Validation expérimentale des résultats de l'outil numérique

3.2.5.1 Paramètres inuençant l'émissivité d'une surface

Les propriétés radiatives des surfaces ont été étudiées dans le domaine du bâtiment, dans

le but de réduire l'augmentation de température des toits soumis au rayonnement solaire [112,

113]. Ainsi, plusieurs paramètres inuençant ses propriétés ont été identiés. Ces études ont

montré que l'émissivité d'une surface rugueuse est plus importante que celle d'une surface lisse.

En eet, lorsque la surface est rugueuse, le rayonnement incident arrivant sur la surface n'est

pas directement rééchit vers l'air (Fig.3.35). A chaque réexion qu'il subit,la surface absorbe

une partie de l'énergie du rayonnement. Aussi la part du rayonnement incident nalement

rééchie est moins importante dans le cas de la surface rugueuse.

Figure 3.35 Réexion d'un rayonnement incident sur une surface lisse (gauche) et sur une

surface rugueuse (droite)

La couleur également peut modier ces propriétés : les couleurs sombres ont une

émissi-vité plus élevée que les couleurs claires. La peinture inuence aussi beaucoup les propriétés

radiatives des surfaces car elle est composée de pigments de diérentes tailles, opacités, qui

peuvent former des agglomérats. De plus, la rugosité et l'épaisseur de peinture varient étant

données les nombreuses techniques d'application de la peinture.

3.2.5.2 Description des expériences

Des solutions pour réduire la température des jeux de barres ont été expérimentées par le

passé au sein de Siemens. La première solution a consisté à appliquer une couche de peinture

(laque) sur la paroi du conducteur ou la paroi extérieure de la cuve, tous deux composés

d'un alliage d'aluminium. D'après la littérature [37,44,70] et les mesures réalisées durant les

expériences à l'aide de la caméra infra-rouge (Tab.2.2), l'émissivité de la paroi en aluminium

varie entre0,05 et0,2selon l'état de surface (lisse et rééchissant ou rugueux) et celle de la

peinture (laque) varie entre0,87et0,97. Le transfert radiatif à l'intérieur ou à l'extérieur de

la cuve est donc amélioré.

La deuxième solution testée est une géométrie de conducteur avec des ouvertures verticales

(Fig.3.36). Ces ouvertures permettent un transfert convectif entre le gaz situé au centre du

conducteur et le gaz autour du conducteur. La convection à l'intérieur de la cuve est alors

améliorée.

Figure 3.36 Schéma des conducteurs avec ouvertures (gauche) et sans ouverture (droite)

testés

Ces solutions ont été appliquées à deux géométries de jeu de barres diérentes : Géométrie

1 et Géométrie 2 dont les dimensions sont données au Tab.3.3.

Tableau 3.3 Paramètres des géométries expérimentées

Paramètre Géométrie 1 Géométrie 2

Diamètre extérieur du conducteur [mm] 100 120

Epaisseur du conducteur [mm] 16 15

Largeur des ouvertures (Fig.3.36) [mm] 8 10

Diamètre extérieur de la cuve [mm] 300 385

Conductivité électrique du conducteur [S.m

⁻1

] 32,1 10

6

entre30 10

6

et33 10

6

Les deux géométries sont composées d'un conducteur placé dans une cuve remplie de

ensuite la cuve pour revenir au transformateur de courant et ainsi refermer le circuit électrique

(voir description des outils expérimentaux dans le Chapitre 2). Pour chaque géométrie, quatre

congurations ont été expérimentées (Tab.3.4 et Tab.3.5).

Tableau 3.4 Congurations experimentées avec la Géométrie 1

Conguration Géométrie 1 - Description

1.1 Conducteur sans ouverture, non peint

1.2 Conducteur avec ouvertures, non peint

1.3 Conducteur sans ouverture, peint

1.4 Conducteur avec ouvertures, peint

Remarques Pour toutes les congurations la surface extérieure de la cuve est peinte

Courants ecaces : 3150A et4000A

Pressions : 5,5bars et 7bars

Tableau 3.5 Congurations expérimentées avec la Géométrie 2

Conguration Géométrie 2 - Description

2.1 Conducteur sans ouverture, paroi extérieure de la cuve non peinte

2.2 Conducteur sans ouverture, paroi extérieure de la cuve peinte

2.3 Conducteur avec ouvertures, paroi extérieure de la cuve peinte

2.4 Conducteur avec ouvertures, paroi extérieure de la cuve non peinte

Remarques Pour toutes les congurations le conducteur n'est pas peint

Courant ecace : 5000A

Pression :6bars

3.2.5.3 Résultats des expériences et comparaison avec l'outil numérique

3.2.5.3.1 Géométrie 1 Les gures suivantes représentent la température moyenne

mesu-rée sur le conducteur dans les quatre congurations testées avec la Géométrie 1, sous diérentes

conditions de courant et de pression. Les températures sont adimensionnées par la

tempéra-ture de la conguration 1.1, sur la Fig.3.37. Elles sont adimensionnées par la températempéra-ture de

la conguration 1.1 sur le graphe de gauche de la Fig.3.38 et 1.2 sur celui de droite.

Les résultats de la Fig.3.37 montrent que la réduction de la résistance thermique de

convec-tion apportée par les ouvertures de la géométrie permet de réduire la température du

conduc-teur entre 9 % et 11 %. La réduction de résistance thermique de rayonnement suite à

l'aug-mentation de l'émissivité du conducteur entraîne également une réduction de la température

de celui-ci entre7 % et 10 %. L'amélioration de la convection apportée ici permet une

réduc-tion de température plus importante que l'amélioraréduc-tion du transfert radiatif. Lorsque les deux

solutions sont couplées, la réduction de température est encore plus importante :15 %.

La variation de courant entre les expériences est trop petite pour observer son inuence sur

la réduction de température. En revanche, la gure montre que la réduction de température

induite par les ouvertures du conducteur est moins importante lorsque la pression est plus

élevée : environ11 % de réduction à 5,5bars et10 % à 7bars. La diminution de la résistance

de convection suite à l'augmentation de la pression et à l'ajout d'ouvertures ne s'additionne

donc pas. C'est pourquoi dans le modèle de Kirchho, ces deux résistances thermiques de

convection seraient à placer en parallèle et non en série.

Figure 3.37 Température moyenne mesurée sur le conducteur dans les quatre congurations

de la Géométrie 1 testées, adimensionnée par la température de la conguration 1.1

De même, la réduction de température entraînée par l'amélioration du transfert radiatif

est moins importante lorsque la pression est élevée : environ9 % de réduction à5,5barset7 %

à7bars. En eet, par analogie électrique, le ux circulant dans la branche convective est plus

élevé suite à l'augmentation de pression et réduit celui circulant dans la branche radiative.

Aussi, le ux circulant dans cette branche, suite à la réduction de la résistance thermique

de rayonnement lorsque la pression est élevée, est plus faible que lorsque la pression est plus

petite.

Figure 3.38 Température moyenne mesurée sur le conducteur dans les congurations 1.1

et 1.3 (gauche) et 1.2 et 1.4 (droite) de la Géométrie 1

Les Fig.3.38 mettent en évidence que la réduction de la température du conducteur suite

à l'amélioration du transfert radiatif avec le conducteur sans ouverture est plus importante

que celle obtenue dans le cas du conducteur avec ouvertures. Elle est d'environ 9 % dans le

cas sans ouverture et de5 % dans le cas avec ouvertures. Cela caractérise, une fois de plus, la

concurrence entre les deux branches du circuit électrique équivalent.

3.2.5.3.2 Géométrie 2 Les gures suivantes représentent la température moyenne

me-surée sur le conducteur dans les quatre congurations testées avec la Géométrie 2, dans

diérentes conditions de courant et de pression. Les températures sont adimensionnées par la

température de la conguration 2.1, sur la Fig.3.39. Elles sont adimensionnées par la

tempé-rature de la conguration 2.1 sur le graphe de gauche de la Fig.3.40 et 2.3 sur le graphe de

droite.

Figure 3.39 Température moyenne mesurée sur le conducteur dans les quatre congurations

de la Géométrie 2 testées, adimensionnée par la température de la conguration 2.1

Les résultats de la Fig.3.39 montrent que la réduction de la résistance thermique de

convec-tion apportée par les ouvertures de la géométrie permet de réduire la température du

conduc-teur de 9 %. La réduction de résistance thermique de rayonnement à l'extérieur de la cuve

entraîne également une réduction de la température du conducteur de19 %. Contrairement au

cas précédent, la réduction de température est plus élevée suite à l'amélioration du

rayonne-ment et la diérence est beaucoup plus importante. Lorsque les deux solutions sont couplées,

la réduction de température est encore plus grande : 33 %.

Figure 3.40 Température moyenne adimensionnée mesurée sur le conducteur dans les

congurations 2.1 et 2.2 (gauche) et 2.3 et 2.4 (droite) de la Géométrie 2

Les graphes de la Fig.3.40 mettent en évidence que la réduction de la température du

conducteur suite à l'amélioration du transfert radiatif avec le conducteur sans ouverture est

moins importante que celle obtenue dans le cas du conducteur avec ouvertures. Elle est

d'en-viron 19 % dans le cas sans ouverture et de 26 % dans le cas avec ouvertures. Ce résultat

est cohérent car, contrairement au cas précédent de la Géométrie 1, les résistances de

convec-tion et de rayonnement sont en série et plus en parallèle. Leurs eets peuvent donc se cumuler.

3.2.5.3.3 Géométries 1 et 2 Les résultats obtenus avec les géométries 1 et 2 ne sont

pas facilement comparables, étant donné les diérents paramètres géométriques et les

dié-rentes conditions d'essai. Néanmoins, ces résultats peuvent être comparés d'un point de vue

Les congurations comprenant le conducteur avec ouvertures peuvent constituer une

ré-férence. Dans la Géométrie 1, l'amélioration du transfert radiatif à l'intérieur de la cuve,

obtenue en augmentant l'émissivité du conducteur, entraîne une réduction de température

moins importante que celle obtenue avec les ouvertures (en moyenne10 % avec ouvertures et

8,5 % avec peinture). A l'inverse, l'amélioration du transfert radiatif, suite à l'augmentation

de l'émissivité de la paroi extérieure de la cuve, induit une réduction de température

beau-coup plus importante que celle obtenue avec les ouvertures (9 % avec ouvertures et 19 %avec

peinture). Cela est en accord avec les résultats de l'outil numérique prédisant une réduction

de température plus importante en augmentant l'émissivité de la paroi extérieure de la cuve

que celle de la paroi du conducteur.

3.2.5.4 Conclusion

Des expériences ont été réalisées sur des jeux de barres monophasés dans le but d'observer

l'inuence sur la température d'une modication d'émissivité et de résistance de convection.

Les résultats obtenus sont en accord avec ceux prédits par l'outil numérique.

Une modication de l'émissivité de la paroi extérieure de la cuve entraîne une réduction

de température du jeu de barres plus importante qu'une augmentation des émissivités à

l'intérieur de la cuve. La réduction de la résistance de convection permet une diminution des

températures du modèle plus importante que l'augmentation des émissivités à l'intérieur de

la cuve.

Ces expériences mettent également en évidence la concurrence entre certaines

améliora-tions qui, lorsqu'elles sont combinées, ont moins d'inuence sur les échauements. En eet,

l'augmentation de l'émissivité de la paroi extérieure de la cuve accroît la diminution de

tem-pérature induite par la réduction de la résistance de convection à l'intérieur du module. En

revanche, l'augmentation de l'émissivité du conducteur réduit son eet. Ceci est une fois de

plus en accord avec les résultats de l'outil numérique.

Dans le document Etude des phénomènes électro-thermiques dans l'appareillage haute tension (Page 142-147)