Calculation of the chemical composition in a plasma formed in PTFE, air, copper and steam within the framework of air circuit breakers

Calcul de la composition chimique dans un plasma issu de mélanges de PTFE, d'air, de cuivre et de vapeur d'eau dans le cadre d'appareillages de coupure électrique à air

Pascal André (1) , Marie Agnès Courty (2) , A K Kagoné (3) , Z K Koalaga (3) , N K Kohio (3) , F Zougmoré (3)

1 LAEPT - Laboratoire arc électrique et plasmas thermiques
2 PROMES - Procédés, Matériaux et Energie Solaire
3 LAME - Laboratoire de Matériaux et Environnement

The climate of the sub-Saharan zones is marked by a strong variability of the rate of humidity in the air, especially between the dry season and the period of monsoon, and by an atmospheric dust raised during the storms of dusts and winds of sand. Under these conditions, the circuit breakers equipment with air have abnormal behavior and failures in the cut are often observed.

Le climat des zones sub-sahariennes est marqué par une forte variabilité du taux d’humidité dans l’air, surtout entre la saison sèche et la période de mousson, et par un empoussièrement atmosphérique élevé lors des tempêtes de poussières et de vents de sable. Sous ces conditions, les appareillages de coupure de type disjoncteur à air en contact avec des joues gazogènes en PTFE (Téflon©) ont des comportements anormaux et des échecs à la coupure sont souvent observés. Pour comprendre ce problème, le travail présenté propose d'abord d’étudier l’influence de la proportion d’eau et de poussières sur le fonctionnement des disjoncteurs, puis d’étudier l’influence de l’état du plasma, pression et déséquilibre thermique, sur sa composition chimique. Quatre mélanges sont comparés: les deux premiers avec de la silice simulant les poussières M1 : 1,95 g air sec, 0,01 g cuivre, 0,02 g PTFE, 0,5 g silice, 6 µg vapeur sèche M2 : 1,95 g air sec, 0,01 g cuivre, 0,02 g PTFE, 0,5 g silice, 28 µg vapeur sèche et les deux derniers sans poussières M3 : 1,95 g air sec, 0,01 g cuivre, 0,02 g PTFE, 6 µg vapeur sèche M4 : 1,95 g air sec, 0,01 g cuivre, 0,02 g PTFE, 28 µg vapeur sèche. Le couple (M1, M3) correspond à la période de la saison sèche et le couple (M2, M4) correspond à la période de mousson. Pour l’état du plasma nous considérons deux pressions (105 Pa et 5×105 Pa) et deux états de déséquilibre thermique (à l’équilibre et hors de l’équilibre Te/Tl=2). Pour mener à bien ce travail, nous utilisons la minimisation de l’énergie libre de Gibbs (enthalpie libre), qui est bien adaptée pour des transformations ayant lieu à une pression et à température(s) fixée(s). Cette méthode permet de déterminer les fractions molaires dans la gamme de température comprise entre 500 K et 6 000 K. Les calculs réalisés montrent que le graphite ne se forme pas, que la poussière de sable a une influence importante sur la formation des phases condensées et que la variation d’hygrométrie joue un rôle majeur sur les espèces minoritaires (fraction molaire <10-5).

Mots clés: air plasma; copper: multiphase; circuit breakers; chemical composition; thermal plasmas; PTFE

Mots clés: disjoncteur à air; arc électrique; plasmas thermiques; composition chimique; multiphases; enthalpie libre; polytétrafluoroéthylène

Domaines: Milieux fluides et réactifs; Energie électrique; Génie des procédés; Plasmas; Mécanique statistique [cond-mat.stat-mech]

Pascal André, Marie Agnès Courty, A K Kagoné, Z K Koalaga, N K Kohio, et al.. Calcul de la composition chimique dans un plasma issu de mélanges de PTFE, d'air, de cuivre et de vapeur d'eau dans le cadre d'appareillages de coupure électrique à air. Journal International de Technologie, de l'Innovation, de la Physique, de l'Energie et de l'Environnement , 2016, Journal International de Technologie, de l'Innovation, de la Physique, de l'Energie et de l'Environnement, 2 (1), ⟨10.18145/jitipee.v2i1.128.g70⟩. ⟨hal-01478777⟩