Claire SIMONNET soutiendra sa thèse le jeudi 26 février 2026 à 09 h 00 dans l’amphithéâtre Concorde, bat. U4 de l’Université Paul Sabatier, sur le sujet : « Étude théorique de la coupure moyenne et haute tension par arc dans le vide« .
Ces travaux, encadrés par Jean-Jacques GONZALEZ et Pierre FRETON ont été réalisés au sein du groupe AEPPT, et en collaboration avec l’entreprise Siemens Energy.
Le jury est constitué de :
M. Pierre CHAPELLE, Rapporteur, CNRS Centre-Est
M. Vincent RAT, Rapporteur, CNRS Centre Limousin Poitou Charente
Mme. Marie-Pierre PLANCHE, Examinatrice, Université de technologie de Belfort Montbéliard (UTBM)
M. Yann CRESSAULT, Examinateur, Université Toulouse – Paul Sabatier
M. Jean-Jacques GONZALEZ, Directeur de thèse, CNRS Occitanie Ouest
M. Pierre FRETON, Co-directeur de thèse, Université Toulouse – Paul Sabatier
Résumé en français :
Longtemps délaissée, l’étude des disjoncteurs haute tension, utilisant le vide comme milieu de coupure, connaît ces dernières années un regain d’intérêt. Cela s’explique par les normes environnementales qui visent à réduire drastiquement l’utilisation de gaz à effet de serre dans les disjoncteurs et à promouvoir des alternatives durables. Dans ce contexte, les dispositifs de coupure sous vide apparaissent comme une solution pertinente. En raison de la difficulté à étudier l’arc expérimentalement dans un environnement à très basse pression (environ 10-5 Pa) et sous fort courant (plusieurs kA), la modélisation de l’arc électrique est un outil nécessaire. Ainsi les chercheurs et industriels cherchent à développer des modèles numériques pour mieux appréhender les phénomènes physiques et optimiser ces systèmes.
Nous présenterons dans cette étude un modèle numérique tridimensionnel (3D) décrivant un arc sous vide à fort courant (15 kA) en régime subsonique, entre des contacts en cuivre en présence d’un champ magnétique axial (AMF). Ce modèle repose sur une approche magnétohydrodynamique (MHD) à deux températures (électronique et ionique) du plasma inter-électrodes. L’étude est réalisée à l’aide du logiciel commercial Ansys Fluent, associé à des développements spécifiques en langage C et des UDF (User Defined Functions) permettant de caractériser l’arc électrique. Seule la région du plasma est modélisée, tandis que le comportement des électrodes en cuivre est pris en compte via des conditions aux limites spécifiques.
Notre objectif était tout d’abord de reproduire les résultats issus de la littérature et d’apporter ensuite notre contribution à cette thématique. Nous présentons les résultats de simulation d’un cas de référence issus de la littérature en stationnaire. Les champs de pression absolue, de températures, de vitesses, de densités électroniques et ioniques nous permettent d’analyser la physique de l’arc électrique dans ces conditions. Une étude paramétrique est également menée pour analyser l’influence de certains paramètres sur les caractéristiques de l’arc. Nous présentons ensuite une étude temporelle avec contacts en mouvement en modifiant le courant et l’AMF afin de se rapprocher d’un cas réel. Cependant, la littérature sur la modélisation des arcs sous vide n’est pas très étoffée et les hypothèses utilisées sont parfois contestables. Ainsi différentes études paramétriques sont réalisées sur ces hypothèses afin de quantifier leur influence. C’est le cas par exemple des pertes radiatives dont les tables des données sont incomplètes et discutables et qui pourtant semblent jouer un rôle essentiel sur le comportement du milieu. Enfin dans une dernière partie nous synthétiserons notre travail et donnerons des pistes de perspectives envisageables pour la poursuite de cette thématique.
Résumé en anglais :
Long neglected, the study of high-voltage circuit breakers using vacuum as the interrupting medium has seen renewed interest in recent years. This resurgence is largely due to environmental standards aimed at drastically reducing the use of greenhouse gases in circuit breakers and promoting sustainable alternatives. In this context, vacuum interruption devices appear to be a promising solution. Because it is difficult to experimentally study the arc in a very low-pressure environment (around 10-5 Pa) and under high current (several kA), arc modeling becomes an essential tool. Researchers and industrial partners therefore strive to develop numerical models to better understand the underlying physical phenomena and optimize these systems.
In this study, we present a three-dimensional (3D) numerical model describing a high-current (15 kA) vacuum arc in the subsonic regime, formed between copper contacts and subjected to an axial magnetic field (AMF). This model is based on a two-temperature (electron and ion) magnetohydrodynamic (MHD) approach to describe the plasma between the electrodes. The study is carried out using the commercial software Ansys Fluent, coupled with specific developments in C language and User Defined Functions (UDFs) to characterize the electrical arc. Only the plasma region is modeled, while the behavior of the copper electrodes is taken into account through specific boundary conditions.
Our first objective was to reproduce results available in the literature and then to contribute our own findings to this research area. We present the simulation results of a reference stationary case from the literature. The obtained fields of absolute pressure, temperature, velocity, and electron and ion densities allow us to analyze the physics of the electrical arc under these conditions. A parametric study is also conducted to analyze the influence of certain parameters on the arc characteristics. We then present a transient study with moving contacts, varying the current and AMF to approach a more realistic situation. However, the literature on vacuum arc modeling remains relatively sparse, and some of the underlying assumptions are debatable. Therefore, various parametric studies are carried out to quantify the influence of these assumptions. For example, radiative losses, for which available data tables are incomplete and questionable, seem to play a crucial role in the medium’s behavior. Finally, in the last part, we summarize our work and provide potential avenues for future research in this field.
