Soutenance de thèse – Arsalen GATRI – Mercredi 18 février à 09 h 00 – Amphi Concorde U4 – UT

Résumé en français : 

Cette thèse s’inscrit dans le cadre des travaux menés au sein de l’équipe Arc Électrique et Procédés Plasma Thermique (AEPPT) et porte sur la compréhension et la modélisation du comportement de l’arc électrique dans les disjoncteurs basse tension. Bien que ces dispositifs soient largement maîtrisés sur le plan industriel, l’évolution des exigences en matière de fiabilité, de durabilité et de compacité rend nécessaire une meilleure compréhension des mécanismes physiques gouvernant la coupure du courant.
L’objectif principal de ce travail est le développement d’un modèle numérique tridimensionnel magnétohydrodynamique (MHD) capable de décrire de manière cohérente l’évolution de l’arc électrique depuis son apparition entre les contacts jusqu’à sa segmentation dans la chambre de coupure. Le modèle intègre les principaux phénomènes physiques intervenant lors de la coupure : effets électromagnétiques, hydrodynamiques, thermiques et électriques. Il prend également en compte la cinématique réelle du contact mobile ainsi que le couplage avec un circuit électrique externe, permettant de représenter la limitation du courant.
Dans un premier temps, des géométries simplifiées ont été étudiées afin d’identifier les paramètres influençant la dynamique de l’arc, tels que le nombre de séparateurs, leur épaisseur et les conditions d’échappement des gaz. Ces études ont mis en évidence le rôle central de la distribution de pression dans la chambre et la compétition entre les forces de Lorentz et les forces de pression. Le modèle a ensuite été enrichi par l’intégration de nouveaux modules visant à améliorer sa représentativité vis-à-vis d’une chambre de coupure réelle.
En parallèle, un dispositif expérimental dédié a été développé. Une maquette modulaire, associée à des mesures électriques et à des observations par caméra rapide, a permis de confronter les résultats numériques à l’expérience. Les essais ont montré une influence marquée de la géométrie de la chambre sur la dynamique de l’arc et ont mis en évidence la présence de vapeurs métalliques jouant un rôle important dans la conductivité du plasma et les phénomènes de reclaquage.
La confrontation modèle–expérience montre que le modèle reproduit de manière cohérente les grandes étapes de l’évolution de l’arc ainsi que les tendances globales des grandeurs électriques, malgré certains écarts attribués à l’absence de phénomènes encore non pris en compte, tels que les vapeurs métalliques ou les incertitudes sur les conditions initiales. Ce travail constitue une avancée significative vers un outil prédictif du comportement de l’arc et ouvre des perspectives pour une conception assistée par simulation numérique des futures chambres de coupure.

Résumé en anglais : 

This PhD thesis is part of the research activities conducted within the Arc Électrique et Procédés Plasma Thermique (AEPPT) group and focuses on the understanding and modeling of electric arc behavior in low-voltage circuit breakers. Although these devices are widely mastered at the industrial level, increasing requirements in terms of reliability, durability, and compactness call for a deeper understanding of the physical mechanisms governing current interruption. The main objective of this work is the development of a three-dimensional magnetohydrodynamic (MHD) numerical model capable of consistently describing the evolution of the electric arc, from its initiation between the contacts to its segmentation within the arc chamber. The model accounts for the main physical phenomena involved in the interruption process, including electromagnetic, hydrodynamic, thermal, and electrical effects. It also incorporates the actual kinematics of the moving contact and coupling with an external electrical circuit, allowing the representation of current limitation. In a first step, simplified geometries were investigated to identify the parameters influencing arc dynamics, such as the number of splitters, their thickness, and gas exhaust conditions. These studies highlighted the central role of pressure distribution within the chamber and the competition between Lorentz forces and pressure forces. The model was then upgraded through the integration of additional modules to improve its representativeness of a realistic arc chamber. In parallel, a dedicated experimental setup was developed. A modular test bench, combined with synchronized electrical measurements and high-speed camera observations, enabled direct comparison between numerical predictions and experimental results. The experiments demonstrated a strong influence of chamber geometry on arc dynamics and revealed the presence of metallic vapors, which play a significant role in plasma conductivity and restrike phenomena. The comparison between numerical and experimental results shows that the model successfully reproduces the main stages of arc evolution and the overall trends of electrical quantities, despite some discrepancies attributed to physical phenomena not yet included in the model, such as metallic vapor effects or uncertainties in initial conditions. This work represents a significant step toward a predictive tool for electric arc behavior and opens perspectives for simulation-driven design of future low-voltage arc chambers.