Les disjoncteurs basse tension

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


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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Rés

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Plas

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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=


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⎪⎩

⎪⎨⎧

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+=

eU

UdtdILe

a

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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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Ip

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U, I e

Ua

Ia

R, L

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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

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I

Intensité


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)

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10000

20000

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nsité

(a.u

.)

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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

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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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