La plupart des disjoncteurs haute tension en fonctionnement utilisent le SF6 comme gaz de coupure de l'arc en raison de ses excellentes propriétés physico-chimiques. Cependant le SF6 a été identifié par ailleurs comme un gaz ayant un effet potentiel sur le réchauffement global particulièrement élevé, ce qui motive donc l'étude de solutions alternatives à son utilisation comme gaz de coupure.

Les propriétés du CO2 comme milieu de coupure dans un disjoncteur haute tension ont été précédemment étudiées dans la littérature et il a été établi que la performance intrinsèque du CO2 était clairement inférieure à celle du SF6. Même si l'optimisation de la conception de nouveaux disjoncteurs pour tenir compte des propriétés spécifiques du CO2 est susceptible d'améliorer la performance de ce gaz pour la coupure d'arc, elle ne permettra cependant pas d'égaler la performance et la compacité des disjoncteurs actuellement optimisés pour le SF6.

Dans le but d'améliorer plus significativement les propriétés de coupure d'un disjoncteur utilisant le CO2, un spray d'un liquide sélectionné, typiquement une huile minérale, est injecté dans le volume d'expansion du disjoncteur afin : i) de favoriser le mécanisme d'augmentation de la pression dans le volume thermique conduisant à un processus de soufflage de l'arc plus efficace ; ii) de générer un mélange gazeux susceptible d'assurer une meilleure évacuation de la chaleur à courant nul et d'améliorer la performance diélectrique.

Un dispositif d'injection du spray a été développé sur la base d'essais expérimentaux et est complété par une simulation numérique de l'interaction entre le spray et l'écoulement d'un mélange de gaz chauds dans le volume d'expansion. Le modèle numérique s'appuie sur une description de l'écoulement de type Euler-Lagrange, qui combine une modélisation statistique de type RANS pour la phase gazeuse continue et une description lagrangienne de la phase discrète. Celle-ci inclut un modèle de dispersion turbulente ainsi qu'un modèle d'évaporation de type Abramzon-Sirignano pour les gouttelettes de spray. Les descriptions eulérienne et lagrangienne sont couplées par une approche bidirectionnelle qui prend en compte les effets de la phase continue sur les gouttelettes et la rétroaction des gouttelettes sur la phase porteuse.

Le domaine de calcul inclut le volume d'expansion et une partie de la tuyère connectant la région de l'arc au volume d'expansion. Les conditions d'entrée / sortie appliquées au niveau de la frontière de la tuyère sont obtenues à partir d'une simulation complète du disjoncteur, incluant le plasma formé au voisinage de l'arc, réalisée grâce à un code dédié. La description thermodynamique du mélange gazeux formé par le CO2, la vapeur de Polytétrafluoroéthylène (PTFE) résultant de l'ablation des parois en PTFE de la tuyère et la vapeur d'huile résultant de l'évaporation des gouttelettes du spray s'appuie sur des tables thermodynamiques dédiées. Des simulations numériques sont réalisées et analysées pour différentes conditions d'injection du spray afin d'identifier une configuration qui permet d'optimiser le mélange .