these - · pdf file1-1:equation de boltzmann . 1-2:equations de transfert . 1-2-1: ......

Click here to load reader

Post on 14-Sep-2018

217 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • D.UN d'Ordre: 343

    THESEprsente

    A L'UNIVERSITE BLAISE PASCAL

    Clennont-Ferrand II

    U.FR. DE RECHERCHE SCIENTIFIQUE El' TECHNIQUE

    pour obtenir le titre de

    DOCTORAT D'UNIVERSITE

    Spcialit: ELECTROTECHNIQUE

    par

    l', .\'7 ,",:

    J!

    / ',/ ,

    KOALAGA Zacharie

    CONTRIBUTION

    A L'ETUDE EXPERIMENTALE ET THEORIQUE

    DES PLASMAS D'ARCS ELECTRIQUES LAMINES

    Soutenue publiquement le 2 Juillet 1991, devant la Commission d'Examen:

    M. ACKERMANN P.

    M. ANDANSON P.M. VACQUIE S.M. AYMAMI J.A.M. GLEIZES A.M. LEFORT A.Mie. PARlZET M.J.

    Prsident

    Rapporteurs

    Examinateurs

  • A ma famille au BURKINA-FASO

    A la mmoire de Madame B. CHEMINAT

  • Ce travail a t effectu au sein de l'quipe" Arc Electrique" du Laboratoire dePhysique des Matriaux de l'Universit Blaise Pascal (Clennont-Ferrand II)

    J'exprime toute ma reconnaissance Monsieur le Professeur A. LEFORT de m'avoiraccueilli dans son Laboratoire et dirig ce travail aprs la disparition de mon Directeur de thseMadame B. CHEMINAT, Docteur es Sciences. Je le remercie pour l'intrt qu'il a donn mestravaux, ainsi que pour ses conseils et ses encouragements.

    A la regrette Madame B. CHEMINAT, j'exprime toute ma gratitude en lui ddiant cemmoire.

    Je remercie Monsieur le Professeur P. ACKERMANN, Directeur du C.U.S.T, d'avoiraccepter de prsider le jury de ma thse.

    A Monsieur S. VACQUIE, Directeur de Recherche au CNRS - C.P.A.T. Toulouse et Monsieur le Professeur P. ANDANSON, Directeur de l'I.U.T. de Clermont-Ferrand, j'exprimemes vifs remerciements, pour l'intrt qu'ils ont accord mon travail, en acceptant d'trerapporteur de ma thse.

    Je remercie Monsieur A. GLEIZES, Directeur de Recherche au CNRS TOULOUSE,pour avoir accept de participer au jury.

    Je remercie Mademoiselle M.J. PARIZET, Professeur l'I.U.T. de Clennont-Ferrand,pour sa disponibilit, son aide prcieuse et sa participation aujury.

    Je remercie Monsieur J.A. AYMAMI de la Direction Recherche et Dveloppement de laTlmcanique Electrique, pour avoir bien voulu juger mon travail et participer au jury. Mesremerciements vont galement Monsieur M. LAURAIRE (Tlmcanique).

    je remercie Messieurs R. BESSEGE, F. BLANC, R. AUBY et M. LIEUTIER pourleur aide et leur disponibilit.

    A Monsieur M. ABBAOUI, qui tout au long de ce travail m'a apport son soutien etses conseils, j'adresse mes plus vifs remerciements.

    Mes remerciements vont particulirement Madame C. MASCLAUX et MademoiselleS. MASCLAUX, qui ont bien voulu se charger de la dactylographie de ce mmoire.

    Je remercie le personnel technique du Laboratoire Messieurs R. PEllET, P. ANDRE,L. ROUDIL pour leur aide, ainsi que le personnel de l'imprimerie.

    Je remercie galement tous mes camarades de Laboratoire pour leur amiti et leurentraide.

  • SOMMAIRE

    INTRODUCTION 1

    CHAPITRE 1 : RAPPELS THEORIQUES

    EQUATIONS DE BASE 4

    41

    41

    42

    46

    485556

    56

    6

    9

    10

    11

    13

    17

    1-1 : Equation de Boltzmann .

    1-2 : Equations de transfert .

    1-2-1 : us vecteurs fiux .

    1-2-2 : Les quations de transfert .

    1-3: Rsolution de l'quation de Boltzmann .

    1-4 :us intgrales de collision .

    1-4-1 : us potentiels d'interaction .

    1-4-2 : Calcul des intgrales de collision .

    1-5 : Fonnulation et expressions simplifies des coefficients

    de transport 23

    1-5-1 : Formulation des coefficients de transport 24

    1-5-2 : Expressions simplifies des coefficients de transport 26

    1-6: Fonctions thennodynamiques ................. ...... .... .............. 32

    1-6-1 : Masse volumique ,.... 32

    1-6-2 : Enthalpie spcifique .. ,... .... .... . .. .. . ... .. 33

    1-6-3: Chaleur massique pression constante 34

    1-6-4 : Vitesse du son dans le plasma ........ .. ................ ...... 34

    1-7 : Composition d'quilibre .......... ............... . ............. ... ...... 35

    1-7-1 : Modle de calcul de la composition d'quilibre. 36

    1-7-2 : Les fonctions de parti!ion,intemes des particules. . ... ... .... 38. .~,t,'-:r \~.l'.. _- J ~

  • 2-2-2 : Interactions lectron-neutre 58

    2-2-3 : Interactions neutre-ion. ... .. ... ........ . . .. .. .. .. ..... . ... ... 60

    2-2-4 : Interactions charg-eharg 62

    2-2-5 : Formule de rcurrence........................................... 63

    2-3 : Proprits thermodynamiques et de transport 63

    2-3-1 : Calcul des coefficients de transport........... . 63

    2-3-2: Calcul des fonctions thermodynamiques '" 66

    2-3-3 : Autres grandeurs caractristiques - Conclusion ... .. .. 66

    CHAPITRE 3 : RESULTATS THEORIQUES

    ~~llftlUE1r~1rI()~ .... 67

    3-1 : Rsultats du calcul de la composition d'quilibre '" 69

    3-2 : Rsultats du calcul des coefficients de transpon....................... 86

    3-2-1 : Influence des intgrales de collision 86

    3-2-2 : Conductivit thermique 89

    3-2-3 : Conductivit lectrique 93

    3-2-4 : Viscosit dynamique 99

    3-3 : Rsultats du calcul des fonctions thermodynamiques .. .. ....... . ... 104

    3-3-1 : Masse volumique .. .............. .... ..... .... ....... ......... .. 104

    3-3-2 : Enthalpie spcifique .. ......... ... ....... ..... ...... .......... .. 108

    3-3-3 : Chaleur massique pression constante 112

    3-3-4 : Vitesse du son dans le plasma .... .... .. .... ............... ... 116

    3-4 : Autres grandeurs caractristiques 116

    3-4-1 : Densit d'nergie 120

    3-4-2 : Flux de puissance " " ........ .. .. 124

    3-4-3 : Cnpressibilit ....... .... .... ................ .... .............. 128

    3-4-4 : Viscosit cinmatique 130

    3-5 : Comparaison de nos rsultats avec

    ceux obtenus par d'autres auteurs 130

    3-5-1 : Composition d'quilibre 130

    3-5-2 : Conductivit thermique 133

    3-5-3 : Conductivit lectrique 140

    3-5-4 : Viscosit dynamique 140

    3-5-5 : Masse volumique .. ..... ................................. ....... 141

    3-5-6: Enthalpie spcifique 141

    3-5-7: Chaleur massique pression constante 141

    3-5-8: Vitesse du son 141

  • 3-6 : Conclusion ............. ... ............ ....... ........ ... ........... ... ... 141

    3-7 : Cas particulier du plasma de YfFE 145

    CHAPITRE 4 : ETUDE EXPERIMENTALE ... 154

    4-1 : Les diffrentes techniques de coupure .. .. 155

    4-1-1 :

  • INTRODUCTION GENERALE

    L'arc lectrique est gnralement dfini comme une dcharge fort courant TI seprte des applications diverses telles que, l'clairage, les appareillages de coupure, lesacclrateurs de particules ete...

    Du fait de l'tendue de ses applications, il a suscit de nombreux travaux derecherche tant sur le plan exprimental que sur le plan thorique [1].

    Si dans la plupart des applications, l'arc doit tre maintenu le plus longtempspossible, son extinction rapide est recherche dans les appareils de coupure. En effet, cesappareils de coupure sont conus pour assurer la commande manuelle ou automatique descircuits lectriques (contacteurs) ainsi que la protection des installations contre les courts-circuits (disjoncteurs).

    Notre tude se situe dans le cadre de l'interruption du courant lectrique au moyende l'arc lectrique. TI est alors utilis comme dissipateur de l'nergie par changes thenniquesavec le milieu environnant

    TI existe plusieurs techniques de coupure [2] dont les limites de performances sontpresque atteintes. Toutes sont bases sur l'aptitude de l'arc passer rapidement de l'tatconducteur, l'tat isolant (rsistance infinie).

    Ce mmoire est consacr l'tude d'un nouveau procd de coupure bassetension, fort courant mis au point par Tlmcanique Electrique et dcrit par Belbel etLauraire [3]. Cette nouvelle technique de limitation n'est plus base sur l'allongement rapidede l'arc entre des contacts, mais sur un laminage de celui-ci entre deux pices isolantes. Uncran isolant, propuls rapidement, entrane l'arc hors de la zone des contacts et le contraint prendre une section trs rduite entre deux parois isolantes. TI en rsulte [3], au vu de larelation :

    U = E.l =1.1 1CJ.Sque l'on peut avoir des tensions d'arc assez importantes, entranant ainsi des limitations decourant trs efficaces. Les performances de limitation obtenues sont quivalentes celles desfusibles et indpendantes de la nature du matriau des contacts.

    Le type de dcharge tudie (arc lamin parois ablatives) est caractris par desinteractions fortes entre l'arc et les parois [4]. La chambre de coupure est alorsessentiellement remplie de vapeurs d'isolant issues des parois ([4] et [5]).

    1

  • Par consquent la nature du matriau de paroi ainsi que la gomtrie de la chambre

    de coupure apparaissent comme les paramtres les plus importants prendre enconsidration.

    L'amlioration des perfonnances et l'optimisation de l'efficacit de l'appareillage

    passe par une bonne connaissance des processus physiques mis en jeu lors de la coupure.

    C'est dans cette optique que nous avons entrepris avec Tlmcanique une tude

    exprimentale et thorique de cette technique de coupure. A terme, cette tude devra conduire

    un modle physique dcrivant au mieux le comportement ou l'volution des grandeurscaractristiques des arcs lectriques lamins.

    L'tude exprimentale a ncessit la mise en place d'une chambre de coupure de

    gomtrie particulire et la mise en oeuvre de diverses mthodes de diagnostic.

    L'ensemble des essais effectus constitue un prolongement des tudes entreprises

    au laboratoire par Gentes [6] et Blanquart [7].

    Nous avons donc ralis des mesures de caractristiques lectriques de l'arc

    (courant-tension-ehamp lectrique). Des mesures de pression ont galement t effectues.