Rappels généraux sur l’arc électrique et les contacteurs

Rappels généraux sur l’arc électrique et les contacteurs

L’objectif de l’étude est de modéliser l’endommagement produit par des arcs électriques sur des pastilles de contacts électriques de contacteur. Pour ce faire, nous avons besoin de définir de façon succincte ce qu’est un arc électrique et les principaux phénomènes physiques qu’il met en jeu. Dans notre étude, il s’agit d’un arc apparaissant lors de la fermeture ou lors de l’ouverture d’un contact électrique. Les tensions d’arcs mesurées sont d’une dizaine de volts et l’intensité de courant d’une centaine d’ampères.

Rappels concernant l’arc électrique

L’arc électrique est un milieu ionisé, très lumineux et électriquement neutre. Il est caractérisé par un degré d’ionisation, sans unité, situé entre 10⁻² et 10⁻¹ , qui est le résultat de la perte d’un ou plusieurs électrons par un atome. Il correspond au rapport du nombre d’électrons sur le nombre d’électrons plus les neutres.

Différentes catégories d’arcs existent. On fait couramment la distinction entre les arcs dits «basse pression» et «haute pression». C’est la catégorie haute pression qui nous intéresse, les contacteurs travaillant à pression atmosphérique. Dans cette catégorie, les températures des ions, des atomes de gaz neutres et des électrons peuvent être considérées comme égales dans la colonne d’arc (environ 10 000 K). Dans ces conditions, à chaque point dans le volume du plasma, on peut définir une température unique. C’est l’équilibre thermodynamique local [1].

Dans le cadre de notre étude, le matériel opère bien évidemment dans l’air à pression atmosphérique  . D’autres milieux isolants existent comme par exemple l’huile, le vide, l’air comprimé ou le SF6 . Mais l’air est d’un point de vue industriel, le plus pratique, efficace, sûr et le moins cher dans le domaine de la basse tension.

Beaucoup de paramètres influencent énormément le comportement de l’arc, à savoir:
— le type d’alimentation : tension du circuit et intensité du courant, en continu ou en alternatif ;
— les électrodes : type de matériau, état de surface, forme, rugosité, géométrie, orientation,…
— la vitesse et l’accélération de la partie mobile, distance inter-électrodes ;
— les interactions avec les parois, céramiques ou plastiques ;
— le gaz : composition, pression,…

Une façon simple de décrire l’arc est de le diviser en plusieurs zones  : la zone cathodique, la colonne d’arc et la zone anodique. La zone cathodique s’étend sur quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres au voisinage de la cathode. Elle peut être subdivisée entre la zone de charge d’espace et la zone d’ionisation. La première est l’endroit où le champ électrique va accélérer les électrons émis par la cathode. L’émission, de type froide ou chaude, a été étudiée par Murphy et Good [2]. La seconde est l’endroit où les électrons sont énergétiques et vont ioniser le gaz. D’autres électrons sont libérés et des ions sont créés. Dans cette zone, le plasma d’arc est hors équilibre thermodynamique local.

Matériaux d’électrodes

Les câbles électriques sont en général en cuivre, car celui-ci est bon marché, de l’ordre de 4,30 e/kg et possède une bonne conductivité électrique 59,6 MS·m−1. Il n’est cependant pas adapté pour les contacts car il s’oxyde à température ambiante dans l’air, et la formation de ses oxydes Cu2O et CuO activée par la température rend rapidement isolant le contact. La conduction est dégradée et le contact chauffe anormalement, entraînant l’échauffement de tout l’appareil.

C’est pour cela que l’argent est utilisé. L’argent pur a une meilleure conductivité électrique que le cuivre, soit 63 MS·m−1. Il est aussi peu sensible à l’oxydation et sa mise en forme est aisée, car il est ductile, comme le cuivre. Par contre, il peut facilement donner lieu à des soudures. De plus, l’argent est très sensible en atmosphère sulfurée. Il ne peut donc pas être utilisé seul. C’est pourquoi un renfort est introduit dans la matrice Ag très conductrice, pour améliorer sa tenue mécanique et son endurance à l’arc électrique.

Les renforts augmentent sensiblement la résistivité mais ils minimisent les déformations des pastilles sous l’effet de la pression de contact. De plus, ils rendent le matériau plus visqueux sous une même température, si bien que l’érosion s’en trouve limitée. La nature des renforts est variable. Ce sont soit des métaux réfractaires (nickel, tungstène), des oxydes métalliques (de cadmium CdO, de zinc ZnO, d’étain SnO2) ou bien encore du carbure de tungstène WC, du graphite. Aucun renfort ne peut satisfaire toutes les applications électrotechniques, toutefois, les oxydes métalliques semblent présenter le meilleur compromis pour les contacteurs.  La faible solubilité entre l’Ag et le renfort d’oxyde métallique, comme SnO2 qui fond à une température très supérieure à celle de l’argent, écarte la fonderie par coulée comme moyen de production. C’est pourquoi on utilise pour la fabrication du matériau la métallurgie des poudres, avec une étape de frittage en dessous de la température de fusion de l’argent [8].

Une fois le frittage choisi comme procédé industriel, il faut mélanger les constituants de façon rapide et efficace. On a ainsi recours à des dopants, avec une teneur en masse de quelques dixièmes de pourcent, qui sont parfois aussi des oxydes métalliques. Les dopants permettent une meilleure mouillabilité entre l’argent et le renfort en oxyde [9]. On peut citer CuO, Bi2O3, WO3, MoO3 ou In2O3.

La teneur de 12 % en masse de SnO2 – CuO correspond à un compromis choisi par Schneider Electric. En dessous de cette valeur, il y a un risque plus élevé de soudure. Au-dessus, la résistance de contact grimpe avec le cumul des arcs électriques. Des récentes recherches étudient le matériau avec une teneur de 14% [10], et des essais ont été faits avec jusqu’à 30 % de SnO2 en masse [11]. De surcroît, les paramètres conductivité et dureté baissent de plusieurs dizaines de pourcent quand le taux de d’oxyde d’étain augmente [12].

Un sabot est rempli de poudre, qui vient remplir une matrice. La poudre est ensuite comprimée avec une pression de quelques centaines de MPa. Puis vient une phase de frittage, où les grains de poudres en argent, SnO2 et CuO se soudent entre eux par un mécanisme de diffusion en phase solide. À la sortie du four, les pastilles sont incurvées à cause du retrait de frittage, et des différences de coefficient d’expansion thermique entre le matériau de contact Ag – SnO2 et sa sous-couche en argent. Il faut donc procéder à un calibrage également de quelques centaines de MPa. Enfin vient la phase de recuit qui finalise le procédé pour relaxer les contraintes internes dues au calibrage.

Endommagement des pastilles de contact 

On répertorie plusieurs types d’endommagement par accumulation d’arcs électriques sur des pastilles de contacts. En premier lieu, on rencontre des pertes de matière par évaporation du métal ou éjection de métal fondu, ce qui détruit la géométrie initiale des pastilles. Par ailleurs, des bulles de taille micrométrique peuvent se former sous la surface. Des fissures apparaissent et se propagent depuis la surface avec une trajectoire orthogonale à celle-ci vers le substrat. Elles peuvent aussi s’amorcer sous la surface de la couche endommagée et se propager parallèlement à la surface, ou de manière oblique. Les fissures peuvent se rejoindre et provoquer le départ de fragments solides des pastilles. Tous ces processus contribuent à l’érosion des pastilles. L’accumulation des arcs provoque le vieillissement du système, lié à un phénomène de démixtion : la matrice argent se retrouve progressivement dénuée du renfort en SnO2 [13, 14].

Des études mettant en œuvre le matériau de notre étude ont été menées dans le passé, chez Schneider ou ailleurs, confirmant chacun de ces processus [15]. L’influence de différents paramètres a été étudiée. Ainsi, plus la taille des particules de SnO2 diminue, plus la dureté, la résistivité et la densité du matériau augmentent, et plus la durée d’arc, la perte Des études mettant en œuvre le matériau de notre étude ont été menées dans le passé, chez Schneider ou ailleurs, confirmant chacun de ces processus [15]. L’influence de différents paramètres a été étudiée. Ainsi, plus la taille des particules de SnO2 diminue, plus la dureté, la résistivité et la densité du matériau augmentent, et plus la durée d’arc, la perte

Contacteur D115 de Schneider Electric

Architecture 

Un contacteur fait partie des appareils à fonctionnement actif pour l’établissement et l’interruption du courant électrique. C’est un actionneur de type électroaimant commandé à distance qui ferme ou ouvre le circuit électrique [4, 19]. La commande est en «tout-ourien», c’est-à-dire que le circuit est fermé ou ouvert sans transition ni modulation du courant.

Il y a deux carcasses en acier feuilleté. L’une est fixe, fixée sur le boîtier via un ressort en élastomère, avec une bobine. L’autre est mobile et montée sur ressort. La carcasse mobile est liée au porte électrode-mobile, appelé porte-électrode mobile par abus de langage de Schneider Electric. Lorsque le courant de commande passe, les deux carcasses se touchent et le courant de puissance est établi. Quand il n’y a plus de courant dans la bobine, les ressorts repoussent le porte-électrode mobile, le circuit de puissance est donc normalement ouvert. Le contacteur fonctionnant en triphasé et double contact, on dénombre donc six électrodes et pastilles fixes solidaires du boîtier. On trouve six électrodes mobiles solidaires du porte-électrode mobile, ayant chacun deux pastilles, donc six pastilles mobiles.

Table des matières

Introduction générale
1 Rappels généraux sur l’arc électrique et les contacteurs
1.1 Rappels concernant l’arc électrique
1.2 Contacteur, principe de fonctionnement et endommagement
1.2.1 Principe de fonctionnement
1.2.2 Matériaux d’électrodes
1.2.3 Endommagement des pastilles de contact
1.3 Contacteur D115 de Schneider Electric
1.3.1 Architecture
1.3.2 Dispositifs d’extinction des arcs
1.4 Catégories d’utilisation des contacteurs en endurance électrique
1.5 Conclusion des rappels généraux
2 Étude des propriétés du matériau constituant les contacts
2.1 Conductivités et capacités thermiques
2.1.1 Rappel des équations
2.1.2 Matériel utilisé pour les mesures
2.1.3 Valeurs mesurées en phase solide
2.1.4 Valeurs calculées en phase liquide
2.2 Dilatation thermique
2.2.1 État de l’art
2.2.2 Mesures réalisées dans le cadre de notre étude
2.3 Essais mécaniques
2.3.1 État de l’art
2.3.2 Équipement et méthodes employées
2.3.3 Essais mécaniques réalisés
2.3.4 Identification des paramètres pour les trois matériaux
2.3.5 Faciès de rupture
2.4 Dureté
2.4.1 État de l’art
2.4.2 Mesures
2.5 Conclusion sur les propriétés du matériau
3 Endommagement sous l’action de l’arc
3.1 Essais électriques simplifiés
3.1.1 Machine «Saturne»
3.1.2 Endommagement généré par un arc
3.1.3 Endommagements générés après plusieurs arcs
3.2 Essais en conditions AC-3
3.2.1 Principe des essais interrompus
3.2.2 Description de l’endommagement provoqué lors des essais AC-3
3.2.3 Étude microstructurale des endommagements
3.3 Conclusion sur l’endommagement des pastilles
4 Estimation du bilan de puissance aux électrodes
4.1 Introduction
4.2 Description du bilan de puissance
4.2.1 Introduction
4.2.2 Deux approches pour décrire les interactions arc–électrodes
4.2.3 Phénomènes physiques à l’échelle microscopique : bilan de puissance
4.2.4 Le bilan de puissance à une échelle macroscopique
4.3 Observation des cratères et zones fondues
4.3.1 Introduction
4.3.2 Description des endommagements
4.3.3 Profilométrie et modélisation numérique pour le bilan de puissance
4.3.4 Zones fondues observées à l’optique et à l’EBSD
4.4 Cartographie thermique
4.4.1 Introduction
4.4.2 État de l’art sur les mesures de températures d’électrodes
4.4.3 Description du dispositif expérimental et méthode de mesure
4.4.4 Un exemple de résultat expérimental et de dépouillement
4.4.5 Synthèse d’autres résultats
4.5 Évolution du rayon fondu à l’arrière de l’électrode
4.5.1 Introduction
4.5.2 Un exemple de résultats et d’analyse
4.6 Conclusion du bilan de puissance
Conclusion générale

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