Les disjoncteurs à haute tension, présents dans le réseau électrique, permettent d'assurer en toute sécurité la distribution de l'électricité. Lorsqu'un défaut est détecté, ou lors d'une intervention de maintenance, l'ouverture des contacts électriques au sein du disjoncteur entraine l'apparition d'un arc électrique à ses bornes. La protection et la coupure ne seront effectives que lorsque l'arc électrique aura été coupé. De nombreux paramètres, géométriques et physiques entrent en jeu dans la capacité de coupure d'un disjoncteur. L'objectif de ces travaux de thèse consistait à analyser l'impact du plasma sur les différents matériaux constituant le disjoncteur. Une démarche purement théorique est abordée à travers l'utilisation du logiciel commercial ANSYS Fluent. Ces travaux sont menés en collaboration avec la société Siemens qui fournit les données expérimentales indispensables à la discussion et à la validation du modèle. Dans ce travail nous considérons dans un premier temps l'ablation des tuyères en téflon. Ce phénomène est pris en compte dans notre étude, au travers d'un modèle d'ablation basé sur la théorie de T. Christen. L'ablation des parois joue un rôle fondamental sur la montée en pression dans les volumes de chauffage, et a une incidence directe sur la réalisation de la coupure. Ainsi le rôle et la quantification des vapeurs de C2F4 sont discutés et détaillés. La deuxième interaction plasma/matériau qu'il convenait d'étudier est celle avec l'électrode mobile constituée d'un mélange tungstène cuivre. Cette interaction est rarement étudiée au niveau des travaux de la littérature. La mise en place nécessite le développement de modèles de sous couches, en proche voisinage de l'électrode, basés sur des balances d'énergie et de flux qui permettent de déterminer par des approches hors équilibre la température des électrodes et le taux de production de vapeurs. Sur une configuration réelle de disjoncteur les caractéristiques temporelles des grandeurs physiques (température, vitesses, pression) et électriques (courant, tension) sont présentées et discutées dans la phase fort courant. Nous concluons sur la nécessité de considérer l'ablation du C2F4 pour une bonne description de la montée en pression dans les volumes de chauffage car ils conditionnent le soufflage au moment du passage par le zéro du courant, et sur la nécessité de prendre en compte les vapeurs de cuivre car celles-ci sont présentes au passage par zéro du courant et conditionnent alors le pouvoir de coupure du disjoncteur. / High-voltage circuit breakers, present in the power grid, ensure in safety the electricity distribution. When an error is detected, or for a maintenance operation, the opening of the electrical contacts within the circuit breaker causes the appearance of an electric arc at its terminals. Protection and cut-off will only be effective if the electrical arc cut off. Many parameters, geometric and physical, are involved in the breaking capacity of a circuit breaker. The aim of this work is to analyze the impact of plasma on the various materials making up the circuit breaker. A purely theoretical approach is tackled through the use of the commercial software ANSYS Fluent. This work is carried out in collaboration with Siemens, which provides the experimental data necessary for the discussion and validation of the model. In this work, we first consider the ablation of teflon nozzles. This phenomenon is taken into account in our study, using an ablation model based on the theory of T. Christen. The ablation of the walls plays a fundamental role on the rise in pressure in the heating volumes, and has a direct effect on the cut-off realization. Thus, the role and quantification of C2F4 vapors are discussed and detailed. The second plasma / material interaction that should be studied is that with the mobile electrode made of a tungsten copper mixture. This interaction is rarely studied in the literature. The implementation requires the development of sub-layers models in the vicinity of the electrode, based on energy and flux balances, which make it possible to determine by non-equilibrium approaches the temperature of the electrodes and the rate of vapor production. On a real circuit breaker configuration, the temporal characteristics of the physical (temperature, velocities, pressure) and electrical (current, voltage) quantities are presented and discussed in the high current phase. We conclude on the need to consider the ablation of C2F4 for a good description of the rise in pressure in the heating volumes because they condition the blowing at the moment of current-zero and on the need to take into account the copper vapors because these are present at the zero crossing of the current and then condition the breaking capacity of the circuit breaker.

Le Disjoncteur Basse-Tension (DBT) est un appareil classique de la distribution électrique depuis plus de cinquante ans. Mais aujourd'hui, avec l'arrivée de produits bas-coût fabriqués dans les pays émergents, les industriels sont soumis à une forte pression pour développer de nouveaux systèmes moins encombrants, utilisant d'autres matériaux, ou incorporant davantage de fonctionnalités. Cette recherche est très compliquée dans la mesure où le DBT est un système hautement multi-physique (mécanique, thermique, physique des matériaux, physique des plasmas, ...). De fait, le développement de nouveaux produits passe par un processus empirique long et coûteux. Cet effort pourrait être réduit par l'utilisation de modèles prédictifs permettant d'arriver plus vite à un système fonctionnel. De nos jours, avec l'augmentation des moyens de résolution numérique, de plus en plus de travaux portent sur la description multi-physique en 3D du DBT et notamment sur la chambre de coupure ou l'arc électrique est amorcé, se déplace et doit être éteint, l'objet de nôtre étude. Le travail de cette thèse se divise en deux axes complémentaires : le développement d'un modèle fluide 3D en méthode des volumes finis simulant l'arc électrique et son déplacement dans la chambre de coupure; ainsi que la mise en place d'un dispositif expérimental permettant d'analyser le phénomène physique en œuvre. Pour ces deux points la problématique est abordée dans une configuration simplifiée de DBT où l'arc se déplace entre deux rails parallèles dans une chambre parallélépipédique. Basé sur le savoir-faire du groupe AEPPT, un modèle numérique est établi pour simuler le plasma thermique. Les particularités de ce modèle, du fait de l'application, sont la nécessité d'une résolution précise du champ magnétique en utilisant le calcul de Biot & Savart pour les conditions limites ainsi que l'utilisation de méthodes permettant le déplacement et la commutation de l'arc. La validation de ce modèle se fera à géométrie similaire par confrontation avec l'expérience. En s'inspirant de précédents travaux nous avons réalisé une maquette expérimentale composée d'un réacteur faisant office de chambre de coupure et d'un mécanisme permettant l'amorçage de l'arc dans le réacteur par ouverture rotative du contact à vitesse contrôlée. D'autres paramètres modifiables sont la taille du réacteur ainsi que les matériaux qui le constituent. Les diagnostiques disponibles en plus de la mesure de courant et de tension sont l'imagerie rapide et la mesure de pression en différents points de la chambre de coupure. Notre expérience est utile pour la réalisation d'études paramétriques en découplant facilement les paramètres. En outre, par la mise en évidence des phénomènes prépondérants, notre maquette aide à la mise en place du modèle en plus de permettre sa validation expérimentale. Cette thèse est donc une étape cruciale vers la mise en place d'un modèle prédictif. / Low-Voltage Circuit Breakers (LVCB) are classical apparatuses of electrical distribution since more than fifty years. But nowadays, with the outbreak of low-cost products from the developing countries, industry is under a strong stress in order to improve their devices by making them more compact, using different materials or to implement new functionalities. This research is harsh since LVCB are highly multiphysics systems (mechanics, thermal properties, materials, plasma physics, ...). Therefore, developing new products goes through a long and expensive empirical process. Those efforts could be reduced by using predictive models allowing to get faster to a functional device. With the improvements of the numerical solution capacity, there are more and more works toward the 3D multiphysical description of the LVCB, especially on the extinction chamber where the electrical arc is ignited, moved and must be quenched. This is the subject of our work. The study described here is divided in two complementary parts: development of a 3D fluid model with finite volume method simulating the electrical arc and its movement inside the arc extinction chamber; and the set-up of experimental means to analyse this physical phenomenon. For those two points, we use a simplified LVCB configuration with an arc moving between two parallel rails inside a rectangular box chamber. Based on AEPPT's know-how, a numerical model is established to simulate thermal plasma. Particularities on this model, due to the application, are the resolution of Biot&Savart law to calculate precisely the magnetic field for the boundary condition and the development of methods to model the arc roots movement and commutation of the arc from the moving contact to the rail. Validation of this model will be done with the same geometry by confrontation with the experiment. Inspired by precedent works we designed a test apparatus with a reactor representing the extinction chamber of the LVCB and an opening mechanism allowing arc ignition by contact opening at a specified speed. Other parameters such as size of the chamber and materials can be modified. Measurements will include high speed imaging and pressure acquisition in several points of the reactor in addition to the classical current and voltage measurements. This experiment is useful for parametric studies with its easy uncoupling of the parameters. Moreover, by highlighting the dominating phenomena for arc movement, this set-up helps in the build-up of the model over and above the experimental validation.