Chapitre 4 Etude du régime de préarc en forte surcharge : le problème
4.3 Modélisation de l'échauement adiabatique dans les fusibles
4.3.3 Notion de droite adiabatique
La résolution du problème électrique s'eectue par la méthode des éléments nis que nous avons présentée au chapitre 2.
4.3.3 Notion de droite adiabatique
La courbe de préarc représente la réponse mesurée en temps de la fusion-vaporisation d'un fusible parcouru par un courant de défaut. Cette courbe, appelée aussi caractéris-tique temps-courant des fusibles, couvre des échelles de temps de préarc pouvant aller de quelques microsecondes à plusieurs heures. Sur la partie de la courbe de préarc correspon-dant aux forts courants et aux temps courts, le fonctionnement du fusible est considéré comme adiabatique. La partie adiabatique de la courbe peut être plus ou moins étendue selon les dimensions géométriques des sections de conduction et de l'énergie thermique qui peut y être déposée.
Dans le but d'évaluer l'étendue de la zone adiabatique, nous avons considéré deux éléments fusibles de type industriel ayant des congurations géométriques diérentes. La gure 4.2, montre les dimensions de deux éléments fusibles ayant respectivement, une section réduite de forme circulaire (a) et un élément fusible ayant une section réduite de forme trapézoïdale (b). L'épaisseur e de chaque fusible, qui n'est pas représentée sur la gure 4.2 est suivant l'axe z et vaut e=0, 105 mm.
Les principaux mécanismes thermiques sont observés au centre des sections réduites de chaque géométrie. Les aires des sections réduites valent :
S =l0×e =0, 5×0, 105 mm2 pour la géométrie circulaire, (4.23) S=l0×e=0, 95×0, 105 mm2 pour la géométrie trapézoïdale. (4.24)
tel-00719222, version 1 - 19 Jul 2012
FIG. 4.2 – Formes géométriques des éléments fusibles à deux demi-encoches utilisés : (a) en-coches circulaires (L”= 1,66 mm, l’= 0,5 mm, e=0,105 mm), (b) enen-coches trapézoïdales (L”= 2 mm, l’=0,95 mm, e=0,105 mm).
La gure 4.3 représente les courbes de temps de préarc en fonction de diérentes valeurs ecaces du courant présumé obtenues dans le cas d'un fonctionnement adiabatique - droite adiabatique - et d'un fonctionnement normal - avec prise en compte de la diusion - pour une géométrie circulaire. Les temps de préarc sont obtenus à partir de la température mesurée au centre des sections réduites correspondant aux régions les plus chaudes du fusible. Les courbes sont tracées en échelles logarithmiques pour des temps de préarc situés entre 0,01 microseconde et 20 millisecondes et pour des courants ecaces variant entre 400 A et 60 kA.
Sur la gure 4.3 l'évolution de la droite adiabatique est linéaire alors que celle de la courbe de fonctionnement normal présente deux pentes distinctes : une partie où la courbe de fonctionnement normal est linéaire et se superpose à la courbe de fonctionne-ment adiabatique, et une partie non linéaire. Lorsque les deux courbes sont superposées, le fonctionnement du fusible est considéré comme adiabatique, il l'est moins lorsque la courbe de fonctionnement s'en éloigne.
Le tableau 4.1 montre la comparaison entre les valeurs des temps de préarc obtenues dans le cas adiabatique et le cas non adiabatique (avec diusion). Pour des faibles valeurs du courant ecace (< à 1000 A), le régime de fonctionnement du fusible ne peut pas être considéré comme adiabatique alors que pour de très forts courants(> à 10000 A) le fonctionnement du fusible est adiabatique. Il existe cependant des valeurs intermédiaires situées entre 1000 A et 5000 A, où les écarts relatifs entre les deux types de fonctionnement restent inférieurs à 5%, pour lesquelles le comportement du fusible peut être considéré comme adiabatique.
tel-00719222, version 1 - 19 Jul 2012
1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 E - 7
1 E - 6 1 E - 5 1 E - 4 1 E - 3 0 . 0 1 0 . 1
A d i a b a t i q u e D i f f u s i o n
a d i a b a t i q u e d i f f u s i o n
Te m ps d e p ré ar c ( s) I
E F F( A )
A d i a b a t i q u e
~ 5 %
FIG. 4.3 –Simulation numérique de la courbe de diffusion () et de la courbe adiabatique () pour un fusible à encoches circulaires.
Courant (A) tPréarcadiabatique tPréarcdiffusion Ecart relatif (%)
200 9,57ms 15,91ms 40
600 1,05ms 1,85ms 30
1000 0,38ms 0,39ms 4
5000 15,20µs 15,52µs 2
10000 3,81µs 3,81µs 0
40000 0,23µs 0,23µs 0
60000 0,10µs 0,10µs 0
TAB. 4.1 –Comparaisons et écarts relatifs des durées de préarc entre la diffusion et l’adiabatique dans le cas d’un élément fusible ayant une géométrie circulaire.
Remarque : La géométrie circulaire de la section réduite présente une forme irrégu-lière, car la largeur de la section réduite n'est pas constante. Seule la partie très étroite
tel-00719222, version 1 - 19 Jul 2012
située près du centre de la section réduite est concernée par le comportement adiabatique.
1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0
1 E - 7 1 E - 6 1 E - 5 1 E - 4 1 E - 3 0 . 0 1 0 . 1
A d ia b a ti q u e
Te m ps d e p ré ar c (s ) I
E F F( A )
a d i a b a t i q u e d i f f u s i o n
A d i a b a t i q u e D i f f u s i o n
~ 5 %
FIG. 4.4 –Simulation numérique de la courbe de diffusion () et de la courbe adiabatique () pour un fusible à encoches trapézoïdales.
La gure 4.4 montre l'étendue de la zone adiabatique dans le cas d'un élément fusible muni d'une section réduite de forme trapézoïdale. Nous avons tracé comme dans le cas de la gure 4.3 les courbes de temps de préarc en fonction du courant ecace pour les deux types de fonctionnement, en adiabatique et avec prise en compte de la diusion.
Les durées de préarc observées sont plus longues pour les mêmes valeurs de courant à cause de la largeur de la section réduite qui est plus grande par rapport à la largeur de la section de forme circulaire (0,95 mm pour le trapèze contre 0,5 mm pour le circulaire).
En comparant la droite adiabatique et la courbe normale, nous observons que la zone de fonctionnement adiabatique couvre une étendue plus importante (la partie linéaire de la courbe normale commence à partir de 2000 A). Ceci peut s'expliquer par le fait que la section de conduction qui entoure la zone concernée par le régime adiabatique est plus grande que dans le cas circulaire. De plus l'environnement immédiat du centre de la sec-tion réduite où est mesuré le temps de préarc reçoit la même quantité d'énergie.
tel-00719222, version 1 - 19 Jul 2012
Le tableau 4.2 montre une comparaison entre les valeurs des temps de préarc obtenues dans le cas adiabatique et le cas non adiabatique. Pour des faibles valeurs de courants ecaces, le régime de fonctionnement du fusible ne peut pas être considéré comme adia-batique alors que pour de très forts courants le fonctionnement du fusible est adiaadia-batique.
Courant (A) tPréarcadiabatique tPréarcdiffusion Ecart relatif (%)
200 34ms 76,5ms 55
600 3,76ms 4,29ms 12
1000 1,36ms 1,43ms 5
2000 0,34ms 0,34ms 0
10000 13,56µs 13,56µs 0
40000 0,86µs 0,86µs 0
60000 0,37µs 0,37µs 0
TAB. 4.2 –Comparaisons et écarts relatifs des durées de préarc entre la diffusion et l’adiabatique dans le cas d’un élément fusible ayant une géométrie trapézoïdale.