Mécanisme de claquage

La première partie de ce Chapitre V a pour but de rappeler les conditions dans lesquelles se trouve l‟espace inter électrode au moment du passage par zéro du courant. Cette description nous permettra d‟envisager un mécanisme de claquage instantané pendant la phase post-arc intervenant à des pressions correspondant à celles calculées au Chapitre III. Dans une seconde partie, le principe du claquage sera exposé.

-137- 1.1) Condi tions initial es

Au moment de la phase post-arc les conditions de l‟espace inter électrode du disjoncteur se trouvent très éloignées du vide. En effet, une phase d‟arc de forte intensité (plusieurs kA) et d‟une durée de plusieurs millisecondes (10 ms en 50 Hz) a précédé la phase post-arc. Il en résulte qu‟au moment du passage par zéro du courant, la densité de plasma résiduel est estimée être entre 1018 m-3 et 1020 m-3. De plus les électrodes sont fondues sur une épaisseur de plusieurs millimètres sur les surfaces où l‟arc s‟est formé et s‟est déplacé. Nous avons estimé dans les chapitres précédents la densité de neutres présente dans l‟espace inter- électrode en fonction du profil de température des électrodes. Ainsi, pour des températures comprises entre 1800 K et 2100 K, la densité maximale de neutre varie entre 1021 m-3 et 2×1022 m-3.

Figure 5.1: Représentation schématique des conditions au moment du passage par zéro du courant.

Cette densité de neutres correspond aux densités maximales de neutres dans l‟espace inter-électrode au moment du ZC. Le Chapitre IV nous a appris que cette densité de neutres était susceptible de diminuer pendant la phase post-arc à cause des collisions d‟échange de charge dans la gaine.

1.2) Claquage diélectriq ue

Typiquement, on définit le risque de claquage correspondant à une densité de neutres présente dans un espace inter électrode comme représenté sur la figure 5.2. En effet, si on considère une pression de vapeur métallique donnée et une distance inter électrode d = 1 cm, nous pouvons définir la tension maximale que peut supporter le milieu avant de perdre ses

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propriétés diélectriques. Cette tension est appelée la tension de claquage. A cette tension, chaque électron émis depuis la cathode est accéléré par un champ électrique géométrique E =

V / d et produit M électrons arrivant à l‟anode due à l‟ionisation en volume du gaz de densité Na. M est appelé coefficient de multiplication électronique associé à la densité du gaz Na et à

la différence de potentiel V entre les bornes. Il en résulte que M-1 ions accélérés dans le sens inverse (vers la cathode) par le champ E. Chaque ion retournant à la cathode peut alors produire  (appelé second coefficient de Townsend) électrons en interagissant avec la cathode.

Figure 5.2: représentation schématique des conditions de claquage dans l’espace inter électrode.

On en déduit alors la condition de claquage (M-1) > 1 pour laquelle la réaction

s‟emballe produisant de plus en plus d‟ionisation en volume. Lorsque les densités d‟ions et d‟électrons sont suffisantes dans l‟espace inter électrode, celles-ci déforment alors le potentiel électrique créant un champ électrique E différent du champ électrique géométrique. Un plasma quasi-neutre (densité d‟électrons égale à densité d‟ions) apparaît formant une zone de faible champ électrique et de forte conductivité. Selon la densité de neutres, la distance inter- électrode et la différence de potentiel appliquée, la situation évolue alors vers une décharge de plus ou moins grande intensité vérifiant la condition d‟auto entretien (M-1) = 1.

Dans le cas de la phase post-arc d‟un disjoncteur sous vide, le cas idéal représenté sur la figure (5.2) est modifié par la présence au ZC d‟un plasma résiduel. De plus, pour une température des électrodes donnée, la TTR balaye un large domaine de tension allant de 0 à 40 kV en 100 s faisant évoluer le profil du champ électrique (croissance de la gaine) et la densité de neutres pendant la phase post-arc. Or, les deux paramètres M et  dépendent fortement de la distribution spatiale des neutres et du profil du champ électrique à chaque instant. Au cours du temps, on aura alors :

1) Si (M-1) < 1, la décharge n‟est pas entretenue. La densité de plasma diminue dans

l‟espace inter électrode, le courant post-arc diminue et le risque d‟emballement de la décharge diminue également.

Cathode 1 electron Melectrons Anode

Ionisation en volume (avalanches) (M-1) ions



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2) Si (M-1) > 1, la décharge s‟amplifie. La densité de plasma augmente dans l‟espace

inter électrode, le courant post-arc augmente et le risque d‟emballement de la décharge augmente.

Pour qu‟un échec de coupure soit constaté, il faut que l‟on soit dans des conditions de claquage et qu‟on le reste assez longtemps pour que le courant post-arc atteigne une valeur critique à partir de laquelle une reprise du courant de défaut est inévitable.

En effet, en début de phase post-arc la TTR est trop faible et les électrons ne sont pas suffisamment accélérés pour provoquer de l‟ionisation (M-1 ~ 0), les pertes aux parois sont supérieures à la génération du plasma secondaire en volume, la densité totale de plasma diminue. Puis lorsque la tension augmente, la multiplication électronique croit jusqu‟à atteindre un maximum puis décroît à forte tension (voir 2ème et 3ème partie pour les explications physiques). Il en résulte que, contrairement aux décharges classiques où la tension appliquée varie peu, dans certains cas la densité de plasma augmente pendant un certaine période (pendant laquelle (M-1) > 1) puis se met à diminuer à cause de la baisse de

la multiplication. On peut cependant observer, à partir des mesures de courant post arc effectuées par ailleurs dans la littérature dans le cas d‟échec de coupure, que lorsque le courant post-arc est supérieur à 30 A l‟échec de coupure est inévitable [Dul87].

Afin de modéliser le risque de claquage lors de la phase post-arc d‟un disjoncteur sous vide, nous allons estimer dans la partie suivante les différents phénomènes entrant en jeu soit dans la multiplication des électrons en volume M, soit dans le coefficient d‟émission électronique en surface 