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    LA SIMULATION NUMERIQUE POUR LA CONCEPTION DECELLULES SECURISEES EN CAS D’ARC INTERNE

    Charles BESNARD, Schneider Electric (Direction de l’Innovation), France

    [email protected]

    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

    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 ).

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    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

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    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