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Caractérisation de l’impact sur son environnement d’un arc électrique amorcé entre des câbles en conditions aéronautiques

par Laurence Laffont - publié le

La soutenance de thèse de Thomas VASQUEZ intitulée Caractérisation de l’impact sur son environnement d’un arc électrique amorcé entre des câbles en conditions aéronautiques a eu lieu le vendredi 25 juin 2021 à 10h.

Le travail a été effectué sous la direction de Philippe TEULET et de Flavien VALENSI.

Composition du jury :

P. TESTE, Laboratoire de Génie Électrique de Paris (GEEPS)

J.-M. BAUCHIRE, Laboratoire Groupe de Recherches sur l’Énergétique des Milieux Ionisés GREMI d’Orléans

David MALEC, LAboratoire PLAsma et Conversion d’Énergie de Toulouse

V. DEGARDIN, Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

M. LISNYAK, Schneider Grenoble

R. CAUSSÉ, Airbus

A. RISACHER, IRT Saint Exupéry/ Safran

Philippe TEULET, LAboratoire PLAsma et Conversion d’Énergie de Toulouse (directeur de thèse)

FLAVIEN VALENSI, Laboratoire PLAsma et Conversion d’Énergie de Toulouse (co-directeur)

Résumé :

Les défauts d’arc qui se produisent dans les réseaux de câbles électriques, souvent appelés « arc tracking », sont un problème connu depuis des décennies dans l’aéronautique. Étant donné les quantités d’énergie significatives qui sont libérées, les arcs électriques peuvent provoquer la rupture des câbles ainsi que des dégâts sur les structures environnantes. Dans un contexte qui nécessite de rendre les aéronefs de plus en plus efficients sur le plan environnemental, l’apparition du concept d’avion plus électrique tend à redéfinir les réseaux électriques embarqués, ce qui augmente le risque d’apparition d’un arc. Les changements à venir sont notamment l’augmentation de la puissance électrique à bord des avions, mais également l’utilisation de tensions continues plutôt qu’alternatives, ainsi que l’utilisation de nouveaux matériaux. Ces changements pouvant avoir un impact sur les conséquences d’un arc électrique, il est nécessaire de quantifier cet impact.

Pour cela, nous établissons un bilan de puissance de l’arc, dans lequel nous évaluons la puissance moyenne de l’arc, la puissance transférée aux câbles et qui cause leur dégradation, ainsi que la puissance de la colonne d’arc qui se dissipe sous forme de conduction, convection et rayonnement. L’un des principaux objectifs est donc d’établir ce bilan de puissance selon les différentes conditions envisagées au sein du réseau électrique d’un avion : en AC ou en DC, avec des câbles en cuivre ou en aluminium et enfin, à pression atmosphérique ou à basse pression (95 mbar) pour reproduire les conditions d’un vol à l’altitude de certification (15 000 mètres). À l’aide de calculs thermodynamiques et en établissant des hypothèses, le bilan de puissance nous permet également d’obtenir une estimation de la masse vaporisée des câbles.

Pour caractériser ces arcs électriques, nous avons eu recours également à des mesures de spectroscopie optique d’émission. Nous avons pu identifier les espèces émissives présentes dans le plasma et suivre leur évolution temporelle. Ces données sont corrélées avec de l’imagerie rapide, avec et sans filtres interférentiels, qui nous permettent de mieux comprendre le comportement de ces défauts d’arc. On utilise également les mesures réalisées par spectroscopie optique d’émission pour effectuer une estimation de la température moyenne de l’arc, selon la méthode du graphe de Boltzmann. On y observe des tendances entre les différentes conditions d’essais que l’on peut relier au bilan de puissance. En particulier, on obtient des températures plus élevées avec les câbles en aluminium et à pression atmosphérique.

Un dispositif expérimental utilisant la caméra rapide ainsi qu’un montage optique a été mis au point pour obtenir la distribution spatiale de la température de l’arc. Cette méthode repose sur le principe du ratio des intensités des raies du cuivre et de l’hypothèse du plasma en équilibre thermodynamique local. Les résultats, cohérents avec ceux de la spectroscopie, montrent différentes zones de températures, qui soulignent en particulier l’importance du phénomène de jet de plasma à la cathode.

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