie rapide
temps
1 cm
I
I
Intensité
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Vapeurs venant des parois
Filtre C2Filtre Cu
Cuivre venant des contacts
Filtre Hβ
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L'imagerie avec filtre
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Spectroscopie d'émission
- Détermination de trois régions dominées par un élément du plasma:
•Atomes d’ AgI (Période I, Zone I)
•Atomes de FeI (Période II, Zone II)
•Atomes de CuI (Période III, Zone III)
Zone III
Zone II
Zone I
1
3 5
23
9
15
1113
7
21
1917
24 22
1820
1614
108
126 4
2
487.13489.08489.15490.33491.90492.05493.88495.76500.57501.49
513.93515.08516.75520.23
522.72523.29526.95527.04528.36
AgI 520.91FeIFeIFeI
6
CuI507.62511.19
CuI 529.25CuI
525.05
CuI 510.55
CuI515.32 CuI
521.82
AgI520.91
14
Polarizer P1
Medium of absorptionand emission
(Electric arc of thecircuit breaker)
Polarizer P2
Lens
Optical fibre (a)
(Light coming fromthe Z-pinch source)
Optical fibre (c)
(Light exiting to thespectrometer)
Optical fibre (b) (Light exiting tothe spectrometer)
Itrans + I emis Itrans + ½ I emis
½ I emis
polarisation s
polarisation ppolarisation p
c)
b)
510 512 514 516 518 520 5220
10000
20000
Inte
nsité
(a.u
.)
510 512 514 516 518 520 5220
10000
20000 a)
Inte
nsité
(a.u
.)
nm
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Spectroscopie d'absorption
Habituellement utilisée pour les parties tièdes ou froides non émissives, par exemple pour l'étude de la période post-arc
Ici, absorption de l'arc pourtant très rayonnant
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Spectroscopie d'absorption
longueur d’onde (nm) longueur d’onde (nm)
CuI510,5 CuI
515,3
AgI520,9 CuI
521,8522,0
12
5 3
4
Spectre de référence (sans présence de l’arc) Spectres d’émission et d’absorption des raies de cuivre neutre et de la raie d’argent neutre
à 520.9 nm
510 512 514 516 518 520 5220.0
0.5
expérimentalsimulation
tran
smis
sion
nm
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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...
• 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
CPAT- Gonzalez JJ et al5e J
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Interaction arc-anode et influence d'un champ magnétique extérieur
CPAT – Swierczynski et al5e J
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Validation 2D-3D et influence d'un soufflage
Jiaotong University – Yi Wu et al5e J
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Commutation et propagation 3D
Le disjoncteur basse tension domestique est déjà bien abouti technologiquement, fiable et peu cher
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
Quel avenir pour la recherche et les disjoncteurs BT ?5e
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