Upload
others
View
6
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Quelle alimentation pour quel plasma ?
Générateurs pour l'étude du foudroiement des aéronefs
C. Zaepffel – ONERA
01/04/2019
Sommaire
1. Ondes foudres
2. Générateurs de tension
3. Générateurs de courant
4. Mesures électriques
5. Protection et sécurité
2 Générateurs foudre - C. Zaepffel
3
I. Foudroiement d’aéronefs
Avion déclenche la foudre
Foudroiement en ciel clair
Phénomène de Balayage
I. Explication d’un foudroiement
4 Générateurs foudre - C. Zaepffel
- Propagation de décharges atmosphérique (positive et négative)
- Apparition des phases à fort courant au bout de quelques ms
- Balayage de l’arc en peau
- Risque: percement fuselage, feu en zone carburant, feu de métal
- Problématique de maintenance
- Nécessité de protections foudre sur les composites carbones
Time
15 pulses Current
~100kA
850A
330A
1A
250µs
10 pulses
20ms
3ms 200m
s « Amorçage » « Fort courant »
Lalande P, Bondiou-Clergerie A, Laroche P, “Analysis of available in-flight
measurements of lightning incidents”, Int. Conf. on Lightning and Static
Electricity, Toulouse, France, 1999.
I. Phases courant foudre
5
Image Onera
Image Onera
0µs 10µs 20µs 30µs
Courant impulsionel
• Onde A (200kA), onde D (100kA)
• Arc explosif
• Onde de choc
• Forme quasi cylindrique
• Forte émission radiative
Courant continu ou faiblement variable
• Onde B et onde C
• Ecoulement hydrodynamique dépendant de la forme des
électrodes
• Comportement chaotique de la colonne (grandes longueurs)
• Formation de spots, et de jets de plasma
100-200kA
10µs
2-5kA
500ms
200A
5ms
Générateurs foudre - C. Zaepffel
I. Norme
6 Générateurs foudre - C. Zaepffel
Protection foudre: normes ondes de courant, dépend du zoning
de l’avion
Essais dieclectriques : onde de tension
𝑫𝑽
𝑫𝒕> 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝒌𝑽/µ𝒔
Claquage durant la montée de tension
Jet diverter electrode
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
50
100
150
200
Cu
rren
t (k
A)
Time (µs)
Current component A
Current component Ah
Current component D
Type d'onde A Ah B C C* D
Amplitude (kA) 200 150 100
Rise time (µs)a
< 50 37.5 < 25
Action integral
(A²s)
2x106 0.8x10
6 0.25x10
6
Average current
(A)
2 000 400 400
Charges (C) 10 200 18
Duration (ms) 0.5 max 0.5 max 5 500 5 to 50
(=45)
0.5 max
II. Générateurs de tension
Générateur de Marx
• Chargement des condensateurs en parallèle
• Commutation de chaque étages
• mise en série des condensateurs suite à
commutation
élévation de tension
Possibilité d’augmenter la tension de sortie avec un
circuit de peeking (circuit CLC)
7 Générateurs foudre - C. Zaepffel
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5-1x10
5
0
1x105
2x105
3x105
4x105
5x105
6x105
7x105
8x105
HV
ou
tpu
t (V
)
Time (s)
II. Générateurs de tension
8 Générateurs foudre - C. Zaepffel
Eclateur
déclenché
Circuit de
déclenche
Diviseur
résistif
Diviseur
capacitif
Transformateur
d'impulsion
Capacité de
stockage
Transformateur impulsionnel
• Décharge du condensateur
dans le primaire
• Flux magnétique important
• Apparition d’une forte haute
tension au secondaire
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0-100
-50
0
50
100
150
200
250
Experiment
Simulation
Volt
age
(kV
)
Time (µs)
Saturation
III. Générateurs fort courant
9 Générateurs foudre - C. Zaepffel
Discharge Spark gap
Onde C
Moyen d’essai ONERA – GRIFON DBC
III. Moyens d’essais DGA-TA, Super Dicom et EMMA
10 Générateurs foudre - C. Zaepffel
5 MARX de 5 étages en parallèle
Tension max > 200 kV
Courant max de 250 kA
dI/dt > EMMA
Générateur dans un shelter
Zone de tir et filtre à l’extérieur
Basé sur un crowbar RLC pour l’onde A
Tension max de 80kV
Courant max de 240 kA (possiblement plus)
III. Generateurs forts courants, plusieurs types
11 Générateurs foudre - C. Zaepffel
RLC (GRIFON)
Crowbardé (EMMA)
MARX (Super Dicom)
Condensateur
Resistance Eclateur
Diode
Electrode Eprouvette
GRIFON D
Pour être en mode générateur de courant
Les résistances de ballast doivent être
bien supérieure à l’impédance de
l’éprouvette
Rappel : Formules décharge RLC
12 Générateurs foudre - C. Zaepffel
0µs 50µs 100µs 150µs 200µs 250µs 300µs 350µs 400µs 450µs 500µs
-24KA
-18KA
-12KA
-6KA
0KA
6KA
12KA
18KA
24KA
30KA
36KA
42KA-(I(R1)+I(R2))
0µs 50µs 100µs 150µs 200µs 250µs 300µs 350µs 400µs 450µs 500µs
0KA
5KA
10KA
15KA
20KA
25KA
30KA
35KA
40KA
45KA
50KA
55KAI(Rarc)
0µs 50µs 100µs 150µs 200µs 250µs 300µs 350µs 400µs 450µs 500µs
0KA
9KA
18KA
27KA
36KA
45KA
54KA
63KA
72KA
81KA
90KA
99KA-(I(R1)+I(R2))
Amorti : C
LR
42 Oscillant : C
LR
42
Courant I teL
Vti L
Rt
sinh)( 20
teL
Vti L
Rt
sin)( 20
Pulsation ω LCL
R 1
2
2
2
2
1
L
R
LC
Durée pour atteindre Imax
R
LAt
2tanh
1max
R
LAt
2tan
1max
Amorti
Cas le plus simple
Oscillant
Peu représentatif de la
foudre
Crowbar
Ajout d’une diode pour redresser
Augmente l’intégrale d’action
dans des circuits inductifs
III. Compromis
Plus l’échantillon est de grande taille, plus son inductance
et/ou sa résistance va augmenter
Cela impose une résistance de ballast plus importante pour compenser
l’inductance et éviter l’oscillation
Le temps de montée est fonction de V/L, plus l’inductance est
importante, plus la tension devra être élevée pour atteindre la norme
Mais augmenter la tension impose de plus grande volume
une plus grande inductance.
En pratique un compromis est donc nécessaire entre tension
du banc et taille de celui-ci et cela définit l’impédance
maximum de l’échantillon
13 Générateurs foudre - C. Zaepffel
III. Eclateur à gaz
Plusieurs types ont été développé dans la litérature
14 Générateurs foudre - C. Zaepffel
III. Generateur onde C continue ONERA
Buck converter
Courant continue de 200 à 800A
1300 V max
1 IGBT assure la commutation
1 resistance de shunt et un
µcontroleur assure la contre réaction
15 Générateurs foudre - C. Zaepffel
5.6ms 5.8ms 6.0ms 6.2ms 6.4ms 6.6ms 6.8ms 7.0ms 7.2ms 7.4ms 7.6ms 7.8ms
0A
20A
40A
60A
80A
100A
120A
140A
160A
180A
200A
220A
240A
-2.0KV
-1.5KV
-1.0KV
-0.5KV
0.0KV
0.5KV
1.0KV
1.5KV
2.0KV
2.5KV
3.0KV
I(Rarc)
V(D,S)
IV. Mesures électriques
16 Générateurs foudre - C. Zaepffel
Si possible une chaîne par mesure
Système blindée et sur batterie
Type Bandwith Isolation
Tension
Diviseur résistif DC+BF Modèle de
table <100kV
Diviseur capacitif HF Haute
Courant
Transformateur de
courant
Passe bande Sonde blindé
mais pas isolé
Resistance de
shunt coaxiale
DC à HF Suivant
modèle
Rogowsky
(amplifiée)
DC à BF Câble isolé à
10kV, place
pour ajout
d’isolation
Effet de l’inductance sur une
mesure de resistance pure dû à
l’inductance induite dans la boucle
de mesure
Inductance de la sonde et/ou de
l’éprouvette Non négligeable
𝑉 𝑡 = 𝐿𝑑𝑖 𝑡
𝑑𝑡+ 𝑅 𝑡 𝑖 𝑡
Minimiser la boucle de
mesure
Dégrader dI/dt (rarement
possible)
Déterminer Lparasite et le
soustraire par post
traitement
IV. Mesure de tension cas fort courant
17 Générateurs foudre - C. Zaepffel
IV. Mesure de résistance U/I : Essai fort courant
Voltage probe Current probe
Voltage & current
measurements
Resistance V/I
Sonde maison pour diminuer la boucle de mesure entre
le point de mesure et la référence de la sonde.
La carte d’acquisition est flotante
Toutefois pour les valeurs de I faible (t=0), la mesure
reste difficile et un bruit important persiste Phase 1
Phase 2
Générateurs foudre - C. Zaepffel 18
VI. Sécurité/Protection des systèmes
Pour séparer une partie BT et HT :
Utilisation de filtre RC ou LC
Tenue tension et courant des éléments
Utilisation de diodes mais attention :
Polarisation des diodes
Capacités parasites des diodes
19 Générateurs foudre - C. Zaepffel
Filtre RC
Diodes
VI. Sécurité/Protection
Sur banc de condensateur forte énergie :
Utilisation des EPIs
Mise à la masse du banc par plusieurs moyens
Relais CC vers résistance liquide (sulfate de cuivre)
Moyen mécanique
Perche (projection de métal si banc chargé
Limitation des accès
Protection mécanique contre les projections
Tir déconnecté de la terre
Pas de communication cuivre
Mettre à distance le poste de
contrôle
20 Générateurs foudre - C. Zaepffel
Relais et jerrican de sulfate de
cuivre
Quelques ouvrages
J.C. MARTIN on Pulsed Power, by T.H. Martin et al,
SPRINGER Sciences
Transient electronics: Pulsed circuit technology, Paul W.
Smith, Wiley
Pulsed Power, G. A. Mesyats, SPRINGER Sciences
21 Générateurs foudre - C. Zaepffel