Mise en place d’un dispositif de thermographie rapide pour la caractérisation thermique d’électrodes en coupure sous vide

Les disjoncteurs assurent la sécurité du réseau électrique, permettent le passage du courant en fonctionnement normal et l’interruption en cas de défaut. Historiquement, cette coupure s’effectuait dans le SF6, un gaz dont l’impact climatique est majeur (1 kg SF6=25 t CO2). Pour atteindre la neutralité carbone, les constructeurs migrent vers la coupure sous vide pour les disjoncteurs moyenne tension (1 à 50 kV). Cette rupture technologique soulève des défis : les essais sont coûteux et la physique de l’arc sous vide (interaction contact/plasma) reste mal connue. Les performances semblent fortement corrélées à la température des électrodes, d’où la nécessité de la mesurer en conditions réelles. Cette étude porte sur la mise en place d’un banc d’essais permettant, entre autres, la mesure de température des surfaces des électrodes lors de la coupure des disjoncteurs sous-vide. La mesure est particulièrement complexe : le phénomène est très rapide (arc <10 ms, refroidissement immédiat), très énergétique (températures >2000 C) et se déroule dans un environnement instable (plasma métallique, arc non stationnaire). Pour relever ce défi, nous avons conçu un banc d’essais basé sur une maquette en croix reproduisant la géométrie des disjoncteurs, intégrant des périscopes et des caméras pour une thermographie à distance dans le visible et le proche infrarouge. Les longueurs d’ondes retenues tiennent compte des limitations des capteurs et de l’émission propre du plasma (CuCr). Un étalonnage ex-situ a été réalisé avec un corps noir de type cavité pour une émissivité proche de 1, couvrant une plage de température entre 1400 C et 2400 C. Cet étalonnage permet de convertir des niveaux de gris (Digital Levels : DL) en température. Nous avons appliqué une loi de type Planck, intégrant le temps d’obturation (Integration Time : IT) pour accéder à des températures élevées (IT=50 us) et plus faibles (IT=500 us) avec une seule loi d’étalonnage. L’étalonnage a été validé sur les températures de solidification de corps purs (Fe, Ni). Des essais in-situ ont été réalisés sur des contacts dont l’émissivité avait été préalablement mesurée pour différentes températures. Connaissant les transmittances et réflectances des différents objets constituants les chemins optiques, nous avons corrigé les mesures des DL, puis nous les avons convertis en utilisant la loi établie lors de l’étalonnage pour obtenir la température réelle des électrodes lors de la coupure. Les mesures obtenues lors des coupures d’arc (durée <10 ms, températures >2000 C) sont cohérentes avec la littérature. Cette méthodologie démontre la faisabilité d’une thermographie rapide (10000 fps caméra visible et jusqu’à 3500 fps caméra IR) en environnement plasma instable, ouvrant la voie à une meilleure compréhension des mécanismes de coupure sous vide. Ces résultats constituent une étape clé pour optimiser les disjoncteurs sans SF6 et contribuer à la décarbonation des réseaux électriques.

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