De La Foudre À L’arc Électrique
André Lefort
Sol
Cumulonimbus
Cinq Grands Types D’éclairs
• Décharges au sein du nuage et entre nuages
(70 à 90% des décharges au cours d’un orage)
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l ’appareillage électrique?
L ’appareillage électrique :
doit assurer la protection
automatique en cas de c...
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MT/BT
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Coupure Par Arc Électrique.
Première étape de la distribution de l’énergie électrique : de la centrale à
la ligne à haute tension.
Disjoncteurs
d’alternateur
jusqu’à 275 kV
et 40000 A
Postes blindés
jusqu’à 800 kV
Appareillage conventionnel
de 72 kV à 8...
Poste blindé
Disjoncteur Haute Tension
Phases d‘ouverture d‘un disjoncteurs HT
‘CLOSED’ position Start of opening Thermal effect Extinction ‘OPEN’ position
Simulations numériques dans les disjoncteurs HT
Simulations numériques dans les disjoncteurs HT
MCT ARC0101a.ppt
21/02/00
Station d‘essai en haute tension
Types D’appareils De Coupure
Utilisés Selon Les Tensions.
Disjoncteur À Huile
Mise à défaut
d’une phase par
la présence de
gaz dans
l’appareil.
Disjoncteur À Air Type Solénarc
Disjoncteurs À Vide
Arc concentré (a) et arc diffus (b)
Baxial=0.07 T I = 12 kA
Texposition=25 microsecondes
Délectrode = 50 mm L = 6 mm
Texposition=75 microsecondes
Baxial =0.13...
Contacts créant un champ
magnétique radial
Contacts créant un champ
magnétique axial
Réalisation technique
Ensemble de cellules SF6 HTA : sur la partie haute, les liaisons par
jeux de barres entre cellules sont visibles.
Fusibles HTA sous une cellule SF6 : le dispositif mécanique de
détection de déclenchement de percuteurs est visible.
fusible HTA : plaque signalétique ; par transparence, l'élément de fusion
et la silice sont visibles
Sections
rétrécies
Une lame viergeUne lame fusible
Les fusibles haute
tension
Les lames d’argent
Griffes
Lames d ’Ag
CalotteSupport
percuteur
Tube
Sable
Les fusibles haute
tension: constitution
Contacts
fermés
Ouverture
des
contacts,
création de
l’arc
IElectrodes
ou
rails
Création de l'arc
Chambre
de coupurePréchambre
Contact fixe
Contact mobile
Arc
Principe de fonctionne...
Allongement
de l’arc
Arc
I
Commutation
Déplacement
Electrodes
ou
rails
Création de l'arc
Chambre
de coupurePréchambre
Contact fixe
Contact mobi...
L’arc atteint les
plaques de
refroidissement
Arc
I
Commutation
Déplacement
Electrodes
ou
rails
Création de l'arc
Chambre
de coupurePréchambre
Contact fixe
Contact mobi...
Phase
d’extinction
(film)
Diagnostic: Film ultra-rapide (29500 i/s)
Thématiques de recherche et
domaines physiques relatifs à la
coupure du courant
Hydrodynamique
(écoulement des
gaz chauds)...
Lampes fluo compactes
(dites basse consommation)
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996...
Colonne Positive
34 Watt
Principe de
fonctionnement
de la lampe fluo
Emetteur: Hg (7 mTorr)
Gaz tampon: Ar (3 Torr)
400 mA...
Une « équivalence »
simple
mais économique…
CFL
~36 lm/W
GLS
~12 lm/W
20 W CFL
60 W GLS
Prix moyen CFL 13 €, GLS 0,70 €
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Exemples de "Couleur"
OriginalOriginal
Sodium
Basse pression
Sodium
Haute
Pression
Mercure
Haute
Pression
Quel choix effectuer ?
0 100
12-14 lm/W
CRI~100
200 lm/W
CRI~0
Bon
Faible
Moyen
IRC
Sodium
Haute Pression
Mercure
Haute Pr...
Pixel Matrix 1366 x 768
Pixel Pitch 0.972 x 0.972
Luminance 450 Cd/m2
Contrast Ratio (DR) 500:1
Nb. of Colors 16.7 Million...
Figure 4: CCD images at 3 different times of a current pulse in an AC matrix discharge in a macro-cell. The exposure time ...
ITO: oxyde d’indium et d’étain
Xe – Ne : 10 – 90 , pression 600 mm de mercure
Évolution temporelle de la tension, de la
densité du plasma, et de la densité de
courant électrique.
Les Torches À Plasma
Torche à arc
Torche ICP
(Inductively Coupled Plasma)
Torches ICP
Torche À Arc Non Transféré
Configuration étudiée
Torche OCP150 dans l’oxygène
1 : Coiffe
2 : Tuyère
3 : Injecteurs vortex
4 : Cathode
1
2
3
4
dAir
Ox...
D: ISOTHERMES Ar-Cu 200A stationnaireD: ISOTHERMES Ar-Cu 200A stationnaire
Arc transféré
Plasma d’argon atmosphérique pour vitrification de déchets
Puissance 10kW
CORIA
Rouen
Plasma de découpe atmosphérique CORIA Rouen
Plasma d’azote à 1mBar : simulation rentrée dans l’atmosphère
Mach 2, T = 6000K, puissance 15 à 20 kW
CORIA Rouen
Plasma d’air atmosphérique
Destruction de polluants
atmosphériques
Puissance moyenne 1kW
CORIA Rouen
GLIDARC
Orléans GREMI
Z Pinch GREMI Orléans
+
Différence de potentiel
Zone cathodique
10 V < Vc< 20 V
Colonne
1000 V/m < E < 10000V/m
Zone anodique
3 V < Va < 10 V
Espè...
De la foudre à l’arc électrique
De la foudre à l’arc électrique
De la foudre à l’arc électrique
De la foudre à l’arc électrique
De la foudre à l’arc électrique
De la foudre à l’arc électrique
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De la foudre à l’arc électrique

  1. 1. De La Foudre À L’arc Électrique André Lefort
  2. 2. Sol Cumulonimbus
  3. 3. Cinq Grands Types D’éclairs • Décharges au sein du nuage et entre nuages (70 à 90% des décharges au cours d’un orage) • Coup de foudre positif descendant • Coup de foudre positif ascendant • Coup de foudre négatif descendant • Coup de foudre négatif ascendant
  4. 4. Qu ’est ce que l ’appareillage électrique? L ’appareillage électrique : doit assurer la protection automatique en cas de court circuit doit effectuer sur commande des opérations volontaires sur commande assure ainsi la disponibilité du réseau et sa sûreté d ’emploi
  5. 5. Qu ’est ce que l ’appareillage électrique? L ’appareillage électrique : sectionneurs interrupteurs disjoncteurs coupe circuit à fusible parafoudres ...
  6. 6. Qu ’est ce que l ’appareillage électrique? La basse tension de puissance: exemple de la gamme Masterpact La très haute tension : exemple disjoncteur à air comprimé 420 kV La moyenne tension : exemple de disjoncteur SM6 Le C60 pour les applications résidentielles
  7. 7. Qu ’est ce que l ’appareillage électrique ?Exemple d ’organisation d ’un réseau interne d ’usine EDF Transformateur MT/BT Transformateur MT/BT Réseau BT 3 cellules disjoncteur MT
  8. 8. Coupure Par Arc Électrique.
  9. 9. Première étape de la distribution de l’énergie électrique : de la centrale à la ligne à haute tension.
  10. 10. Disjoncteurs d’alternateur jusqu’à 275 kV et 40000 A Postes blindés jusqu’à 800 kV Appareillage conventionnel de 72 kV à 800 kV Équipement Disjoncteurs Haute Tension
  11. 11. Poste blindé
  12. 12. Disjoncteur Haute Tension
  13. 13. Phases d‘ouverture d‘un disjoncteurs HT ‘CLOSED’ position Start of opening Thermal effect Extinction ‘OPEN’ position
  14. 14. Simulations numériques dans les disjoncteurs HT
  15. 15. Simulations numériques dans les disjoncteurs HT
  16. 16. MCT ARC0101a.ppt 21/02/00 Station d‘essai en haute tension
  17. 17. Types D’appareils De Coupure Utilisés Selon Les Tensions.
  18. 18. Disjoncteur À Huile Mise à défaut d’une phase par la présence de gaz dans l’appareil.
  19. 19. Disjoncteur À Air Type Solénarc
  20. 20. Disjoncteurs À Vide
  21. 21. Arc concentré (a) et arc diffus (b)
  22. 22. Baxial=0.07 T I = 12 kA Texposition=25 microsecondes Délectrode = 50 mm L = 6 mm Texposition=75 microsecondes Baxial =0.13 T I = 11.5 kA Délectrode = 50 mm L = 4 mm I = 2.5 kA D = 20 mm L = 8 mm Low-temperature Plasma Physics IOFFE Phys.-Techn. Institute St Petersburg
  23. 23. Contacts créant un champ magnétique radial
  24. 24. Contacts créant un champ magnétique axial
  25. 25. Réalisation technique
  26. 26. Ensemble de cellules SF6 HTA : sur la partie haute, les liaisons par jeux de barres entre cellules sont visibles.
  27. 27. Fusibles HTA sous une cellule SF6 : le dispositif mécanique de détection de déclenchement de percuteurs est visible.
  28. 28. fusible HTA : plaque signalétique ; par transparence, l'élément de fusion et la silice sont visibles
  29. 29. Sections rétrécies Une lame viergeUne lame fusible Les fusibles haute tension Les lames d’argent
  30. 30. Griffes Lames d ’Ag CalotteSupport percuteur Tube Sable Les fusibles haute tension: constitution
  31. 31. Contacts fermés
  32. 32. Ouverture des contacts, création de l’arc
  33. 33. IElectrodes ou rails Création de l'arc Chambre de coupurePréchambre Contact fixe Contact mobile Arc Principe de fonctionnement du disjoncteur 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 0 1 2 3 4 5 6 7 Time ( ms ) I limited current (A) U arc x 10 (V) Curent on mobile contact Iron recorded by P 5,6,7,8,9,10 Iron recorded by P 11,12 Temps (ms) 
  34. 34. Allongement de l’arc
  35. 35. Arc I Commutation Déplacement Electrodes ou rails Création de l'arc Chambre de coupurePréchambre Contact fixe Contact mobile 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 0 1 2 3 4 5 6 7 Time ( ms ) I limited current (A) U arc x 10 (V) Curent on mobile contact Iron recorded by P 5,6,7,8,9,10 Iron recorded by P 11,12 Temps (ms) 
  36. 36. L’arc atteint les plaques de refroidissement
  37. 37. Arc I Commutation Déplacement Electrodes ou rails Création de l'arc Chambre de coupurePréchambre Contact fixe Contact mobile • Insertion de l ’arc dans la chambre de coupure • Découpe en de multiples sous-arcs • Accroissement de la tension aux bornes du disjoncteur • Absoption de l ’énergie 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 0 1 2 3 4 5 6 7 Time ( ms ) I limited current (A) U arc x 10 (V) Curent on mobile contact Iron recorded by P 5,6,7,8,9,10 Iron recorded by P 11,12 Temps (ms) 
  38. 38. Phase d’extinction
  39. 39. (film) Diagnostic: Film ultra-rapide (29500 i/s)
  40. 40. Thématiques de recherche et domaines physiques relatifs à la coupure du courant Hydrodynamique (écoulement des gaz chauds) Physique des plasmas (propriétés de l ’arc électrique) Interaction arc parois plastiques Aspects diélectriques Autres … (magnétisme, actionneurs...) Aspects thermiques Interaction arc contact/ailettes Émission lumineuse et transfert radiatif
  41. 41. Lampes fluo compactes (dites basse consommation) 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 Année 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Classique Electronique Production Ventes mondiales de CFLs Meilleure efficacité Contrôle de la couleur Meilleure stabilité Encombrement & poids réduits Possibilité de gradation Pas d'interaction avec le réseau
  42. 42. Colonne Positive 34 Watt Principe de fonctionnement de la lampe fluo Emetteur: Hg (7 mTorr) Gaz tampon: Ar (3 Torr) 400 mA 50 Hz Pertes au ballast Chaleur Chaleur 9.2W VisibleVis.0.8W UV UV 24W Visible 10 W Chaleur 30 W Pertes aux électrodes Electrodes6W Vis. 9.2 W Chaleur 14.8 W Puissance 40 Watt Puissance 40 Watt Parois Poudre Fluorescente
  43. 43. Une « équivalence » simple mais économique… CFL ~36 lm/W GLS ~12 lm/W 20 W CFL 60 W GLS Prix moyen CFL 13 €, GLS 0,70 € Durée de vie CFL 10 000 h, GLS 1 250 h 1 CFL de 20W remplace une GLS de 60W Temps d’utilisation moyen: 3,5 h/jour Gain: 0,018 €/an/kWh économisée
  44. 44. Exemples de "Couleur" OriginalOriginal Sodium Basse pression Sodium Haute Pression Mercure Haute Pression
  45. 45. Quel choix effectuer ? 0 100 12-14 lm/W CRI~100 200 lm/W CRI~0 Bon Faible Moyen IRC Sodium Haute Pression Mercure Haute Pression MHL (quartz) MHL (céramique) Sodium Haute Pression "White" incandescence Sodium Basse Pression Eclairage intérieur Eclairage routier Rendement
  46. 46. Pixel Matrix 1366 x 768 Pixel Pitch 0.972 x 0.972 Luminance 450 Cd/m2 Contrast Ratio (DR) 500:1 Nb. of Colors 16.7 Million Set Thickness 133 mm Les Écrans Plasmas
  47. 47. Figure 4: CCD images at 3 different times of a current pulse in an AC matrix discharge in a macro-cell. The exposure time for each image is 500 ns. At 2.6 µs the current is close to its maximum value. Gas pressure is 3 torr, gap length 1 cm, ITO electrodes, electrode width 16 mm, gas mixture Xe(10%)-Ne, sustain voltage 240 V, sustain frequency 1 kHz. Figure 5: CCD images at a time close to the time of maximum current in the same conditions as Fig. 4; a) without filter, b) with a filter cutting the wavelengths below 700 nm.
  48. 48. ITO: oxyde d’indium et d’étain Xe – Ne : 10 – 90 , pression 600 mm de mercure
  49. 49. Évolution temporelle de la tension, de la densité du plasma, et de la densité de courant électrique.
  50. 50. Les Torches À Plasma Torche à arc Torche ICP (Inductively Coupled Plasma)
  51. 51. Torches ICP
  52. 52. Torche À Arc Non Transféré
  53. 53. Configuration étudiée Torche OCP150 dans l’oxygène 1 : Coiffe 2 : Tuyère 3 : Injecteurs vortex 4 : Cathode 1 2 3 4 dAir Oxygène  Faible intensité - Fonctionnement entre 30 et 120A  Gaz plasmagène : - Oxygène  Tuyère : - Diamètre de tuyère très fin (entre 0.8 et 1.2 mm)  Epaisseur de tôles : entre 1 et 10mm
  54. 54. D: ISOTHERMES Ar-Cu 200A stationnaireD: ISOTHERMES Ar-Cu 200A stationnaire Arc transféré
  55. 55. Plasma d’argon atmosphérique pour vitrification de déchets Puissance 10kW CORIA Rouen
  56. 56. Plasma de découpe atmosphérique CORIA Rouen
  57. 57. Plasma d’azote à 1mBar : simulation rentrée dans l’atmosphère Mach 2, T = 6000K, puissance 15 à 20 kW CORIA Rouen
  58. 58. Plasma d’air atmosphérique Destruction de polluants atmosphériques Puissance moyenne 1kW CORIA Rouen
  59. 59. GLIDARC Orléans GREMI
  60. 60. Z Pinch GREMI Orléans
  61. 61. +
  62. 62. Différence de potentiel Zone cathodique 10 V < Vc< 20 V Colonne 1000 V/m < E < 10000V/m Zone anodique 3 V < Va < 10 V Espèces présentes : e- N O N+ O+ N2 NO NO+ N2 + O2 O2 + - +

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