fonctionnement des fusible mt etudes expérimentales et...

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L A E P T 5e Journées du Réseau Plasmas Froids – 3/6 Octobre 2006 - Bonascre

Fonctionnement des Fusible MT

Etudes expérimentales et théoriques

LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUESCNRS UMR 6069 - 24, Avenue des Landais

F63177 AUBIERE CEDEXhttp://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/

5e Journées du Réseau Plasmas Froids

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

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LABORATOIRE ARC ELECTRIQUE ET PLASMAS THERMIQUEShttp://www.univ-bpclermont.fr/LABOS/laept/

Fonctionnement des FusiblesEtudes expérimentales et théoriques

• Qu’est-ce qu’un fusible ?

• Expériences sur les premières machines électrostatiques (1745) :

Early Leyden Jars (NL)(Leyden bottle, capacitor)

An advanced electrostaticbattery 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

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• 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 résistanceset leurs longueurs sont choisies afin que, lorsque les courants de la décharge sont tropimportants, ils se comportent tels des fusibles, i.e. il y désintégration du fil (première observation des résidus "unduloids").

• Illustrations sur les premiers fusibles :

On retrouve deux éléments fondamentaux d’un fusible : connexions (électrodes), élément fusible.

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Connecteurs

Fil de fer Fil de ferSoudure

Connecteurs

Fil de fer Fil de fer

Boule métallique

Fusible développé par S. P. Thompson (1879) Fusible développé par C.V. Boys et H.H. Cunyngham (1883)

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• 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 isdesirable, 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 relievedof 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 remplissageW.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)"

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ElectrodeElectrode

EnveloppeMatière de remplissageElément(s) fusible

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• Les fusibles actuels :Fusibles miniaturesFusibles 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, …)

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Electrode

Electrode

Cavité de remplissage

(Silice compacte ou dispersée)

Elément fusible

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• Les fusibles actuels :Fusibles miniaturesFusibles 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, …)

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Electrode

Electrode

Cavité de remplissage

Elément(s) fusible

FulguriteNoyau central isolant

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Fusibles à expulsion(HV)

Montage 3 phases en BT Fusibles à semi-conducteur en BT

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• Les fusibles actuels :Fusibles miniaturesFusibles 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 fusesFusible capable d’interrompre tout fusible capable d’interrompre tout courant de défautdepuis le courant maximal de coupure jusqu’au courant minimal de coupure

- Fusibles à usage général / General Purpose FusesFusible capable d’interrompre tout courant de défaut depuis le courant maximal decoupure jusqu’au courant provoquant la fusion de l’élément fusible en moins d’une heure

- Fusibles à coupure intégrale / Full Range FusesFusible capable d’interrompre tout courant de défaut depuis le courant maximal decoupure jusqu’au courant continu minimum capable de causer la fusion de l’élémentfusible

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Le rôle de protection du fusible

• Protection des biens et de personnes quelque soit la tension du réseau

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• Protection des biens et de personnes quelque soit la tension du réseau

Arcing substation and exploding transformer

"Used with permission from Bert Hickman, Stoneridge Engineering, http://www.teslamania.com"

500 kV disconnect switch, one phase opens

"Used with permission from Bert Hickman, Stoneridge Engineering, http://www.teslamania.com"

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• Sources de puissance adaptée à l’étude des fusibles MT en laboratoire :Banc capacitif : demi-onde de courant ∼ sinusoïdale 50 HzStation de puissance en alternatif : 100 kVA

Onde présumée

Onde limitée

Courant limité

R

L

C1

C2

DTHY

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• Sources de puissance adaptée à l’étude des fusibles MT en laboratoire :Banc capacitif : demi-onde de courant ∼ sinusoïdale 50 HzStation de puissance en alternatif : 100 kVA

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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

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Etape 1. Passage du courant nominal

In



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Etape 2. Passage du courant de défaut I >> In : fusion dans les zonesde plus grande résistance ohmique

I

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Etape 3. Passage du courant de défaut I >> In : vaporisation des pontsfondus (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

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• 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’isolantgranulaire (formation plasma Ag_SiO2) et érosion de l’élémentfusible (ou « burn-back »)

I

I

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• 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

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• 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)

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Courant / A Tension / V

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• Etude du "burn-back" :Estimation des vitesses d’érosionDétermination des taux d’érosionEtude 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 unefois ionisées du silicium

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• 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)

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• 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 defonctionnement

~ 0, 85 ms

Fin defonctionnement

~ 3,5 ms

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• 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 froidesD’où l’utilisation des transitions Si+

Si II (1) 385,366 385,602 385,259 nm3p2 2D0

3/2-5/2-3/2 - 4p 2P03/2-3/2-1/2

Temps (ms)

1.0

2.0

3.0

4.0

_

_

_

_lll l l 390380 385

Inte

nsité

(u.a

.)

Longueur d'onde (nm)

Si II (3) 412,805 413,087 413,089 nm3d2 2D3/2-5/2-5/2 - 4f 2F0

5/2-5/2-7/2

Temps (ms)

1.0

2.0

3.0

4.0

_

_

_

_lll l l 418408 413

Inte

nsité

(u.a

.)

Longueur d'onde (nm)

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• 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 nmExploitation des profils d’intensité expérimentaux par des profils de VoigtHypothèse : distribution de Boltzmann pour les niveaux d’énergie

~ 0,9 ms ~ 3,0 ms

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• Etude des propriétés radiatives du plasma Ag_SiO2 :Estimation de la densité électronique

L’élargissement par effet Stark est prépondérantLes profils expérimentaux des transitions Si+ centrées à 634 et 637 nm sont approximés par des profils de VoigtLes élargissements théoriques sont tabulés pour des conditions de température et de densitéélectronique

~ 0,9 ms ~ 3,0 ms

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• Etude des propriétés radiatives du plasma Ag_SiO2 :Variation de la densité électronique en fonction de la température

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• 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 ducouplage LS pour les niveaux d’énergie

Notion de grandeurs moyennesRayonnement intégré sur une profondeur donnée non estimable

Incertitudes sur les Aki des transitions Si+

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• 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’énergieGrandeurs électriquesTempérature et densité électronique du plasmaPression : pression sable, pression gaz, pression plasmaDiffusion fluide : forces de freinage définies par la détermination expérimentale des coefficients de Darcy et de Forchheimer

Sable de silice Quartz 375 µm

150 200 250 300 350 400 4501.4

1.5

1.6

1.7

1.8

Mas

se v

olum

ique

de

com

pact

age

(g/c

m3 )

Granulométrie moyenne (µm)

0

0

ρρρφ −

=

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• Influence des propriétés morphométriques du sable de silice :Exemple de la mesure de la pression

Pression exercée parle sableB < D < F < 1000 µm

Pression exercée parle fluide qui diffuse dansles interstices de la matière de remplissage

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• 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 leurensemble afin de tester différentes matières de remplissageCes coefficients sont indispensables pour la modélisation de la dissipation de l’énergie

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L >> dP

φ, k, β, dP

PE PS

D, T D, T

( ) 022ln2 22222 =++⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−− βφφµ RTLD

kLDRT

PPRTDPP

E

SES

ukµ2φ− : perte de charge par frottement visqueux entre le fluide et les grains

de silice (loi de Darcy) caractérisée par k : coefficient de Darcy

uuβρφ 3− : perte de charge par inertie (loi de Forchheimer) caractérisée par β : coefficient de Forchheimer

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.01x102

1x103

1x104

1x105

1x106

dP/d

l (P

a/m

)

Vitesse (m.s-1)

0 1 2 31x104

1x105

1x106

dP/d

l (P

a/m

)

v (m.s-1)

τ = 1.80dpore = 116 µm

275 µm

poreparticule dd ×−

×=ε

ε15.1

( ) ( )( ) porepore d

vd

vLP 2

222 3105.2136 ρ

τεττµ

εττ

−−

+−

=∆

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Les essais en laboratoire

• Reproduire le fonctionnement industriel à l’échelle du laboratoire :Bancs capacitifsStation de puissance 100 kVA 50 Hz

Contrôle des paramètres industriels : facteur de puissance (cosϕ)et angle d’enclenchement (θ)Essais de normalisationEtude des reclaquagesSimulation expérimentale d’une ligne réelle

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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 fusibleEspèces présentes (Argent, Silice, Air, ..), proportions massiques, instants au cours dufonctionement du fusibleLes trois états solide, liquide et vapeur en fonction de l’instant d’observationVolume plasma variable, pression variable

Difficultés pour les données fondamentalesCalcul/Biliographie/Estimation des potentiels d’interaction utiles pour le calcul des intégrales de collision

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Composition pour un plasma Air/Argent/SiliceHypothèses de calcul :

Pression fixée 1 barPourcentages massiques : 2% air, 98% argent et silice (respectivement 99% et 1%)

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Composition pour un plasma Air/Argent/SiliceHypothèses de calcul :

Pression fixée 1 barPourcentages massiques : 2% air, 98% argent et silice (respectivement 1% et 99%)

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• 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

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• 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 :

- 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

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++

-

+ -

- -

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Cas particulier du modèle coupé micro/macro pour les milieux poreux appliqué au fusible MT :

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Problème : comment représenter un isolant dispersé en tenant compte des caractéristiques imposées par les granulats (forme, distribution, points de contact, …)

Homogénéisation du milieu poreux

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Cartographie de la distribution en température :

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Préarc 0,85 ms

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Régime d’arc 2,30 ms

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Régime d’arc 5 ms

5,25 ms

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En conclusion

• Etude du fusible MT :

Etude pluridisciplinaireExpérimentations, calculs théoriques, modélisation

Icefa 2007 Clermont-Ferrand :International Conference on Electric Fuses and their Applications (Laept, UBP)http://www.univ-bpclermont.fr/CONGRES/icefa2007/

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