Influence du « bouchage » de la chambre sur le comportement de l’arc

Schéma de principe : étude du bouchage de la chambre

III.2.3.1. Conditions expérimentales

Au total, huit configurations ont été étudiées au niveau des bouchages: Ouvert (O), fermée (F) ou partiellement ouvert (PO) pour les positions amont ou aval. Chaque cas est reproduit trois fois. Ces cas sont présentés dans le Tableau III.3.

Cas 1 Cas 2 Cas 3 Cas 4

0 Sp O-O PO-O F-O F-F

1 Sp O-O PO-O F-O F-F

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Les parois utilisées pour modifier l’évacuation sont présentées sur la Figure III.15 : Fermé et Partiellement Ouvert.

Figure III.15 : Configuration de bouchage

La configuration dénommée « Partiellement Ouvert » correspond à deux orifices d’une surface équivalente à 15% de la surface totale (Surface totale = 20 mm x 15 mm). Le séparateur utilisé dans cette partie est de forme "pleine" (Figure III-12).

Dans cette étude, nous avons chargé le condensateur à 300 V. Cela génère une onde de courant avec pour valeur maximale d’environ 820 A.

III.2.3.2. Déplacement de l’arc

La Figure III.16 et la Figure III.17 présentent respectivement les positions moyennes des pieds anodique et cathodique en fonction du temps pour le cas sans séparateur. Lorsque les écarts types étaient trop importants et que la lisibilité des courbes devenait difficile, nous avons choisi d’utiliser des enveloppes. Ces enveloppes représentent le maximum et le minimum pour une série de tir en chaque instant. Les cas 1, 2, 3 permettent de montrer l’influence de la surface de bouchage amont sur le déplacement de l’arc. Pour ces 3 cas, l’évacuation côté aval est ouverte. La fermeture progressive du bouchage amont (cas 1 vers 3) entraîne une augmentation de la vitesse de déplacement de l’arc. Cette différence est probablement due à des effets de pression. Une diminution de l’ouverture amont de 85% (cas 2) permet d’augmenter la vitesse moyenne de v1 = 17.6 m/s (cas 1) à v2 = 37.6 m/s (cas 2) soit plus du double de la vitesse sans

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bouchage. Ces vitesses sont calculées à partir des positions moyennes données sur les Figures III.16 et III.17.

Figure III.16 : Position moyenne du pied d’arc anodique sans séparateur (0 Sp)

L’ouverture amont totalement fermée conduit à une vitesse v3 = 38.4 m/s (cas 3). Bien entendu dans ce cas, la viscosité du plasma entraîne un effet de bouchage de la zone amont. En effet, l’air emprisonné dans cette zone est bloqué entre le plasma et la paroi. Il en résulte une montée en pression probablement liée aux efforts hydrodynamiques du plasma et à son réchauffement. Cette surpression en amont de l’arc joue un rôle non négligeable dans la vitesse de déplacement de l’arc (cas 2 et 3). Ce phénomène est amplifié par le fait que l’ouverture aval de la maquette est ouverte et qu’il n’y a pas d’obstacle à l’écoulement dans la direction aval. Au contraire, lorsque le côté aval de la maquette est partiellement fermé (cas 4), nous pouvons observer une diminution de la vitesse moyenne v4. En effet l’arc se déplaçant vers l’aval avec une certaine viscosité et occupant la majeure partie de la largeur de la chambre, l’air ne peut s’évacuer en aval, ce dernier se retrouve prisonnier, se réchauffe et monte en pression. Cette pression en aval vient s’opposer au déplacement de l’arc. D’où la diminution de la vitesse de déplacement.

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Une comparaison entre la Figure III.16 et la Figure III.17 montre que le comportement est similaire pour les pieds d’arc anodique et cathodique et que les vitesses sont du même ordre de grandeur en l’absence de séparateur et cela quelle que soit la configuration (cas 1 à 4).

Figure III.17 : Position du pied d’arc cathodique sans séparateur (0 Sp)

La Figure III.18 présente les positions moyennes des pieds anodique et cathodique en fonction du temps pour 1 Sp et pour quatre configurations de bouchage. La partie supérieure de la figure est relative à l’anode et la partie inférieure à la cathode. Le trait pointillé horizontal matérialise la position du devant du séparateur. Avec la présence du séparateur dans la chambre de coupure, les mesures du déplacement des pieds d’arc sont moins reproductibles et présentent des enveloppes plus grandes. Les pentes des courbes côté cathodique suggèrent une vitesse de déplacement du pied d’arc plus grande. Ce résultat a été corroboré par les images vidéo. Ces mêmes images ont montré que le pied d’arc cathodique était plus resserré suggérant une force de Lorentz plus grande qui serait plus efficace pour le déplacement.

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Figure III.18 : Positions moyennes des pieds d’arc avec un séparateur (1 Sp) : Côtés anodique (Partie supérieure) et cathodique (Partie inférieure)

Contrairement aux Figures III.16 et III.17 (qui ne possèdent pas de séparateur et donc de trait pointillé) nous pouvons observer un changement de pente dans l’évolution des courbes au niveau du séparateur. Ce retard provient du fait que l’arc stagne devant le séparateur avant de commuter dessus. Lorsque la géométrie est partiellement fermée ou fermée en amont (Cas 2 et Cas 3) les pieds d’arc se déplacent plus vite à condition de ne pas être perturbés pas une sortie fermée (Cas 4).

Ainsi le contrôle de l’écoulement semble jouer une place prépondérante sur le déplacement de l’arc. Dans la configuration (O-O) (Cas 1) nous observons un arc beaucoup plus lent ce qui suggère que pour les cas où au moins une des ouvertures est fermée la force de pression est

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prédominante sur la force de Lorentz. Bien que les courbes présentent des barres d’erreur relativement importantes, les pieds d’arc cathodique semblent se déplacer plus rapidement que les pieds anodiques. L’accrochage au niveau de l’anode étant plus diffus, la force de Lorentz pourrait être plus faible, ce qui conduirait à une vitesse moins élevée.

Dans les études précédentes, nous avons utilisé les séparateurs de forme "pleine", ce qui ne correspond pas à une configuration réelle de disjoncteur basse tension. Nous allons donc à présent étudier l’influence de la forme des séparateurs sur le comportement de l’arc au travers des caractéristiques électriques et à l’aide de l’imagerie.