Tension d’arc

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L’arc dans le déion

Courbe de coupure

La figure 1.11 montre une courbe de coupure typique pour des conditions d’essai identiques à celles de la figure 1.3, à savoir Ic = 6 kA et = 45°. Nous pouvons aisément identifier les phases décrites précédemment à l’aide de l’évolution de la tension aux bornes du disjoncteur ud et de l’intensité du courant i. L’arc électrique apparaît lors de l’ouverture des contacts au temps t0, facilement identifiable par un saut de tension d’environ 20 V , il s’allonge et se dirige ensuite vers l’entrée du déion dans lequel il se fractionne au temps t1, la tension augmente alors très rapidement jusqu’à atteindre une valeur d’environ 450 V .
L’intensité du courant diminue alors et au temps t2, l’arc électrique s’éteint. Ces trois temps caractéristiques sont indiqués par des flèches vertes sur la figure 1.11.
La durée de la phase de fractionnement, qui correspond à l’augmentation de l’intensité du courant dans le déion, est donc extrêmement courte alors que celle de la phase de limitation représente plus de la moitié de la durée totale de l’essai t2.

Phase de fractionnement

Il est difficile de déterminer la dynamique de cette phase car nous ne disposons pas d’évidence directe de ce phénomène. En revanche, nous pouvons estimer sa durée par celle du temps de montée de la tension du disjoncteur au temps t1.
La figure 1.12 propose une vue détaillée extraite de la figure précédente 1.11, mettant en évidence les deux tentatives de fractionnement, la première étant infructueuse : la tension ud passe d’environ 100 V à plus de 450 V en l’espace d’environ 0,1 ms. Cet ordre de grandeur de la durée de fractionnement tf est confirmé pour une intensité maximale du courant allant de 1,5 à 4 kA et pour différents disjoncteurs.

Phase de limitation : onde de courant

La durée de la phase de limitation est : t = t2 − t1 (1.10) ainsi que le montre clairement la figure 1.11. La figure 1.13 présente t en fonction du courant de court-circuit présumé Ic, pour un angle = 45°. Cette durée est comprise entre 2,5 et 3,2 ms et ne varie que très peu en fonction de Ic. Cela signifie que l’efficacité de réduction du courant augmente lorsque Ic augmente. Cet effet peut être dû soit à un arc plus stable dans le déion conduisant à une meilleure limitation du courant, soit à une tension d’arc dans déion plus élevée lorsque Ic augmente.
Un tel ajustement est représenté en trait discontinu sur la figure 1.11. Ce comportement se retrouve systématiquement, avec des coefficients éventuellement différents, quels que soit le disjoncteur ou les conditions d’essai.
La figure 1.13 présente la valeur de l’intensité du courant à l’entrée du déion I0 en fonction du courant de court-circuit présumé Ic, pour un angle = 45°. Sa valeur est bien inférieure à l’intensité maximale présumée approximativement au moins égale à Ic p2. Elle est lié au temps t1, c’est-à-dire à la rapidité du produit à réagir en cas de défaut de court-circuit et à amener l’arc électrique jusqu’au déion. Or ce temps t1 diminue lorsque Ic augmente car non seulement l’actionneur magnétique réagit alors plus vite mais les forces de Laplace qui poussent l’arc vers le déion sont également plus importantes.
Cette valeur I0 est bien entendu la valeur pertinente physiquement car elle correspond à l’intensité réelle de l’essai, nous tracerons donc le reste de nos résultats en fonction de I0 et non en fonction de Ic.

Phase de limitation : tension

La tension est animée de violents soubresauts durant la phase de limitation, clairement visibles sur la figure 1.11. Elle redescend parfois à une valeur très faible et l’intensité de courant remonte alors. Cela est interprété comme un réallumage, partiel ou total, de l’arc électrique à l’entrée du déion suivi d’un nouveau fractionnement. Abstraction faite de ces variations rapides et de grande amplitude, nous constatons que la tension a une tendance décroissante. Cette décroissance est généralement constatée mais parfois difficile à mettre en évidence, par exemple dans le cas d’une pénétration laborieuse de l’arc dans le déion ou bien lorsque la tension n’est pas stable dans le déion.
Nous caractériserons donc dans un premier temps cette tension par la valeur maximale atteinte, que nous nommerons Uf . Cette valeur maximale est en général atteinte au début de la phase de limitation lors du fractionnement, nous l’indiçons donc par la lettre f. La figure 1.14 présente la tension maximale aux bornes du disjoncteur Uf en fonction du courant d’entrée dans le déion I0. La tendance est remarquablement linéaire et peut être ajustée par la fonction : Uf ‘ U0 + I0 (1.12) avec U0 = 365 V et = 33.10−3 V.A−1. Il semblerait donc que la tension du disjoncteur au début de la phase de limitation augmente avec l’intensité du courant lors du fractionnement. Cette constatation se généralise à l’ensemble des disjoncteurs et des conditions d’essai, avec des coefficients éventuellement différents.
Ainsi, afin de préciser ce point, nous avons instrumenté un disjoncteur de façon à mesurer la tension aux extrémités des tôles d’arcs, tel qu’indiqué sur la figure 1.10. La position des prises de potentiel est dans une configuration de mesure quatre fils. Un calcul simple montre que la chute de tension due au passage du courant électrique à travers les plaquettes de fractionnement est négligeable. La tension mesurée est donc Nua, telle que définie par l’équation 1.13.
La figure 1.15 présente le résultat d’un essai de court-circuit réalisé sur un tel disjoncteur instrumenté, dans des conditions de courant similaires à celles de la figure 1.11. Nous avons tracé la tension aux bornes du disjoncteur rapportée au nombre d’arcs après fractionnement ud/N ainsi que la tension d’arc moyenne d’un arc dans le déion ua non pas en fonction du temps, mais en fonction de l’intensité du courant.
La courbe ua(i) présente un aspect globalement linéaire, hormis pour les faibles intensités de courant, avec une pente plus faible que la courbe ud(i)/N.
Cela signifie que la variation de tension du disjoncteur observée durant la phase de limitation n’est pas seulement imputable à la résistance du produit mais est également liée aux propriétés intrinsèques de l’arc électrique. Nous pouvons ajuster la tension d’arc par une fonction de la forme : ua(t) = U0 + Gi(t) (1.15) avec U0 = 29,5 V et G = 1,8.10−3 V.A−1. En injectant ces valeurs dans l’équation 1.13 et en négligeant le terme inductif, nous pouvons déterminer la résistance du disjoncteur Rd = 13,2 m , que nous considérerons constante en première approximation.
Fort de cet ordre de grandeur, nous sommes donc en mesure d’évaluer l’impact de la résistance électrique des amenées de courant Rd sur l’évolution de la tension maximale au bornes du disjoncteur Uf en fonction du courant maximal I0, présenté en figure 1.14. La figure 1.16 présente donc la tension d’arc maximale dans le déion U1, exprimée à partir des équations 1.14 et 1.12 en utilisant les coefficients d’ajustement U0, et Rd déterminés précédemment. Nous y avons également reporté le résultats de plusieurs mesures de tension réalisées directement aux bornes du déion dont nous avons présenté un exemple en figure 1.15. déion à l’instant du fractionnement.

Conclusion

Le disjoncteur modulaire est confronté à une situation extrême : une ligne dimensionnée pour transporter un courant électrique de quelques ampères à quelques dizaines d’ampères voit apparaître, lors d’un défaut de court-circuit, un courant de quelques centaines à plusieurs milliers d’ampères. Il doit alors être capable de réagir suffisamment rapidement pour réduire l’intensité de ce défaut et l’isoler afin d’éviter la destruction de la ligne. Il est en outre capable d’affronter cette situation à plusieurs reprises sans nécessiter de maintenance, contrairement au fusible.
Pour ce faire, le disjoncteur utilise les propriétés de l’arc électrique qui se forme naturellement lors de l’ouverture du circuit. Cet objet, très destructeur et donc à manipuler avec précaution, est façonné dans la chambre de coupure du disjoncteur pour opposer une tension très importante à la tension réseau, entrainant ainsi la limitation de l’intensité du courant puis l’ouverture définitive du circuit électrique. Le principe du fractionnement de l’arc électrique, utilisé par tous les industriels pour augmenter la tension du disjoncteur au-delà de la tension réseau, est ancien et a été optimisé depuis plus de 50 ans.
La mise au point d’une chambre de coupure reste néanmoins une tâche extrêmement délicate. En effet, son principe de fonctionnent repose sur un objet très complexe, l’arc électrique, et qui évolue dans des conditions tourmentées : très forte dynamique d’intensité, interactions importantes avec des matériaux complexes, confinement dans une géométrie elle aussi complexe. L’état de l’art des connaissances scientifiques, comme nous le montrerons dans le chapitre suivant, comporte de nombreuses zones d’ombre, et aucun modèle ne permet aujourd’hui de prédire le comportement de l’arc électrique de coupure de façon satisfaisante.
L’expertise du concepteur repose donc en grande partie sur un savoir-faire capitalisé au fil des années par son entreprise.
Notre travail s’inscrit ainsi comme une tentative de rationalisation de cette expertise concernant la phase de limitation de l’intensité du courant de courtcircuit.
Nous avons donc dans ce premier chapitre dressé le portrait d’une chambre de coupure représentative puis apporté les quelques informations concernant le comportement de l’arc électrique que nous pouvons déduire des essais de courtcircuit.
Nous en synthétisons les principaux éléments ci-dessous.

Environnement de l’arc

L’arc électrique apparaît lors de l’ouverture du point de contact puis est transféré par des rails divergents vers l’entrée du déion. Il se fractionne alors en une multitude d’arcs en série (cf. figure 1.10).
Chaque arc est confiné entre deux plaquettes de fractionnement de dimensions 15 × 20 mm et d’épaisseur 0,8 mm, typiquement. La distance entre ces deux plaquettes est typiquement 1 mm. L’arc électrique est également confiné par des parois polymères sur deux côtés, les deux autres côtés restant plus ou moins ouverts selon le disjoncteur considéré (cf. figures 1.8 et 1.9).

Conditions de courant

Pour un courant présumé de court-circuit de 10 kA, l’intensité du courant à l’entrée du déion I0 est de l’ordre de 4 kA (cf. figure 1.13).
Nous distinguons deux phases conduisant vers l’extinction de l’arc :
— Une phase de fractionnement : sa durée peut être estimée à tf ‘ 0,1 ms par le temps de montée de la tension aux bornes du disjoncteur lors du fractionnement (cf. figure 1.12),
— Une phase de limitation : sa durée, qui ne dépend que très peu de I0, est de l’ordre de 3 ms (cf. figure 1.13). La décroissance de l’intensité du courant durant cette phase est en première approximation linéaire (cf. figure 1.11).

Tension d’arc

La tension aux bornes du disjoncteur augmente rapidement durant la phase de fractionnement, typiquement 300 V en 0,1 ms, puis décroît légèrement durant la phase de limitation (cf. figure 1.11). La tension maximale atteinte par le disjoncteur Uf , généralement en début de la phase de limitation, augmente linéairement avec l’intensité du courant à l’entrée dans le déion I0 (cf. figure 1.14).
Une mesure directe de la tension aux bornes du déion (cf. figure 1.10) permet de mettre en évidence que la décroissance de la tension durant la limitation du courant est liée certes à la résistance électrique du disjoncteur mais également à la variation de la tension d’arc avec l’intensité du courant (cf. figure 1.15).
Nous utilisons cette mesure pour estimer la résistance électrique du disjoncteur durant la phase de limitation et ainsi préciser la variation de la tension moyenne de l’arc dans le déion à l’instant du fractionnement U1 en fonction de l’intensité I0 (cf. figure 1.16).
Nous utiliserons l’ensemble des éléments résumés ci-dessus dans un premier temps pour concevoir un montage expérimental représentatif que nous détaillerons dans le chapitre 3, puis dans un second temps pour valider la pertinence des résultats qu’il permettra d’obtenir.
Mais apportons tout d’abord un panorama des informations disponibles dans la littérature en lien avec les phases de fractionnement et de limitation du disjoncteur.

Table des matières

Introduction générale 
1 Contexte technique 
1.1 Cadre normatif
1.1.1 Conditions d’essai
1.1.2 Exigences
1.2 Le disjoncteur modulaire
1.2.1 Principe de limitation
1.2.2 Augmentation de la tension d’arc
1.2.3 Architecture produit
1.2.4 Dynamique de l’arc
1.3 L’arc dans le déion
1.3.1 Courbe de coupure
1.3.2 Phase de fractionnement
1.3.3 Phase de limitation : onde de courant
1.3.4 Phase de limitation : tension
1.3.5 Dynamique de la tension d’arc
1.4 Conclusion
2 Éléments bibliographiques 
2.1 Tension d’arc
2.1.1 Distance inter-électrodes
2.1.2 Tension aux électrodes
2.1.3 Caractéristique en courant
2.2 Revue des phénomènes en jeu
2.2.1 Par composantes
2.2.2 Par types d’interaction
2.3 Dynamique à forte intensité
2.3.1 Arc dans le vide
2.3.2 Arc dans l’air
2.3.3 Arc impulsionnel
2.3.4 Fractionnement de l’arc
2.4 Conclusion
3 Outils expérimentaux 
3.1 Chambre d’arc
3.1.1 Électrodes
3.1.2 Supports d’électrode
3.1.3 Vue d’ensemble
3.1.4 Prises de potentiel
3.2 Montage électrique
3.2.1 Banc de court-circuit
3.2.2 Générateur d’impulsion haute-tension
3.2.3 Vue d’ensemble
3.3 Diagnostic électrique
3.3.1 Sonde de courant
3.3.2 Sonde de tension Zener
3.3.3 Correction des mesures de tension
3.3.4 Chaîne d’acquisition
3.4 Analyse des électrodes
3.4.1 Aspect des impacts aux pieds d’arc
3.4.2 Interprétation de l’aspect des impacts
3.4.3 Forme des pieds d’arc
3.4.4 Taille des pieds d’arc
3.4.5 Coupes métallographiques
3.5 Imagerie rapide
3.5.1 Configuration
3.5.2 Synchronisation
3.5.3 Traitement des images
3.6 Conclusion
4 Dynamique de la tension d’arc 
4.1 Configuration expérimentale
4.1.1 Onde de courant
4.1.2 Découpage en phases
4.1.3 Paramètres d’essai
4.1.4 Lecture de la tension d’arc
4.2 Phase de montée
4.2.1 Pertinence de la mesure de tension
4.2.2 Tension d’arc
4.2.3 Comparaison avec le disjoncteur
4.3 Phase de descente
4.3.1 Tension d’arc
4.3.2 Impact de l’intensité maximale
4.3.3 Comparaison avec le disjoncteur
4.4 Phase d’extinction
4.4.1 Coalescence des bains fondus
4.4.2 Tension d’arc
4.5 Conclusion
5 Pieds d’arc et dynamique de la colonne 
5.1 Impacts aux pieds d’arc
5.1.1 Rayon des impacts
5.1.2 Plaquettes de fractionnement
5.1.3 Temps de montée
5.1.4 Vitesse d’expansion
5.2 Profondeur des impacts
5.2.1 Érosion des électrodes
5.2.2 Plaquettes de fractionnement
5.3 Dynamique de la colonne
5.3.1 Influence de l’intensité maximale
5.3.2 Influence du temps de montée
5.4 Conclusion
6 Influence du matériau des électrodes 
6.1 Acier non revêtu
6.1.1 Caractéristique dynamique
6.1.2 Impacts aux pieds d’arc
6.2 Revêtement de surface
6.2.1 Tension d’arc
6.2.2 Impacts aux pieds d’arc
6.2.3 Dynamique de la section d’arc
6.3 Influence de l’intensité maximale
6.3.1 Acier non revêtu
6.3.2 Acier cathode nickelée
6.4 Champ dans la colonne
6.5 Influence du substrat
6.5.1 Tension d’arc
6.5.2 Section des pieds d’arc
6.6 Arc répétés
6.7 Conclusion
Conclusion générale

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