Etude de l'arc électrique dans la chambre de coupure d'un interrupteur DC sous l'effet d'un fort champ magnétique extérieur - Université Clermont Auvergne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Study on electric in a DC switch under the effect of strong external magnetic fields

Etude de l'arc électrique dans la chambre de coupure d'un interrupteur DC sous l'effet d'un fort champ magnétique extérieur

Résumé

This work is a contribution to the study of the behavior of an electric arc within low-voltage DC switch. For several decades, many studies had been established to study the behavior of an electric arc within circuit breaker, especially low-voltage circuit breaker LVCB. However, given the complexity of the physical phenomena in question, studies are focused on one or several parameter which influences the arc motion. This study highlights the influence of a strong external magnetic field on the behavior of an electric arc established in the air, at atmospheric pressure and going between nominal In and surcharge 4In. The problematic in this thesis will be approached by means of experimental and theoretical methods using numerical simulation. The experimental approach is carried out by means of an experimental bench designed to create an electric arc in similar conditions to those found in the industrial switch. The experimental bench allows us to vary the parameters which affect the arc displacement, such as current level, contact opening speed, terminal exhaust and specifically external blast field. To this end, a Helmholtz coil is designed to generate a magnetic field of 0,2 T equivalent to a magnetic field created by a Neodymium permanent magnet which is integrated within the industrial switch. Experimental results allow to achieve the visualization of the dynamics of the electrical arch by means of a speed camera (89 000 images/s) in addition to the electric characteristics measurements. The second approach is to develop three-dimensional time-dependent models which simulate the arc motion. The models are based on solving a system of MHD equations for the LTE arc column. For the numerical resolution we used the commercial software COMSOL Multiphysics. These models applied to the industrial switch simulate the plasma arc behavior upon the electrical contacts opening and the arc commutation on the rails under effects of a strong external magnetic field. Numerical simulation allows investigating the electric and physical characteristics of the arc during breaking which will help to refine the technical choices and so optimizing the conception of the industrial switch. The numerical results were compared with the experimental results and showed a good agreement. Improvements to the model are discussed as perspectives for this work.
Ce travail est une contribution à l’étude de comportement d’un arc électrique au sein des appareils de coupure DC basse tension. Depuis plusieurs décennies, de nombreuses études portant sur le comportement d'un arc électrique au sein des appareils de coupure ont été investiguées, en particulier sur les disjoncteurs basse tension. Cependant, vu la complexité des phénomènes physiques qui interviennent, les études se focalisent sur un ou plusieurs paramètres qui influencent le mouvement de l’arc selon les techniques de coupure utilisées dans les appareils. Cette étude se consacre sur l’influence d’un fort champ magnétique externe sur le comportement d’un arc électrique établi dans l’air, sous pression atmosphérique et pour des courants allant du nominal In à la surcharge 4In. La problématique dans cette thèse sera abordée par deux approches l'une expérimentale et l'autre théorique en utilisant la simulation numérique. La première approche consiste à mettre en place un dispositif expérimental conçu pour reproduire un arc électrique dans des conditions similaires à celles trouvées dans l’interrupteur industriel. Le banc d’essai permet de faire varier les paramètres qui affectent le déplacement de l’arc, tel que l’intensité du courant, la vitesse d’ouverture des contacts, l’échappement et spécifiquement dans notre problématique l’intensité du champ magnétique extérieur appliqué. A cette fin, une bobine de Helmholtz est conçue pour générer un champ magnétique de l'ordre de 0,2 T, qui est équivalent à l’intensité d’un champ magnétique créé par un aimant permanent de type Néodyme intégré dans l’interrupteur industriel. Les résultats expérimentaux permettent d'accéder à la visualisation de la dynamique de l'arc électrique à l'aide d'une caméra rapide (89 000 images/s) ainsi qu'à la mesure des grandeurs électriques qui caractérisent la coupure. La deuxième approche consiste à développer des modèles tridimensionnels qui simulent le mouvement d’un plasma d’arc. Les modèles utilisés sont classiques, ils sont basés sur un système d'équations magnétohydrodynamiques pour la colonne d'arc à l'ETL. Pour la résolution numérique de ce système, nous avons choisi le logiciel commercial COMSOL Multiphysics. Ces modèles appliqués à l'interrupteur industriel simulent le comportement du plasma d'arc lors de la phase d'ouverture des contacts électriques ainsi que la commutation de l'arc sur les rails en présence d'un fort champ magnétique externe. Les simulations numériques permettent d'accéder aux grandeurs électriques et physiques de l'arc au cours de la coupure permettant d'aiguiller les choix techniques pour optimiser la conception. Enfin, des comparaisons entre simulations numériques et résultats expérimentaux sont présentées et discutées. Les résultats numériques ont été confrontés avec les résultats expérimentaux et ont montré un bon accord. Des améliorations du modèle sont discutées comme perspectives de ce travail.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03467082 , version 1 (06-12-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03467082 , version 1

Citer

Jessica Almurr. Etude de l'arc électrique dans la chambre de coupure d'un interrupteur DC sous l'effet d'un fort champ magnétique extérieur. Autre. Université Clermont Auvergne [2017-2020], 2020. Français. ⟨NNT : 2020CLFAC082⟩. ⟨tel-03467082⟩
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