Calcul de la composition chimique dans un plasma issu de mélanges de PTFE, d’air, de cuivre et de vapeur d’eau dans le cadre d’appareillages de coupure électrique à air

  • Pascal ANDRÉ Université Clermont Auvergne, Laboratoire de Physique de Clermont, Clermont-Ferrand
  • Marie-Agnès COURTY PROMES, UPR 8521 CNRS, Perpignan
  • Abdoul K. KAGONE LAME, Université Ouaga 1 Ouagadougou
  • Zacharie KOALAGA LAME, Université Ouaga 1 Ouagadougou
  • Niessan KOHIO LAME, Université Ouaga 1 Ouagadougou
  • François ZOUGMORE LAME, Université Ouaga 1 Ouagadougou
##plugins.pubIds.doi.readerDisplayName## https://doi.org/10.18145/jitipee.v2i1.128

Résumé

Le climat des zones sub-sahariennes est marqué par une forte variabilité du taux d’humidité dans l’air, surtout entre la saison sèche et la période de mousson, et par un empoussièrement atmosphérique élevé lors des tempêtes de poussières et de  vents de sable. Sous ces conditions, les appareillages de coupure de type disjoncteur à air en contact avec des joues gazogènes en PTFE (Téflon©) ont des comportements anormaux et des échecs à la coupure sont souvent observés. Pour comprendre ce problème, le travail présenté propose d'abord d’étudier l’influence de la proportion d’eau et de poussières sur le fonctionnement des disjoncteurs, puis d’étudier l’influence de l’état du plasma, pression et déséquilibre thermique, sur sa composition chimique. Quatre mélanges sont comparés: les deux premiers avec de la silice simulant les poussières M1 : 1,95 g air sec, 0,01 g cuivre, 0,02 g PTFE, 0,5 g silice, 6 µg vapeur sèche M2 : 1,95 g air sec, 0,01 g cuivre, 0,02 g PTFE, 0,5 g silice, 28 µg vapeur sèche et les deux derniers sans poussières M3 : 1,95 g air sec, 0,01 g cuivre, 0,02 g PTFE, 6 µg vapeur sèche M4 : 1,95 g air sec, 0,01 g cuivre, 0,02 g PTFE, 28 µg vapeur sèche. Le couple (M1, M3) correspond à la période de la saison sèche et le couple (M2, M4) correspond à la période de mousson. Pour l’état du plasma nous considérons deux pressions (105 Pa et 5×105 Pa) et deux états de déséquilibre thermique (à l’équilibre et hors de l’équilibre Te/Tl=2).Pour mener à bien ce travail, nous utilisons la minimisation de l’énergie libre de Gibbs (enthalpie libre), qui est bien adaptée pour des transformations ayant lieu à une pression et à température(s) fixée(s). Cette méthode permet de déterminer les fractions molaires dans la gamme de température comprise entre 500 K et 6 000 K. Les calculs réalisés montrent que le graphite ne se forme pas, que la poussière de sable a une influence importante sur la formation des phases condensées et que la variation d’hygrométrie joue un rôle majeur sur les espèces minoritaires (fraction molaire <10-5).

Références

[1] M. Rapeaux, J.-M. Mladjian et V. Nosov, «Comportement des thermoplastiques exposés à un arc électrique,» chez Colloque SFIP. Défis de la Plasturgie: de la formulation aux propriété, At Mines ParisTech, Sophia Antipolis, 2012.

[2] B. Cheminat, «Influence de l'ablation des parois sur les carctéristiques d'un arc électrique laminé,» Rev. Phys. Appl., vol. 24, pp. 277-284, 1989 doi : 10.1051/rphysap:01989002403027700 .

[3] M. Abbaoui, Z. Koalaga et A. Lefort, «Composition et coefficents de transport des plasmas de matériaux plastiques,» Canadian Journal of Physics, vol. 70, n° 12, pp. 1291-1308, 1992 doi : 10.1139/p92-210.

[4] P. André, Y. Barinov, G. Faure et S. Shkol'nik, «Modelling radiation spectrum of a discharge with two liquid non-metallic (tap-water) electrodes in air at atmospheric pressure,» Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 44, n° 37, p. 375203, 2011. doi : 10.1088/0022-3727/44/37/375203

[5] «Bulletin Agrométéorologique décadaire,» Faso, Direction de la météorologie Burkina, Ouagadougou, 2009.

[6] P. André, W. Bussière, A. Coulbois, J. Gelet et D. Rochette, «Modelling of electrical conductivity of a silver plasma at low temperature,» Plasma Science and Technology, vol. 18, n° 8, pp. 812-820, 2016. doi : 10.1088/1009-0630/18/8/04

[7] W. Haynes, D. R. Lide et T. J. Bruno, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 93rd éd., C. Press, Éd., Taylor & Francis Group, 2012.

[8] M. Capitelli, G. Colonna et A. D'Angola, Fundamental Aspects of Plasma Chemical Physics, New York: Springer, 2012. doi : 10.1007/978-1-4419-8185-1

[9] M. Capitelli et E. Molinari, «Problems of determination of high temperature thermodynamic properties of rare gases with application to mixtures,» Journal of Plasma Physics, vol. 4, n° 2, pp. 335-355, 1970. doi : 10.1017/S0022377800005043

[10] J. Aubreton, M. Elchinger et P. André, «Influence of Partition Function and Intercation Potential on Transport Properties of Thermal Plasmas,» Plasma Chemistry Plasma Processing, vol. 33, n° 1, pp. 367-399, 2013.doi : 10.1007/s11090-012-9427-3

[11] NIST. [En ligne]. Available: http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/levels_form.html.
[12] K. Drellishak, D. Aeschliman et Ali Bulent Cambel, «Partition Functions and Thermodynamic Properties of Nitrogen and Oxygen Plasmas,» The Physics of Fluids, vol. 8, n° 9, p. 1590, 1965. doi : 10.1063/1.1761469

[13] P. André, «Partition Functions and Concentrations in Plasmas Out of Thermal Equilibrium,» IEEE Transctions on Plasma Science, vol. 23, n° 3, p. 453, 1995.doi : 10.1109/27.402339

[14] P. André et A. Lefort, «The influence of thermal disequilibrium on a plasma consisting of insulator vapours,» Journal of Physics D: Applied Physics , vol. 31, n° 6, p. 717, 1998. doi : 10.1088/0022-3727/31/6/020

[15] D. Staack, F. Bakhtier, A. Gutsol et A. Fridman, «Characterization of a dc atmospheric pressure normal glow discharge,» Plasma Sources Science and Technology, vol. 14, n° 4, pp. 700-711, 2005. doi : 10.1088/0963-0252/14/4/009.

[16] T.-L. Zhao, Y. Xu, Y. H. Song, . X.-S. Li, J.-L. Liu, . J.-B. Liu et A.-M. Zhu, «Determination of vibrational and rotational temperatures in a gliding arc discharge by using overlapped molecular emission spectra,» Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 46, n° 34, p. 345201. doi : 10.1088/0022-3727/46/34/345201.

[17] M. W. Chase, NIST-JANAF Thermochemical Tables, Fourth edition éd., NIST, Éd., 1998.

[18] D. Giordano et M. Capitelli, «Nonuniqueness of the two temperature Saha equation and related considerations,» Physical Review E, vol. 65, p. 016401, 2002. doi : 10.1103/PhysRevE.65.016401.

[19] D. Giordano et M. Capitelli, «Two-temperature Saha Equation a misunderstood problem,» Journal of Thermophysics and Heat Transfer,, vol. 9, n° 4, p. 803, 1995. doi : 10.2514/3.745.

[20] P. André, M. Abbaoui, A. Augeard, P. Desprez et T. Singo, «Study of Condensed Phases, of Vaporization Temperatures of Aluminum Oxide and Aluminum, of Sublimation Temperature of Aluminum Nitride and Composition in an Air Aluminum Plasma,» Plasma Chemistry and Plasma Processing, vol. 36, n° 4, p. 1161–1175, 2016. doi : 10.1007/s11090-016-9704-7.

[21] S. Gordon et B. McBride, «Computer Program for calculation of complex chemical equilibrium compositions, Rocket Performance Incident anf reflected shocks and chapman jouguet detonation,» NASA SP-273, 1976.

[22] P. André et Z. Koalaga, «Composition of a thermal plasma formed from PTFE with copper in non-oxidant atmosphere Part I Definition of a test case with the SF6,» High Temperature Material Processes: An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes, vol. 14, n° 3, pp. 279, 2010. .

[23] P. André, «The influence of graphite on the composition and thermodynamic properties of plasma formed in ablated vapour of PMMA, PA6-6, PETP, POM and PE used in circuit breakers,» J. Phys D: Appl. Phys, vol. 30, pp. 475-493, 1997. doi : 10.1088/0022-3727/30/3/022.

[24] D. Rochette, W. Bussière et P. André, «Composition, enthalpy and vaporization temperature calculation of Ag-SiO2 plasmas with air in the temperature range from 1000 to 6000K and for pressure included between 1 and 50 bars,» Plasma Chemistry and Plasma Processing, vol. 24, n° 3, pp. 475-492, 2004. doi : 10.1007/s11090-004-2280-2.

[25] I. E S Microware, TAPP, thermochemical and physical properties., Hamilton, OH, USA : ES Microware, 1991.

[26] A. K. Kagoné, Z. Koalaga et F. Zougmoré, «Calculation of air-water vapor mixtures thermal plasmas transport coefficients,» IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 29, n° 1, p. 012004, 2012. doi : 10.1088/1757-899X/29/1/012004.
Publiée
2017-02-21
Comment citer
ANDRÉ, Pascal et al. Calcul de la composition chimique dans un plasma issu de mélanges de PTFE, d’air, de cuivre et de vapeur d’eau dans le cadre d’appareillages de coupure électrique à air. Journal International de Technologie, de l'Innovation, de la Physique, de l'Energie et de l'Environnement, [S.l.], v. 2, n. 1, feb. 2017. ISSN 2428-8500. Disponible à l'adresse : >http://revues.clermont-universite.fr/index.php/JITIPEE/article/view/128>. Date de consultation : 24 sep. 2017 doi: https://doi.org/10.18145/jitipee.v2i1.128.
Rubrique
Articles