knowhow_internal_arc_matpost_07.pdf
TRANSCRIPT
-
8/18/2019 knowhow_internal_arc_MATPOST_07.pdf
1/3
LA SIMULATION NUMERIQUE POUR LA CONCEPTION DECELLULES SECURISEES EN CAS D’ARC INTERNE
Charles BESNARD, Schneider Electric (Direction de l’Innovation), France
RESUME
L’auteur présente ici les travaux réalisés en simulation
numérique sur le phénomène d’arc interne dans les cellules
moyenne tension. Un modèle de simulation portant sur un code de dynamique des fluides couplé à une approche
énergétique est présenté, puis une application pour l’aide à
la conception est suggérée.
MOTS CLES Arc Interne, Simulation numérique, Sécurité, Mécanique
des Fluides, Thermodynamique.
INTRODUCTION
L’arc interne est un arc non contrôlé qui peut surveniraccidentellement dans un appareillage moyenne tension ensituation de court-circuit (isolation défectueuse, mauvaisemaintenance, …) Très rare, ce défaut n’en reste pas moinstrès spectaculaire dans ses effets, car il met en jeu desénergies énormes (Fig 1).
Les conséquences d’un arc interne sont de deux natures.Une onde de choc et la surpression engendrée sollicitentmécaniquement l’enveloppe de la cellule, qui peutlitéralement éclater. Puis les effets thermiques provoquentl’expulsion violente de gaz chauds.
La grande majorité des cellules moyenne tension estaujourd’hui soumise à la norme IEC62271-200, qui imposela résistance mécanique de l’enveloppe, et l’évacuationmaîtrisée des gaz chauds. Les effets doivent être limitésaux abords de la cellule pour assurer à minima la sécuritédes personnes.
L’enjeu de la simulation est de donner des règles de
conception pour assurer un large succès lors des essais decertification.
Figure 1 : Cellule moyenne tension avant et pendantun essai d’arc interne
LE MODÈLE DESIMULATION
STRATÉGIE ADOPTÉE
La modélisation s’appuie sur un code volume finis de
dynamique des fluides 2D/3D, donnant ainsi une description
spatiale du phénomène, selon une certaine géométrie de
cellule.
Sur ce support sont implémentées des données propres
telles que les caractéristiques thermodynamiques de l’air à
haute température, ainsi qu’un modèle macro-énergétiquede l’arc, par l’intermédiaire d’une injection d’énergie.
Les équations classiques de la mécanique des fluides sont
résolues en transitoire, y compris l’équation de l’énergie.
LES PHÉNOMÈNES À PRENDRE EN COMPTE
Le phénomène est par excellence un phénomèneénergétique. Il est donc décrit par un ensemble d’échanges
énergétiques et thermodynamiques.
L’injection d’énergie
L’arc se caractérise par une forte dissipation d’énergie à
l’endroit où il est créé. L’élévation brutale de températuredans ce plasma produit l’onde de choc que l’on cherche à
caractériser. Afin de reproduire ce mécanisme, on
représente l’arc par une source locale d’énergie transmise
au fluide.
L’équation de l’énergie [1] dans la zone d’arc hérite du
terme source Sh [2] suivant :
( ) ( )( ) ρ ρ ∂
+ ∇ + = −∇ +∂
∑
. . j j h
j
E v E p h J S t
[1]
( )( )τ π −
= + + −
1 51 sin 2
4 4
t
h avg m S P e f t t [2]
Pavg : terme de puissance moyenne déterminé à partir de Ieff(performance recherchée) et Uarc, fonction descaractéristiques de chaque cellule
f : fréquence du courant
τ : temps de relaxation
tm : temps de montée
Ce modèle temporel décrit de manière très reproductible la
forme transitoire de l’énergie mesurée lors d’essais (Fig 2 ).
-
8/18/2019 knowhow_internal_arc_MATPOST_07.pdf
2/3
Injected Power
0,E+00
5,E+06
1,E+07
2,E+07
2,E+07
3,E+07
3,E+07
4,E+07
4,E+07
5,E+07
5,E+07
115 125 135 145 155 165 175 185 195
Time (ms)
P o w e r ( W )
Measured Power Calculated Power
Figure 2 : Energie injectée en essai et en simulation
Le rayonnement
L’injection d’énergie à des niveaux élevés aboutit à une
montée en température très rapide. Dans la réalité, leszones chaudes se mettent alors à rayonner, stabilisant leur
température aux environs de 15 000 K.
Pour la simulation, un modèle d’émission nette est utilisé,
traduisant le phénomène de rayonnement par un termeperte volumique équivalent dans l’équation de l’énergie [1].
L’injection de masse
Dans la réalité, le phénomène se poursuit par une
vaporisation de métal et de plastique, qui peut influer sur la
surpression observée. Dans cette version du modèle dedescription, nous négligerons cette partie, s’attachant sur
un cas précis à décrire davantage les phénomènes d’onde
de choc durant les premiers instants de l’arc interne.
LA MISE EN ŒUVRE SURUN CAS RÉEL
GÉOMÉTRIE ET SCÉNARIO
On étudie l’essai d’arc interne dans le compartimentdisjoncteur d’une cellule type AIS (Air Insulated
Switchgear ). L’application du modèle précédemmentexplicité se prête à ce type de cellule plutôt soumise à
l’onde de choc qu’à une montée en pression par ablation.
L’essai consiste à appliquer un courant de court-circuit de
25kA sur les 3 phases volontairement court-circuitées
derrière le disjoncteur. L’évacuation des gaz se fait par lehaut et par le bas sur toute la largeur de la cellule ( Fig 3 ).
Un modèle géométrique simple bi-dimensionnel est associé
pour la simulation (voir section Résultats ). L’injection
d’énergie se fait dans une zone de dimension équivalente
à l’entrephase.
CircuitBreaker
FrontDoor
Gazexhaust
Figure 3 : Géométrie de la cellule testée
RÉSULTATS
On cherche à décrire l’onde de choc, et en particulier lasurpression appliquée sur la porte avant de l’appareil. Ci-
dessous la propagation de l’onde de choc à partir du lieud’injection d’énergie (Fig 4 ).
Sensoron Front
Door
CircuitBreaker
Arc
Gazexhaust
Figure 4 : Déplacement de la surpression (Pa)
La pression sur la porte avant est mesurée et comparée
aux simulations (Fig 5 ).
Pressure Door Up
-0,15
-0,1
-0,05
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05
Time (s)
O v e r p r e s s u r e ( b a r )
SensorSimulation
Figure 5 : Courbe de pression obtenue en essai et ensimulation
-
8/18/2019 knowhow_internal_arc_MATPOST_07.pdf
3/3
Le pic de pression obtenu en essai est plus durable que le
pic simulé, à cause essentiellement des effets de
vaporisation non pris en compte, qui apparaissent après
quelques millisecondes. Néanmoins dans ce cas où lesevacuations sont larges, les niveaux de pression obtenus
sont relativement concordants, et la description de l’onde de
choc reste correcte.
L’UTILISATION DE LASIMULATION ENCONCEPTION
Ce modèle CFD couplé à une injection d’énergie a été
appliqué à la conception d’un dispositif d’évacuation type
“cheminée” pour une cellule AIS similaire à la précédente.
Dans une cellule subissant un arc interne à l’intérieur du
compartiment câbles, le problème était de créer un
dispositif de déviation des gaz vers le haut, pour protégerl’arrière de toute manifestation.
La simulation a servi à comparer de manière ralative
plusieurs configurations géométriques.
Etude paramétrique sur la profondeur decheminée
3 profondeurs de cheminée ont été testées. Les gains en
terme de pression à l’impact sur la face arrière ont donc pu
être quantifiés selon les dimensions du dispositif.
Figure 6 : Impact de l’onde de choc sur un dispositifde ”cheminée” arrière (Pression en Pa)
Profondeur dela cheminée (mm)
100 150 300
Surpression à
l’impact (bar)0.24 0.22 0.20
Table 1 : Surpression à l’impact en fonction de laprofondeur de la cheminée
L’expansion de l’onde avant impact sur la face arrière
occasionne une surpression de 20% plus faible dans le casd’une cheminée de 300mm.
Mise en évidence d’une géométrie favorable
La propagation de l’onde de choc a montré une zone
particulièrement sollicitée : l’angle inférieur de la cheminée(Fig 7 ).
Une configuration originale de dégazage latéral à cet
endroit (Fig 7 ) permet de limiter de 30% la surpression
maximale (Fig 8 ).
Config A Config B
Figure 7 : Configurations géométriques standard etfavorable
Max Pressure on Chimney rear side
1,00E+05
1,05E+05
1,10E+05
1,15E+05
1,20E+05
1,25E+05
1,30E+05
1,35E+05
1,40E+05
0,000 0,001 0,001 0,002 0,002 0,003 0,003 0,004 0,004 0,005 0,005
Time (s)
P r e s s u r e
( P a )
Config A
Config B
Figure 8 : Courbe de pression dans 2 configurationsgéométriques différentes
GLOSSAIRE
AIS : Air Insulated Switchgear
CFD : Computational Fluid Dynamics