mod©lisation physique et simulations num©riques des ©coulements

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  • UNIVERSIT DE PROVENCE (AIX-MARSEILLE I) Laboratoire IUSTI CNRS UMR 6595

    Ecole doctorale SCIENCES POUR LINGNIEUR : ED 353

    Mcanique, Physique, Micro et Nanolectronique

    THSE

    prsente pour obtenir le titre de

    DOCTEUR DE LUNIVERSIT DE PROVENCE spcialit Mcanique nergtique

    par

    Sylvain NICHELE

    MODLISATION PHYSIQUE ET SIMULATIONS NUMRIQUES DES

    COULEMENTS DANS LES DISJONCTEURS LECTRIQUES HAUTE

    TENSION

    Soutenue le 13 octobre 2011

    JURY : Alain GLEIZES Rapporteur de Thse Jean-Marc BAUCHIRE Rapporteur de Thse Yves BURTSCHELL Directeur de Thse Ghislain TCHUEN David ZEITOUN Georges GAUDART Responsable entreprise

  • Remerciements

    Cette thse a t pour moi une exprience trs enrichissante dun point de vue scientifique et personnel. Elle ma demand daller au bout de moi-mme et ma permis de faire la transition entre ma vie dtudiant et ma vie professionnelle. Jai t accompagn au cours de ces trois ans par de nombreuses personnes que je tiens donc remercier ici.

    Tout d.abord, jai une pense pour les quatre personnes avec qui jai travaill pour effectuer ce travail de thse. Je tiens donc exprimer toute ma gratitude Yves BURTSCHELL pour avoir t mon directeur de thse et pour mavoir ainsi permis de travailler sur son code numrique.

    De mme, je tiens remercier grandement Georges GAUDART davoir t mon responsable hirarchique au sein de SIEMENS T&D, pour sa pdagogie, son accessibilit et sa disponibilit malgr ses nombreuses autres responsabilits.

    Ensuite, mes remerciements s.adressent Karim BOUSOLTANE et Ghislain TCHUEN pour les points thses et les changes rguliers que lon a pu avoir ensembles au cours desquels ils ont pu mapporter leur exprience et leurs connaissances de CARBUR et de NS2.

    Jadresse galement mes remerciements Alain GLEIZES et Jean-Marc BAUCHIRE pour mavoir fait lhonneur dtre les rapporteurs de cette thse. Puis, je tiens aussi remercier David ZEITOUN davoir accept dtre membre du jury.

    Ensuite, je voudrais remercier toutes les personnes dans mon entourage qui me sont chres et qui ont t prsentes au cours de ces trois dernires annes. Ainsi, je tiens vivement remercier ma compagne Anne dtre l au quotidien et pour son travail attentif de relecture qui a permis de rendre ce travail le plus propre possible.

    Je veux aussi dire un trs grand merci mes parents Pierre et Agns et mes deux frres Baptiste et Robin sur qui je sais que je peux et que je pourrais toujours compter. Merci vous quatre dtre l.

    Merci Mireille et Olivier qui ont t l pour moi si souvent. Merci vous deux. Merci Jean-Romain, Nadge et Flip pour nos bons moments de repos. Un grand merci galement Monsieur et Madame FALCO qui ont toujours t l

    tels des grands-parents, lorsque javais besoin deux.

    Je voudrais galement remercier Daniel pour mavoir si bien form sur NS2 et sur le fonctionnement dun disjoncteur lectrique.

    Je voudrais aussi remercier Nathalie GLINSKY de mavoir fait confiance en menvoyant par courrier, son dernier exemplaire de manuscrit de thse et de mavoir propos trs gentiment son aide.

    Enfin, cette thse CIFRE a t effectue entirement en entreprise. Elle ma permis de rencontrer et de travailler avec de nombreux employs et stagiaires de SIEMENS T&D. Ainsi, jai galement une pense pour Brigitte, ric, Marc, Grard, Vincent, Grmy, Raissa, Rodrigues, Olivier, Marc-Alexandre, Jolan, Riadh et Ha.

    Quand lapptit va, tout va. - Obelix.

  • Table des matires. Introduction 1

    I. Partie I : Disjoncteur lectrique : rle et principe de

    fonctionnement. .................................................................................. 5

    I.1. Rseaux lectriques : aspects gnraux. ................................................6 I.1.1. Rseaux lectriques. .....................................................................................6

    I.1.1.1. Niveaux de tension............................................................................................ 8 I.1.1.2. Nature du courant lectrique............................................................................. 9 I.1.1.3. Rseaux intelligents, les Smart Grids . ........................................................ 9

    I.1.2. Place et rle des disjoncteurs lectriques haute tension.............................10 I.2. Disjoncteur lectrique haute tension. .....................................................11

    I.2.1. Diffrents types de disjoncteur lectrique haute tension. ............................11 I.2.2. Disjoncteur lectrique haute tension auto expansion. ..............................13

    I.2.2.1. Structure.......................................................................................................... 13 I.2.2.2. Principe de fonctionnement............................................................................. 15 I.2.2.3. SF6, gaz ddi la coupure............................................................................ 17 I.2.2.4. Influence de lenvironnement de larc lectrique............................................. 20

    I.3. Essais en laboratoires et simulations numriques. ................................24 I.3.1. Tests exprimentaux en laboratoire : essais de coupure. ...........................24 I.3.2. Simulations numriques. .............................................................................25 I.3.3. Difficults rencontres. ................................................................................26

    I.4. Conclusion. ............................................................................................27

    II. Partie II : Arcs lectriques. ....................................................... 29

    II.1. Quest-ce quun plasma ? ......................................................................30 II.1.1. tats de la matire...................................................................................30

    II.1.1.1. Les trois tats de base de la matire. ............................................................. 30 II.1.1.2. Le plasma, quatrime tat de la matire......................................................... 31

    II.1.2. Origine des lectrons (et des particules charges). ................................31 II.1.2.1. mission thermolectronique.......................................................................... 32 II.1.2.2. mission par effet de champ........................................................................... 33 II.1.2.3. mission TF. ................................................................................................... 34

    II.1.3. Classification des diffrents plasmas. .....................................................34 II.1.3.1. Plasmas chauds.............................................................................................. 35 II.1.3.2. Plasmas froids................................................................................................. 35

    II.2. Description de larc lectrique................................................................36 II.2.1. Dcoupage spatial de larc lectrique......................................................36

    II.2.1.1. Rgions proches de la cathode : gaine cathodique A et zone de transition cathodique B...................................................................................................................... 37 II.2.1.2. Colonne Positive C.......................................................................................... 42

  • II.2.1.3. Rgions proches de lanode : transition anodique D et charge despace lectronique E.................................................................................................................... 43

    II.2.2. Stabilisation, dplacement et mouvement rtrograde. ............................44 II.3. Positionnement de larc lectrique parmi les diffrentes dcharges lectriques. ......................................................................................................45

    II.3.1. Dcharges non autonomes. ....................................................................46 II.3.2. Collection avec multiplication. .................................................................47 II.3.3. Dcharges de Townsend.........................................................................48 II.3.4. Dcharges luminescentes. ......................................................................49 II.3.5. Dcharges darc lectrique......................................................................49

    II.4. Retour au dilectrique du milieu. ...........................................................51 II.4.1. Re-claquages possibles. .........................................................................52

    II.4.1.1. Le re-claquage thermique. .............................................................................. 52 II.4.1.2. Le re-claquage dilectrique............................................................................. 53

    II.4.2. tudes sur re-claquage. ..........................................................................53 II.4.3. Critres de coupure. ................................................................................55

    II.4.3.1. Critre G200ns. ............................................................................................... 56 II.4.3.2. Critre E/N....................................................................................................... 56 II.4.3.3. Critre Leader. ................................................................................................ 57

    II.5. Conclusion. .........................................................................

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