Propriétés des arcs électriques et Plasma

Les arcs électriques sont généralement liés à une erreur humaine dans les 80% des cas (chute d’outils sur des pièces sous tension d’une installation, isolation endommagée, conducteurs cassés, etc.). Le risque d’arc électrique est le moins connu parce que : l’accent est essentiellement placé sur la conception des installations et des procédures de travail sûres, Plus grande prise de conscience du risque et du fait qu’on doit mieux protéger les employeurs, De nombreuses activités se déroulent en continu, il n’est donc pas toujours possible de couper le réseau électrique.

Il est bien connu que les courts-circuits dans les réseaux électriques peuvent créer des arcs électriques dont les conséquences peuvent être dommageables voire dramatiques. Les arcs ainsi créés sont en général des décharges à fort courant dont la durée est limitée soit par des dispositifs de protection de type disjoncteur, soit par la rupture intempestive du circuit par l’arc lui-même dont le dégagement d’énergie a ablaté et vaporisé des matériaux du circuit et de son environnement immédiat. En réalité deux types de conséquence sont redoutés : le premier est la coupure du courant et de l’information qui passait par le circuit ; le deuxième est le risque de dommage créé par l’arc et en particulier le risque d’incendie.

En dépit de ces protections, des courts-circuits et des arcs se forment dans les systèmes de câblage, très rarement si on considère les statistiques, mais suffisamment souvent si on examine les conséquences. Le problème principal lorsque un tel arc de défaut survient est le risque de propagation de cet arc le long des câbles, ce qui peut favoriser l’endommagement des matériaux environnants et peut produire un incendie. Cet effet de propagation de l’arc dépend non seulement de l’arc lui-même établi entre contacts métalliques, mais également de son proche environnement et en particulier de la nature de la gaine isolante des câbles. Ce phénomène est étudié depuis longtemps et a été responsable de nombreux incidents recensés dans des revues spécialisées.

Propriétés des arcs électriques et Plasma

Types d’arc

L’arc électrique peut-être défini comme une décharge électrique lumineuse à fort courant traversant un gaz entre deux conducteurs présentant une différence de potentiel suffisante par rapport à l’énergie d’ionisation des gaz, la décharge étant stable et autoentretenue. L’arc électrique se caractérise par le passage dans un milieu initialement isolant, d’un point de vue électrique (gaz à température ambiante), d’un fort courant électrique qui entraine une élévation très importante de la température (quelques 10000 K) due à l’apport énergétique par effet Joule. Cet échauffement provoque l’ionisation du gaz qui devient conducteur, et permet de maintenir de façon stationnaire un courant de forte intensité pour une faible différence de potentiel (d.d.p.). Les éclairs qu’on observe pendant les orages sont des arcs électriques entre deux nuages ou entre un nuage et la Terre.

Pour maintenir le gaz ionisé (le plasma) en amorçant un arc électrique, il existe, principalement, trois configurations : les arcs libres, les arcs soufflés, et les décharges radiofréquences (RF). Les arcs libres et les arcs soufflés sont basés sur le même principe. La décharge électrique est générée entre une anode et une cathode plate ou pointue (la forme pointue de la cathode favorise l’émission électronique). La seule différence entre les deux, est que la stabilisation de la colonne d’arc soufflé se fait par l’envoi tangentiel à grande vitesse d’un gaz au proche voisinage de la cathode, c’est la stabilisation forcée par tourbillon (en vortex). Dans le cas des arcs libres la décharge peut être fortement instable mais dans certains cas elle peut être stabilisée par différents effets ou par des conditions géométriques : parois, par convection naturelle ou induite, par champ magnétique, …

Amorçage de l’arc

L’amorçage d’un arc peut être réalisé par trois méthodes dont les principes sont très différents.

Transition continue 

Le régime est celui de la décharge luminescente. La cathode est totalement recouverte par le plasma de décharge et les électrons sont émis par l’émission secondaire due au bombardement des ions. Si l’on augmente l’intensité I du courant à partir du générateur, la cathode ne pourra répondre à cet accroissement que par une augmentation de la tension V d’extraction des électrons. Le champ augmente donc au voisinage de la cathode et l’épaisseur de la gaine diminue. Les ions perdent alors moins d’énergie par collision et en fournissent davantage à la cathode dont la température s’élève. Les électrons qui étaient émis jusqu’ici sous l’effet du bombardement ionique (2e coefficient de Townsend) commencent à être émis par effet thermoélectronique. Cet effet augmente avec l’accroissement de l’intensité du courant. En B, c’est ce dernier type d’émission qui est prépondérant. La densité de courant devient forte, les sites émissifs se concentrent sur une surface de petite dimension appelée spot cathodique (généralement inférieure à 1 mm² , mais très dépendante des conditions de fonctionnement). Au-delà de B, la tension entre les électrodes diminue. Une tension de plus en plus faible est suffisante pour maintenir la décharge. On obtient la caractéristique décroissante bien connue BC.

Amorçage par contact 

Considérons par exemple deux pastilles de contact traversées par un courant I. Lorsque les contacts se séparent, la totalité du courant du circuit passe par une surface de très faible dimension (inférieure à 1 mm2 , mais pouvant être de l’ordre de 10⁻⁶ mm2 dans le cas de microcontacts à faible pression d’écrasement). En effet, en raison des irrégularités de surface, les zones d’appui des deux contacts se limitent à quelques aspérités peu avant la séparation complète. La résistance R du (ou des) pont(s) ainsi créé(s) augmente. La puissance RI2 dissipée conduit à une élévation de température, suffisante pour provoquer la fusion du métal. Il se forme ainsi entre les deux contacts un pont fondu. Ce pont s’allonge au fur et à mesure de l’écartement des pôles. Il est alors soumis à de fortes instabilités qui entraînent sa rupture. Celleci prend l’aspect d’une explosion se traduisant par l’éjection de vapeur métallique et de fines gouttelettes dont la vitesse est comprise entre 100 et 300 m · s–1 . Une vingtaine de nanosecondes après la rupture, on trouve une pression de vapeur métallique voisine de 10⁵ Pa (≈ 1 atmosphère). Ce plasma de vapeur métallique est rapidement remplacé par un plasma formé à partir du gaz ambiant et l’arc ainsi créé se maintient si la source d’alimentation est suffisante. De nombreux arcs de laboratoire sont ainsi amorcés par contact au moyen d’une baguette métallique que l’on place au contact des électrodes et que l’on retire en gardant le contact avec l’une des électrodes.

Un autre procédé se ramenant à celui-ci consiste à placer un fil de faible diamètre entre les électrodes. Le passage du courant provoque sa pulvérisation. Il se forme initialement un plasma de vapeur métallique, puis l’arc s’installe dans le gaz ambiant.

Amorçage par surtension

Lorsque la tension appliquée entre deux conducteurs dépasse la tension de claquage, la présence d’un électron germe conduit à une multiplication des charges par collisions dans un processus complexe où les phénomènes radiatifs sont impliqués. Une décharge se forme très rapidement entre les électrodes et dégénère en arc de façon irréversible si la source d’alimentation ne limite pas le courant. C’est le phénomène des contournements d’isolateurs et, dans une certaine mesure, de l’éclair de la foudre.

Table des matières

INTRODUCTION
ARCS ELECTRIQUES
Chapitre I. Propriétés des arcs électriques et Plasma
I.1 Types d’arc
I.2 Amorçage de l’arc
Transition continue
Amorçage par contact
Amorçage par surtension
I.3 Répartition approximative de la tension dans un arc
I.4 Phénomène aux électrodes
Structure de la région cathodique
Structure de la région anodique
Phénomènes aux électrodes
I.4.3.1. Zone cathodique
I.4.3.1.1. Emission thermo-ionique
I.4.3.1.2. Emission par effet de champs
I.4.3.1.3. Emission TF (Thermo Field)
I.4.3.1.4. Bilan d’énergie à la cathode
I.4.3.2. Zone anodique : bilan d’énergie à l’anode
Chapitre II. Etude sur le claquage des isolants
II.1. Introduction sur les arcs de défaut dans des câblages
II.2. Rôle des isolants
II.3. Endommagement dû à l’arc tracking
Chapitre III. Etude accomplis à l’ESPA à propos de l’arc électrique
III.1. Le comportement électrique et thermique de l’arc électrique entre deux contacts
III.2. Représentation de quelques résultats sur ce thème
III.3. trava effectués
MATERIELS ET METHODES
Chapitre IV. Mis en place d’un petit banc expérimentale
IV.1. Réalisation d’un simple dispositif mécanique
IV.2. Mise en place du dispositif de commande et d’asservissement
IV.2.1 Le moteur pas à pas
IV.2.2 Caractéristique du moteur pas à pas choisi dans notre étude
IV.2.3. Branchement du moteur et la carte arduino Uno à l’aide d’un circuit intégré
IV.2.4. Utilisation du potentiomètre
IV.2.5. Programmation de l’arduino
IV.3 Mise en place du dispositif à arc électrique
IV.3.1. Réalisation du montage ZVS (Zéro Volt Switching) d’un transforamteur Flyback
IV.3.2. Diviseur de tension
IV.4. Conducteurs électriques isolés
IV.4.1. Définition générale
IV.4.2. Parties constitutives
IV.4.3. Dénomination symbolique des conducteurs
IV.5. Régulateur de tension
IV.6. Appareils de mesure
IV.6.1. oscilloscope Velleman PCS10 /K8047
IV.6.2. Caméra thermique Fluke Ti450
Chapitre V. Mis en équation des phénomènes électrique et procédures des mesures
V.1. Modèle statique de l’arc électrique
V.2. Modèle dynamique de l’arc électrique
V.3. Procédures des mesures
V.3.1. Mode opératoires
a. Objectifs
b. Phase préparatoire
V.3.2. Déroulement des essais
RESULTATS EXPERIMENTAUX ET INTERPRETATIONS
Chapitre VI. Mesures électriques et thermiques
VI.1. Présentation des enregistrements
VI.2. Discussions et comparaisons
VI.3. Estimation de la chute de tension aux électrodes
VI.4. Modèle de calcul de la tension en fonction de la longueur d’arc
CONCLUSION

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