Modélisation de l'extinction d'un arc de SF6 hors d'équilibre thermodynamique local
Résumé
During the circuit-breaker arc decay, a rapid diminution of the conductance of the arc is observed, subjecting the plasma produced in very high convection fields which may introduce departures from chemical equilibrium. The existing models, based on local thermodynamic equilibrium assumption point out this effect but do not consider all the mechanisms susceptible to occur during extinction. The convection may be responsible for the presence of cold gas, partially dissociated in the warmer regions of the plasma. The cold particulate recombine rapidly with the electrons leading to a change in the resistivity of the environment. For a better understanding of this phenomenon, we have developed a simplified 2D model of a SF6 arc during extinction. This model associates both chemical kinetic and hydrodynamic models, permitting the calculation of the number densities of the different species present in the plasma. Beforehand, the composition of the plasma is obtained from a collisionnal model and hydrodynamic code in stationary regime was developed to initialise the temperature and the velocity fields. This model was completed thereafter by a study of the chemical kinetics of SF6 which allowed us to single out the different reactions which govern the disappearance of the electrons. We have simulated the extinction of the arc for a current intensity I = 50 A and for pressure of 0.1 and 0.4 MPa. The kinetic model is linked with the hydrodynamic one from Dalton's equation and from the relation associating the mass density to that of the species number densities. The principal results of the hydrodynamic code affirm that the cooling rate is about -108 K.s-1. The kinetics results indicate that convection affects S2 molecules, found on the edge of the discharge and for temperature ranging from 4000 K to 6000 K, which are overpopulated compared with that of equilibrium. Due to the charge exchange between S2 and S+ an overpopulation of S2 leads to overpopulation of S2+. These ions basically recombine with the electrons causing a lowering of the electron population and thus a modification of the resistivity.
Lors de l'extinction d'un arc de disjoncteur, on observe une brutale diminution de la conductance de l'arc, le plasma est alors soumis à un fort soufflage qui peut conduire à des écarts à l'équilibre chimique. Les modèles fondés sur l'hypothèse de l'équilibre thermodynamique local (E.T.L.) prévoient une diminution de la conductance mais ne rendent pas bien compte de l'ensemble des mécanismes régissant l'extinction. La forte convection est responsable de la présence d'une certaine quantité de gaz froid qui n'a pas été totalement dissocié dans les parties chaudes du plasma. Les particules froides peuvent se recombiner rapidement avec les électrons ce qui modifierait la résistivité du milieu. Pour mettre en évidence ce phénomène qui apparaît dans les disjoncteurs nous avons développé un modèle de l'extinction d'un arc de SF6 pour une géométrie simplifiée à deux dimensions. Ce modèle couple un modèle de cinétique chimique avec un modèle hydrodynamique et permet de calculer les densités des espèces. La mise en place de ce modèle s'est caractérisée par des calculs préliminaires pour l'initialisation : la composition du plasma à l'équilibre est obtenue à l'aide d'un modèle collisionnel ; un modèle hydrodynamique à deux dimensions a été développé et nous permet de calculer les champs de température et de vitesses en régime stationnaire. Le modèle a été complété par une étude sur la cinétique du SF6 qui nous a permis de mettre en évidence les différents processus réactionnels qui gouvernent la disparition des électrons. Nous avons simulé l'extinction de l'arc pour une intensité initiale de 50 A et pour des pressions fixées à 0.1 et 0.4 MPa, le modèle cinétique est couplé au modèle hydrodynamique à partir de l'équation des gaz parfaits et de la relation liant la densité de masse aux densités des espèces. Les principaux résultats du modèle hydrodynamique confirment que la vitesse de refroidissement est de l'ordre de -108 K.s-1. Les résultats sur la cinétique montrent que la convection agit sur les molécules de S2 qui se retrouvent, au bord de la décharge et pour des températures comprises entre 4000 K et 6000 K, en surpopulation par rapport à l'équilibre. Par processus d'échange de charge entre les particules S2 et S+ la surpopulation de S2 va conduire à une surpopulation des ions S2+. Ces ions vont principalement se recombiner avec les électrons provoquant une baisse de la population électronique, et une modification de la résistivité du milieu.