« Etude de l’ablation de matériaux plastiques par un arc électrique »

Présentation du Laboratoire LAPLACE

Le Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie (LAPLACE), dirigé par Oliver Eichwald et Xavier Roboam est une Unité Mixte de Recherche du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), de l’Institut National Polytechnique de Toulouse (INPT) et de l’Université Toulouse 3-Paul Sabatier (UPS). Localisé entre autres sur le campus de l’Université Paul Sabatier, le LAPLACE héberge la plus forte concentration de recherche en Génie Electrique et en Plasma de France et couvre de manière intégrée le continuum « plasma/matériaux/systèmes ». 

Présentation de l’Equipe AEPPT 

L’équipe Arc Electrique et Procédés Plasmas Thermiques caractérise les plasmas en présence d’arc électrique depuis de nombreuses années. Ces caractérisations sont réalisées par le biais de développement de modèles et d’expérimentations associées. Ces deux approches viennent se compléter et aider à l’interprétation des résultats observés, à la compréhension du comportement du milieu et à l’optimisation des designs des dispositifs où le plasma est présent. Les expérimentations sont réalisées au sein de notre équipe ou chez nos partenaires. En complément, afin de mettre en place les modélisations ou de remonter aux grandeurs expérimentales telles que la température ou la pression, certaines données de base sont nécessaires. Nous avons donc développé depuis de nombreuses années une compétence en calcul de compositions pour des gaz et mélanges de gaz en incluant la physique nécessaire pour la prise en compte de pressions élevées (Corrections de Debye et de Viriel). A partir de ces compositions nous calculons les propriétés thermodynamiques ainsi que les coefficients de transport.

Présentation de la société CITEL

CITEL est un groupe français à caractère international de 450 personnes dont 100 en France, numéro trois mondial dans le domaine des protections contre les surtensions.

Depuis 1937, CITEL participe à travers le monde à protéger les installations des surtensions transitoires notamment dues à la foudre. Chaque année, CITEL conçoit, fabrique et vend plusieurs millions de parafoudres, grâce à une parfaite maîtrise des processus de normalisation et de réglementation, ainsi qu’un investissement permanent dans la R&D. Elle fabrique également ses propres composants. Nos équipes, déployées dans le monde entier, sont fières de contribuer au développement de leur filière au moyen d’une gamme complète de produits et d’une qualité de service unique.

Site web: https://citel.fr/

Introduction

Les plasmas d’arc se rencontrent dans de nombreuses applications et systèmes. Dans les systèmes on peut noter ceux de protection tels que les disjoncteurs basse tension et les parafoudres. Lors de leur fonctionnement un arc électrique est créé conduisant à la présence d’un gaz ionisé à haute température (" 10kK). Cet arc se déplace sous l’action de différentes forces vers une chambre de coupure sur des durées de l’ordre de la milliseconde. Nous nous intéressons ici au cas d’un parafoudre avec une onde impulsionnelle de courant 8/20ms suivie d’un courant de suite de l’ordre de " 100A. En se déplaçant, le plasma à haute température vient « lécher » les parois plastiques du boitier engendrant un milieu gazeux ensemencé de vapeurs organiques. Ces vapeurs ont pour conséquences principales de changer les propriétés du milieu et ainsi de modifier la tension du système et d’augmenter la vitesse de déplacement. Dans les études théoriques engagées ces dernières années sur les parafoudres y compris dans la communauté scientifique, ces vapeurs ne sont pas prises en compte. Le stage consistera donc à mettre en place les briques essentielles à leur incorporation dans les modélisations.

Sujet Proposé

Après une étude bibliographique (Jalon 1) pour se familiariser avec les systèmes de parafoudre, l’étudiant rassemblera les données (propriétés thermodynamiques, coefficients de transport, propriétés radiatives) relatives au POM (matériau organique constituant le boitier) (Jalon 2). Dans une configuration simplifiée, il utilisera les outils de l’équipe pour représenter un plasma d’arc confiné par des parois (Jalon 3). Il élaborera une prise en compte du bilan au niveau du POM (essentiellement flux par conduction et par rayonnement) et proposera un modèle d’érosion (Jalon 4). La composante radiative étant prépondérante la méthode DOM ou hybride devra être mise en œuvre et les caractéristiques du milieu comparées à celles obtenues par la méthode du coefficient d’émission nette (Jalon 5). Les bases du modèle de vaporisation seront implémentées (Jalon 6). Le milieu sera de l’air plus ou moins ensemencé en POM suivant l’intensité mise en jeu. L’étudiant pourra s’appuyer sur l’expertise de l’équipe AEPPT et des ingénieurs de chez CITEL. 

Possibilité de poursuire en thèse

Ces travaux se poursuivront sur une thèse en collaboration avec la société CITEL.

Références:

[1]   J. Lu et al., “Experimental Studies of Arc Motion Between Two Parallel Runners with Splitter Plates,” PPT, vol. 7, no. 1, pp. 16–20, Jun. 2020, doi: 10.14311/ppt.2020.1.16.

[2]   J. Quéméneur, J. Lu, J. J. Gonzalez, and P. Freton, “Arc Motion in Low Voltage Circuit Breaker (LVCB) Experimental and Theoretical Approaches,” p. 13, doi : 10.5923/j.scit.20180802.02.

[3]   Y. Gannac, G. Leduc, C. D. Pham, and V. Crevenat, “8/20 and 10/350 surges behaviour of a Gas Discharge Tube according to gas pressure,” Electric Power Systems Research, vol. 197, p. 107302, Aug. 2021, doi: 10.1016/j.epsr.2021.107302.

[4]   C. D. Pham, V. Crévenat, and Y. Gannac, “Empirical Model of the Impulse Voltage-Time Characteristic of Gas Discharge Tube,” in 2021 35th International Conference on Lightning Protection (ICLP) and XVI International Symposium on Lightning Protection (SIPDA), 2021, vol. 1, pp. 01–06. doi: 10.1109/ICLPandSIPDA54065.2021.9627368.

[5]   G. Finis, M. Wetter, and T. Meyer, “New spark-gap technology with efficient line-follow current suppression for the protection of powerful LV distribution systems,” in 2016 33rd International Conference on Lightning Protection (ICLP), Estoril, Portugal, Sep. 2016, pp. 1–7. doi: 10.1109/ICLP.2016.7791513.

Étudiant(e) en Master 2 ou en dernière année d'Ecole d'Ingénieur dans les domaines de la Physique, des Plasmas, de la Mécanique des fluides, de la simulation multi-physique