Numerical modelling of streamer discharges for medium voltage electro technical applications

Le SF6, malgré ses excellentes propriétés diélectriques et physiques, reste un gaz à effet de serre avec un PRG de ~23900 sur une durée de 100 ans. Avec l'augmentation des réglementations climatiques et les appels à son remplacement dans les applications électrotechniques, une évaluation appropriée des alternatives possibles telles que l'air comprimé, le CO2, le HFO, etc. devrait être effectuée. Cependant, les méthodes de dimensionnement semi-empiriques utilisées actuellement ne sont pas optimisées pour les alternatives ayant des propriétés diélectriques légèrement inférieures. L'objectif principal de ce travail est de développer un modèle numérique pour comprendre les mécanismes physiques responsables de l'évolution de décharges électriques type streamer dans les différents milieux.Comme les gaz sont utilisés sous pression dans les applications électrotechniques, il est impératif d'étudier l'influence de leurs pressions sur les décharges dans ces milieux également. Cela a été fait pour l'air, le N2, le CO2 et le SF6 qui sont tous des gaz de différentes électronégativités. L’étude de l’évolution des streamers dans ces différents gaz a été réalisé dans COMSOL™ Multiphysics pour des distances courts (d ≤ 5 mm) et en utilisant AfivoStreamer pour des distances plus longs (10 mm ≤ d ≤ 50 mm). La distribution du champ électrique, de la vitesse et du diamètre du streamer et de l'effet de la forte électronégativité du gaz sur l’évolution du streamer sont présentés pour une polarité positive dans une géométrie pointe/plan. La vérification et la validation des résultats ont été effectuées à l'aide de résultats expérimentaux utilisant la vitesse et le diamètre du streamer.Mots clés – Streamers, modélisation numérique, influence de la pression, gaz électronégatifsSF6, though its excellent dielectric and physical properties is still a greenhouse gas with global warming potential, GWP of ~23900 over a period of 100 years. With an increase in climate regulations and calls for its replacement in electro technical applications, proper evaluation of possible alternatives such as compressed air, CO2, HFO etc. ought to be done. However, semi-empirical sizing methods used currently are not optimized for alternatives with slightly lower dielectric properties and different breakdown regimes at different pressures. The main objective of this work is to develop a numerical model to understand the physical mechanisms responsible for the evolution of the streamer type electrical discharges in different gaseous media.As gases in electro technical applications are used under pressure, it is imperative to study the influence of their pressures on the discharges in these medias as well. This has been done for Air, N2, CO2 and SF6 which are all gases of different electronegative levels. The study of streamer discharges in these gases have been done in COMSOL™ Multiphysics for short gaps (d ≤ 5 mm) and in longer gaps (10 mm ≤ d ≤ 50 mm) using AfivoStreamer (Both using a plasma fluid model approach). The distribution of electric field, streamer velocity and diameter, and the effect of the high electronegativity of the gas on streamer evolution are presented for positive polarity in a point to plane geometry. Verification and validation of the numerical simulation results have been done using experimental results focusing specifically on the streamer velocity and diameter.Index terms – Streamers, numerical modelling, influence of pressure, electronegative gase