À ce jour, nous trouvons de nombreux systèmes requérant l'usage du courant continu dans l'industrie automobile, aéronautique, ferroviaire ou encore dans les panneaux solaires. L'ouverture et la fermeture des circuits alimentés (relais, interrupteurs, etc.) engendrent inévitablement un arc électrique (température ~5000 K). Celui-ci provoque des dégradations plus ou moins importantes aux matériaux de contact, telles que l'érosion, la soudure et l'augmentation de la résistance de contact, pouvant engendrer des dysfonctionnements des appareillages et porter atteinte à la sécurité des personnes qui les utilisent. Face à la demande de puissance électrique des appareils actuels, il est nécessaire d'augmenter la tension ou le courant d'alimentation. La tension actuelle à bord d'une voiture est de 14 VDC, il est envisagé d'augmenter cette tension à 42 VDC afin d'augmenter la puissance pour faire face à la croissance des appareils électroniques et électriques embarqués. L'intérêt d'augmenter la tension, notamment pour des applications liées au milieu automobile, permet de maintenir l'intensité du courant donc conserver un faible diamètre de câble pour une puissance plus importante et permet de ne pas rajouter une masse supplémentaire à la voiture. Cependant, le passage d'une tension de 14 VDC à 42 VDC augmente fortement ces dommages causés aux matériaux de contact par les arcs électriques. Il existe différents moyens permettant la diminution de la durée d'arc, par exemple l'optimisation du dispositif mécanique (modification de la vitesse d'ouverture des contacts, double coupure), ou bien l'utilisation d'aimants permanents qui génèrent un champ magnétique et soufflent l'arc hors de la zone de contact ou encore la modification du matériau de contact (composition chimique, forme). Les matériaux caractérisés dans cette étude allient le soufflage magnétique et l'optimisation de la composition chimique de façon à trouver un bon compromis pour limiter les dégâts causés par les arcs d'ouverture et par les arcs de fermeture. En effet, l'action du champ magnétique permet de diminuer la durée de l'arc d'ouverture (diminution d'un facteur 10) mais n'a malheureusement aucun effet sur l'arc de fermeture. D'où la nécessité de modifier la composition chimique du matériau, notamment par ajout d'oxydes métalliques (SnO2) afin de limiter les dommages de l'arc de fermeture. / Nowadays, we find many systems requiring the use of direct current in the automotive, aerospace, rail, or in solar panels. The opening and closing of the powered circuits (as relays, switches, etc.) inevitably generate an electric arc (temperature ~5000 K). This arc causes more or less significant damage to the contact materials, such as erosion, welding and increase the contact resistance, which can lead to malfunction of the equipment and impair the safety of people who use them. Facing the electric power demand of current devices, it is necessary to increase the voltage or the supply current. Currently, the voltage on board a car is 14VDC, it is planned to increase this to 42VDC voltage, to increase the power to deal with the increase of embedded electronics and electrical appliances. The interest to increase the voltage, especially for applications related to the automotive environment, keeps the current intensity therefore maintain a low cable diameter for greater power and allows not to add an additional weight to the car. However, the passage of a voltage of 14VDC to 42VDC greatly increases the damage caused to contact materials by electric arcs. There are different ways to decrease the arc duration, e.g. optimizing the mechanical device (change in opening speed of the contacts, double break), or the use of permanent magnets that generate a magnetic field and blow the arc out of the contact area, or changing the contact material (chemical composition, shape). The materials characterized in this study combine magnetic blowing and optimizing the chemical composition in order to find a good compromise to limit the damage caused by break and make arcs. Indeed, the action of the magnetic field can reduce the duration of the break arc (decrease by a factor 10) but unfortunately has no effect on the make arc. Hence, the need to modify the chemical composition of the material, including adding metal oxide (SnO2) to limit the make arcs damages.

La pompe de gavage ou pompe à carburant est un organe auxiliaire nécessaire au bon fonctionnement d’un véhicule. Elle permet d’acheminer le carburant du réservoir vers les systèmes d’injections du moteur. Cette pompe, constituée d’un moteur électrique entraînant une turbine, permet la mise en mouvement du carburant. Le passage du courant est assuré entre le stator et le rotor par le biais du contact frottant entre deux balais fixes et un collecteur tournant en composite graphite/polymère, immergé en milieu carburant. Ces travaux ont pour but de contribuer à la compréhension de ce contact glissant électrifié immergé. Un tribomètre spécifique a été développé afin de tester différents couples de matériaux balais-collecteur dans des conditions mécaniques, électriques et physico-chimiques variées, tout en mesurant l’usure, l’effort de frottement et la résistance électrique du double contact. De nouvelles nuances de matériaux carbonés s’adaptant aux contraintes chimiques des nouveaux biocarburants présents sur le marché automobile ont été testées et ont mis en évidence différents comportements tribologiques. L’usure observée est principalement due au passage du courant sous forme d’arcs électriques modifiant ainsi la topographie des surfaces. Deux endommagements distincts sont visibles : le cratère et la bosse dont les volumes augmentent avec l’énergie développée par l’arc et sont reliés à la présence subsurfacique de polymère. A partir de ces conclusions expérimentales, un modèle phénoménologique du comportement à l’usure a été proposé. Il permet d’apporter une aide à la compréhension des mécanismes complexes et nombreux, présents dans le frottement des balais et du collecteur. / The fuel pump, an automotive part, is used to transfer the fuel from the tank to the engine injection systems. This pump consists of an electric motor driving a turbine: this induces the fuel flow. The current flow is realized between the stator and the rotor thanks to the friction of two fixed brushes against a slip ring. All elements are made of graphite/polymer composites and are immersed into fuel. The aim of this work is to contribute to the understanding of immersed electrical sliding contacts. A specific tribometer was developed in order to mimic the fuel pump. It allows simultaneous measurement of friction forces, wear and electrical contact resistance for various mechanical, electrical and physicochemical conditions. New carbonaceous materials, specifically designed for new biofuel, exhibited different tribological behaviour. The wear observed is mainly due to the current flow, electrical arcs in particular, which modifies the surface topography. Two kinds of damage were depicted: craters and bumps whose volume increases with the arc-produced energy as a function of the presence of polymer at the vicinity of the surface. Issued from these experimental results, a phenomenological model of the wear behaviour was proposed. It brings new insights into the complex and numerous mechanisms occurring during the friction of the brushes and commutator.

Contexte & Motivation:Les installations électriques des bâtiments se détériorent au fil du temps et leur gravité et leur taux de détérioration dépendent de facteurs environnementaux (chaleur, humidité, réactions chimiques corrosives et vieillies isolations) ou d'actions externes indésirables telles que la manipulation humaine erronée, qui conduit à des charges ou des câbles/réseaux endommagés.L'European Fire Academy (EFA) et de nombreuses compagnies d'assurance indiquent que 25% des incendies de bâtiments sont d'origine électrique. Ces incendies peuvent être déclenchés par des circuits surchargés, des court-circuits, des courants de fuite à la terre, des surtensions et / ou des défauts d'arc électrique dans les connexions et les câbles.Les protections électriques classiques telles que les disjoncteurs et les disjoncteurs différentiels offrent une protection insuffisante. Par exemple, en cas de défauts d'arcs en série, la valeur du courant de défaut d'arc reste inférieure à la valeur du courant nominal, car elle est limitée par la résistance du carbone généré par le défaut d'arc. Dans ce cas, toute protection existante peut détecter ce type de faute.Détection de défaut d'arc : approche de traitement du signalDans le cadre de ce travail, l'objectif a été de détecter chaque instant d'arc, ce qui, pour un réseau alternatif, permettrait d'identifier correctement chaque arc dans chaque demi-cycle de réseau où il se produit.En fonction de la caractéristique numérique utilisée à des fins de détection, nous avons introduit différentes classes de méthodes:• Caractéristiques énergétiques (bandes étroite et large bande)• Caractéristiques statistiques (moments statistiques, analyse de la corrélation etc.)• Caractéristiques basées sur un model (ex. modelés AR, ARMA etc.)• Caractéristiques data-driven (utiliser Phase Space Embedding pour les séries temporelles)Chaque approche a été testée et évaluée sur une base de données de signaux construite avec soin, capable de fournir la variabilité du monde réel, dans un cadre d'évaluation statistique qui permet de trouver des seuils appropriés et leurs plages associées. Il donne également des performances relatives, d'une fonctionnalité à l'autre, en fonction de la façon dont les plages de seuils couvrent tout l'espace des caractéristiques.Une approche prometteuse est montrée avec un résultat intermédiaire sur la figure 8. La configuration est plutôt courante, avec une charge résistive (R-Load) en fonctionnement normal, avec un gradateur allumé et ajouté dans la configuration et un arc persistant apparaissant dans le circuit.Il suffit d'analyser simplement la forme d'onde du courant 50 Hz, car même lors d'une simple inspection visuelle, il est difficile d'identifier l'origine du défaut d'arc et s'il est stable ou s'il s'éteint après (ou où). En mesurant correctement le bruit de défaut d'arc haute fréquence et en sélectionnant correctement la bande passante, nous parvenons à obtenir un signal beaucoup plus facile à traiter. L'arc est difficile à détecter en raison de la variation de l'intensité énergétique d'un réseau à l'autre (encore plus: pour un même réseau, ajouter / enlever des charges ou des rallonges modifie la distribution d'amplitude et de fréquence de l'arc). Par conséquent, nous exploitons le caractère aléatoire intrinsèque de l'arc, ce qui permet une variabilité suffisante d'une réalisation d'arc à une autre.En conclusion, nous proposons une nouvelle méthodologie de traitement du signal pour la détection des défauts d'arc, à mettre en œuvre dans un algorithme de produit AFDD. En outre, une autre approche est présentée, basée sur l'analyse de diagramme de phase, qui permet la séparation entre les arcs et les signaux de communication, ce qui est également un grand défi dans ce domaine. / Context & Motivation:Electrical installations in buildings deteriorate, over time and the severity and rate of deterioration depend on environmental factors (such as heat, humidity, corrosive chemical reactions and aging insulations) and unwanted external actions (such as human mishandling, that leads to damaged devices or cables/network).Caution is mandatory when handling electrical installations, seeing that potential hazards include electric shocks, burns, explosions and fire, if proper safety precautions are ignored or neglected. The European Fire Academy (EFA) and many property and casualty insurance companies report that 25% of building fires are electrical in origin. These fires can be triggered by overloaded circuits, short-circuits, earth leakage currents, overvoltage and/or electrical arc faults in connections and cables.Classical electrical protection such as circuit breakers and RCDs offer insufficient protection. For example, in case of series arc faults, the arc fault current value remains below the rated current value, since it is limited by the resistance of the carbon generated by the arc fault and by the load itself. In this case, no existing protection can detect such kind of fault.Arc Fault Detection: Signal Processing ApproachIn the context of this work, the objective has been to detect each instant of arcing, which for an AC network, would mean correctly identifying each arcing in each network half-cycle where it occurs.Depending on the numerical feature used for detection purposes, we introduced different classes of methods:• Energy-related features (narrow and wideband)• Statistical features (statistical moments, correlation analysis etc.)• Model-based features (using numerical models, such as AR, for example)• Data-driven features (using Phase Space Embedding for time series)Each approach has been tested & evaluated on a carefully constructed signal database, capable of supplying real-world variability, within a statistical evaluation framework which enables finding suitable thresholds and their appropriate ranges. It also gives relative performances, from one feature to another, based on how threshold ranges cover the entire feature space.A promising approach is shown with an intermediary result in Figure 9. The configuration is rather common, with a resistive load (R – Load) in normal operation, with a dimmer being turned on and added in the configuration and a persistent arc appearing in the circuit.Figure 9 Resistive load, dimmer and persistent arcing – processing result (example).Simply analyzing the 50Hz line current waveform is insufficient, as even at a simple visual inspection there is difficulty in identifying where the arc fault ignites and if it is a stable one, or if it extinguishes afterwards (or where). By correctly measuring the high frequency arc fault noise and with correct selection of the bandwidth, we manage to obtain a signal much easier to process further on. Arcing is inherently difficult to detect, due to high frequency energy intensity variation from one network to another (even more: for the same network, adding/removing loads or extension cords will change the amplitude and frequency distribution of the arc fault energy). Therefore, we exploit the intrinsic randomness of arcing, which enables sufficient variability from one arcing realization to another.To conclude, we propose a new signal processing methodology for arc fault detection, to be implemented in an AFDD product algorithm. Also, another approach is presented, based on phase diagram analysis, that allows the separation between the arcs and communication signals, which is also a great challenge in this field.

Recent research demonstrated that polymer based nanocomposites (PNCs) have been engineered in order to improve the arc interruption capability of the circuit breakers. PNCs are the combination of nano-sized inorganic nanoparticles (NPs) and polymers, opened up new developments in materials science and engineering applications. Inorganic NPs are selected based on their physical and chemical properties which could make multifunctional PNCs in order to interrupt the electrical arcs effectively. In particular, we presented the PNCs fabricated by using CuO, Fe3O4, ZnO and Au NPs in a poly (methyl methacrylate) (PMMA) matrix via in-situ polymerization method, recently developed method to avoid NPs agglomeration, leading to good spatial distribution in the polymer matrix. Thus, several samples with various wt% of NPs in PMMA matrix have been fabricated. These PNCs have been characterized in detail for the morphology of NPs, interaction between NPs and polymer matrix, and radiative/thermal energy absorption properties. In the next stage, PNCs are tested to determine their arc interruption performance and impact on the electrical arcs of current 1.6 kA generated using a specially designed test set-up. When PNCs interact with the electrical arcs, they generate ablation of chemical species towards core of the electrical arc, resulting in cooling-down the arc due to strong temperature and pressure gradient in the arc quenching domain. This thesis demonstrates for the first time that these engineered PNCs are easily processed, reproducible, and can be used to improve the arc interruption process in electrical switching applications. / Ny forskning har visat att polymerbaserade nanokompositer (PNCs) har utformats för att förbättra strömbrytares förmåga att undvika ljusbågar vid överslag. PNCs är en kombination av nanostora oorganiska nanopartiklar (NP) och polymerer, som har öppnat upp för ny utveckling inom materialvetenskap och tekniska tillämpningar. Oorganiska NP väljs baserat på deras fysikaliska och kemiska egenskaper som kan hjälpa PNCs att motverka elektriska ljusbågar effektivt. I synnerhet, presenterade vi PNCs tillverkade genom användning av CuO, Fe3O4, ZnO och Au NP i en poly (metylmetakrylat) (PMMA)-matris via in situ-polymerisationsmetod, nyligen utvecklad för att undvika NP-agglomerering, vilket leder till god rumslig fördelning i polymermatrisen. Därför har flera prover med olika vikt% av NP i PMMA-matris tillverkats. Dessa PNCs har utvärderats i detalj för NP-morfologi, interaktion mellan NP och polymermatris, och strålnings- och värmeenergiabsorption. I nästa skede testas PNCs för att bestämma deras förmåga att undvika ljusbågar och påverkan på de elektriska ljusbågarna av 1,6 kA strömstyrka, genererade med hjälp av en specialdesignad test-set-up. När PNCs interagerar med de elektriska ljusbågarna, genererar de ablation av kemiska ämnen mot kärnan i den elektriska ljusbågen, vilket resulterar i nedkylning av ljusbågen på grund av starka temperatur- och tryckgradienter i området. Denna avhandling visar för första gången att dessa konstruerade PNCs är lätta att framställa, reproducerbara, och kan användas för att förbättra avbrottsprocessen för ljusbågen i elektriska kopplingstillämpningar. / <p>QC 20170303</p>