This Master thesis is based on problems of force effects of the magnetic field of short-circuit current. Firstly, I analysed the force action of the three phase busbars during the three-pole short circuit. The analysis was performed in the Ansys Maxwell program and I verified the correctness of the analysis by numerical calculation. The second practical part was executed for ABB company. The main task was to analyse the force effects of the short-circuit current in the HV switchgear with focusing on the arms and contact system of the circuit breaker. The simulations of the following configurations were performed in more details: three configurations of the simplified VD4 circuit breaker, two types of VD4 circuit-breaker contact systems and a linear circuit breaker configuration model. The objective was to calculate the forces acting on the current path of the arms and contact system of the VD4 circuit breaker during the three-phase short-circuit and to simulate the effects of forces on these current parts. For modelling of individual assemblies, calculations and simulations I used: SolidWorks 2014, Ansys Maxwell 16.0 and Ansys Workbench 14.5 programs. With SolidWorks 2014 3D CAD software were modelled simplified assemblies of circuit breakers and contact systems. These systems were imported into the Ansys Maxwell software, where the force effects of the magnetic field of the short-circuit current were calculated. In Ansys Workbench programme was simulated the effect of forces on the current circuit breakers. Moreover, the final deformations of the materials (with respect to the mechanical properties of the structure) were plotted. The analysis of force effects of the magnetic field was performed for the specified static short - circuit current value.

Un modèle numérique d’un arc électrique diffus dans un disjoncteur à vide à champ magnétique axial (AMF) a été développé dans le but de mieux comprendre à terme la transition d’un mode de fonctionnement diffus de l’arc vers un mode plus concentré. Le comportement du plasma d’arc a été simulé depuis la sortie de la zone de mélange cathodique jusqu’à l’entrée de la gaine anodique. Le modèle bidimensionnel est basé sur un système d’équations hydrodynamiques à deux fluides non magnétisés (ions et électrons), incluant les équations de conservation d’énergie ionique et électronique. Il est démontré que les processus d’ionisation et de recombinaison et les effets visqueux sont négligeables. Les transferts radiatifs ne sont pas considérés en première approximation. Outre les forces dues au champ AMF, le modèle inclut les forces dues aux trois composantes du champ magnétique induit par l’arc. Deux régimes d’écoulement des ions, supersonique (aux faibles densités de courant) et subsonique (aux fortes densités de courant), sont considérés. Près de la cathode, les conditions aux limites sont spécifiées à partir de résultats de la littérature. A proximité de l’anode, elles sont basées sur une description simplifiée de la gaine anodique. Les résultats de simulation présentés mettent en évidence une constriction du courant et un comportement différent des ions aux faibles et aux fortes densités de courant, et renseignent sur l’influence de divers paramètres (intensité du courant, distance interélectrode). Ce travail présente également une étude expérimentale, basée sur des visualisations par vidéo rapide de l’arc et des mesures pyrométriques de la température de la surface de l’anode / A model of a diffuse arc in a vacuum circuit breaker with an axial magnetic field (AMF) has been developed with the ultimate aim to better understand the transition of the arc from a diffuse mode to a more confined mode. The interelectrode plasma is simulated from the exit of the mixing region on the cathode side to the entrance of the anode sheath. The two-dimensional model is based on the solution of a system of two-fluid (ions and electrons) hydrodynamic equations, including in particular the energy balance equations relative to both the ions and the electrons, which are treated as non-magnetized particles. It is demonstrated that ionisation and recombination processes, as well as viscous effects, can be neglected. Radiation losses are not taken into account in a first approximation. In addition to the forces due to the AMF, the model considers the forces created by the three components of the magnetic field induced by the arc current. The possibility of both supersonic (at low current density) and subsonic (at high current density) ionic flow regimes is considered. On the cathode side, the boundary conditions are specified using results from the literature. On the anode side, they are based on a simplified description of the anode sheath. The simulation results presented show a constriction of the current lines, emphasize the differences in the behaviour of the ions at low and high current densities, and provide some insight on the influence of various operating parameters (arc current, gap length). The present work comprises also an experimental study, based on high-speed camera visualisations of the arc and measurements of the temperature at the anode surface

Actuellement, il y a une baisse du prix des ressources énergétiques distribuées, en particulier l'énergie solaire photovoltaïque, conduisant à la croissance significative de leur capacité d'installation dans de nombreux pays. D'autre part, les politiques encourageant l'efficacité énergétique ont favorisé le développement de charges DC dans les zones domestiques, telles que l'éclairage LED, les ordinateurs,, les téléphones, les téléviseurs, les moteurs DC efficaces et les véhicules électriques. Grace à ce changement, le système de distribution de microgrid DC devient plus attractive que le système de distribution à courant alternatif traditionnel. Les avantages principaux du microgrid DC sont l'efficacité énergétique plus élevée, plus facile à intégrer avec les sources d'énergie distribuées et le système de stockage. Alors que de nombreuses recherches se concentrent sur les stratégies de contrôle et la gestion de l'énergie dans le microgrid DC, sa protection reçoit une attention insuffisante et un manque de réglementation et d'expériences. La protection dans les réseaux DC est plus difficile que dans le réseau AC en raison de l'arc continu, de la valeur plus élevée du courant de courtcircuit et du taux de défaut de montée. En outre, dans les réseaux distribués à courant continu sont composés de nombreux dispositifs de commutation électroniques et semi-conducteurs, qui ne supportent le courant de défaut que quelques dizaines de microsecondes. Les disjoncteurs mécaniques, qui ont un temps de réponse de quelques dizaines de millisecondes, ne semblent pas satisfaire aux exigences de sécurité du microréseau à courant continu. L'absence d'un dispositif de protection efficace constitue un obstacle au développement du microgrid DC dans le système distribué. Cette thèse propose un disjoncteur DC auto-alimenté à courant continu utilisant normalement JFET SiC, qui offre un excellent dispositif de protection pour les microgrids DC grâce à son temps de réponse rapide et ses faibles pertes à l'état passant. La conception du disjoncteur DC à semi-conducteurs vise à répondre à deux objectifs: temps de réponse rapide et fiabilité. Les spécifications conçues et les énergies critiques qui entraînent la destruction du disjoncteur sont identifiées sur la base des résultats mesurés d'un JFET populaire dans le commerce. Un pilote de protection très rapide et fiable basé sur une topologie à convertisseur flyback avant est utilisé pour générer une tension négative suffisante pour tourner et maintenir le JFET SiC. Le convertisseur sera activé chaque fois que le disjoncteur détecte des défauts de court-circuit en détectant la tension de drain-source de JFET et crée une tension négative s'applique à la porte de JFET. Pour éviter une défaillance de la porte par surtension au niveau de la grille du JFET, la tension de sortie du convertisseur de retour vers l'avant est régulée à l'aide de la mesure coté primaire. Les résultats expérimentaux sur le prototype du disjoncteur DC ont validé les principes de fonctionnement proposés et ont confirmé que le disjoncteur DC à semi-conducteurs proposé peut interrompre le défaut en 3 μs. D'un autre côté, un modèle du JFET normalement activé dans l'environnement Matlab/Simulink est construit pour étudier les comportements du SSCB pendant une durée de court-circuit. L'accord entre la simulation et les résultats expérimentaux confirment que ce modèle JFET peut être utilisé pour simuler le fonctionnement d'un disjoncteur DC et dans l'étude du fonctionnement du microgrid DC pendant le processus de défaut et de compensation / Currently, there is a drop in the price of distributed energy resources, especially solar PVs, which leads to a significant growth of the installed capacities in many countries. On the other hand, policies encouraging energy efficiency have promoted the development of DC loads in domestic areas, such as LEDs lighting, computers, telephones, televisions, efficient DC motors and electric vehicles. Corresponding to these changes in sources and loads, DC microgrid distribution system becomes more attractive than the traditional AC distribution system. The main advantages of the DC microgrid are higher energy efficiency, easier in integrating with distributed energy sources and storage systems. While many studies concentrate on the control strategies and energy management in the DC microgrid, the protection still receives inadequate attention and lack of regulations and experiences. Protection in DC grids is more complex than AC grids due to the continuous arc, higher short circuit current value and fault rate of rising. Furthermore, the DC distributed grids are composed of many electronic and semiconductor switching devices, which only sustain the fault currents of some tens of microseconds. Mechanical circuit breakers, which have a response time in tens of milliseconds, seem not to meet the safety requirement of DC microgrids. The lack of effective protection devices is a barrier to the development of DC microgrids in the distributed systems. This thesis proposes a self-power solid state DC circuit breaker using normally-on SiC JFET, which offers a great protection device for DC microgrids due to its fast response time and low on-state losses. The design of the solid state DC circuit breaker aims to meet two objectives: fast response time and high reliability. The designed specifications and critical energies that result in the destruction of the circuit breaker are identified on the basis of the experiments of a commercial normally-on JFET. In addition, a very fast and reliable protection driver based on a forward-flyback converter topology is employed to generate a sufficient negative voltage to turn and hold off the SiC JFET. The converter will be activated whenever short-circuit faults are detected by sensing the drain-source voltage, then creating a negative voltage applied to the gate of JFET. To avoid gate failure by overvoltage at the gate of JFET, the output voltage of the forward-flyback converter is regulated using Primary Side Sensing technique. Experimental results validated the working principle of the proposed solid state DC circuit breaker with fault clearing time less than 3 μs. Additionally, a model of the normally-on JFET in Matlab/Simulink environment is built for exploring the behaviors of the solid-state DC circuit breaker during short-circuit faults. The agreement between the simulation and experimental results confirms that this JFET model can be appropriately used for the investigation of solid state DC circuit breaker operations and DC microgrids in general during fault evens and clearing fault processes

Le concept de l'avion plus électrique a pour but de remplacer les différents types de transmissions de puissance aéronautique par des transmissions électriques. Le réseau électrique doit donc évoluer. Ce concept a inspiré le projet AEROCOTS dont une partie est la modification du moyen de coupure en un contacteur hybridé avec un circuit électrique. Afin de mieux comprendre ce qui se passe aux bornes du contacteur et vérifier qu'il n'y a pas apparition d'arc électrique, une méthode de caractérisation est employée pour obtenir un modèle complet du contacteur paramétré. Deux circuits électriques sont étudiés et l'absence d'un arc est vérifiée. Leur principe est de réduire à zéro le courant avant l'ouverture du contacteur. Leurs fonctionnements et leurs modèles sont vérifiés expérimentalement. Le choix du second circuit est justifié par un contrôle du courant à ouvrir. Une optimisation évolutionnaire, principe de la théorie de Darwin, est réalisée pour répondre aux objectifs aéronautiques / The main goal of the more electrical aircraft is to substitute the different kind of transmission for the aeronautical power by electrical transmissions. The electric network has to evolve. This concept inspires the project AEROCOTS, which a part lies in the modification of the breaking means thanks to a hybrid contactor with an electrical circuit. To better understand what occurs between the contacts of the contactor and verified the absence of an electrical arc, a characterization method is employed to have a complete parameterized model of a contactor. Two electrical circuits are studied and the absence of an arc is verified. Their principle is to reduce to zero the current before the opening of the contactor. Their functioning and their models are experimentally verified. The choice of the second circuit is justified by a control of the opening current. An evolutionary algorithm, principle of the Darwin's theory, is realized to answer to the aeronautical objectives

Le transformateur de puissance est un équipement essentiel d’un réseau électrique et le plus coûteux dans les postes. Pour augmenter son degré de disponibilité et de fiabilité, il est nécessaire d’appliquer la manœuvre contrôlée afin de diminuer la saturation du noyau lors de l’enclenchement, et donc limiter les courants d’appel. Ces derniers sont asymétriques, d’amplitude élevée, et riches en harmoniques. Ils peuvent causer des effets indésirables comme le disfonctionnement des dispositifs de protections, l’endommagement mécanique des enroulements du transformateur et réduire en général la durée de vie et la qualité des systèmes. Une technique efficace pour réduire ces courants d’appel est de mettre sous tension le transformateur quand le flux dynamique généré par la source est égal à son flux rémanent. Un modèle simplifié du transformateur de puissance est adopté pour l’analyse des phénomènes physiques liés à l’application des manœuvres. Pour évaluer le degré de faisabilité de cette technique, des simulations sont effectuées en utilisant le simulateur de réseau EMTP. Les contraintes requises pour chacun des composants du système de manœuvre contrôlée comme les segments de ligne, les disjoncteurs sont étudiées en détail pour déterminer l’algorithme de calcul de l’instant optimal de manœuvres. Ensuite des tests de validation statistiques sont effectués afin d’évaluer les performances des différentes approches employées. Enfin une étude consacrée à la reconstitution du flux rémanent via un transformateur capacitif de tension (TCT) est menée pour appliquer l’algorithme de manœuvre contrôlée dans les postes en utilisant les équipements de mesure déjà existants. / Power transformers are vital equipment in electrical networks and are the most expensive ones in substations. In order to increase their availability and reliability, controlled switching must be applied for reducing cores saturation during its energization, called “inrush currents”. These inrush currents are asymmetrical, high-magnitude, harmonic-rich, and may cause many undesirable effects such as maloperation of protective relays and fuse, mechanical damage to the transformer winding and generally reduce the lifetime and quality of power systems. An efficient technique to reduce these inrush currents is to energize the transformer when the dynamic flux generated by the source is equal to its residual flux. A simplified model is adopted to analyze the physical phenomena related to the switching applications. In order to assess the feasibility of this technique, numerous simulations have been performed using EMTP simulator. The critical requirements for each component of the controlled switching system such as pieces of line, circuit breakers have been studied in detail in order to determine the best switching instant calculation algorithm. Then statistical validation tests have been conducted to evaluate the performances of its different approaches. Finally a study dedicated to the reconstitution of residual flux using a capacitive voltage transformer (CVT) has been carried on in order to apply the controlled switching algorithm in substations using their existing measurement equipments.

Les disjoncteurs haute-tension sont des dispositifs permettant d'établir, supporter et couper le courant, dans le but de protéger les installations du réseau électrique. L'efficacité de la coupure du courant s'obtient par l'ouverture des contacts du disjoncteur et par la création d'un arc électrique entre ces derniers afin de dissiper l'énergie stockée par le dispositif. Le plasma ainsi créé est partiellement constitué de vapeurs métalliques et organiques respectivement issues de l'érosion des contacts (Cu ou W dans notre cas) et de l'ablation des parois (PTFE). Une fois l'arc établi, un gaz froid (généralement du SF6) vient souffler l'arc pour le refroidir et faciliter son extinction. Durant ce processus de refroidissement, le plasma vient éroder des parois (buses à base de téflon, monomère de base C2F4) dont la géométrie augmente l'efficacité du soufflage. Nous sommes alors en présence d'un plasma thermique SF6-C2F4-Cu (ou SF6-C2F4-W) caractérisé par sa composition, sa température et sa pression. Pour caractériser ces transferts d'énergie dans le milieu ou de l'arc vers les matériaux (effets thermiques plutôt que chimiques), nous avons alors recours à la modélisation afin de réduire les essais expérimentaux qui s'avèrent très coûteux. Pour mieux maîtriser ces échanges et optimiser ces dispositifs, il est donc primordial de bien connaître les propriétés chimiques, radiatives, thermodynamiques et de transport du gaz qui varient rapidement avec la pression, la température et la nature (composition) du milieu. Cette thèse porte sur l'étude des propriétés radiatives et des propriétés transport d'un plasma de SF6 contaminé par des vapeurs organiques (C2F4) et métalliques (Cu ou W), dans le but d'améliorer les modèles numériques par la prise en considération de ces vapeurs dans le milieu. Actuellement, l'implémentation de telles données (pour des mélanges ternaires) dans les modèles s'avère très difficile et conduit à des temps de calcul extrêmement long. Afin de réduire ces temps de calcul nous avons réalisé une étude sur les lois de mélange, dans le but de reconstituer les propriétés radiatives et de transport pour tout type de mélanges ternaires SF6-C2F4-Cu et SF6-C2F4-W. / The High Voltage Circuit Breaker (HVCB) represents one of the most important and complex components in the energy transmission, it must be there to isolate faulted section of a network, interrupt fault and abnormal currents: due to non-linear loads (for example arc furnace) or other load variation. Nowadays, to reduce the cost of HVCB development, the numerical model based on physical considerations is used for designing circuit-breakers. However, whatever the operating conditions, the arc does not establish in pure SF6, which is currently the dielectric gas used in the HVCB. In fact, during the interrupting phase the electrical arc is established between metallic electrodes (Cu) and quenched inside a nozzle composed by PTFE (C2F4), this electrical arc is an energetic environment which ablates the PTFE issue from wall and erodes copper issue from electrode. How it has been reported by several authors, the presence of organic and/or metallic vapours in the plasma modifies the properties of this one. Recent works have proved the impact of the PTFE vapour on the rise of pressure and the arc blown. Furthermore, the presence of metallic vapours has an important impact on the electrical conductivity and radiation emission. The calculation of the electrical arc properties composed by SF6-C2F4-Cu and SF6-C2F4-W has been performed for pressures up to 250 bars, temperatures between 300K and 30 000K and various mass concentrations with the assumption of Local Thermodynamic Equilibrium (LTE). The first part of this thesis give a presentation of the High-Voltage Circuit Breaker. The second part of this thesis is devoted to the calculation of the total atomic and molecular radiation. The third part is dedicated to the calculations of the transport, which have been calculated according to the Chapman-Enskog theory with the following approximations: third for electrical conductivity and for electron translational thermal conductivity, second for heavy species translational thermal conductivity, and first for reactional thermal and viscosity. Finally, we focus on the elaboration of mixing for our ternary mixture. Currently, calculating the plasma properties at each time and for all composition, pressure and temperature in a numerical model necessitate consequential calculation time. For these reasons, we have studied different mixing rules for the mixture SF6-C2F4-Cu and SF6-C2F4-W.

Submitted by PPG Odontologia (odontologia-pg@pucrs.br) on 2018-11-13T11:21:21Z No. of bitstreams: 1 ANDRE_XAVIER_PADILHA_FAVORETO_DIS.pdf: 4813223 bytes, checksum: 0ef272778a4eecc19798203feb8449ef (MD5) / Approved for entry into archive by Caroline Xavier (caroline.xavier@pucrs.br) on 2018-11-13T16:37:50Z (GMT) No. of bitstreams: 1 ANDRE_XAVIER_PADILHA_FAVORETO_DIS.pdf: 4813223 bytes, checksum: 0ef272778a4eecc19798203feb8449ef (MD5) / Made available in DSpace on 2018-11-13T17:02:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ANDRE_XAVIER_PADILHA_FAVORETO_DIS.pdf: 4813223 bytes, checksum: 0ef272778a4eecc19798203feb8449ef (MD5) Previous issue date: 2018-03-07 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior - CAPES / This retrospective study aims to evaluate the morphological changes produced after and surgically assisted maxillary rapid expansion (ERMAC). A three-dimensional evaluation was performed with CBT and scanning of the intraoral and gingival models at the preoperative (T0) and postoperative (T1 and T2) moments in order to evaluate linear and angular movements with bone and dental changes underlying. The possible morphological alterations of the related structures were evaluated: nasopharynx volume, oropharynx volume in relation to ERMAC. The sample consisted of 15 individuals (8 males and 7 females aged 19 to 54 years) submitted to MRS. In general, ERMAC produced a significant increase in all linear distances of the maxilla. There was a greater expansion of the maxilla in the anterior region than in the posterior one. The ERMAC produced a significant increase of the skeletal dimensions of the maxilla in the transversal direction. In the airways, there was a significant increase in all patients and the greatest effects of ERMAC occurred at the dental level, with the buccal inclination of the first molars and the upper premolars being observed. / Objetiva-se com este estudo retrospectivo avaliar as altera??es morfol?gicas produzidas ap?s e expans?o r?pida maxilar assistida cirurgicamente (ERMAC). Realizou-se uma avalia??o tridimensional com TCCB e escaneamento dos modelos de gesso e dos dentes intraoral no momento pr?-operat?rio (T0) e p?s-operat?rio (T1 e T2) a fim de avaliar os movimentos lineares e angulares com as altera??es ?sseas e dent?rias subjacentes. Avaliou - se as poss?veis altera??es morfol?gicas das estruturas correlatas: volume da nasofaringe, volume da orofaringe com rela??o a ERMAC. A amostra constituiu-se de 15 indiv?duos (8 homens e 7 mulheres com idades entre 19 e 54 anos) submetidos a ERMAC. De modo geral, a ERMAC produziu aumento significativo de todas as dist?ncias lineares da maxila. Houve maior expans?o da maxila na regi?o anterior do que na posterior. A ERMAC produziu aumento significativo das dimens?es esquel?ticas da maxila no sentido transversal. Nas vias a?reas houve aumento significativo em todos os pacientes e os maiores efeitos da ERMAC ocorreram no n?vel dent?rio, sendo observada a inclina??o vestibular dos primeiros molares e nos pr?-molares superiores.

Cette thèse présente l'étude et la réalisation d'un disjoncteur statique tout silicium et intelligent pouvant fonctionner à haute température (200°C) pour des applications de type DC basse et moyenne tensions. Plusieurs applications dans l’aéronautique, l’automobile et les transports ferroviaires poussent les composants à semi-conducteur de puissance à être utilisés à haute température. Cependant, les Si-IGBT et Si-CoolMOSTM actuellement commercialisés ont une température de jonction spécifiée et estimée à 150°C et quelque fois à 175°C. L’une des faiblesses des convertisseurs provient de la réduction du rendement avec l’augmentation de la température de jonction des composants à semiconducteur de puissance qui peut amener à leur destruction. La solution serait d’utiliser des composants grand-gap (SiC, GaN), qui autorisent un fonctionnement à une température de jonction plus élevée ;mais ces technologies en plein essor ont un coût relativement élevé. Une solution alternative serait de faire fonctionner des composants en silicium à une température de jonction voisine de 200°C afin de conserver l’un des principaux intérêts du silicium en termes de coût. Avant de commencer, le premier chapitre portera sur un état de l’art des différentes techniques de protection aussi bien mécanique que statique afin d’identifier les éléments essentiels pour la réalisation du circuit de protection. Les disjoncteurs hybrides seront aussi abordés afin de voir comment ceux-ci arrivent à combler les lacunes des disjoncteurs mécaniques et purement électroniques (statiques). A partir du chapitre précédent, un disjoncteur statique intelligent de faible puissance sera réalisé afin de mieux cerner les différentes difficultés qui sont liées à ce type de disjoncteur. Le disjoncteur statique sera réalisé à partir de fonction analogique de telle façon à ce qui soit autonome et bas cout. Il en ressort que les inductances parasites ainsi que la température des composants à base de semi-conducteurs ont un impact significatif lors de la coupure.Le chapitre III portera sur une analyse non exhaustive, vis-à-vis de la température, de différents types d’interrupteurs contrôlés à base de semi-conducteur de puissance en s’appuyant sur plusieurs caractérisations électriques (test de conduction, tension de seuil, etc) afin de sélectionner le type d’interrupteur de puissance qui sera utilisé pour le chapitre IV. Comme il sera démontré, les composants silicium à super jonction peuvent se rapprocher du comportement des composants à base de carbure de silicium pour les basses puissances. Un disjoncteur statique 400V/63A (courant de court-circuit prédictible de 5kA) sera étudié et 4développé afin de mettre en pratique ce qui a été précédemment acquis et pour montrer la compétitivité du silicium pour cette gamme de puissance. / This thesis presents a study about a smart solid state circuit breaker which can work at 200°C forlow and medium voltage continuous applications. Some applications in aeronautics, automotive,railways, petroleum extraction push power semiconductor devices to operate at high junctiontemperature. However, current commercially available Si-IGBT and Si-CoolMOS have basically amaximum junction temperature specified and rated at 150°C and even 175°C. Indeed, the main problemin conventional DC-DC converters is the switching losses of power semiconductor devices (linked to thetemperature influence on carrier lifetime, on-state voltage, on-resistance and leakage current) whichdrastically increase with the temperature rise and may drive to the device failure. Then, the use of wideband gap semiconductor like SiC or GaN devices allows higher junction temperature operation (intheory about 500°C) and higher integration (smaller heatsink, higher switching frequency, smallconverter), but are still under development and are expensive technologies. In order to keep theadvantage of low cost silicon devices, a solution is to investigate the feasibility to operate such devicesat junction temperature up to 200°C.Before starting the first starting chapter is a stat of the art of protectives circuit technics as well asmechanics as statics in order to identify essentials elements to develop the protective circuit. Hybridprotective circuits are approached too.From the precedent chapter, a smart and low power solid state circuit breaker is realized to identifyproblems which are linked with this type of circuit breaker. Solid state circuit breaker is developed withanalog components in a way that is autonomous and low cost. It’s follow that stray inductance andtemperature have an important impact when a default occurs.Chapter III give an analyze on different silicon power semiconductor dice towards temperature5relying on statics and dynamics characteristics in order to find the best silicon power switch which beused in the chapter IV. It has been shown that super junction MOSFET has the same behavior at lowpower than silicon carbide MOSFET.Solid state circuit breaker (400V/63A) has been studied and developed, in order to use all theknowledge previously acquired and to show the competitively of the silicon for this power range.

Switching of shunt reactors and capacitor banks is known to cause a very high rate of rise of transient recovery voltage across the circuit breaker contacts. With improvements in circuit breaker technology, modern SF6 puffer circuits have been designed with less interrupter per pole than previous generations of SF6 circuit breakers. This has caused modern circuit breakers to operate with higher voltage stress in the dielectric recovery region after current interruption. Catastrophic failures of modern SF6 circuit breakers have been reported during shunt reactor and capacitor bank de-energisation. In those cases, evidence of cumulative re-strikes has been found to be the main cause of interrupter failure. Monitoring of voltage waveforms during switching would provide information about the magnitude and frequency of small re-ignitions and re-strikes. However, measuring waveforms at a moderately high frequency require plant outages to connect equipment. In recent years, there have been increasing interests in using RF measurements in condition monitoring of switchgear. The RF measurement technique used for measuring circuit breaker inter-pole switching time during capacitor bank closing is of particular interest. In this thesis, research has been carried out to investigate switching transients produced during circuit breaker switching capacitor banks and shunt reactors using a non-intrusive measurement technique. The proposed technique measures the high frequency and low frequency voltage waveforms during switching operations without the need of an outage. The principles of this measurement technique are discussed and field measurements were carried out at shunt rector and capacitor bank installation in two 275 kV air insulated substations. Results of the measurements are presented and discussed in this thesis. The proposed technique shows that it is relatively easy to monitor circuit breaker switching transients and useful information on switching instances can be extracted from the measured waveforms. Further research works are discussed to realise the full potential of the measuring technique.

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.