<p>  </p> <p>  </p> <p>An approach to modify surface flashover of insulators in vacuum by limiting duration of its high-current stage responsible for the damaging effects of a classic flashover was developed. The flashover assembly was made by TorrSeal-gluing copper electrodes (10 x 10 x 0.5 mm) to both side of an alumina ceramic sheet (0.635 mm thick). The modified flashover, referred to as low energy surface flashover (LESF), was achieved by utilization of a high voltage (HV) nanosecond pulser or addition of a resistor in series with the LESF assembly when HV DC was utilized. The duration of LESF was visualized by ICCD fast photography to be 100 – 200 ns accompanying electrical characteristics measurements, which gave insight of a way to control the flashover duration by inserting additional capacitor in parallel with the LESF assembly to increase the stored energy prior to breakdown. The LESF assembly was tested for > 1.5 million consecutive pulses and remained operational, while operation in high energy regime with parallel capacitor (4nF) lead to significant damage after 200 pulses.</p> <p>The igniting capabilities of LESF assembly was demonstrated via successful triggering of vacuum arc and a prototype pulsed plasma accelerator. The plasma plume propagation speed and angular distribution was measured via Langmuir probes. Efforts were made for temporally resolved spectroscopy measurements. </p> <p>The LESF assembly was improved by replacing TorrSeal-gluing with direct bonding of copper to alumina ceramic and changing the configuration from parallel plate to coaxial. The improved assembly was demonstrated to be operational throughout and after an extended test of 10 million pulses. A higher resolution ICCD photography revealed finer LESF discharge features including initial bright line across the insulator developing into a double-jet plasma plume propagating at around 10⁵m/s and later-on point-like attachment of the discharge column to the electrodes. The composition of the plasma and erosion pattern on the LESF assembly was studied via SEM/EDX analysis, which supported the predominant ceramic erosion over copper electrodes erosion.</p>

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

Dans le cadre d’un projet étudiant la possibilité de remplacer le SF6 par du vide comme milieu de coupure dans les disjoncteurs Haute-Tension, un travail ayant pour objet d’acquérir une meilleure compréhension du comportement d’un arc de vapeurs métalliques à grandes distances inter-électrodes (> 10 mm) et contrôlé par un champ magnétique axial (AMF) a été entrepris. Ce travail a premièrement donné lieu à l’élaboration d’une expérience au cours de laquelle des arcs, créés entre deux contacts en CuCr25 fixes, ont été visualisés par vidéo rapide dans une maquette démontable d’ampoule à vide. Différents types de régime d’arc ont été observés. En outre, à l’aide d’une méthode numérique de détection des spots cathodiques, nous avons pu étudier l’évolution de la distribution spatiale des spots cathodiques, mesurer l’intensité moyenne du courant porté par un spot et déterminer le profil radial moyen de la densité de courant cathodique. Cette thèse a aussi eu pour objet le développement d’un modèle magnétohydrodynamique à 2 fluides, 2D-axysimétrique et quasi-stationnaire, de la zone d’écoulement hydrodynamique de l’arc, permettant de traiter le cas des régimes d’arc diffus supersonique et diffus subsonique. Ce modèle a permis d’étudier le comportement du plasma d’arc en fonction des intensités du courant d’arc et de l’AMF et de la distance inter-électrodes / In the frame of a project investigating the possibility to replace SF6 by vacuum as a breaking medium in High-Voltage circuit breakers, a study that focusses on acquiring a better understanding of the behavior of a metal vapor arc at long contact gap (> 10 mm) and controlled by an axial magnetic field (AMF) has been undertaken. The study involves first the building of an experimental setup where arcs, created between two fixed CuCr25 contacts, were visualized using a high-speed camera in a vacuum demountable chamber. Various types of arc regime have been observed. Moreover, by means of a numerical method of detection of the cathode spots, we were able to study the evolution of the spatial distribution of the cathode spots, to measure the average current carried by a spot and to determine the average radial profile of the current density at the cathode surface. This study had also for object the development of a 2D-axisymetric and quasi-steady magnetohydrodynamic model of the hydrodynamic flow region of the arc based on a two-fluid approach. The model allows to simulate the supersonic and the subsonic diffuse arc regimes. It is used to study the arc behavior as a function of to the arc current, the AMF intensity and the contact gap

L’apparition d’inclusions exogènes demeure un problème majeur pour les élaborateurs de titane. Afin d’améliorer la propreté inclusionnaire des lingots élaborés par le procédé de refusion à l’arc sous vide (Vacuum Arc Remelting), une étude numérique et expérimentale a été réalisée. La partie numérique de la thèse consiste à modéliser le comportement d’un défaut hard-α provenant de l’électrode consommable et tombant dans le puits liquide du lingot. Un modèle décrivant le processus de dissolution prédit l’évolution de la taille d’une inclusion durant son séjour dans le puits liquide. La trajectoire est déterminée à l’aide d’un modèle lagrangien tenant compte de la turbulence de l’écoulement en modifiant le coefficient de trainée. Les deux modèles ont été couplés et implémentés dans le logiciel SOLAR, qui simule la croissance d’un lingot VAR.Les résultats mettent en évidence la difficulté d’éliminer une inclusion hard-α avec une seule refusion, principalement à cause de la croissance d’une couche de phase β pendant les premiers moments de l’immersion. Le comportement global du défaut dépend fortement de l’hydrodynamique du puits et des caractéristiques de l’inclusion.Pour étudier la dissolution expérimentalement, des défautssynthétiques (hard-α et HDI) ont été immergés dans un bain de titane liquide chauffé dans un four à bombardement électronique. Les vitesses de dissolution ont été déterminées en mesurant les dimensions des défauts avant et après les expériences et ont été ensuite utilisées pour valider les modèles numériques. Par ailleurs, nous avons mis en évidence la grande influence de la température et de la vitesse de l’écoulement sur les cinétiques de dissolution / The presence of exogeneous inclusions has always been a major concern for the titanium industry. To help improve the inclusional cleanliness of VAR (Vacuum Arc Remelting) titanium ingots, a numerical and experimental study was undertaken.The numerical model is capable of predicting the motion and dissolution of a hard-α defect falling from the electrode tip into the ingot melt pool during vacuum arc remelting. It is implemented in SOLAR, a CFD code that simulates the ingot growth and solidification. The dissolution of the inclusion is governed by nitrogen diffusion from the defect towards the surrounding molten metal. A model describing this phenomenon predicts the particle size evolution and the nitrogen profile at each moment. The motion of the spherical particle is tracked using a Lagrangian model and the influence of turbulence is accounted for by a modification of the drag coefficient.Results show that inclusion removal is difficult with a single melt since the growth of a β-phase layer leads to an initial increase in the defect size. The inclusion behaviour is highly dependent on the pool hydrodynamics and on inclusion characteristics.In order to clarify dissolution aspects of these defects and to measure their dissolution kinetics, synthetically processed defects were introduced into molten titanium heated in an electron beam melting furnace. Dissolution rates were calculated by measuring the size of the defects before and after the experiments and the results were used to validate the numerical models. Furthermore, the experiments show that dissolution kinetics highly depend on fluid motion and temperature

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