Caractérisation de l'impact sur son environnement d'un arc électrique amorcé entre des câbles en conditions aéronautiques - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Characterization of the effects on its environment of an electric arc initiated between cables in aeronautic conditions

Caractérisation de l'impact sur son environnement d'un arc électrique amorcé entre des câbles en conditions aéronautiques

Résumé

Arc faults occurring in electrical wiring systems or arc tracking phenomenon, are an issue known for decades in the aeronautic industry. The important quantity of energy released by the arcs may break the cables, as well as causing damages to the aircraft's structure. Nowadays, environmental concerns lead to develop more efficient aircrafts. This is why the concept of a More Electric Aircraft (MEA) is being developed, and it is mainly aimed to define new electrical systems, in order to support the replacement of pneumatic and hydraulic systems by their electrical counterparts. This new concept is associated with an increasing electrical power, higher voltages, the use of direct current, and lighter material. These changes may affect the risk of arc tracking and its consequences; this is why we need to study the impact of an arc occurring between electrical cables. To do so, we realise a power balance of the arc in which we assess the mean power of the arc, the power transferred to the cables and causing their degradation, and the power in the arc column that is dissipated through conduction, convection and radiation. One of the main goals is to assess this power balance in several configurations of aircraft's electrical wiring system: AC and DC, copper cables and aluminium cables, atmospheric pressure and altitude pressure (95 mbar). Arc tests are performed in a test chamber associated with a vacuum pump, allowing depressurization. With thermodynamic calculations and thanks to the power balance, we are able to obtain the mass of vaporized metal. We use Optical Emission Spectroscopy (OES) to characterize the arc. We identify the emissive species of the plasma and we observe their temporal evolution. We associate these measurements with fast imaging coupled with spectral filters in order to obtain spatially and time-resolved data. OES measurements are also performed to obtain the overall temperature of the arc using Boltzmann plot method. We observe that the arc temperature is higher with aluminium cables than with copper cables, and the temperature is lower for both cables with the decreased pressure. We realize an optical setup coupled with the fast camera in order to obtain the spatially-resolved arc temperature. This method is based on the intensity ratio of two emission lines of copper. Results are consistent with OES temperature measurements, and show spatial variation of the temperature, which emphasise the importance of erosion and cathode jet phenomenon.
Les défauts d'arc qui se produisent dans les réseaux de câbles électriques, souvent appelés "arc tracking", sont un problème connu depuis des décennies dans l'aéronautique. Étant donné les quantités d'énergie significatives qui sont libérées, les arcs électriques peuvent provoquer la rupture des câbles ainsi que des dégâts sur les structures environnantes. Dans un contexte qui nécessite de rendre les aéronefs de plus en plus efficients sur le plan environnemental, l'apparition du concept d'avion plus électrique tend à redéfinir les réseaux électriques embarqués, ce qui augmente le risque d'apparition d'un arc. Les changements à venir sont notamment l'augmentation de la puissance électrique à bord des avions, mais également l'utilisation de tensions continues plutôt qu'alternatives, ainsi que l'utilisation de nouveaux matériaux. Ces changements pouvant avoir un impact sur les conséquences d'un arc électrique, il est nécessaire de quantifier cet impact. Pour cela, nous établissons un bilan de puissance de l'arc, dans lequel nous évaluons la puissance moyenne de l'arc, la puissance transférée aux câbles et qui cause leur dégradation, ainsi que la puissance de la colonne d'arc qui se dissipe sous forme de conduction, convection et rayonnement. L'un des principaux objectifs est donc d'établir ce bilan de puissance selon les différentes conditions envisagées au sein du réseau électrique d'un avion : en AC ou en DC, avec des câbles en cuivre ou en aluminium et enfin, à pression atmosphérique ou à basse pression (95 mbar) pour reproduire les conditions d'un vol à l'altitude de certification (15 000 mètres). À l'aide de calculs thermodynamiques et en établissant des hypothèses, le bilan de puissance nous permet également d'obtenir une estimation de la masse vaporisée des câbles. Pour caractériser ces arcs électriques, nous avons eu recours également à des mesures de spectroscopie optique d'émission. Nous avons pu identifier les espèces émissives présentes dans le plasma et suivre leur évolution temporelle. Ces données sont corrélées avec de l'imagerie rapide, avec et sans filtres interférentiels, qui nous permettent de mieux comprendre le comportement de ces défauts d'arc. On utilise également les mesures réalisées par spectroscopie optique d'émission pour effectuer une estimation de la température moyenne de l'arc, selon la méthode du graphe de Boltzmann. On y observe des tendances entre les différentes conditions d'essais que l'on peut relier au bilan de puissance. En particulier, on obtient des températures plus élevées avec les câbles en aluminium et à pression atmosphérique. Un dispositif expérimental utilisant la caméra rapide ainsi qu'un montage optique a été mis au point pour obtenir la distribution spatiale de la température de l'arc. Cette méthode repose sur le principe du ratio des intensités des raies du cuivre et de l'hypothèse du plasma en équilibre thermodynamique local. Les résultats, cohérents avec ceux de la spectroscopie, montrent différentes zones de températures, qui soulignent en particulier l'importance du phénomène de jet de plasma à la cathode.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03637605 , version 1 (11-04-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03637605 , version 1

Citer

Thomas Vazquez. Caractérisation de l'impact sur son environnement d'un arc électrique amorcé entre des câbles en conditions aéronautiques. Plasmas. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2021. Français. ⟨NNT : 2021TOU30169⟩. ⟨tel-03637605⟩
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