Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique - UMR 5509

LMFA - UMR 5509
Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique
Lyon
France


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Équipe Phénomènes convectifs couplés

Dynamique des arcs électriques

Daniel Henry, Denis Jeandel, Julian Scott

Dans le but d’améliorer le fonctionnement des disjoncteurs électriques et dans le cadre d’un partenariat avec la société Schneider Electric, le laboratoire a entrepris depuis une quinzaine d’années des études sur la modélisation de l’arc électrique. La dynamique de l’arc dans un disjoncteur implique un fort couplage entre un écoulement compressible de gaz réel et les champs électriques et magnétiques. Ces phénomènes donnent lieu à un écoulement assez complexe et riche en différentes zones (coeur de l’arc, fronts d’ionisation, sillage, et écoulement de gaz "normal" qui contourne l’arc à un nombre de Mach significatif).

Les premières études (thèses de J. Noël (1989), Ph. Robin-Jouan (1992), H. Rachard (1995), P. Maruzewski (1999)) ont utilisé la simulation numérique mono- puis bidimensionnelle des équations couplées fluide compressible/champ électromagnétique pour identifier et caractériser les propriétés de l’arc. Mentionnons le calcul bidimensionnel de l’évolution complète d’un arc électrique depuis son initiation jusqu’à son arrivée en fond de chambre publié dans "Int. J. Heat Mass Transfer" [A49]. Ensuite (thèse de P. Maruzewski et post-doc de G. Ngo Boum), une approche théorique a été proposée dans le cas d’un modèle simple d’un arc axisymétrique infini aspiré en son centre. On a montré l’existence de familles d’arcs stationnaires dont on a pu étudier la stabilité vis-à-vis de perturbations tridimensionnelles. On a ainsi pu identifier différents modes d’instabilité des arcs électriques.

Enfin, dans le cadre d’un projet de Schneider Electric sur la simulation tri-dimensionnelle des arcs (thèse de L. Reynard (2006)), nous avons simulé la phase d’amorçage de l’arc électrique dans un disjoncteur réel : la simulation montre l’initialisation de l’arc entre les électrodes légèrement écartées, son expansion due à la montée en courant, son allongement lié à l’écartement de l’électrode mobile, son déplacement sous l’effet des forces magnétiques et enfin sa commutation entre les électrodes fixes [A89]. Cette étude a été réalisée avec le logiciel industriel de mécanique des fluides N3S-NATUR qu’il a fallu adapter au traitement des plasmas d’arc électrique.
Géométrie du disjoncteur.
Initiation de l’arc.
Développement de l’arc.
Commutation de l’arc.