Effet de l'épaisseur d'un écran pollué sur la rigidité diélectrique d'un système d'électrodes à champ non uniforme

République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche scientifique
Université A. MIRA de Bejaia
Faculté de la Technologie
Département d'Electrotechnique

En Vue De L'obtention Du Diplôme D'Ingénieur d'Etat
En Electrotechnique
Option : Réseaux Electriques

Thème

Effet de l'épaisseur d'un écran pollué sur la

rigidité diélectrique d'un système d'électrodes à

champ non uniforme

Proposé et dirigé par : Présenté par :

Mr R . Boudissa Mr H. Ait said

Mme Mouhoubi Mr L . Slimanou

2009/2010

Remerciements

Nos premiers remerciements vont à Mr BOUDISSA et Mme MOUHOUBI nos encadreurs, pour l'aide précieuse qu'ils nous ont apportés tout au long de ce travail.

Nos sincères remerciements aux membres du jury, pour l'honneur qu'ils nous font en participant au jugement de notre travail.

Que tous les enseignants et les étudiants d''electrotechnique, trouvent ici l'expression de notre reconnaissance et respect.

Nos vifs remerciements s'adressent également à tous ceux qui ont contribué de prés ou de loin à la réalisation de ce mémoire.

Dédicaces

Je dédie ce modeste travail :

À mes chers parents, ma grand-mère, ma tante et toutes les personnes qui m'ont encouragé tout au long de mes études ;

À mes frères et ma soeur ;

À ma chérie Alia ;

À tous mes amis(es) de : CSA, B206 ;

À tous les êtres chers dont le soutien m'a été indispensable.

Hakim

Je dédie ce modeste travail : À mes très chers parents.

À mon frère et mes soeurs. À toute ma famille.

À tous mes amis.

RESUME

Ce travail présente une étude de l'effet de l'épaisseur d'un écran pollué sur la rigidité diélectrique d'un système d'électrodes à champ non uniforme. En effet, des associations de diélectriques isolant solide et gazeux formant des isolations composites. Il est donc nécessaire d'étudier le comportement des caractéristiques électriques et diélectriques. La décharge électrique est résumée à la théorie du streamer pour des tensions élevées. L'amorçage à la surface d'une barrière isolante polluée dépend de plusieurs paramètres. La tension de disruption du système décroît lorsque la conductivité superficielle de la barrière augmente quelle que soit la variante de distribution de pollution appliquée sur celle-ci. Par contre cette même tension est beaucoup plus grande quand la barrière est propre, ce qui explique l'effet négatif de la pollution sur ses performances.

Mots dles : épaisseur - écran - rigidité - diélectrique - électrodes - champ - uniforme - isolant - solide - gazeux - isolation - composites - électriques - décharge - streamer - tension - amorçage - barrière - disruption - conductivité - pollution - propre - performances.

Table des figures

Fig. I.1 : Champ électrique propre à l'intérieur d'un matériau isolant sous tension ... .... 4

Fig. I.2 : Principe de mesure de la résistance transversale ....5

Fig. I.3 : Principe de mesure de la résistance superficielle ... .... 6

Fig. I.4 : Circuit électrique équivalent série 7

Fig. I.5 : Circuit électrique équivalent parallèle 7

Fig. I.6 : Cellule de mesure de rigidité diélectrique :(a) isolants gazeux ; (b) isolants solides et liquides .......8

Fig. I.7 : isolant comportant une inclusion gazeuse ... .... 10

Fig. I.8 : Système d'électrodes pointe-barrière-plan ... .... 15

Fig. II.1 : Arc transféré .......21

Fig. II.2 : Arc non transféré .......22

Fig. II.3 : Décharges glissantes .... 22

Fig. II.4 : Electrode de décharge à barrière diélectrique ... .... 23

Fig. II.5 : Effet de Townsend ... .... 24

Fig. II.6 : Développement d'un streamer négatif .... 28

Fig. II.7 : Développement leader 29

Fig. II.8 : Eclateur pointe-plan avec propagation d'un streamer .... 30

Fig. II.9 : Effet couronne à pointe négative ... .... 31

Fig. IV.1 : Modèle expérimental . ... 46

Fig. IV.2 : Circuit de mesure de la tension d'amorçage et de visualisation ... .... 47

Fig. IV.3 : configuration « pointe-barrière-pointe » ... .... 48

Fig. IV.4 : configuration « pointe-barrière-plan » ... .... 48

Fig. IV.5 : Transformation de l'humidité relative en humidité absolue ... .... 51

Fig. IV.6: Facteur de correction en Fonction de l'humidité absolue ... .... 51

Fig. IV.7: Tension de claquage en fonction de la position de la barrière propre et sèche (øp=5cm)..... 53
Fig. IV.8: Chemin de la décharge dans l'intervalle pointe-barrière-plan pour différentes

largeurs de la barrière propre (øp=5cm, a/d=10%) 53

Fig. IV.9: Tension de claquage en fonction de la position de la barrière (øp= 10 cm) 54

Fig. IV.10: Chemin de la décharge dans l'intervalle pointe-barrière-plan pour différentes

largeurs de la barrière propre (a/d=10%, øp=10 cm) 54

Fig. IV.11 Tension de claquage en fonction de la position de la barrière propre (eb=6 mm) 55

Fig. IV.12 : Tension de claquage en fonction de la distance interélectrode .... ... 56

Fig. IV.13 : Efficacité du système en fonction de la position a/d ... .... 56

Fig. IV.14: Chemin de la décharge dans l'intervalle d'air pointe-barrière-pointe pour

différentes largeurs de la barrière propre (a/d=10%) 57

Fig. IV.15 : Efficacité du système en fonction de la largeur de la barrière 58

Fig. IV.16 : Tension de claquage en fonction de l'épaisseur de la barrière propre (a/d= 10% ; øp=5 cm) 58
Fig. IV.17 : Chemin de la décharge dans l'intervalle d'air pointe-barrière-plan pour

différentes largeurs de la barrière propre (eb=4 cm; øp=5 cm) 59
Fig. IV.18 : Tension de claquage en fonction de l'épaisseur de la barrière propre (a/d= 10%;

øp=10 cm) .......59
Fig. IV.19 : Chemin de la décharge dans l'intervalle d'air pointe-barrière-plan pour

différentes largeurs de la barrière propre (øp=10 cm; eb=4 cm) 60

Fig. IV.20 : Tension de claquage en fonction de l'épaisseur de la barrière propre (a/d= 10%) 60

Fig. IV.21 : Efficacité de la barrière en fonction de son épaisseur (a/d=10%) 61

Fig. IV.22: Chemin de la décharge dans l'intervalle d'air pointe-barrière-pointe pour

différentes largeurs de la barrière propre (eb=4 cm) 61

Fig. IV.23: Tension de claquage en fonction de la conductivité superficielle de la barrière 62

Fig. IV.24: Développement de la décharge en pollution uniforme 63

Fig. IV.25 : Développement de la décharge sur la face HT+Terre 63

Fig. IV.26 : Apparition de la décharge sur la face HT 63

Fig. IV.27 : Développement de la décharge sur la face Terre+Côtés 64

Fig. IV.28 : Développement de la décharge sur la face HT+Côtés 64

Fig. IV.29 : Tension de claquage en fonction de la conductivité superficielle de la barrière 65

Fig. IV.30 : Développement de la décharge en pollution uniforme 66

Fig. IV.31 : Développement de la décharge sur la face HT+Terre 66

Fig. IV.32 : Apparition de la décharge sur la face HT 66

Fig. IV.33 : Développement de la décharge sur la face Terre+ côté 67

Fig. IV.34 : Développement de la décharge sur la face HT+côté 67

Fig. IV.35 : Apparition de la décharge sur les trois faces de la barrière 67

Table des matières

Introduction générale

Chapitre I Isolants et barrières Isolantes

I.1 Introduction .......1

I.2 Isolant .......1

I.2.1 Définition .... ... 1

I.2.1.1 Isoler 1

I.2.1.2 Isolation .... ... 1

I.2.1.3 Diélectrique ..... .. 1

I.2.1.4 Système d'isolation .... ... 1

I.2.2 différents types d'isolants .... ... 2

I.2.2.1 Isolants gazeux .... ... 2

I.2.2.2 Isolants solides .... ... 2

I.2.3 Matériaux utilisés pour les isolants solides .... ... 2

I.2.3.1 Verre .... ... 2

I.2.3.2 Verres trempés .... ... 3

I.2.3.3 Verres recuits .... ... 3

I.2.3.4 Silicone .... ... 3

I.2.4 Propriétés des isolants .... ... 4

I.2.4.1 Propriétés diélectriques .... ... 4

I.2.4.1.1 Permittivité .... ... 4

I.2.4.1.2 Résistance en tension continue .... ... 5

I.2.4.1.2.1 Résistance transversale en tension continue .... ... 5

I.2.4.1.2.2 Résistance superficielle en tension continue .... ... 6

I.2.4.1.2.3 Résistance d'isolement .... ... 7

I.2.4.1.3 Facteur de pertes diélectriques en tension alternative .... ... 7

I.2.4.1.4 Rigidité diélectrique ... .... 8

I.2.4.1.5 Décharge disruptive ... .... 8

I.2.4.1.5.1 Décharge intrinsèque 9

I.2.4.1.5.2 Décharge thermique .... ... 9

I.2.4.1.5.3 Décharge partielle .... ... 9

I.2.4.2 Propriétés thermiques .. .. 10

I.3 Isolateur ... .... 13

I.3.1 Définition .... ... 13

I.3.1.1 L'intervalle d'air ... .... 13

I.3.1.2 L'isolant solide .... ... 13

I.3.1.3 L'interface air-isolant solide ... .... 13

I.4 Barrières isolantes .......14

I.4.1 Introduction .... ... 14

I.4.2 Facteurs d'influence de la barrière sur la rigidité diélectrique de l'air ... .... 14

I.4.2.1 Largeur de la barrière ... .... 14

I.4.2.2 Position de la barrière .... ... 15

I.4.2.3 Epaisseur et permittivité du diélectrique utilisé ... .... 16

I.4.2.4 Nature et polarité de la tension appliquée ... .... 16

I.4.2.5 Matériau de la barrière ... .... 16

I.4.2.6 Accumulation de la charge d'espace ... .... 17

I.4.2.7 Pollution de la barrière .... ... 17

I.4.2.8 Longueur de l'intervalle ... .... 17

I.4.2.9 Nombre de barrières isolantes utilisées ... .... 17

I.4.2.10 Forme de la barrière ... .... 18

I.4.2.11 Prédécharges ... .... 18

I.4.2.12 Barrières trouées ... .... 18

I.5 Conclusion .......19

Chapitre II Décharges dans l'air

II.1 Introduction .......20

II.2 Type de décharges .......20

II.2.1 Décharges pointe-pointe ... .... 20

II.2.2 Décharges pointe-plan .... ... 21

II.2.3 Décharge plan-plan ..... .. 22

II.3 Notions élémentaires sur les décharges dans les gaz ... .... 23

II.3.1 Théorie de Townsend .... ... 24

II.3.2 Théorie du Streamer .... ... 26

II.3.2.1 Aspect et constitution d'un streamer .... ... 27

II.3.2.2 Influence de la polarité .... ... 27

II.3.2.2.1 En polarité positive .... ... 27

II.3.2.2.2 En polarité négative .... ... 28

II.4 Décharge de type leader .......29

II.5 Décharge électrique en champ non uniforme .... ... 29

II.6 Décharges couronne .... ... 30

II.6.1 Seuil d'effet couronne .... ... 32

II.6.2 Effet de couronne en tension alternative .... ... 33

II.7 Les Paramètres influant sur le développement de la décharge . .... 33

II.7.1 Présence des particules conductrices dans l'air 33

II.7.2 Influence de la pollution de l'air .... 34

II.8 Conclusion .......34

Chapitre III Pollution atmosphérique

III.1 Introduction .......35

III.2 Définitions .......35

III.2.1 Couche de pollution ... .... 35

III.2.2 Degré de pollution ... .... 35

III.2.3 Salinité ....... 35

III.3 Sources de pollution .......35

III.3.1 Pollution naturelle ... .... 36

III.3.1.1 Pollution marine ..... .. 36

III.3.1.2 Pollution désertique ... .... 36

III.3.2 Pollution industrielle .... ... 36

III.3.3 Pollution mixte . ... 36

III.4 Impact de la pollution .......37

III.4.1 Arc non localisé .... ... 37

III.4.2 Arc fixe .......37

III.4.3 Contournement des isolateurs pollués .... ... 37

III.5 Sévérité de pollution d'un site ... .... 38

III.5.1 Mesure de la sévérité de pollution d'un site ... .... 39

III.5.1.1 Densité du dépôt de sel équivalent (DDSE) ... .... 39

III.5.1.2 Conductance superficielle .......39

III.5.1.3 Mesure optique .... ... 40

III.5.1.4 Mesure de la pollution de l'air .... ... 40

III.5.1.5 Densité du dépôt non soluble (DDNS) ... .... 40

III.5.2 Classification des sites pollués ... .... 40

III.6 Méthodes d'essais sous pollution ... .... 41

III.6.1 Essai sous pollution naturelle .... 42

III.6.2 Essais sous pollution artificielle ... .... 42

III.6.2.1 Méthode des couches solides ... .... 42

III.6.2.2 Méthode du brouillard salin .... ... 43

III.6.2.3 Méthode de la pollution liquide .... ... 43

III.7 Techniques de lutte contre la pollution ... .... 43

III.7.1 Allongement de la ligne de fuite ... .... 43

III.7.2 Utilisation des isolateurs plats (auto-nettoyables) .......44

III.7.3 Graissage des isolateurs (couches hydrophobes) .... ... 44

III.7.4 Revêtements à base de silicones ... .... 44

III.7.5 Nettoyages sous ou hors tension .... ... 44

III.8 Conclusion .......45

Chapitre IV Partie expérimentale

IV.l Introduction 46

IV.2 Techniques expérimentales .... ... 46

IV.2.1 Dispositif expérimental et circuit d'alimentation .... 46

IV.2.2 Modèle expérimentale .... ... 47

IV.2.3 Circuit de mesure de la tension d'amorçage .... ... 48

IV.2.4 Visualisation de l'arc .... ... 49

IV.2.5 Mode opératoire ..... .. 49

IV.2.6 Préparation de la solution polluante ..... .. 49

IV.2.7 Variantes et technique d'application de la pollution ... .... 49

IV.2.8 Procédé d'essai .... ... 50

IV.2.9 Correction des résultats en fonction des conditions atmosphériques ... .... 50

IV.3 Paramètres d'influence de la disruption de l'intervalle d'air 52

IV.3.1Barrière propre et sèche ... .... 52

IV.3.1.1Position et largeur de la barrière ... .... 52

IV.3.1.1.1 Configuration pointe-barrière-plan .... ... 52

IV.3.1.1.2 Configuration pointe-barrière-pointe .......55

IV.3.1.2 Epaisseur de la barrière .... ... 58

IV.3.1.2.1 Configuration pointe-barrière-plan .... ... 58

IV.3.1.2.2 Configuration pointe-barrière-pointe 60

IV.3.2 Barrière isolante polluée 62

IV.3.2.1 Configuration pointe-barrière-plan 62

IV.3.2.2 Configuration pointe-barrière-pointe 65

IV.4 Conclusion 68

Conclusion générale

Introduction générale

Le développement industriel exige de plus en plus une grande consommation d'énergie. Pour transporter une puissance électrique élevée, il faudrait utiliser des distances d'isolement importantes, ce qui va engendrer des contraintes du point de vue pratique et économique.

L'air, en tant que diélectrique, est largement utilisé comme isolation entre électrodes en technique de haute tension. La majorité des configurations des électrodes peut, en pratique être caractérisée par les géométries à champ électrique non uniforme : pointe-pointe ou pointe-plan ou par celle qui possède la rigidité diélectrique intermédiaire.

En conséquence, l'insertion d'une barrière isolante propre améliore la rigidité diélectrique des intervalles d'air pointe-pointe et pointe-plan. Par contre les barrières sont installées dans des sites où règne une pollution atmosphérique ; à proximité des usines ou bien à un endroit exposé à des tempêtes de sable désertique, il se forme des dépôts de mélange de poussières et de sels minéraux. L'humidité de l'air environnante transforme les revêtements naturels, en couches conductrices. Ceci provoque une modification de répartition de la tension dans les intervalles pointe-barrière-pointe et pointe-barrière-plan ce qui peut engendrer le développement des décharges qui peuvent, progresser jusqu'au contournement total des intervalles d'air suscités.

Par conséquent, la tension d'amorçage de ces espaces d'air est influencée par plusieurs paramètres: longueur de l'intervalle, nature, position, dimensions et pollution de la barrière.

Notre travail consiste à étudier l'effet de l'épaisseur d'un écran pollué sur la rigidité diélectrique d'un système d'électrodes à champ non uniforme. Pour cela nous avons subdivisé notre travail en 4 chapitres :

Le premier chapitre sera consacré à des rappels sur les propriétés diélectriques des isolants et l'effet des barrières sur les intervalles d'air.

Le second chapitre sera réservé à l'étude théorique de la décharge dans l'air.

Dans le troisième chapitre, nous présenterons une analyse des phénomènes de pollution et nous passerons en revue les méthodes de mesure de la sévérité de pollution, de simulation de la pollution au laboratoire et les méthodes de lutte contre pollution.

Le dernier chapitre sera consacré à l'expérimentation, interprétation et résultats obtenus. Enfin, nous terminerons par une conclusion générale permettant une synthèse du travail réalisé.

1

3

I.1 Introduction

L'étude des matériaux diélectriques est née du besoin pratique d'isolants, puisque les premières expériences d'électrostatique étaient basées sur l'isolement des charges à l'aide de matériaux diélectriques possédant la propriété de ne pas les laisser s'échapper.

Ce chapitre donne les définitions ayant trait aux isolants. Par la suite on étudie les isolants gazeux, solides. Les isolants liquides ne sont pas traités explicitement car leurs propriétés essentielles sont très proches de celles des solides.

En pratique il est nécessaire de combiner entre les isolants pour assurer de bonnes caractéristiques diélectriques particulièrement celles du verre et l'air utilisés dans notre travail.

I.2 Isolant

I.2.1 Définition

Un isolant est une substance ou un corps dont la conductivité est nulle ou, en pratique très faible. On peut considérer comme isolant, tous les matériaux dont la résistivité est supérieure à 10¹⁰ Ù.cm [1].

I.2.1.1 Isoler

L'action d'isoler est le moyen d'empêcher la conduction entre conducteurs électriques soumis à des tensions différentes [1].

I.2.1.2 Isolation

L'isolation est l'ensemble des matériaux isolants utilisés pour isoler un dispositif [1].

I.2.1.3 Diélectrique

Un diélectrique est défini comme un milieu matériel dans lequel les bandes de conduction et de valence sont séparés par une énergie supérieure à 5 eV. Le milieu matériel peut être constitué par un solide, un liquide ou un gaz [1].

I.2.1.4 Système d'isolation

Un système d'isolation est constitué par des matériaux isolants ou un assemblage de matériaux isolants (isolations) à considérer, en liaison avec les parties conductrices associées.

I.2.2 différents types d'isolants

I.2.2.1 Isolants gazeux [2, 3]

Dans les conditions normales, un des meilleurs isolants connus est l'air qui nous entoure. Ses caractéristiques thermiques sont supérieures à celles des porcelaines ; il peut aussi agir comme agent de refroidissement et ne coûte absolument rien .Cependant, à des températures élevées, l'air devient bon conducteur par suite du phénomène d'ionisation.

Ces isolants gazeux ayant des propriétés particulières :

· Rigidité diélectrique variable suivant la nature de gaz;

· Permittivité faible, les gaz sont auto-générateurs;

· Phénomène d'ionisation des gaz;

· Légers et inflammables.

Les principaux isolants gazeux sont : l'air atmosphérique, l'azote, gaz rares de l'air, l'hydrogène.

I.2.2.2 Isolants solides [3]

Lors d'une réaction chimique, dite de polymérisation, certaines molécules simples peuvent s'unir de façon à former une grosse molécule contenant plusieurs fois la molécule initiale. On dit alors que la nouvelle substance ainsi formée est un polymère de la première molécule.

Tous les isolants synthétiques sont des polymères. Le caoutchouc naturel, les résines, les vernis et la bakélite sont des polymères. Selon leur composition et leurs parties constituantes, les polymères peuvent être subdivisés en grandes classes comme les polyvinyles, les polyuréthanes, les polyesters, les polyamides, les polyimides etc. Ainsi, le nylon est un polyamide, le Dacron et le Mylar sont des polyesters et le Kapton est un polyimide.

I.2.3 Matériaux utiisés pour les isolants solides

I.2.3.1 Verre [3]

Il est fabriqué en fondant dans des creusets chauffés au rouge vif à une température 900 °C; un mélange de sable, de chaux et de carbonate de Sodium. Le liquide, peu fluide est coulé dans des moules en acier ayant en creux la forme des isolateurs. Chimiquement, le verre est un mélange de Silicate alcalin et de Calcium ou de Plomb.

Les isolateurs en verre, un peu moins chers, mais plus fragiles que ceux en porcelaine.

· Sa rigidité est excellente à froid, de l'ordre de 50 à 100 kV/mm, tandis qu'elle se trouve divisée par 100 à 400°C.

· Sa permittivité relative environ 5 à 8.

· Sa résistivité à 20°C: 10¹⁰ ...10¹⁶ Ù.cm.

Les principales variétés de verres utilisées dans l'industrie électrique sont les suivantes:

I.2.3.2 Verres trempés [4]

Ils consistent à porter la pièce à une température voisine de son point de ramollissement 700°C et à la refroidir brusquement au moyen de jets d'air froid sous pression, ce traitement améliore les qualités mécaniques du verre ainsi que sa tenue aux chocs thermiques en traction environ 5 à 6 fois plus grande que celle du verre recuit et peut supporter une variation brusques de température pouvant atteindre 100°C.

L'avantage du verre trempé est de rendre visible tout isolateur perforé, ce qui n'est pas le cas des isolateurs à capot et tige en céramique, sous les efforts d'une contrainte électrique trop forte ou même lors d'une défectuosité de l'isolateur.

I.2.3.3 Verres recuits [4]

Ont surtout été utilisés pour faire des isolateurs rigides, mais on s'est aperçu que les isolateurs un peu épais ne résistaient pas aux variations brusques de température. De plus, le verre recuit ne supporte que des tensions mécaniques relativement faibles, ce qui interdit son emploi pour les isolateurs de suspension. On site aussi les verres sodiques, borosilicate et les polyamides.

I.2.3.4 Silicone [5]

On donne ce nom à toute une catégorie de corps récemment inventés qui sont analogues aux résines synthétiques. Ils sont différents, parce qu'ils ne contiennent que peu ou pas de carbone dans la constitution de leurs molécules. Ils ne sont pas combustibles. On en a fabriqué de nombreuses variétés aux propriétés très diverses et faites des huiles, des vernis, des graisses, du caoutchouc. Les silicones résistent jusqu'à 200 °C sans durcissement ni décharge, et conservent leurs propriétés dans une large gamme de température (- 40 à 200 °C):

· rigidité diélectrique 15 kV/mm;

· permittivité relative à 25 °C et 1 kV est de 5,4;

·

à 25 °C et 10 kHz ; tgä = 4 à 5.10 -3_; 62 W/m.K;

est supérieure à 300°C ;

kg/m³.

facteur de dissipation diélectriqu e

· conductivité thermique : 0,41 à 0,

· température d'auto-in flammation

· masse volumique de 2 300 à 2800

I.2.4 P ropriétés d e s isolants

I.2.4.1 Propriétés diélectriq ues

Les éléments c aractéristiques d'un is o lant du point de vue él ectrique sont :

· La permittivité relative å_r ;

· La résistance en tension continue ñcc (Ùm)_;

· Le facteur de pertes di électriques en tension alternative tgä ;

· La rigidité diélectrique E_r (V/m) ;

· La décharg e disruptive ou claquage Ed (V/m) .

I.2.4.1. 1 Permittivité

orsqu'un

L diélectriqu e

l'échell e moléculaire diverse s

propre E_p

(Fig. I. 1 relative

å_r.

est soumis à l'actio n d'un champ électri que, il se produit à modifications qui ont pour effe t de créer un champ é lectrique

à l'intérieur de la substance, s' opposant au champ él ectrique (E_e) extérieur appliqué

). Cette caractéristique des isolants solides et liquides porte le nom

de la permittivité

Fig. I.1 : Champ électrique propre à l'intérieur d'un maté riau isolant sous tension

La permittivité relative d'un diél ectrique parfait est le quotient de la capacité C_x entre deux électrodes supposées no yées dans ce diélectri que, par la capacité C0 de la confi guration d'électrodes dans le vide:

(I-2)

gue une dans le

å_r= C_x / C 0 (I-1)

La permittivité absolue å_a est le produit de la permittivité relative par la c onstante électrique du vide.

å_a= å_r. å0

å0 = 10 -9 / 36 ð = 8,8 5. 10^-12 F/m

ans le c

D as des di électriques non parfaits, on dé finit de façon analo

'écrit :

permittivité complexe relative qui ti ent compte de la dissipation d'énergie diélectrique. Elle s

omplexe, jouant le mê

me rôle que

(I-3) å_r dans

å ^*_r= år ' - jå_r ?

Où å' r est la partie ré e lle de la p ermittivité c le cas des diélectri ques parfait s.

_å* _a= å ^*_r. å0 (I-4)

I.2.4.1. 2 Résistan ce en tension continue

I.2.4.1. 2.1 Résista nce transversale en tension continue [6]

a résistan

L ce transver sale Rt mes urée entre deux électrodes appliquées sur deux faces

du courant

qui travers

e l'isolant

entre ces él

ectrodes (fig. I.2).

opposé es d'un échantillon est le quotient de la tension continue appliqué e aux électrodes par la parti e

Fig. I.2 : Principe de mesure de la résistance transversale

La résistivité transversale d'un matériau _ñcct e st le quotie nt du gradi ent de pote ntiel par la dens ité de courant qui le traverse, ce qui donne :

et

(I-5)

Où (Fig. I.2) :

I.2.4.1. 2.2 Résista nce superficielle en tension continue [6]

a résistan

L ce superfic ielle R_s mesurée entre deux électrodes appl iquées sur la même

surface de l'isolant

face d' un échantil lon est le quotient de la tension continue appliquée aux électrodes par la partie du courant à travers l a mince couche d'humidité (pollution) qui pourrait exister à la et dans les couches superficielle s de ce dernier (fig. I.3 ).

Fig. I.3 : Principe de mesure de la résistance superficiell e

olant _ñccs e st le quoti

La résistivité superficielle d'un matériau i s potenti el en surface par le courant par unité de largeur :

(Ù)

ent du gradient de

(I.6)

6

Où : est le périmètre moyen e ntre l'électrode et la contre-électrode, avec

	;
			.

I.2.4.1. 2.3 Résista nce d'isole ment [7]

avec un is olant est

a résistan

L ce d'isole ment entre deux électrodes qui sont en contact

sont effec

al qui les traverse à
fois des résistances

tuées au moyen de gé nérateurs

le rapport de la tension continue appliqu ée aux électrodes au courant glob un moment après l'applicatio n de cette tension. Ce rapport dépend à la transversale et sup erficielle de l'isolant. Ces mesure s de haute tension (1-5kV) portables comp ortant un mégohmmètre.

I.2.4.3 Facteur de pertes diélectriques en tension alternative

es isolant

L s soumis à des champs électriqu es alternati fs sinusoïd aux sont le siège de

tension

ngle est a

pertes d'énergie active sous forme the rmique dues à la co nductivité du diélectrique. Le diélectrique réel p eut être rep résenté par les schémas équivalents suivants (Fig. I.4, 5) .

e courant

d'un angle ? < ð/2

appelée facteur de

L total trave rsant l'ense mble du circuit est déphasé en avance sur l a

. Son complément ä e st appelé angle de pert es. La tang ente de cet dissipation (ou de pertes) et s'obtient de la façon suivante:

tg ä = I_a / I_r = U_a / U_r = II.3 on pe ut écrire:

tg ä = å ? r / år '

(I.7)

P_a / P_r

(I.8)
'énergie

D'après la formule

' år ? = år T

gä est dénommé indi

ce de perte

s, car il c

aractérise l

lectrique.

Le produit dissipé e dans le dié

Fig. I.4 : Circuit électrique équivalent série Fig. I.5 : Circuit élec trique équivalent parallè le

I.2.4.4 Rigidité diélectrique Er [8]

a rigidité

L diélectrique est la propriété d' un diélectrique s'opp oser à la décharge

ive.

disruptive. Cette valeur s'évalue par l'intensité du champ électrique susceptible de c onduire à la décharge disrupt

itions relatives des conducteurs et

de la surface des matériaux on di

stingue:

champ électrique appliqué est

Suivant les pos

· La rigidité diélectrique transvers ale, pour l a quelle le erpendicu

p laire aux surfaces principales du matériau ;

·

sur une

La rigidité diélectrique longitudinale, obtenue entre deux conducteurs situés ême surf

m ace de l'iso lant.

Fig. I.6: Cellule de mesure de rigidité dié lectrique : ( a) isolants gazeux ; (b ) isolants so lides et
liquides

I.2.4.5 Décharge disruptive [8]

Le développe ment de la décharge disruptive ou perforation diélectri que à l'intérieur des matériaux isolants solides est lié à un ou une association des ph énomènes suivants :

· Décharge intrinsèque ;

· Décharge thermique ;

· Décharge partielle.

8

On peut citer d'autre cau ses secondaires découlant des précédentes, tels que les effets électro chimiques et chimique s de détério ration de l' isolant.

I.2.4.5.1 Décharge intrinsèque

La décharge intrinsèque est due à la présence d'électrons libres, apte à se déplacer dans l'isolant. Il existe deux types de décharges intrinsèques : l'une dite à haute température, l'autre dite à basse température. Frohlich et Whitehead s'appuyant sur la structure des bandes d'énergie ont établit les relations théoriques liées à ces types de décharge intrinsèque.

Le phénomène de décharge disruptive intrinsèque se manifeste préalablement par une caractéristique du courant à travers l'isolant présentant une saturation très nette à partir d'une certaine valeur de la tension.

Ce phénomène de saturation s'explique par le fait que le courant à travers l'isolant ne dépend pratiquement (décharge dépendante ou non autonome) que de nombre, bien déterminé et invariant, d'électrons libres dans l'isolant.

I.2.4.5.2 Décharge thermique

Les pertes diélectriques dues à la conductivité non nulle des diélectriques génèrent une énergie thermique inférieure, égale ou supérieure aux possibilités d'évacuation thermique par conduction ou convection thermique du diélectrique. Si l'énergie produite est supérieure à la dissipation du diélectrique dans les conditions de refroidissement données, la température du diélectrique va augmenter entraînant sa dégradation thermique progressive par décomposition chimique et fusion. La décharge thermique se distingue de la décharge diélectrique ou partielle par le fait que sa durée est supérieure (de 1 minute environ à plusieurs heures ou même plusieurs années).

I.2.4.5.3 Décharge partielle

Les matériaux isolants de qualité technique comportent toujours des inclusions de particules étrangères et des vacuoles gazeuses. Lorsque ces isolants sont soumis à une certaine tension alternative à fréquence industrielle on constate que le champ électrique plus élevé dans les vacuoles gazeuses E_g que dans l'isolant Ei (Fig. I.7).

Etant donné la continuité du vecteur induction électrique dans un milieu non ionisé à l'état initial, on trouve :

E_g E1

En~

~ (I-9)

En~

Ces apparai s

que cel le qui entraineraient la

De ux

· D'une part la permittivité relative fois) que celle de gaz (årg = roportion

p nellement plus élevé;

· D'autre part, la rigidité diélectrique des gaz ue celle d

q es solides.

deux constatations, allant dans l e même se ns, font qu e sent dans les vacuoles des isolants solides pour des ten

perforation du diélectrique solide

facteurs c

ontribuent

à faire apparaitre des décharges partielles dans les isolants :

des isolants solides étant toujours plus élevée (2 à 6

1), le champ élec trique dan s

est nettement plus bass

.

des décharges dites partielles sions 20 à 60 fois plus faibles

e (environ

les vacuoles est

10 fois)

I.2.4.2 P

S

isolants 155 °C ,

représe ntées respe ctivement par les lettre s

ette class

C ification (voir tableau

électriques.

en 8 classe

ropriétés thermiqu es [4]

elon leur aptitude à supporter des températures plus ou moins é levées, on range les

s. Elles correspondent à des températures maximales de 105 °C, 130 °C,

00 °C, 22 0 °C, 240 ° C, et plus que 240 °C. Autrefois , ces classes étaient

A, B, F, H, N. R, Set C.

I.1) est utilisée dans la construction des appareils

180 °C, 2

10

Fig. I.7 : Isolant comportant une inclusion gazeuse

Classe		Définition	105°C
matériaux ou combinaisons de matériaux tels que le coton, la soie et le papier lorsqu'ils sont convenablement intégrés ou recouverts, ou lorsqu'ils sont immergés dans un liquide diélectrique tel que l'huile. D'autres matériaux ou combinaisons de matériaux peuvent être inclus dans cette classe si l'on démontre par expérience ou par des tests approuvés qu'ils ont la même durée de vie thermique à 105 °C. (Auparavant appelée classe A.)		130°C
matériaux ou combinaisons de matériaux tels que le mica, la fibre de verre, l'amiante etc, utilisés avec des substances adhésives convenables. D'autres matériaux ou combinaisons de matériaux peuvent être inclus dans cette classe si l'on démontre par expérience ou par des tests approuvés qu'ils ont la même durée de vie thermique à 130 °C. (Auparavant appelée classe B.)		155°C
matériaux ou combinaisons de matériaux tels que le mica, la fibre de verre, l'amiante etc, utilisés avec des substances adhésives convenables. D'autres matériaux ou combinaisons de matériaux peuvent être inclus dans cette classe si l'on démontre par expérience ou par des tests approuvés qu'ils ont la même durée de vie thermique à 155 °C. (Auparavant appelée classe F.)		180°C
matériaux ou combinaisons de matériaux tels que l'élastomère au silicone, le mica, la fibre de verre, l'amiante etc , utilisés avec des substances adhésives convenables, tels que les résines au silicone. D'autres matériaux ou combinaisons de matériaux peuvent être inclus dans cette classe si l'on démontre par expérience ou par des tests approuvés qu'ils ont la même durée de vie thermique à 180 °C. (Auparavant appelée classe H.)		200°C
matériaux ou combinaisons de matériaux qui ont démontré par expérience ou par des tests approuvés qu'ils possèdent la durée de vie thermique requise à 200 °C. (Auparavant appelée classe N.)		220°C
matériaux ou combinaisons de matériaux qui ont démontré par expérience ou par des tests approuvés qu'ils possèdent la durée de vie thermique requise à 220 °C. (Auparavant appelée classe R.)		240°C
matériaux ou combinaisons de matériaux qui ont démontré par expérience ou par des tests approuvés qu'ils possèdent la durée de vie thermique requise à 240 °C. (Auparavant appelée classe S.)		Plus 240°C
matériaux composés entièrement de mica, porcelaine, verre, quartz et de matériaux inorganiques semblables. D'autres matériaux ou combinaisons de

matériaux peuvent être inclus dans cette classe si l'on démontre par expérience ou par des tests approuvés qu'ils ont la même durée de vie thermique au-dessus de 240 °C. (Auparavant appelée classe C.)

12

Tab I.1 : Classe des isolants selon la température Le tableau I.2 décrit les propriétés de quelques isolants diélectriques

ISOLANT	propriétés électriques		propriétés thermiques		Propriétés mécaniques		notes
	constante diélectrique	température d'opération	conductivité thermique	masse volumique
	år	°C	W/ (m'°C)	kg/m^3
kV/mm							air sec
3	1	2000	0.024	1.29	gaz à		azote
3.5	1	-	0.024	1.25	0 °C		hexafluorure de soufre
30	1	-	0.014	6.6	101		(SF 6)
(à 400 kPa)					kPa		Hydrogène
2.7	1	-	0.17	0.09			Oxygène
3	1	-	0.025	0.43			amiante solide laine
1	-	1600	0.4	2000			d'amiante
1	-	1600	0.1	400			Askarel, Pyranol
12	4.5	120	-	1560			caoutchouc
12 à 20	4	65	0.14	950			époxy
20	3.3	130	0.3	1600 à 2000			huile minérale
10	2.2	110	0.16	860			mica
40 à 240	7	500 à 1000	0.36	2800			Mylar
400	3	150	-	1380			nylon
16	4.1	150	0.3	1140			oxyde de magnésium
3	4	1400	2.4	-			(MgO) papier imprégné
14	4 à 7	120	0.17	1100			polyamide
40	3.7	100 à180	0.3	1100			polycarbonate
25	3.0	130	0.2	1200			polyéthylène
40	2.3	90	0.4	930			chlorure de polyvinyle
50	3.7	70	0.18	1390			(PVC) polyimide
200	3.8	180 à 400	0.3	1100

polyuréthane	35	3.6	90	0.35	1210			porcelaine
4	6	1300	1.0	2400			silicone
10	-	250	0.3	1800 à 2800			téflon
20	2	260	0.24	2200			verre
100	5 à 7	600	1.0	2500

Tab I.2 : Propriétés des matériaux isolants [6]

I.3 Isolateur

I.3.1 Définition [1]

L'isolateur est un composant destiné à maintenir et à isoler une ou plusieurs pièces électriquement conductrices.

Au point de vue électrique, les isolateurs doivent offrir une grande résistance d'isolement afin qu'ils ne soient ni contournés en surface, ni perforés à travers leur masse par les tensions élevées qu'ils ont à supporter normalement.

Au point de vue mécanique, ils doivent être assez résistants pour supporter les tensions énormes dues au poids des conducteurs.

L'isolateur est à considérer comme deux électrodes séparées par un intervalle isolant. Cet intervalle comporte trois zones qui constituent trois isolants en parallèle ayant des comportements différents.

I.3.1.1 L'intervalle d'air

C'est une isolation auto régénératrice : après une décharge électrique, l'air retrouve rapidement ses qualités premières.

I.3.1.2 L'isolant solide

Il constitue l'isolation interne qui est non auto génératrice, c'est-à-dire, si elle est traversée par une décharge, elle est détruite (perforation).

I.3.1.3 L'interface air-isolant solide

C'est la partie de l'isolateur qui attire le plus attention (isolation externe). C'est elle qui détermine la tension de contournement de l'isolateur, notamment par l'influence de l'environnement (humidité, type de pollution,...).

14

En effet, le dimensionnement de l'isolation externe vis-à-vis de la pollution pose un certain nombre de problèmes spécifiques. L'un des plus fondamentaux est la détermination de sévérités de la pollution, là où l'isolation doit être installée. La détermination de la sévérité de la pollution d'une région nécessite la connaissance du type de pollution de celle-ci.

I.4 Barrières isolantes

I.4.1 Introduction

L'air, en tant qu'isolant gazeux, est largement utilisé comme isolation entre électrodes dans la technique de haute tension. Ces électrodes peuvent être soient les parties métalliques sous tension de différents appareillages, soient des conducteurs de lignes aériennes ou des bornes à haute tension dans les laboratoires d'essais.

La majorité des systèmes d'électrodes peut être caractérisée généralement par des géométries à champ électrique non uniforme, comme c'est le cas des configurations pointepointe ou pointe-plan. De toutes ces configurations, seule la géométrie pointe-plan est la plus défavorable en ce qui concerne la rupture diélectrique de l'air.

L'avantage apporté par l'utilisation des barrières isolantes est l'élévation de la rigidité de l'air. Plusieurs études ont été réalisées concernant l'influence des barrières isolantes sur la tension de disruption des intervalles d'air de différentes longueurs. Ces investigations ont montré qu'une telle amélioration serait due surtout à l'uniformisation du champ électrique dans l'espace barrière-plan à cause des charges positives d'espace déposées sur la surface de la barrière en face de l'électrode sous haute tension.

La tension de disruption d'un intervalle d'air avec barrière peut être influencée par plusieurs facteurs à savoir la forme, la nature, la position, les dimensions, le nombre, le degré de sévérité de pollution de la barrière, la distance interélectrode et les dimensions des électrodes mises respectivement sous tension et à la terre ainsi que la nature et la polarité de la contrainte de tension appliquée à l'intervalle d'air en question. Dans ce présent chapitre, nous présenterons et commenterons les résultats essentiels émanant des travaux déjà effectués par plusieurs chercheurs sur les paramètres d'influence d'une barrière sur la disruption des intervalles d'air.

I.4.2 Facteurs d'influence de la barrière sur la rigidité diélectrique de l'air I.4.2.1 Largeur de la barrière

La tension de disruption de l'intervalle d'air pointe-barrière-plan croît avec l'augmentation de la largeur de la barrière. Les phénomènes lumineux observés par le même

, par contre

auteur sur la photo la décharge se fait étapes.

graphie de la décharge
d'une manière directe

montrent que pour le s petites largeurs de la barrière, pour des grandes largeurs elle se fait par

I.4.2.2 Position d e la barrière 'insertion

L d'une barrière isolante dans l'intervalle d'air d'un s ystème d'é lectrodes

tension

pointe- plan, soumis à une haute tension continue ou alternative à fré quence industrielle, entraîne une augmentation considérable de la tension de disruption de celui-ci l orsque la barrièr e est située au voisinage de la p ointe sous haute tension (aux environs de 2 0% de la distance interélectrode pointe-plan). Cette élévation est due e ssentiellem ent à l'allo ngement du canal de la décharge électrique disruptive qui e mprunte un chemin allant de la po inte sous vers le bo rd de la barrière isolante puis du bord de cel le-ci vers l e plan mis à la terre (Fig. I. 14). L'amé lioration d e la rigidité diélectrique de l'inte rvalle d'air pointe-plan est due au fait que la barrière insér ée dans celui-ci forme un obstacle géométrique à la décharge directe. En effet, l a tension de claquage de l'intervalle d'air du système pointe-barri ère-plan peut être déterminée approximativement à partir de la caractéristique "tension disruptive en fonction de la distance interélectrode" du système pointe-plan en y pre nant la distance dite «distance géométrique» (Fig. I.14) donn ée par la formule I.10:

dgéom

a

^2 + L^2 + a^'

(I.10)

Où:

a = d - a '

Fig. I.8:

Système d'électrodes

pointe-barrière-plan

16

18

I.4.2.3 Epaisseur et permittivité du diélectrique utilisé [9]

Ces deux paramètres ont une influence sur la distribution des porteurs de charges positifs et sur la chute de tension sur la surface de la barrière. Quand ces deux paramètres auront des valeurs importantes, le champ entre la barrière et le plan devient de plus en plus uniforme, mais l'influence de ces paramètres est beaucoup moins importante par comparaison à l'effet de la largeur et de la position.

I.4.2.4 Nature et polarité de la tension appliquée

En 1930, Marx montra qu'une barrière isolante placée dans un champ électrique non uniforme, a une influence sur la forme des décharges apparaissant entre les électrodes pointeplan d'un intervalle d'air égal à 50 cm. Il a montré que lorsque la pointe sous tension impulsionnelle est négative, les décharges apparaissent des deux faces de la barrière isolante et aucune élévation de la tension disruptive n'a été notée. Par contre pour une pointe positive, une amélioration de la tension de disruption de l'intervalle d'air du système a été observée à une position de la barrière égale à 60% de la longueur de l'intervalle d'air pointe-plan.

Si la pointe est soumise à une tension alternative, l'amélioration de la rigidité du système a été remarquée pour des positions de la barrière située entre 20% et 60% de l'intervalle d'air pointe-plan.

I.4.2.5 Matériau de la barrière

M.V. Sokolovski [10] a effectué des mesures des courants de décharges pour des intervalles d'air avec différents matériaux de la barrière. L'analyse des oscillogrammes a montré que chaque impulsion de courant a une structure complexe avec un caractère irrégulier. Les valeurs consignées dans le tableau I.3 ont été obtenues pour une distance pointe-plan égale à 1.5 mm et une tension d'amorçage de l'intervalle de 4,5 kV. Il en découle que la charge déposée sur la barrière (Q_m) est plus forte pour le verre que pour la porcelaine, par conséquent la barrière en verre présente une rigidité diélectrique de l'intervalle du système plus grande que celle apportée par la barrière en porcelaine.

Matériau de la barrière		Paramètres de la décharge (d = 1,5 mm; Ud = 4,5 kV)	Verre
Imax = 100 à 200 mA; Qm = 5nC		Céramique
Imax = 120 à 160 mA; Qm = 1,5 à 2 nC

Tab. I.3: Paramètres de la décharge en fonction de la nature du matériau de la barrière

I.4.2.6 Accumulation de la charge d'espace [9]

L'accumulation de la charge sur une barrière isolante modifie la distribution du champ électrique et les niveaux de tension de claquage. La modification du champ sur la surface peut mener aux décharges glissantes. Il est incontestablement important de comprendre l'influence de cette accumulation sur la distribution du champ dans les systèmes stratifiés (gaz-solide), comme étant un paramètre fondamental pour établir une isolation meilleure. Les techniques optiques sont capables de visualiser et quantifier la charge déposée sur le diélectrique.

M.C. Siddagangapa a utilisé la méthode de simulation de charge pour le calcul du champ et de la tension de claquage. Les résultats sont comparés à une base de données expérimentale obtenue par Nakanishi.

I.4.2.7 Pollution de la barrière

Boubakeur [11] a montré que pour une barrière isolante polluée de conductivité superficielle (ó_s) égale à 1,6 uS, la rigidité diélectrique de l'intervalle d'air du système est pratiquement la même que celle obtenue avec une barrière métallique. De 1975 à 1977, Awad a étudié le comportement des barrières polluées dans des intervalles d'air pointe-pointe de longueur inférieure à 12 cm et pour des tensions alternative à fréquence industrielle et impulsionnelle (23us/3000us). Il a constaté que si la surface polluée de la barrière est en face de la pointe sous tension, la rigidité diélectrique de l'intervalle d'air du système diminue lorsque la conductivité superficielle de la barrière augmente puis tend vers une valeur limite constante pour une conductivité supérieure ou égale à 3uS.

I.4.2.8 Longueur de l'intervalle

Pour les petits intervalles, la rigidité diélectrique de l'air est améliorée surtout pour des positions relativement éloignées des deux électrodes. Pour les longs intervalles et pour des positions de la barrière équivalentes à celles dans le cas des petits intervalles, l'effet de la barrière n'est plus le même. Ceci est dû à l'influence du phénomène physique dénommé `leader, matérialisé par un canal lumineux qui est observé dès que la distance interélectrode dépasse 40 à 80 cm selon les conditions expérimentales.

I.4.2.9 Nombre de barrières isolantes utilisées

Dans le cas d'un système pointe-plan, l'insertion de deux barrières de manière à ce que l'une soit fixe et que l'autre soit mobile, ne change presque pas la tension de claquage par

rapport à celle de l'intervalle d'air ayant une seule barrière. Par contre dans le système pointepointe la tension disruptive augmente de 35% en utilisant deux barrières.

I.4.2.10 Forme de la barrière

Pour une barrière de forme hémisphérique et dont la cavité est en face de la pointe, la tension de claquage augmente de 30 à 45% par rapport à la valeur de la tension de claquage d'une barrière plane.

I.4.2.11 Prédécharges

La propagation des streamers ne mène pas nécessairement à la rupture de l'intervalle d'air, mais ceci influe sur sa tenue diélectrique. Les décharges préliminaires accélèrent le vieillissement de la barrière, comme elles augmentent la quantité de la charge superficielle qui facilite les décharges glissantes.

Des mesures ont été effectuées aussi par M.V. Sokolova [10], sous une tension alternative

dont la valeur efficace est de 4,5 kV, pour deux situations différentes (Tab. I.4):

- L'une pour une barrière propre lavée avec de l'alcool puis avec de l'eau distillée;

- L'autre pour la même barrière après trente heures de vieillissement sous une décharge

électrique. Après la décharge, la surface de la barrière devient chargée.

Nature de la surface de la barrière	Imax (+) (mA)		Imax (-) (mA)	Surface propre
1750	1700		Surface chargée
730	430

Tab. I.4: Courants des décharges électriques

Imax (+) et Imax (-) sont les valeurs maximales des courants des micros décharges correspondant aux deux polarités des demi périodes de la tension appliquée.

I.4.2.12 Barrières trouées

La majorité des études effectuées sur l'influence de la barrière isolante ont montré que cette barrière joue surtout le rôle d'un obstacle géométrique au développement direct de la décharge disruptive.

Il a semblé à A. Boubakeur [12] que l'influence de la charge spatiale déposée sur la barrière est secondaire. Pour vérifier cela, il a consacré une partie de son travail à l'étude de l'influence des trous centrés au milieu d'une barrière isolante positionnée à des différentes

distances entre la pointe et le plan dans le cas des longs intervalles. Le but de sa recherche est non seulement la vérification, si l'hypothèse de l'obstacle géométrique reste valable pour la barrière trouée, mais aussi la vérification si la charge électrique sur la barrière aurait un rôle important. L'ensemble des constatations tirées sont comme suit :

- Quand la barrière est percée, la tension disruptive de l'intervalle, pointe-barrière-plan tend à diminuer lorsque le diamètre du trou augmente, à la limite elle devient égale à celle de l'arrangement `'point-plan» pour des trous suffisamment grand (>30mm).

- Le chemin suivi par la décharge disruptive passe généralement par le bord de la barrière pour des trous de faible diamètre et elle passe par le trou lorsque le diamètre limite de celui-ci est de 1cm.

I.5 Conclusion

En pratique, on est très vite amené à constater qu'il n'existe aucun diélectrique simple, qui remplisse toutes les caractéristiques suivantes simultanément :

· Une permittivité élevée ;

· Des pertes électriques les plus faibles possibles ;

· Une rigidité diélectrique très élevée ;

· Un niveau de décharges partielles très bas.

En conséquence on recourt à des associations de diélectriques (isolant solide, liquide et gazeux) formant des isolations composites où chaque élément est chargé d'assumer un rôle particulier. On utilise par exemple pour notre travail l'air et le verre

Il est donc nécessaire d'étudier le comportement des caractéristiques électriques et diélectriques composites tant homogène qu'hétérogène (imprégnation).

L'introduction d'une barrière isolante à surface propre entraîne une augmentation de la tension disruptive des intervalles d'air pointe-plan. Cette variation est influencée par des paramètres caractérisant la position, la forme, la nature, les dimensions, le nombre et le degré de pollution de la barrière mais aussi la longueur de l'intervalle, les dimensions des électrodes principales ainsi que la nature et la polarité de la contrainte de tension appliquée au système. Techniquement et économiquement parlant le dimensionnement de l'intervalle d'air pointe-barrière-plan doit être optimisé en fonction des paramètres suscités.

20

II.1 Introduction

L'étude des décharges électriques présente de l'intérêt d'un point de vue industriel pour les problèmes lies à l'isolement et à la protection des réseaux de transport et de distribution d'énergie (ligne à haute tension, transformateurs, générateurs....) ainsi plusieurs études et ouvrages se sont intéressés à leur compréhension.

Très vite, les chercheurs ont tenté de faire le lien avec la décharge de foudre afin de mieux comprendre ses mécanismes et de mieux s'en protéger. En effet celle-ci est responsable d'un grand nombre de destruction d'équipements électrique et électronique (de plus en plus sophistiqués et donc de plus en plus fragiles) tant sur les installations industrielles que domestiques. D'ailleurs, leurs études ont démontré une similarité entre la foudre et les décharges superficielles.

Une décharge électrique (ou étincelle) est instantanée pour l'oeil humain et s'accompagne d'un claquement sec et violant. Mais en réalité, cette étincelle, qui correspond au passage de l'état isolant à l'état conducteur de l'air, ne se produit pas de façon instantané mais avec un retard qui dépend essentiellement de la valeur de la distribution et de l'évolution

temporelle du champ électrique ainsi que d'autres facteurs qui sont liés à l'environnement ^oüelle se produit.

Les décharges superficielles (ou glissantes), qui feront l'objet de la présente étude, sont des décharges électriques qui apparaissent à la surface d'un isolant solide placé dans un gaz ou liquide isolant.

II.2 Types de décharges

Les caractéristiques électriques des décharges dépendent fortement de la géométrie des électrodes. On classe celle-ci en trois familles qui induisent des comportements électriques et des applications différentes.

II.2.1 Décharges pointe-pointe

L'utilisation de pointes métalliques pour l'étude des décharges est assez courante. Cela est dû à l'effet de pointe, qui permet d'obtenir localement un champ intense (au niveau des pointes et des angles métalliques). Ce champ intense favorise le claquage électrique des gaz. C'est pour cela que l'on utilise des pointes comme paratonnerre et que la machine de Watson était équipée d'une pointe.

L'utilisation de pointes a l'avantage de stabiliser le lieu de la décharge puisqu'on est sûr du
point de départ et du point d'arrivé de celle-ci (mais rien n'impose que le trajet entre ces deux

point s oit une lign e droite). C

on n'utilise que rarement cette

e sont souvent des dé charges entre deux électrodes mé talliques, configuration avec des décharge s à barrière diélectrique .

[13]

le chemin

nnaît de

stable ; c'

est à dire q

'on ne peu t pas prédi re

n peut dis tinguer troi s

sférés et l

peut être in

c mais qu

parcouru. O

s non tra n

ointe-pla n

arcs dont

point de départ de l' ar

n ni même

a le chemin

cs transfé

elles différ

es arcs gli s

transférés s

à de très hautes temp ).

cs transfé rés ou non

ue l'on c o

quel sera

types de d sants, qui

ont utilisé s

le point écharge ont des tous les courants

l'aide de

ératures, à

transféré est un arc
l'électrode utilisée p

rés, les arc

entes. Les ar

pour obtenir des gaz s centaine s d'Ampère s

ré : un arc

pointe est

der (Fig. I I

zone de s

.1). Il arrive qu'on utilise un gaz

oudage (protection contre les oxydation s

fondament alement le trajet de l'arc qui va naturellement

II.2.2 Décharges p

e sont de

C s manièr e certaine l e

d'arrivée sur le pl

pointe- plan : les ar

utilisati ons industri deux e n sidérurgi e important (plusieur

> Arc transfé

oudure. L

s a

étal à so

m u

pointe-pl an utilisé c ouramment pour la ar le soud eur et le pl an est la p laque de

sous press ion pour pr otéger la ) mais c ela ne cha nge pas d'une élec trode à l'au tre.

Fig. II

.1 : Arc tra nsféré

et arc est le

centre du

plus sou vent). La di

dispositif et le plan e st le tube
fférence e ssentielle avec l'arc

> Arc non tr ansféré : la pointe de c ui entour

q e la pointe (cathode l e

qui crée

récédent

p est que celu i-ci est sou fflé par un flux de ga z (gaz plas magène), ce

n arc proj

u eté (jet de plasma) ; c 'est une to rche à plas ma. La plu part du tem ps, on se

ert de ce

s type de dispositif pour réalis er des dép ôts de mé taux sur différents

atériaux

m (figure II.2) .

Fig. II.2

: Arc non

t ransféré

des électro

lan (figure

par un co ur

du soufflag

cas, on ch erche à fair e glisser l' arc en le so ufflant le

ne configu

u ration géo métrique de décharge plan-plan

sont des dispositifs à arc gli ssant, géné ralement
ble intensi té ; l'allon gement de la longueur de l'arc

tensions él evées relat ivement à c elles qui

uire à des

> Décharge glissante : d ong d'une l

ou pointe- p
aractérisé

c s

qui résulte

seraient obtenues sans

a ns certain s des, dans II.3). C e ant de fa i e peut con d

soufflage.

Fig. II.3 :

Décharges

glissantes

II.2.3 Décharge plan-plan [1

3]

es décha

L rges plan-pl

an sont ra r

(figure connaît sur ces

II.4). En e ni le point

électrodes

ffet, dans l
de départ d

, on n'obt

électrodes : on ob s

plusieurs arcs app ar

erve un ar

aissant et d

e cas d'u ne e la déchar g ient pas

c unique s e isparaissa nt

entre élec trodes mé talliques

s, on ne

parfois,

ement de s décharge s utilisatio n d'électro des métalli ques plane e, ni le po int d'arrivé e et, sans t raitement p articulier un arc ho mogène, ré parti sur t oute la sur face des déplaçan t dans l'es pace interél ectrode, ou dans ce même espace.

Dans l a plupart de diélectr ique côté dé une dé charge ho m import antes (dizai n

qui sont

itif, il est b

e de déch ar

ement fai b

s décharg e

an. Ce typ

d'une c o

lus facile d

n jeu des

es centaine

s cas, on charge. Av ogène sur e(s) de kV )

pour de s sections de
autre, p our la prod u

l'ordre d e ction d'oz o

utilise des

ec ce type

tout le pl

et des co ura 10 cm²). O

ne.

électrode s de dispo s

nts relativ n utilise ce

recouverte s eaucoup p ge met e les (quelqu s à barrièr e

uche de
'obtenir
tensions
s de mA
diélectrique, entre

seuil, le g az

par col lision entr e phéno mène lié à l a déchar ge électriqu e

Les

Les

Mais c e n'est pas le cas dans la prés ence des ra yonnement s

contien nent toujou rs une cert aine quantit é de charge s

L'a pplication d'un cha mp électriq ue entraîne

l'appar ition d'un courant do nt la valeur

que le champ app liqué est f aible, le ga z

électriques

sont in fluencés p ar différent interpr étation se fa it à base de

> Théorie de > Théorie d u

certain

gaz sont de bons isola nts s'ils so nt mis hors

la réalité p uisque cet i cosmique s et solaires

décharges

Townsend

libres.

le déplacement de ces charges, donc

dépend de celle du champ électrique. En e ffet, tant

garde ses qualités d '

une condu ctivité supérieure due à

les parti cules, les électrons et les photons qui y s ont créés. C transition d'un gaz de l'état isolant à celui de conducteur que l'o n

.

streamer.

présente

.

présentent plusieurs régimes différents des un

s paramètres (électri ques, géométriques et deux modèles qui sont :

d'atteinte des agents ionisants e xtérieurs. solement e st impossible à faire, de fait de ainsi que de la radio activité naturelle. Ils

isolant, mais en dépassant un

une ionis

ation qui s'

extérieurs)

s des autres et qui

et leur

effectue

'est ce appelle

23

Fig. II.4 : E lectrode d e décharge

	à barrière diélectrique
II.3 Not ions éléme ntaires sur les déchar ges dans l		es gaz

II.3.1 Théorie de Townsend
n consid

O ère un gaz

[14, 15, 16 ]
entre deux

ue E, la d

présence d'un champ électri q

suivant : Un électron soumis une accélération, acquiert une

électrodes planes, distantes de d (figure II.5). En écharge de Townsend apparaît selon le mécanisme à la force du champ électrique (F= q .E) qui lui communique énergie. C elle-ci est suffisante à partir d'un e certaine valeur du collision une particule neutre du gaz, les nouveaux électrons tour au mé canisme d'ionisation des autres molécules neutres e avalanche électroni q ue. Pour exprimer l'ac

champ électrique,

produis

sur une distance

crées vont particip

nt ainsi u a n

à ioniser par

er à leur

coeffici ent de Townsend) qui dépend de gaz.

croissement des électrons dNX

premier (

ssion du

dx, Towns end a intr oduit le coefficient de multipl ication á la nature du gaz, du champ local et de la pre

Fig. I

I.5 : Effet de Townsend

(II-1)

En tenant compte qu'à x=0, N X=N0

Alors

(II-2)

Où : N 0 N est le Si d est

est le taux de production d'électrons primaires par seconde.

nombre d' électrons produit par avalanche.

est donné p ar l'express ion :

la distance interélectrode, le courant mesuré

(II-3)

25

L'étude expérimentale menée par Townsend montre que le courant i augmente plus rapidement que prévu par la relation (II-3). A partir d'une certaine distance (d=dC)_, et en raison du phénomène d'ionisation secondaire, à la cathode il se produit une émission d'électrons supplémentaires dus aux ions positifs laissée par l'avalanche primaire. Ces ions bombardent la cathode et produisent d'autres électrons, ce phénomène est traduit par le deuxième coefficient de Townsend y.

Ce coefficient dépend de la nature du gaz interélectrode et particulièrement de la nature du matériau constituant la cathode, le nombre total d'électrons atteignant l'anode est donnée par l'équation suivante :

~~~ ~~~~

~ ~ ~~ ~~~·~~~~~~~~~~~ (II-4)

Le courant collecté à l'anode est donné par l'expression suivante :

exp (ad)

i = i0~~~·~~~~~~~~~~~ (II-5)

y: Le 2^ème coefficient de Townsend dépend de rapport de(E /_P), aussi du matériau dont est

faite la cathode et la nature du gaz.

La distance (dC) d'amorçage (de claquage oil rupture diélectrique) du gaz ressort de la condition :

ã · (exp(ádC) -- 1) = 1 (II-6)

Or: exp(ad) >> 1 ce qui permet d'écrire l'équation (I-6) de la façon suivante :

y · (exP(adc)) = 1 (II-7)

Pour chaque valeur de(E/_P), on trouve une valeur (dc) et donc une tension de rupture diélectrique est :

VC = EdC (II-8)

Si (E), n'est pas uniforme entre les électrodes, (a) varie et le critère de claquage s'exprime :

y
· [exp (f o dc oc d ) -- 1] = 1 (II-9)

Le phénomène d'attachement sera pris en compte dans les zones à faible champ, il est caractérisé par le coefficient (ì) qui est définit comme étant le nombre d'électrons qui sont captés par des molécules neutres par unité de longueur.

Le coefficient d'ionisation apparent est dans ce cas ar = a -- kt.

Un autre phénomène peut être considéré, c'est le phénomène de détachement des molécules par collisions qui s'ajoute au processus a. Il est caractérisé par un autre coefficient æ (coefficient d'attachement collisionnel).

Le coefficient net effectif d'ionisation est:

ar = a -- kt + ~ (II-10)

II.3.2 Théorie du Streamer [17, 18]

Une série d'observations expérimentales montre qu'il se produit des phénomènes peu compatibles avec le mécanisme d'avalanche de Townsend, parmi ces observations :

> La décharge qui apparaît lors de l'amorçage du gaz à des pressions et tensions élevées est l'étincelle électrique qui se présente sous la forme discontinue de canaux lumineux étroits ramifiés et réguliers.

> Le potentiel d'amorçage ne dépend pas du matériau constituant la cathode.

> Le claquage se produit dans un temps plus court que celui nécessaire au transit des

ions positifs, en raison de leur faible mobilité quand la pression est élevée

Dans le cas ou la pression est très élevée, la théorie de Townsend n'est pas valide, ceci a conduit à la proposition d'une autre théorie dite la théorie de streamers.

La vitesse des électrons étant environ cent fois supérieure à celle des ions positifs c'est la formation d'une structure bipolaire ayant :

· Une région (vers l'anode) à forte densité d'électrons.

· Une région (vers la cathode) à forte densité d'ions positifs.

Le champ électrique est fortement perturbé par ces charges d'espace. Si ces densités sont importantes, un nouveau mécanisme est déclenché (le streamer).

Selon Meek [19], trois conditions sont exigée pour qu'apparaisse un streamer :

·

27

Production de photons très énergétiques en tête de l'avalanche principale

· Possibilité d'ionisation des molécules de gaz au voisinage de la tête de l'avalanche

· Charge d'espace suffisante en tête de l'avalanche principale pour que soient générée

des avalanches secondaires adéquates dans le champ électrique renforcé.

La taille critique de l'avalanche qui donne naissance au streamer est définie par plusieurs critères, Meek a conclu que l'avalanche peut se transformer en streamer si le champ de charges d'espace EC des ions positifs est sensiblement égal au champ appliqué. Par contre Reather [20] postula que si le nombre de charges d'avalanche principale atteint 10⁸ à 10¹⁰ électrons sous une pression atmosphérique, l'avalanche peut se transformer en streamer. Le temps de développement du streamer est de 10 - 8 s par contre celui prévu par Townsend est de l'ordre de 10 - 5 s.

II.3.2.1 Aspect et constitution d'un streamer [21]

Le streamer apparaît sur une photographie statique comme un étroit filament lumineux. L'émission lumineuse provenant essentiellement des photons créés en tête du streamer, l'aspect filamentaire résulte de l'intégration de cette lumière au cours du temps. Le streamer avance approximativement dans la direction du champ appliqué. Cependant du fait de la nature aléatoire des mécanismes de photo-ionisation, les photoélectrons sont produits non seulement en tête de streamer dans la direction du champ maximal, mais aussi dans une direction radiale par apport à son avancement. Il peut même donner naissance à plusieurs branches secondaires, si des photoélectrons produits simultanément dans des directions opposées créent des avalanches de tailles comparables. La vitesse de propagation est de l'ordre de 10⁸ à 10⁹ cm /s ce qui excède notablement la vitesse des électrons ( 10⁷ cm /s).

En fait la vitesse de propagation du streamer et celle des électrons ne sont pas liées l'une à l'autre puisque l'avancement du streamer résulte plutôt de l'efficacité du processus de multiplication électronique au sein d'une avalanche que de la vitesse des électrons eux- mêmes.

II.3.2.2 Influence de la polarité

II.3.2.2.1 En polarité positive [21]

Pour une géométrie pointe positive-plan présentant un haut degré de non-uniformité, un streamer se développant à partir de la pointe positive se propage rapidement dans une zone où le champ appliqué est très faible. Une telle propagation n'est possible que sous l'effet du champ de charge d'espace qui est alors prédominant. Il faut noter que la propagation d'un

streamer n'entraîn e champ uniforme.

plus néce

ssairement

le claquage

de l'intervalle, comme dans le c

as d'un

II.3.2.2

développement d'un
la propagation d'un

.2 En pola rité négative [21]

our une g

P éométrie p ointe négative-plan, on observe é galement le

queue de l'avalanche

o

. En A, un

développe

dans un

difie local ement le

streamer

B une av

alanche sec

ondaire s e

Un streamer rétrograde, analogue à celui nche seco

a ndaire et se propage ve rs la tête

développ

cathode en même

ant sous l'effet du

streamer partant de la pointe. La figure (II.2) représ ente schématiquement streamer négatif. Une avalanche se forme à partir de la cathode et se champ appliqué décroissant rapidement. La charge d'espace ainsi créée m champ électrique, l'augmentant à la fois en tête et en positif dit « streamer rétrograde » se développe alors en direction de la temps qu'un photon crée en champ de charge d'espace de l'avalanch e primaire. qui s'est déjà formé en A, se crée en queue de l'aval de l'avalanche primaire.

Fig. II

.6 : Dévelo ppement d'

un streamer négatif

s par les les ions

à partir d e

des électro n

propagean t

nt extraire e

ositifs créé
eutralisent

e streamer

es success

et donnen

mer un e xcédent de où les aval anches se d

, les ions p

hode, qui

t n

gatives. Il

la cathode

s de la ca

charges n é

éveloppent

négatif se

ives vienn

t au stre a

er positif,

end beauc

ce du stream

ns le se n

nt mainte n

ent. Il s'en s

es de force

'anode da ns le sens

rt que la p

a ropagation

faut noter qu'à la du streamer, c'est

hes secondaires se

e d'espac e décroît

s où le ch

amp de ch

ace croît,

arge d'esp

ant vers l

où l'effet d du streamer

oup plus

uit d'une p

du champ

moins de

appliqué,

valanches

d'autre part que le d
ance rapi de du cha mp

et présente

éveloppe ment des a

électrique. Le dern

ier phénom

ns que le streamer

est rédu it par la

ène expli que que l a tension

L

avalanc h

positifs

différe n

à-dire da

propag e

rapidem

des lign

positif, décroiss

vers la têt e les avalanc

e la charg

négatif dép

ramificati o

secondaire s

nécess aire au déve loppement

soit plus grande e n

des streamers et à l'obtention de la

en polarité positive.

décharge

entre les él

ectrodes

polarité négative qu'

décharge

roche en

ds interval

r un canal électrode

é, se met à croître, s

L'effet co uronne se

7), et de p

pace inter conditions

l'effet co u

moyen à l 'amorçage

ence d'un nouveau

expérim entales. L orsque les ronne so nt suffisamment dév e

s'échauffe

i bien qu e tout se p

trouve do nc déplacé proche, c e canal s'a

travers er compl ètement l

analogue que se dé

'intervall e

coup de fo

interéle c udre.

trode. C

'est par u

n mécani

veloppe un

II.4 D écharge de type leader

a tenue

L diélectriqu e des gran

40cm e

particip

contenu électron l'électr o

dans l' i

s que l'e s

elon les arition de

interél ectrode. Si le champ électrique pour 30cm. Ce ci est dû à l'infl u dénom mé leader. Il est matérialisé p a qui est observé dè t 80cm s

ntervalle

ent à l'ap p dans le tronc commun de la ique, sa c onductivit de s'était allongée. (figure II.

les d'air diminue avec la distance
est encore de 4,5 kV/cm
phéno mène phys ique
de quelqu es millimèt res de dia mètre
dépasse u ne valeur comprise entre
streamers qui
loppés, le gaz
sous l'acti on du co urant
asse com me si
plus en avant
llonge jusqu'à
sme

Fig. II.7 : Dé

veloppeme

nt leader

uniforme

uniforme

[22] , lorsque le streamer

est crée, le champ

II.5 Dé charge éle ctrique en champ non Dans un champ électrique E non

électrique appliqué doit pouvoir entrete nir sa propagation.

i, au-delà

S de la distance critique x_c, ce champ électrique décroît en-deçà d'une valeur

29

E_c infé rieure à 5 kV/cm, aucun streamer (ni positif, ni négatif) ne peut se développer à travers

courtes di

stances, de

0 à x_c, c'e st-à-dire

. Si le cham

l'espace i n

ourquoi il

avec point e positive (

p électri q

terélectro d

est plus fa c

anode) qu e

ue est co mpris entre 5 et 20
e, alors q u'un stream er meurt

ile de prov oquer une d écharge

dans le m ême éclate ur avec

tout l'e space inter électrode, mais seule ment sur de dans la zone préférentielle ( figure II.8) kV/cm, un streamer positif traverse tout avant d 'atteindre l 'anode. Ce ci explique p dans un éclateur pointe-plan pointe négative.

Fig. II.8 : Eclateur po

inte-plan av ec propaga tion d'un st reamer

II.6 Dé charges co uronne [2 2]

es éclateu

L rs en cham p électriqu e non unifo rme sont ca ractérisés p ar une déc harge qui

est touj ours initiée au droit d e l'électrod e où le ch amp électri que est le p lus intense , c'est-adire ce lle qui pos sède la plu s grande a cuité géom étrique (plu s petit ray on de cour bure). Sa polarité joue donc un rôle im portant.

Les déchar g

partiell es ou inc omplètes, même à d e

incomp lète et déc harge com plète se sit ue en géné ral pour d e

l'ordre de 2,5 foi s le rayon de courbur e de l'élect rode d'où e

ces déch arges parti elles sont i nitiées à l'i nterface d e

décharges couronne.

ne sont pas

nécessair ement com plètes. Elle s peuvent n 'être que
s tension s élevées. La transiti on entre décharge

interélect rodes de

es initiées

Lorsqu e

appelle

s distance s st issue la décharge partielle. l'électrod e et du ga z, on les

ire son no

'effet de ur cylindr

tour de seuil.

apparaît a u une valeur

aine lumin mp électri a q

m de la g

rsque le ch

le rayon lo

hes électronique se

ans la dé c
ent vers l

derrière e

lles une

laissant

nne négat i s un cham

ve (voir fi gure(II.9)),

p électriq ue décroiss

euse qui ue y attei nt les avalan c

a nt,

couronne t

ique de faib

harge cou ro
'anode da n

qui les ral entit jusqu' seuil de l' ionisation.

à une distance critique r0 où le A cette distance, les électrons l'air, qui deviennent des ions harges d' espace de polarités

charge d 'espace, au lieu de tage lors qu'on s'approche de

courbe sans charge

la catho de et décro ît lorsqu'on

champ (c électrique

ourbe ave c croît davan

de l'anode

az électro négatif) de égative. Les deux c

charge d'espace (ions) près d e la cathode
champ électrique est inferieur au champ
s'attac hent aux molécules d' oxygène ( g
négatifs créant une charge d'espace n
opposé es modifie nt la confi guration d u
d'espace) : le champ
s'approch e

Fig.

II.9 : Effet

couronne à

pointe négative

Trois m odes de déc harge cour onnent :

1. Mode impulsions de Trichel

La déc harge partielle est dés amorcée qu and le champ électrique effectif tombe sous la valeur du champ critique. Après disparition de la charge d'espace, o n retrouve le champ é lectrique appliqué, plus éle vé, et le cycle recommence. Ce processus produit des impulsions de courant couronne mises en évidence par Triche l. Leur durée est de l'ordre de quelques dizaines de nanose conde. Leur fréquenc e, qui dépend de la gé ométrie de la cathode et de la pression du gaz, augmente avec la tension appliquée. L'intervalle de temps entre deux impulsions success ives est de l 'ordre de 1 à 100 ìs.

2. Mode lueurs négatives non imp ulsionnelles

31

Si le champ élec trique est suffisant pour transporter rapide ment la charge négative vers
l'anode , les impulsions de Trichel n'apparaissent pas, la dé charge se présente sous forme

33

d'une lueur négative. De plus, les ions positifs prennent suffisamment d'énergie au champ électrique pour bombarder la cathode et expulser un grand nombre d'électrons vers le gaz.

3. Mode streamers négatifs

Si le champ électrique augmente encore, l'expulsion de la charge d'espace est telle que les avalanches se transforment en véritable streamer négatifs. Ces décharges partielles par streamer se propagent loin dans la région oil le champ électrique est faible dans l'éclateur. Leur extension augmente avec la tension appliquée. Ces streamers engendrent des impulsions à basse fréquence dans le courant de décharge.

II.6.1 Seuil d'effet couronne [15,23]

On entend par seuil d'effet couronne, la valeur du champ pour laquelle il y a apparition brusque d'une conductivité de l'air au voisinage immédiat d'un conducteur soumis à une tension croissante. Pendant longtemps, la loi de Peek qui date de 1929 a été généralement employée pour l'évolution du champ seuil E_s d'effet couronne. Elle est donnée par l'expression suivante :

0,308

E_s = 31
· m
· 6 (1 + ^,R R kV/cm (II-11)

o

V S
·

Avec m : le facteur d'irrégularité géométrique de l'électrode centrale dépendant de l'état de surface du conducteur.

R0 : Rayon de l'électrode active.

m=1 : Pour un conducteur poli (lisse).

m=0,3 : Pour un conducteur toronné.

8 : La densité relative de l'air donnée par la formule :

6 = P

760 Avec P : Pression du gaz en mm Hg. 0: Température en °C.

293 X 273+0(II-12)

II.6.2 Effet de couronne en tension alternative

Lorsque la fréquence du courant alternatif est de 60 Hz, la durée de chaque alternance est de 8.33 ms. Par ailleurs la disruption se complète normalement en un temps de 10 - 6 à

10 - 8 s. On voit donc que lorsque la disruption a lieu, le changement de polarité d'un champ électrique alternatif ne peut plus interrompre le phénomène.

En ce qui concerne la différence des influences des champs de deux types (alternatifs et continus) sur l'ionisation, cela dépend de la distance de décharge. La distance maximale dmax entre les électrodes pour laquelle les charges produites pendant la première alternance sont encore évacuées avant que la polarité du champ soit inversée, est égale:

d~~~ ~ tE0

2iuf (II-13)

Où: ì : est un coefficient, en cm²/V. s ;

E0 : est le champ de seuil de l'effet de couronne, en V/cm ;

F : est la fréquence, en 1/s.

Si d> _dmax, les ions positifs ne réussissent pas à rejoindre la cathode avant le changement de la polarité. Même les ions négatifs produits pendant l'alternance positive n'atteignent pas l'électrode chargée positivement avant que la polarité soit inversée. Ces ions, étant repoussés cette fois par l'électrode chargée négativement, se dirigent vers la région dont le champ est de plus en plus faible, ils ne seront plus évacués. L'importante quantité de charges d'espace en tension alternative encourage les modes de décharge sans impulsion à se produire à des tensions plus faibles que celles observées en tension continue. Il y a donc très peu de streamers.

II.7 Les Paramètres influant sur le développement de la décharge

II.7.1 Présence des particules conductrices dans l'air

Les particules existant dans l'intervalle d'air pointe-plan sont responsables des modifications des conditions de décharge. La présence de particules conductrices réduit la rigidité de l'air. Un champ uniforme, relativement faible, peut déplacer des objets fins métalliques d'où la décharge est initiée par des micro-décharges produites par ces particules quand elles sont proches des électrodes. A.Sumuila et L.Dascalescu [24], ont analysé les conditions de décharges en présence de petites particules conductrices sphériques, de rayon R et de masse m, sous l'effet du champ E de décharge de couronne pour un système pointe-plan avec une polarité positive.

II.7.2 Influence de la pollution de l'air

Les études menées par Kaluzny.A.j [25] Sous un champ uniforme et non uniforme, permettent de noter les constatations suivantes :

> La rigidité diélectrique de l'intervalle d'air dépend de la concentration des impuretés de l'air (par exemple impuretés industrielles), comme elle dépend largement de l'humidité. La rigidité diélectrique augmente en présence d'impuretés pour des valeurs de l'humidité comprise entre 11g/m³ et 13,1g/m³ et inversement si l'humidité est supérieure à 13,1g/m³.

> La rigidité diélectrique de l'air polluée diminue en augmentant la distance inter électrode.

II.8 Conclusion

Les décharges dans l'air sont résumées en deux théories ; la théorie de Townsend pour des tensions faibles et la théorie du streamer pour des tensions élevées.

Dans le cas de configuration d'électrode pointe-plan, le champ électrique est non uniforme, la décharge se manifeste sous forme de décharge couronne. Dans ce cas le système est divisé en deux zones ; la zone d'ionisation au voisinage de la pointe où le champ électrique est très élevé et la zone de dérive où le champ électrique est très faible.

Dans le cas de configuration d'électrode pointe-pointe, le champ électrique est intense. Ce champ intense favorise le claquage électrique des gaz. L'utilisation de pointe a l'avantage de stabiliser le lieu de la décharge puisqu'on est sur du point départ et point d'arrivé.

Nous constatons aussi qu'il existe d'autres paramètres qui influent sur la décharge électrique tels que; la présence des particules conductrices dans l'air, le type de matériaux de la pointe et la pollution.

35

37

39

III.1 Introduction

La pollution est introduite par l'homme, directement ou indirectement sous forme de substances ou d'énergie dans l'environnement qui entraîne des conséquences préjudicielles de nature à mettre en danger la santé humaine, à nuire aux ressources biologiques et aux systèmes écologiques, à porter atteinte aux agréments ou à gêner les autres utilisations légitimes de l'environnement.

Sans oublier que dans le domaine d'électrotechnique la pollution constitue un sérieux problème dont il faut tenir compte lors du dimensionnement de l'isolement des lignes de transport et de l'appareillage haute tension. En effet, les dépôts polluants qui recouvrent les surfaces isolantes peuvent engendrer une diminution considérable de la tension de tenue des isolateurs. Ils peuvent dans les cas les plus critiques, conduire à un contournement total des isolateurs, ce qui constitue la situation la plus grave, car conduisant à la mise hors service de la ligne. La connaissance du degré de pollution est par conséquent une condition préalable et indispensable pour apprécier le niveau de l'isolement des ouvrages installés sur site, en vue de dimensionner convenablement l'isolation.

III.2 Définitions

III.2.1 Couche de pollution

C'est une couche conductrice électrolytique mise sur la surface de l'isolateur. Elle est composée du sel et des matériaux inertes.

III.2.2 Degré de pollution

Valeur de quantité (salinité, conductivité de la couche, densité du dépôt de sel) qui caractérise la pollution artificielle appliquée sur l'isolateur en essai.

III.2.3 Salinité

La salinité est définie comme la concentration du sel dans l'eau. Elle correspondant à la masse de sel divisée par le volume de la solution, généralement exprimée en kg/m³.

III.3 Sources de pollution

Du fait de la variété des origines de la pollution, la nature de celle-ci peut être classée en trois catégories, à savoir la pollution naturelle, industrielle et la pollution mixte.

III.3.1 Pollution naturelle

La pollution naturelle provient:

· Des sels marins dans les régions côtières.

· Des poussières du sol (notamment lors de chantiers importants ou des régions agricoles).

· Des sables véhiculés par le vent en régions désertiques.

III.3.1.1 Pollution marine

Les installations situées en bord de mer sont exposées aux embruns portés par le vent et qui se déposent progressivement sur les isolateurs, formant une couche de pollution de sel qui devient conductrice lorsqu'elle est humidifiée par le brouillard ou simplement par condensation. Un courant de fuite s'établit alors à travers la couche superficielle et des arcs électriques peuvent prendre naissance. Dans certaines conditions, ils se développent jusqu'à provoquer le contournement total de l'isolateur.

III.3.1.2 Pollution désertique

Parmi les phénomènes qui caractérisent la nature désertique, figure le vent de sable. Celui-ci induit des dépôts de sable sur les surfaces des isolateurs. De la même façon que précédemment, lorsque ces dépôts sont humidifiés, les couches de sable deviennent plus au moins conductrices à cause de l'existence de sels dans le sable. Après, nous assistons aux mêmes phénomènes constatés dans le cas précédant.

III.3.2 Pollution industrielle

Le problème de la pollution industrielle concerne les lignes qui passent près des zones industrielles (les fumées dégagées par des usines, raffineries, cimenteries, minerais .... etc.), près des grandes villes (les gaz d'échappement des véhicules) ou près des terrains agricoles (les engrais utilisés en agriculture).

III.3.3 Pollution mixte

Ce type de pollution est le plus dangereux ; c'est la résultante de l'existence de différents types de pollution dans la même zone, comme dans le cas des zones industrielles se trouvant en régions côtières [26].

III.4 Impact de la pollution

Les couches polluantes qui s'accumulent à la surface des isolateurs engendrent une conductivité électrique superficielle. Celle-ci modifie la répartition du potentiel le long de la ligne de fuite. La tension de rupture diélectrique de l'air peut être atteinte entre deux points de la surface isolante entrainant l'amorçage d'un arc électrique qui court-circuite une partie de la ligne de fuite.

III.4.1 Arc non localisé

L'arc électrique s'éteint rapidement puis, se réamorce à un autre endroit et ainsi de suite. Il y a apparition de courants de fuite entrainant une petite perte d'énergie, généralement supportable par le réseau de distribution.

III.4.2 Arc fixe

L'arc électrique se fixe sur la surface de l'isolateur, soit en s'y maintenant (courant continu) soit, en se réamorçant au même endroit (courant alternatif). Cet arc peut entraîner par effet thermique une dégradation du support isolant de l'élément défaillant.

III.4.3 Contournement des isolateurs pollués

Généralement, les principaux phénomènes conduisant au contournement d'un isolateur pollué, soumis à la tension de service, comprenant la formation d'une couche électrolytique conductrice par humidification du dépôt de pollution sur la surface de l'isolateur, ce qui entraine l'apparition d'un courant de fuite accompagné de la formation d'une bande sèche et d'arcs partiels, et la propagation de l'arc qui peut couvrir tout l'isolateur.

Le contournement des isolateurs sous pollution peut être décomposé en quatre étapes distinctes.

Etape 1: Dépôt de la pollution

Les particules du dépôt sont apportées par le vent et se concentrent entre les nervures ou autour du capot. Les facteurs d'accumulation sont les suivants :

· La nature, le poids et la taille des particules polluantes.

· La distance de l'isolateur par rapport à la source de pollution et par rapport au sol ^d'oüpeut provenir des poussières.

· La vitesse du vent.

· L'orientation de la chaine. La forme de l'isolateur et son aptitude à l'auto-nettoyage par les fortes pluies et vents.

Etape 2: Humidification de la pollution

Le brouillard et la pluie fine humidifient la couche polluante, provocant la dissolution des sels contenus dans le dépôt et créant un électrolyte conducteur sur la surface de l'isolateur. Un courant de fuite prend naissance.

Pendant le cycle d'humidification, le courant de fuite augmente jusqu'à une valeur maximale, mais diminue s'il y a assèchement. Le niveau du courant de fuite dépend du temps, de la nature et de la quantité des sels.

Etape 3: Développement des zones sèches et apparition d'arcs

Par effet joule, la température s'élève, l'eau s'évapore et le dépôt devient moins conducteur. Le courant de fuite est alors très réduit en amplitude par la présence d'une bande sèche. La répartition du potentiel sur l'isolateur est modifiée par cette bande sèche, car la plus grande portion du potentiel électrique se trouve reportée à ses bornes. Si cette bande sèche est insuffisante pour supporter le potentiel correspondant, un arc est créé.

Etape 4: Comportement des arcs

La résistance du dépôt humidifié non court-circuitée par l'arc limite le courant et la longueur de l'arc. Si le courant est trop faible, l'arc s'éteindra, la bande sèche s'humidifiera à nouveau et le mécanisme se répètera encore. Tant que le courant de fuite n'excède pas "le courant critique" correspondant à "une longueur critique" de l'arc, cette situation reste stable. Dans le cas contraire, le contournement de l'isolateur peut survenir.

III.5 Sévérité de pollution d'un site

Le dimensionnement de l'isolation externe vis-à-vis de la pollution pose un certain nombre de problèmes spécifiques. L'un des plus fondamentaux est la détermination de la sévérité de la pollution là ou l'isolation doit être installée [26].

La mesure de cette sévérité est indispensable pour assurer un service sans défaillance dans un site pollué.

III.5.1 Mesure de la sévérité de pollution d'un site

Dans ce qui suit, nous passerons en revue différentes méthodes de mesure largement employées, basées sur des théories et des données expérimentales, dont certaines sont encore controversées [26]. Dans ce cas, les principales méthodes qui ont été proposées pour mesurer la sévérité d'un site sont :

III.5.1.1 Densité du dépôt de sel équivalent (DDSE)

La DDSE est le dépôt équivalent exprimé en mg de sel par cm² de la surface d'un isolateur, qui a une conductivité électrique égale à celle du dépôt réel lorsqu'il est dissous dans la même quantité d'eau.

Des échantillons de pollution sont prélevés à la surface de l'isolateur ou d'autres collecteurs. Le dépôt est récupéré par lavage en utilisant un matériau absorbant (coton, mouchoir en papier,...) et de l'eau distillée. A partir de la conductivité de la solution obtenue de la surface utilisée de l'isolateur, du volume d'eau et de sa température, on peut calculer la DDSE.

Pour déterminer la sévérité du site, les mesures doivent être répétées avec une fréquence suffisante pour obtenir les niveaux entre les périodes de lavage naturel.

Cette méthode permet d'établir une relation avec les méthodes d'essais sous pollution artificielle, ce qui est un avantage à prendre en considération. Elle présente en outre certains inconvénients tels que les fréquences de prélèvements, les fluctuations de l'humidité et l'amorçage des arcs électriques qui ne sont pas pris en compte.

III.5.1.2 Conductance superficielle

La conductance superficielle des isolateurs témoins, installés sur site, est obtenue à partir du rapport du courant électrique qui traverse l'isolateur, à la tension d'alimentation de

l'isolateur témoin (tension de service)G = 1/i,. La conductivité superficielle est obtenue en

multipliant la conductance G par un facteur de forme de l'isolateur.

Cette méthode est donc un paramètre qui caractérise l'état global de la surface isolante (niveau de pollution et degré d'humidification de la couche), lequel détermine la performance de l'isolateur.

Ainsi, la mesure de la conductance superficielle est une méthode satisfaisante pour évaluer la sévérité de la pollution d'un site. Elle peut être représentative d'un type de site étudié, mais en général elle présente des résultats dispersés [27].

III.5.1.3 Mesure optique

Dans le but de déterminer l'épaisseur de la couche polluante disposée sur la surface de l'isolateur, un dispositif à rayon laser permet à partir de rayons réfléchis (amplitude, décalage de phase, etc.) de calculer la constante diélectrique et l'épaisseur de la couche. La mesure de sévérité de la pollution peut ainsi se faire sans toucher à cette couche.

III.5.1.4 Mesure de la pollution de l'air

Les mesures de la pollution de l'air s'effectuent sur une période de temps donnée et permettent d'évaluer l'intensité et les caractéristiques de la pollution de l'air dans un site.

Les méthodes de mesures adoptées partent du principe qu'en ce qui concerne le phénomène de contournement, une corrélation peut être établie entre l'analyse physicochimique de l'air d'un site donné et la sévérité de la pollution de ce même site [28].

III.5.1.5 Densité du dépôt non soluble (DDNS)

Elle correspond à la quantité de dépôts polluants non solubles présents dans une couche de pollution. Elle s'exprime en mg/cm².

La mesure de la DDNS s'accompagne souvent d'une analyse physicochimique de la pollution, au terme de laquelle les sources polluantes peuvent être identifiées [29].

III.5.2 Classification des sites pollués

Pour définir l'isolement des lignes de transport et d'établir la corrélation entre la salinité et les niveaux de pollution naturelle, quatre classes de sévérité ont été définies selon la norme CEI 81-5 qui sont : faible, moyenne, forte et très forte (Tab. III.1).

41

Faible 0.06 mg/cm^2	· ·		Zones sans industries et avec faible densité d'habitations équipées d'installation de chauffage Zones avec faible densité d'industries ou d'habitations mais soumises fréquemment aux vents et/ou pluies.
·	Régions agricoles.
·	Régions montagneuses.		Moyenne 0.20mg/cm^2
·	Zones avec industries ne produisant pas de fumées particulièrement polluantes et/ou avec une densité moyenne d'habitations équipées d'installation de chauffage.
·	Zones à forte densité d'habitation et/ou d'industries mais soumises fréquemment à des chutes de pluies.
·	Zones exposées aux vents de mer, mais trop proches de la côte.		Forte 0.60mg/cm^2
·	Zones avec forte densité d'industries et banlieues de grandes villes avec forte densité d'installations de chauffage polluantes.
·	Zones situées près de la mer, ou en tout cas exposées à des vents relativement forts venant de la mer.		Très forte > 0.60 mg/cm^2
·	Zones généralement peu étendues, soumises à des fumées industrielles produisant des poussières conductrices.
·	Zones généralement peu étendues, très proches de la côte et exposées aux embruns ou au vent fort et polluant venant de la mer.
·	Zones désertiques caractérisées par de longues périodes sans pluie, exposées aux vents forts transportant de sable et du sel soumis à une condensation régulière.

Tab. III.1 : Classement de degré de pollution selon CEI 815

III.6 Méthodes d'essais sous pollution

Afin de comparer les performances de divers types d'isolateurs et de sélectionner ceux qui présentent le meilleur comportement sous pollution, il est nécessaire de les soumettre à des essais. Pour effectuer ces essais, nous distinguons deux principales méthodes d'essai à

savoir les essais sous pollution naturelle et les essais sous pollution artificielle. Ces essais peuvent être effectués dans les conditions naturelles (sur site) ou au laboratoire.

III.6.1 Essais sous pollution naturelle

Ces essais consistent à installer dans différents sites pollués, des stations dans lesquelles on suit le comportement d'un certain nombre de chaînes d'isolateurs. Comme la pollution naturelle est un phénomène à évolution lente, l'essai sous pollution naturelle peut prendre jusqu'à deux ans ou trois ans. La qualité d'isolement des isolateurs placés sous la même tension est déterminée en fonction de temps au contournement.

La diversité de la nature des agents polluants impose ce type d'essais pour étudier séparément les principales sources de pollution et leur impact sur l'isolement des ouvrages.

Cependant, l'inconvénient majeur de ces essais est la durée des expériences qui est relativement longue. C'est pourquoi des méthodes de laboratoire furent proposées et sont largement utilisées.

III.6.2 Essais sous pollution artificielle

Les essais au laboratoire sont basés sur la reproduction de la couche de pollution par des solutions réparties à la surface de l'isolateur et dont la conductivité peut être modifiée. Afin de valider les essais sous pollution artificielle, il a été nécessaire de comparer les performances des isolateurs testés au laboratoire à celles des isolateurs en exploitation dans des conditions naturelles de pollution. Une première approche consiste à rechercher une méthode qui simule le mieux possible les conditions naturelles de pollution, en tenant compte de la répartition non uniforme de la pollution. Une deuxième approche consiste à rechercher une méthode de laboratoire susceptible de fournir des résultats reproductibles, afin de faciliter la comparaison des performances des différents types d'isolateurs [28].

III.6.2.1 Méthode des couches solides

Dans ces méthodes la surface isolante est recouverte par pulvérisation d'une couche de pollution solide constituée de chlorure de sodium et d'un agent liant inerte. La conductivité de cette suspension est réglée par addition d'une certaine quantité de chlorure de sodium.

Si l'humidification s'effectue après application de la tension (méthode du brouillard à vapeur), le paramètre de sévérité est défini par la densité de dépôt de sel en mg/cm². Si l'humidification a lieu avant l'application de la tension, le paramètre de sévérité est défini par

43

la conductivité de la couche polluante. Certains chercheurs ont utilisé une peinture semiconductrice comme agent polluant.

III.6.2.2 Méthode du brouillard salin

La surface isolante est alimentée par une tension de service, maintenue constante durant tous les essais et soumise à un brouillard salin. La solution saline, utilisée dans la méthode du brouillard salin, représente assez bien la pollution marine contenant un peu de matière insoluble, ou bien la pollution industrielle ayant une couche de pollution relativement mince.

Le degré de salinité exprimé en kg de sel par m³ de solution, définit le paramètre de sévérité. Les valeurs de salinité appliquée en référence aux conditions de pollution sont choisies selon une progression allant de 2,5 à 160 kg/m³.

III.6.2.3 Méthode de la pollution liquide

Elle est appelée aussi « méthode de la méthylcellulose » et s'apparente à la méthode de la couche solide lorsqu'un mélange liquide est déposé sur l'isolateur avant l'essai ; cependant, la pollution reste humide durant l'essai. Elle est constituée d'eau, de craie et de méthylcellulose ou de kaolin. La conductivité désirée est obtenue par addition de chlorure de sodium.

Après quelques minutes d'égouttage, on applique la tension d'essai à l'isolateur. Il est important de signaler que la couche polluante n'est pas humidifiée en cours d'essai. Ainsi, après quelques minutes d'essai, les courants de fuite assèchent la couche et la probabilité de contournement décroit rapidement.

III.7 Techniques de lutte contre la pollution

Pour un niveau de pollution donné, une bonne conception des lignes basée sur des mesures de sévérité de pollution permet de prévenir, autant que possible, les incidents lorsque la ligne est en service. Mais un changement dans les données d'un site est toujours possible, c'est-à-dire même un dimensionnement initialement correct peut s'avérer insuffisant dans certaines conditions [30]. Les différentes méthodes utilisées consistent à :

III.7.1 Allongement de la ligne de fuite

Il permet d'adapter le dimensionnement aux nouvelles conditions de pollution. Deux techniques sont employées :

·

Le changement de type d'isolateurs (pour allonger la ligne de fuite) : c'est une opération très coûteuse et souvent impossible à réaliser en poste.

· L'utilisation de prolongateurs de ligne de fuite en matériaux polymères, qui sont collés sur la surface des isolateurs existants [31].

III.8.2 Utilisation des isolateurs plats (auto-nettoyables)

L'utilisation d'isolateurs plats conduit à la diminution de la ligne de fuite des isolateurs. En effet, ces derniers sans nervures ont la propriété d'accumuler moins de pollution que les isolateurs traditionnels et s'auto-nettoient très bien sous l'effet du vent. Ils sont principalement utilisés dans les régions désertiques [32].

III.8.3 Graissage des isolateurs (couches hydrophobes)

Grâce à ses propriétés hydrophobes, le graissage protège temporairement les isolateurs. La longévité du graissage dépend à la fois de l'environnement (pollution, conditions climatiques) et de la qualité intrinsèque du produit. Elle est généralement comprise entre 1 et 4 ans. Le graissage est largement utilisé dans le monde, mais l'opération de nettoyage puis de graissage est pénible, longue et coûteuse. Elle nécessite, par ailleurs, une interruption de service [30].

III.8.4 Revêtements à base de silicones

Cette méthode consiste à appliquer, par pulvérisation ou au pinceau, un caoutchouc silicone qui se vulcanise à température ambiante à la surface des isolateurs. Comme pour le graissage, grâce à ses propriétés hydrophobes, ce revêtement protège et améliore leur tenue sous pollution. Par contre sa longévité est, en général, nettement supérieure à celle du graissage.

III.8.5 Nettoyages sous ou hors tension

Le nettoyage manuel (essuyage à sec de l'isolateur) ou le lavage hors tension, peuvent être utilisés de façon périodique, en particulier dans les postes. Comme ces méthodes sont utilisées hors tension, elles entraînent nécessairement des interruptions de service parfois assez longues.

Le lavage sous tension permet d'éviter ces coupures. Dans son principe, ce type de lavage
permet de garder propre l'isolateur. Ce dernier est réalisé à l'aide d'installations fixes ou
mobiles. Dans ces cas, il est effectué selon des règles strictes concernant la qualité de l'eau de

45

lavage, le processus de lavage et les distances de sécurité à respecter afin d'éliminer tout risque de contournement pendant le lavage.

Le nettoyage des isolateurs à l'aide d'un abrasif pulvérisé sous pression est une technique utilisée dans certain pays (Amérique du Nord en particulier). Cette technique permet le nettoyage d'isolateurs recouverts de pollution très adhérente (ciment, par exemple) et peut être utilisée pour dégraisser les isolateurs.

III.9 Conclusion

La pollution est un facteur essentiel dont il faut tenir compte dans la conception des lignes électriques de haute tension.

L'amorçage à la surface d'une barrière isolante polluée dépend de plusieurs paramètres. Pour représenter les conditions naturelles qui provoquent l'amorçage sous pollution, plusieurs techniques d'essais au laboratoire ont été mises en oeuvre.

La méthode d'essai sous pollution artificielle est largement utilisée. Elle consiste à reproduire au laboratoire les conditions de la pollution naturelle, ainsi qu'elle possède l'avantage d'être rapide.

Pour mieux dimensionner les chaines d'isolateurs, il est indispensable de connaitre la sévérité de la pollution des sites concernés. La connaissance de cette sévérité consiste à étudier les différents paramètres qui définissent l'état de dégradation de l'isolation.

Les techniques de lutte contre la pollution actuellement connues (graissage, lavage, nouveaux types d'isolateurs, revêtements hydrophobes...), permettent de disposer aujourd'hui de solutions curatives à la plupart des problèmes de pollution rencontrés par les exploitants sur le réseau.

IV Par ti
IV.l In tr
L
barrièr e s
suit no u
électriq ue
la déch ar

entale

e chapitre ité diélec

rons les te c rvalle d'air ue.

r expérimen

'influence de l'épaiss eur d'une

sion alternative. Dans ce qui expérimental, les paramètres

e, ainsi qu e la visualisation de

talement l

air sous te n

dispositi f

t/ou pollu é

e expéri m oductio n e but de c ur la rigi d s présent e s de l'int e ge électriq

est d'étudie

trique de l'i ntervalle d' hniques de mesure, le avec barri è re propre e

xpériment ales

46

IV.2 Techniques e

IV.2.1 Dispositif expérimental et circuit d'alimentation

otre expé

N rimentatio n est réalisé e dans une cellule de mesure au laboratoire de haute

tension de l'unive rsité Abde rrahmane Mira de Bejaia. La cellule est co mposée d'un circuit d'alimentation, d' un modèle expérimental contenant deux systèmes d' électrodes : pointebarrièr e-plan et p ointe-barriè re-pointe (Fig. IV.1), et d'un dispositif de mesure. Le dispositif expérimental répond aux exigences de la publication CEI160/1.

Fig. IV.1 : Modèle expérimental

Le circuit de mesure est composé d'un transformateur (Tr) qui peut dél ivrer au secondaire une tension allant de 0 à 13 0kV; un diviseur de tension capacitif (C01 = 0.1çF et

Cb= 41 .

résistance de protection (R=10

4çF), un voltmètre de

lon le mesure , se montage é

AC/DC:

lectrique, des hautes

6k?) pour

crête (Ûcr)

limiter le c

(MU11), à

ourant (Fig

tensions alternatives

. IV.2).

affichage digital permettant la

ou continues, une

Fig. IV.2 : Circuit de mesure de la tension d'amorçage et de visualisation

IV.2.2 Modèle exp érimental L e modèle expériment

al est comp

osé de deux

systèmes

d'électrodes :

·

Une ti ge pointue, une barriè re plane et une tige po intue (Fig. IV.3).

· Une ti ge pointue, une barriè re plane et un plan (Fi g. IV.4).

'électrode

L haute tension est con stituée d'un tube cylindrique en bronze, de diamètre

égal à 6mm, terminé par une pointe conique ayant un angle de 30°, de rayon de courbure égal à 0.4214 8 mm. Le déplacement horizontal de la pointe est assuré par un guide en bronze.

'électrode

L mise à la terre compre nd :

· un plan en bronze mm et d'épaisseur

· un tube cylindriqu e

courbure égal à 0. 5 guide en bronze.

de Ø=50 mm

e= 8 mm.

en bronze

mm, un autre plan de

Ø=100

et d'ép aisseur e= 8

de Ø= 6mm, ayant un angle de è = 30° et de rayon de 004 mm. Le déplacement horizontal de la pointe est assuré par un

48

La distance interélectrode est fixé à d = 4 cm et les barrières isolantes utilisées sont en verre de forme rectangulaire de largeur et d'épaisseur différentes. Nous caractérisons la largeur de la barrière par l= 4, 8 et 12 cm, l'épaisseur par eb= 6, 12, 18, 24, 30 et 40 mm.

Fig. IV.3 : Configuration « pointe-barrière-pointe >>

Fig. IV.4 : Configuration « pointe-barrière-plan >>

IV.2.3 Circuit de mesure de la tension d'amorçage

La tension d'amorçage de l'intervalle d'air est affichée au niveau du voltmètre de crête dont le rapport du diviseur capacitif est fixé au préalable par les valeurs des capacités du diviseur.

IV.2.4 Visualisation de l'arc

A l'aide d'un appareil numérique, La naissance, le chemin et la propagation de l'arc peuvent être visualisés.

IV.2.5 Mode opératoire

Avant chaque essai, la barrière isolante doit être bien rincée avec l'eau dont la conductivité est inférieure à celle de la couche de pollution puis séchée à l'aide du papier absorbant. Les électrodes sont fixées à l'aide d'un guide en bronze et entre elles se trouve la barrière isolante.

Lors de l'essai sous pollution l'épaisseur de la barrière est fixée à 4 cm et on fait varier la conductivité superficielle, la configuration de la pollution, la largeur de la barrière et la géométrie des électrodes.

Le modèle d'essai est déposé horizontalement sur un isolateur support en bois, ce modèle expérimental se trouve ainsi placé à environ un mètre du sol et à une distance suffisamment grande du transformateur d'essai, pour éviter tout phénomène parasite dû au sol et au bobinage du transformateur.

IV.2.6 Préparation de la solution polluante

La solution polluante est préparée à partir de l'eau distillée et de kaolin; avec les proportions suivantes :

40g de kaolin pour un litre d'eau distillée auxquels on rajoute des petites quantités de sel pour varier la conductivité de la pollution. Ainsi nous fixons la conductivité de la solution ionique à la valeur désirée, grâce à un conductimètre, qui affiche la conductivité de la solution ramenée à la température ambiante 20°C.

Les valeurs de la conductivité volumique sont 50uS/cm, 1500uS/cm, 5000ìS/cm, 10500 uS/cm, 15000 uS/cm, 20500 uS/cm et celles de la conductivité superficielle sont respectivement de 1.607uS, 2.927uS, 4uS, 5.215 uS, 6.463 uS et 7.84 uS. A chaque essai, la conductivité est vérifiée et ajustée afin de garder les mêmes caractéristiques de la pollution.

IV.2.7 Variante et technique d'application de la pollution

Les surface polluées de la barrière sont les suivantes : toutes les faces, faces HT et terre, côtés et face terre, côtés et face HT, face HT, côtés, face terre.

La couche de pollution est appliquée sur la barrière à l'aide d'une éponge sur la quelle on apporte une quantité de pollution constante durant tous les essais.

50

IV.2.8 Procédé d'essai

Après préparation de l'objet d'essai, nous procédons à la mesure de la tension de claquage de l'intervalle d'air du système pour le cas propre et pollué. Il est à noter que la valeur mesurée est la moyenne de vingt à vingt cinq essais.

Les conductivités superficielles des barrières polluées correspondant aux conductivités volumiques de solution polluante sont mesurées par une sonde mobile SLM10.

IV.2.9 Correction des résultats de tension en fonction des conditions atmosphériques

La tension de contournement des isolateurs électriques de haute tension est étroitement liée aux conditions climatiques, à savoir, la température, la pression et l'humidité de l'air environnant.

La valeur de la tension de contournement, dans les conditions normales de température ambiante, de pression et d'humidité (è°= 20°C, P°= 100kPa et H°=11 g/m³), est donnée par la relation suivante :

ec0 =KH
· e_c (IV.1)

Kd

Û_c: Tension de contournement à la température 0, à la pression P et à l'humidité H ;

Ûc0: Tension de contournement dans les conditions normales de température è°_?, de pression P° et d'humidité H°.

Kd: Facteur de correction relatif à la température et à la pression ;

KH: Facteur de correction relatif à l'humidité.

2.93.P

Kd = (IV.2)

(273+9)

P : Pression en kPa ;

0 : Température en °C.

Pour calculer le facteur de correction KH, relatif à l'humidité, une transformation de l'humidité relative exprimée en % vers l'humidité absolue exprimée en (g/m), est nécessaire, car KH est donnée en fonction de cette dernière. L'abaque de la Figure (IV. 5), donne la transformation de l'humidité relative à l'humidité absolue, en fonction de la température. La valeur de l'humidité absolue lue sur l'abaque IV.5 est reportée sur l'abaque de la Figure (IV.

6), pour déduire KH .

Fig. IV

.5 : Transformation de

l'humidité relative e

n humidité

absolue

Fig. IV.6: Facte ur de correction en fonction de l'humidité ab solue

Exemp le de calcul :

5 cm, l=12 cm, eb=12 mm et à la position a/d=10%.

orrection s uscitées et les abaque s ci-dessus (Fig. IV.5 et Fig.

Pour un système p ointe-barrière-plan Øp = T=18° C, P=1010hPa, H_r=48 % , Û_c=81.05 6 kV En util isant les fo rmules de c IV.6), on trouve :

52

KH= 1.04

Kd= (2.93*P)/(273+T) Kd=1.0169

Uc0= (KH/ Kd)* U_c U_c0=82.9 kV

IV.3 Paramètres d'influence de la disruption de l'intervalle d'air

IV.3.1 Barrière propre et sèche

Nous avons utilisé le terme "surface propre" pour caractériser les surfaces isolantes non recouvertes d'une couche étrangère, par comparaison aux surfaces recouvertes d'une couche de pollution. Ces surfaces sont pratiquement propres et nettoyées avec de l'eau distillée.

Pour étudier l'influence d'une barrière isolante à surface propre sur la tension de claquage de l'air dans une configuration d'électrodes pointe-barrière-plan et pointe-barrièrepointe, nous présentons en premier lieu l'influence de la position de la barrière, ensuite celle sa largeur et de son épaisseur.

IV.3.1.1 Position et largeur de la barrière

Les barrières isolantes utilisées sont de largeurs 4cm, 8cm et 12cm et d'épaisseurs 6mm. Les positions de la barrière sont définies par le rapport a/d (%), où a est la distance entre la pointe sous tension et la barrière et d la distance interélectrode. Cette distance prend différentes valeurs entre 0 et 4cm. Les rapports a/d choisis sont : 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% et 100% pour différentes géométries d'électrodes planes de diamètre O=5 et 10 cm.

IV.3.1.1.1 Configuration pointe-barrière-plan

Sur les figures (IV.7) et (IV.9), sont représentées les allures de la tension de claquage U_c en fonction du rapport a/d, pour des barrières de différentes largeurs.

Pour le diamètre du plan Op= 5 cm, il résulte de la Fig. IV.7 que quelle que soit la largeur de la barrière, la valeur maximale de la rigidité diélectrique du système est obtenue quand la barrière est au voisinage de la pointe c'est à dire à environ 10% de la distance pointe-plan (a/d=10%). A partir de ce point, elle décroît pour se rapprocher de celle de l'intervalle sans barrière.

tc (kV)

40

90

80

70

60

50

30

0 20 40 60 80 100

sans barrère l= 12cm l=8 cm l=4 cm

a/d (%)

Fig. IV.7 : Tension de claquage en fonction de la position de la barrière propre et sèche (øp=
5 cm)

Fig. IV.8: Chemin de la décharge dans l'intervalle pointe-barrière-plan pour différentes
largeurs de la barrière propre (øp=5cm, a/d=10%)

54

Pour le diamètre du plan Øp= 10 cm, il découle de la figure IV.9 que quelle que soit la largeur de la barrière, la rigidité diélectrique est maximale à a/d=10%, à partir de ce point, elle tend à se rapprocher de celle du système sans barrière.

Uc (kV)

40

90

80

70

60

50

30

0 20 40 60 80 100

sans barrière l=4 cm l=8 cm l=12 cm

a/d (%)

Fig. IV.9 : Tension de claquage en fonction de la position de la barrière (Øp= 10 cm)

Fig. IV.10: Chemin de la décharge dans l'intervalle pointe-barrière-plan pour différentes
largeurs de la barrière propre (a/d=10%, Øp=10 cm)

Il ressort de la visualisation du développement de la décharge électrique dans cet intervalle d'air que l'augmentation de la tension de claquage du système est liée surtout à l'allongement du canal de la décharge principale. Ce canal est généralement un chemin allant de la pointe vers le milieu de la barrière, du milieu vers son bord et puis de son bord vers le plan. Les photographies des figures (IV. 8 et IV.10) illustrent clairement l'allure du chemin suivi par la décharge disruptive.

Il est à remarquer dans les figures (IV.7 et IV.9) que lorsque la largeur de la barrière augmente la tension de claquage augmente et par conséquent la rigidité diélectrique de l'intervalle d'air croît. Ceci peut être expliqué aussi par l'augmentation de la longueur du canal de la décharge principale avec la croissance de la largeur de la barrière.

IV.3.1.1.2 Configuration pointe-barrière-pointe

Uc (kV)

90

80

40

70

60

50

30

20

10

0

0 20 40 60 80 100 120

l=4 cm l=12 cm l=8 cm

a/d (%)

Fig. IV.11 : Tension de claquage en fonction de la position de la barrière propre (eb=6 mm)

Uc (kV)

120

100

80

40

60

20

0

0 5 10 15 20 25

pointe-pointe Uc=f(d)

d (cm)

56

Fig. IV.12 : Tension de claquage en fonction de la distance interélectrode

tabitsb

0,5

2,5

1,5

0

2

1

0 20 40 60 80 100 120

l= 12 cm l= 8 cm l = 4 cm

a/d (%)

Fig. IV.13 : Efficacité du système en fonction de la position a/d

Fig. IV.14: Chemin de la décharge dans l'intervalle d'air pointe-barrière-pointe pour
différentes largeurs de la barrière propre (a/d=10%)

Le résultat obtenu en figure IV.11, montre que les barrières de largeur e= 4cm, 8 cm et 12 cm présentent une rigidité diélectrique maximale à la position a/d= 10% et à partir de ce point, celle-ci diminue jusqu'à la position 50%.

L'efficacité d'un système est définie comme étant le rapport des tensions disruptive du système avec et sans barrière (Ûab/Ûsb).

Pour déduire les courbes de la figure (IV.13), on a utilisé la méthode suivante :

· Calcul de la distance géométrique à chaque position de la barrière (figure IV.3) 2

d_gé_s, = ja² + (^l)² + j(d )² + + eb (IV.3)

₂ -- a -- eb

2

· Calcul les tensions de claquage sans barrière à partir de la distance géométrique. D'après la figure (IV.12) la rigidité diélectrique est linéaire en fonction de la distance interélectrode.

Il résulte dans la figure IV.13 que l'efficacité du système est supérieure à 1, alors la barrière influe clairement sur la rigidité du système.

Le canal de la décharge est un chemin plus long allant de la pointe HT vers le milieu de la barrière puis du milieu vers le bord ensuite du bord vers le milieu de sa surface côté terre et de ce

58

point vers la pointe à la terre. L'augmentation de la tension de claquage peut être expliquée par cet allongement du canal de la décharge. Les photographies de la figure IV. 14 montrent clairement l'allure du chemin empreinté par la décharge disruptive.

tabitsb

0,5

2,5

1,5

0

2

1

0 2 4 6 8 10 12 14

l (cm)

Fig. IV.15 : Efficacité du système en fonction de la largeur de la barrière

La figure IV.15 explique l'influence de la largeur d'une barrière sur la rigidité diélectrique du système pointe-barrière-pointe, l'efficacité (Ûab/Ûsb) croît avec l'augmentation de la largeur et nous remarquons une amélioration claire sur la rigidité diélectrique lorsqu'on augmente la distance géométrique par rapport à la distance interélectrode.

IV.3.1.2 Epaisseur de la barrière

IV.3.1.2.1 Configuration pointe-barrière-plan

Il découle dans les figures (IV.16) et (IV.18), que le cas où la largeur de la barrière supérieure au diamètre de l'électrode plane la tension de claquage croît avec l'augmentation de l'épaisseur, l'optimum de la tension de claquage est obtenu pour une épaisseur de 4 cm de la barrière. Par contre, lorsque le diamètre de l'électrode terre est supérieur à la largeur de la barrière, la tension de claquage diminue avec l'augmentation de l'épaisseur pour atteindre la valeur qui est similaire à celle de sans barrière.

Uc (kV)

120

100

40

80

60

20

0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

l= 8 cm l= 12 cm

e_b (mm)

Fig. IV.16 : Tension de claquage en fonction de l'épaisseur de la barrière propre (a/d= 10% ;
øp=5 cm)

Fig. IV.17 : Chemin de la décharge dans l'intervalle d'air pointe-barrière-plan pour
différentes largeurs de la barrière propre (eb=4 cm; øp=5 cm)

Uc (kV)

100

40

80

60

20

0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

l= 12 cm l=4 cm

e_b (mm)

Fig. IV.18 : Tension de claquage en fonction de l'épaisseur de la barrière propre (a/d= 10%;
øp=10 cm)

60

Fig. IV.19 : Chemin de la décharge dans l'intervalle d'air pointe-barrière-plan pour
différentes largeurs de la barrière propre (Øp=10 cm; eb=4 cm)

Il résulte de la visualisation de la décharge électrique dans cet intervalle d'air que l'augmentation de la tension de claquage est liée surtout à l'allongement du canal de la décharge principale. Ce canal est un chemin allant de la pointe vers le bord de la barrière puis du bord vers la surface côté terre ensuite vers le plan. Lorsque le diamètre de l'électrode est supérieur à la largeur de la barrière, le canal est un chemin allant de la pointe vers le bord de la barrière ensuite de bord vers le plan et ce canal de la décharge est moins intense. Les photographies des figures (IV. 17 et IV. 19) montrent clairement ces résultats.

IV.3.1.2.2 Configuration pointe-barrière-pointe

Uc (kV)

40

90

80

70

60

50

30

20

10

0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

l=8 cm l=4 cm

e_b (mm)

Fig. IV.20 : Tension de claquage en fonction de l'épaisseur de la barrière propre (a/d= 10%)

tabitsb

0,5

2,5

1,5

0

3

2

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

l=8 cm l=4 cm

e_b (mm)

Fig. IV.21 : Efficacité de la barrière en fonction de son épaisseur (a/d=10%)

Fig. IV.22 : Chemin de la décharge dans l'intervalle d'air pointe-barrière-pointe pour
différentes largeurs de la barrière propre (eb=4 cm)

Dans la figure IV.20, la tension de claquage croît avec l'augmentation de l'épaisseur, le maximum de la tension de claquage est obtenu lorsque la barrière est de 4 cm d'épaisseur. La figure IV.21 explique l'influence de l'épaisseur d'une barrière sur la rigidité diélectrique du système, le rapport (Ûab/Ûsb) croît légèrement avec l'augmentation de l'épaisseur. On constate aussi que l'efficacité de la barrière pour l=8 cm est supérieure à celle de l=4 cm.

Il découle de la visualisation de la décharge électrique dans cet intervalle d'air que l'augmentation de la tension de claquage est liée surtout à l'allongement du canal de la décharge. Ce canal est un chemin allant de la pointe HT vers le bord de la barrière puis du bord vers le milieu de sa surface côté terre et de ce point vers la pointe à la terre. Les figures (IV. 22.1,

62

IV. 22.2) montrent clairement ces résultats.

IV.3.2 Barrière isolante polluée

Le grand écart entre les tensions de disruption du système avec la barrière propre et polluée, nous a conduit à étudier l'influence de la conductivité superficielle de la surface de la barrière polluée sur la performance du système.

Après chaque essai, la barrière est nettoyée avec de l'eau distillée puis essuyée à l'aide d'un papier absorbant et une nouvelle couche polluante est ensuite appliquée sur la surface de la barrière pour l'essai suivant. La distance interélectrode est toujours fixée à 4cm et l'épaisseur à 4cm.

IV.3.2.1 Configuration pointe-barrière-plan

Uc (kV)

49

44

79

74

69

64

59

54

39

34

29

1 2 3 4 5 6 7 8 9

ó_s (ìS)

Face HT polluée Face HT +les côtés pollués

Face terre + les côtés pollués Face terre +face HT polluées

pollution uniforme

Fig. IV.23 : Tension de claquage en fonction de la conductivité superficielle de la barrière

Il résulte dans la figure IV. 23 que la tension de claquage diminue lorsque la conductivité superficielle augmente indépendamment de la surface polluée. Le maximum de la tension de claquage est obtenu lorsque la surface de la barrière en face de l'électrode HT est polluée quel que soit le degré de pollution de la barrière. Il est à remarquer que la rigidité diélectrique du système diminue avec l'augmentation du nombre de surfaces polluées de la

barrière. Le système est moins rigide lorsque la barrière est complètement polluée.

Fig. IV.24.1 : Apparition de l'arc sur la face
HT

Fig. IV.24.2 : Apparition de l'arc sur le ^côté

Fig. IV.24 : Développement de la décharge en pollution uniforme

Fig. IV.25.1 : Apparition de l'arc sur la face
terre

Fig. IV.25.2 : Apparition de l'arc sur toute
la surface de barrière

Fig. IV.25 : Développement de la décharge sur la face HT+Terre

Fig. IV.26: Apparition de l'arc sur la face HT

64

Fig. IV.27.1: Apparition de l'arc sur la face terre		Fig. IV.27.2: Développement de l'arc sur le côté

Fig. IV.27: Développement de la décharge sur la face Terre+côté

Fig. IV.28.1: Apparition de l'arc sur face HT	Fig. IV.28.2: Progression de l'arc sur le côté

Fig. IV.28: Développement de la décharge sur la face HT+côté

La figure IV.24 représente les différentes étapes de la décharge électrique pour une barrière complètement polluée. La décharge commence à se développer sur la face HT, puis sur les côtés après les avoir asséchés partiellement. Les deux arcs électriques partiels finissent par se rencontrer et une fois la longueur critique de l'arc résultant est atteinte, la barrière est contournée, entraînant ainsi la rupture du système. Pour la surface HT+ les côtés pollués de la (fig. IV.28), le phénomène est similaire à celui obtenu en pollution uniforme.

La figure IV.25 montre clairement que lorsque la barrière est polluée sur les surfaces HT+ Terre, la décharge se développe à partir de la face terre ensuite sur la face HT après les avoir asséchées partiellement. Les deux arcs électriques partiels finissent par rencontrer et une fois la longueur critique de l'arc résultant est atteinte, la barrière est contournée, entraînant ainsi la rupture du système.

La figure IV.27 montre que quand la barrière est polluée sur la face terre + les côtés, la

décharge commence à se développer sur la face terre, puis sur les côtés après les avoir asséchés partiellement. Les deux arcs électriques partiels finissent par se rejoindre et une fois la longueur critique de l'arc résultant est atteinte, la barrière est contournée, provoquant ainsi la rupture du système.

Lorsque la barrière est polluée sur la surface HT, la figure IV.26 montre l'apparition de l'arc sur la face HT et lorsque la taille critique de l'arc est atteinte, la barrière est courtcircuitée, engendrant ainsi la rupture du système.

IV.3.2.2 Configuration pointe-barrière-pointe

Uc (kV)

45

40

75

70

65

60

55

50

35

30

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Face HI polluée Face terre + face HI polluées

face HI + les côtés pollués Les côtés pollués

Face terre + les côtés pollués Pollution uniforme

ó_s (ìS)

Fig. IV.29 : Tension de claquage en fonction de la conductivité superficielle de la barrière

La remarque principale à tirer des allures de la figure IV. 29 est la diminution de la tension de claquage avec l'augmentation de la conductivité superficielle. Le maximum est obtenu lorsque la pollution est appliquée sur la surface de la barrière située du côté de l'électrode haute tension, puis la rigidité diélectrique diminue au fur et à mesure que la surface ou le nombre de faces polluées de celle-ci augmente. Le système est moins rigide lorsque toutes les faces de la barrière sont polluées.

Fig. IV.30.1 : Apparition de l'arc sur la face
HT

Fig. IV.30.2 : Développement de l'arc sur un
côté de la barrière

Fig. IV.30 : Développement de la décharge en pollution uniforme

Fig. IV.31.1 : Apparition de l'arc sur la face
terre

Fig. IV.31.2 : Apparition de l'arc sur les trois
faces de la barrière

Fig. IV.32 : Apparition de la décharge sur la face HT

66

Fig. IV.31 : Développement de la décharge sur la face HT+Terre

Fig. IV.33.1: Apparition de l'arc sur la face
terre

Fig. IV.33.2: Développement de l'arc sur le
côté de la barrière

Fig. IV.33: Développement de la décharge sur la face Terre+ côté

Fig. IV.34.1: Apparition de l'arc sur face HT

Fig. IV.34.2: Apparition de l'arc sur le côté

Fig. IV.34 : Développement de la décharge sur la face HT+côté

Fig. IV.35 : Apparition de l'arc sur les trois faces de la barrière

La figure (IV.30) représente les différentes étapes de la décharge électrique pour une barrière complètement polluée. La décharge commence à se développer sur la face HT, puis sur les côtés. Les deux arcs électriques partiels finissent par se connecter et une fois la taille

68

critique de l'arc résultant est atteinte, la barrière est contournée et entrainant ainsi la rupture du système. Pour la surface HT+ les côtés pollués de la figure IV.34 le phénomène est similaire à celui obtenu en pollution uniforme.

La figure IV.31 montre clairement que lorsque la barrière est polluée sur les surfaces HT+ Terre, la décharge s'initie à partir de la face terre ensuite apparaît sur face HT après les avoir asséchées partiellement. Les deux arcs électriques partiels se relient entre eux et une fois la longueur critique de l'arc résultant est atteinte, la barrière est contournée et entrainant ainsi la rupture du système.

La figure IV.33 montre que lorsque la barrière est polluée sur la face terre + les côtés, la décharge commence à se développer sur la face terre, puis sur les côtés après les avoir asséchés partiellement. Les deux arcs électriques partiels finissent par rencontrer et une fois la longueur critique de l'arc résultant est atteinte, la barrière est court-circuitée et provoquant ainsi la disruption du système.

Lorsque la barrière est polluée sur la surface HT, la figure IV.32 montre l'apparition de l'arc sur la face HT et le phénomène se développe de façon similaire que précédemment.

De même lorsque les côtés sont pollués, la figure IV.35 montre l'apparition de l'arc sur la surface côté et met en évidence le début du processus de contournement dans le cas de cette variante de pollution non uniforme.

IV.4 Conclusion

Les résultats émanant de l'étude de l'effet des dimensions d'une barrière isolante propre et/ou polluée sur la rigidité diélectrique du système mis sous tension alternative 50 Hz ont montré que :

> La rigidité diélectrique du système pointe-plan est maximale lorsque la position de la barrière est égale à 10 % d et la rigidité diminue avec l'augmentation de cette dernière. Pour une largeur de la barrière inférieure au diamètre du plan, la rigidité atteint la valeur de celle de l'intervalle sans barrière.

> La rigidité diélectrique d'un système pointe-pointe avec barrière est maximale aux positions 10% d et 90% d.

> L'efficacité des deux systèmes croît avec l'augmentation de la largeur de la barrière insérée.

> La rigidité des deux systèmes augmente peu avec l'épaisseur de la barrière. Cependant pour un diamètre du plan supérieur à la largeur de la barrière, la rigidité du système diminue à une valeur similaire de l'intervalle sans barrière malgré l'augmentation de

l'épaisseur.

> L'efficacité du système croît légèrement avec l'augmentation de l'épaisseur.

> Pour la barrière polluée, la rigidité du système diminue avec l'élévation de la conductivité superficielle et du nombre de surfaces de la barrière polluée. Le système attient une rigidité minimale lorsque la barrière est uniformément polluée.

> Le phénomène du développement de la décharge pour les surfaces HT+les côtés pollués est similaire à ce lui obtenu en pollution uniforme. Lorsque la barrière est polluée sur une seule surface, il y a l'apparition d'un seul arc par contre si on augmente le nombre de surfaces polluées l'apparition est limité à deux arcs.

Conclusion générale

L'objectif principal de notre travail était d'étudier l'effet de l'épaisseur d'un écran pollué sur la rigidité diélectrique d'un système d'électrodes à champ non uniforme sous tension alternative 50Hz.

Les principaux résultats émanant de cette étude expérimentale sont résumés comme suit:

> La rigidité diélectrique d'un système pointe-plan est maximale lorsque la barrière est située à 10% de la distance interélectrode à partir de la pointe sous tension. La rigidité diminue avec l'augmentation de la position de la barrière. Pour une largeur de la barrière inférieure au diamètre du plan terre, la rigidité atteint la valeur de celle de l'intervalle sans barrière.

> La tension disruptive de la configuration pointe-pointe est maximale au voisinage des électrodes HT (10% d) et terre (90% d).

> L'efficacité du système croît avec l'augmentation de la largeur de la barrière en verre.

> La rigidité diélectrique des deux systèmes augmente peu avec l'élévation de l'épaisseur de la barrière insérée. Pour un diamètre du plan supérieur à la largeur de la barrière, la rigidité des deux systèmes considérés diminue à une valeur similaire de l'intervalle sans barrière malgré l'augmentation de l'épaisseur.

> L'efficacité du système augmente aussi légèrement avec la croissance de l'épaisseur de la barrière.

> Il a été constaté que la tension de disruption du système décroît lorsque la conductivité superficielle de la barrière augmente quelle que soit la variante de distribution de pollution appliquée sur celle-ci. Par contre cette même tension est beaucoup plus grande quand la barrière est propre, ce qui explique l'effet négatif de la pollution sur ses performances.

> Le phénomène du développement de la décharge en distribution non uniforme de pollution sur la barrière est quasi-similaire à ce lui obtenu en pollution uniforme. Lorsque la barrière est polluée sur une seule surface, il y a l'apparition d'un seul arc sur celle-ci par contre si on augmente le nombre de surfaces polluées l'apparition est limité à deux arcs au maximum, ensuite survient le contournement de la barrière car l'arc partiel est à ce stade à sa taille critique.

> En réalisant 4390 essais de contournement pendant 75 jours sur les trois barrières en verre, il est normal de penser ici à la performance de l'isolation utilisée dans notre

étude. Si l'on considère que le temps séparant deux contournements successifs est de plusieurs années, il est aisé d'affirmer que la barrière en verre suscitée est trés performante.

Bibliographie

[1] « Vocabulaire Electrotechnique International, Dispositifs électriques et magnétiques >> In M. Aguet et M. Lanoz << Haute Tension >>. Publ. CEI, No. 50 (151), Genève, 1978.

[2] M.Nemamcha, << Claquage des isolantes hautes tensions >>. 2001.

[3] A.Chabloz, << Technologie des matériaux à l'usage des professions de l'électricité » In M. Aguet et M. Lanoz << Haute Tension >>.1986.

[4] T. Wildi et G. Sybille « Electrotechnique 4^ème Edition >>. 2005

[5] L. Carette et J.M. Pouchol << Silicones >>.Technique de l'ingénieur Dossier A3475.

[6] << Méthode recommandées pour la mesure des résistivités transversales et superficielles d'un matériau isolant électrique >>, Publ. CEI, No.93, Genève, 1958.

[7] << Méthode d'essai pour la détermination de la résistance des isolants solides >>. Publ. CEI, No. 167, Genève, 1964.

[8] << Méthode d'essai recommandées pour la détermination de la rigidité diélectrique des matériaux isolants solides aux fréquences industrielles >>. Publ, CEI, No. 243, Genève, 1963.

[9] L. Mokhnache, Thèse de Magister << Application des éléments fini pour le calcule du champ électrique en géométrie pointe-Barrière-plan >> E.N.P. 1997

[10] M. V. Scolova, A.N. Zhukov, << influence of barrier surface properties on the discharge in a narrow gaz gap >>, session 2899, 9^th ISH, Graz 1995, pp 1-4

[11] S. chakiavorti, M.C. Siddagangapa, << Effet of charge accumulation on the electric field distribution along spacer surfaces >>, session 8352, 9^th ISH, Graz 1995, pp 1-4

[12]A. Boubakeur << influence des barrières sur la tensioon de décharge disruptive des moyens intervalles d'air pointe-plan >> Thèse doctorat, 1979 Univ. Varsovie, Pologne.

[13] J.P. SALANNE << Contrôle du point de fonctionnement des décharges électriques par l'intermédiaire de leur alimentation. >> Thèse doctorat, 2005 Institut National Polytechnique de Toulouse.

[14] J. Rossel, << Physique générale >> In M. Aguet et M. Lanoz << Haute Tension >>

[15] F.W.Peek, << Phénomènes diélectriques dans la technique des haute tensions ».Delagrave 1929.

[16] J.S. Townsend, << Electricity in gases >>. Clarendon press, 1923

[17] R. Fournier, << Les isolants en électrotechniques concepts et théories >>.Eyrolles, pp 115-169, 1986

[18] C. Gary, M. Moreau, « L'effet de couronne en tension alternative >>. Eyrolles, 1976

[19] J. M. Meek (( A Theory of spark discharge >> .phys-rev-pp 722-728 vol 57, 1940

[20] H. Reather (( Discharge in gaz>>. Phys - rev , pp 394-524 , vol 117, 1941.

[21] J. Lalot << Approche physique du claquage diélectrique >>.collection de la direction des études et recherches d'électricité de France juillet 1984.

[22] C. Bouquegneau << Notions physiques sur les décharges électriques dans l'air >>. préface de G. Berge collections Bulles de sciences.

[23] R. Coeno, <<Les diélectriques en électrotechnique >>. Eyrolles, pp 28-89 ,1989 .

[24] A. Simuila, L. dascalescu et R. Tabazeon, << Breakdown of ionised air gaps in the presence of spherical conductive particul>>. Session 2143, 9^th ISH, graz 1995, ppl-4.

[25] A. J. Kaluzny, U. Kluzna, « Electric streanght of high voltage insolating gap in polluted air >>, session 2155, 9^th ISH, Graz 1995.

[26] A.Mekhaldi, << Etude du développement d'un arc électrique sur des surfaces isolantes contaminées par la pollution désertique >>, Thèse de Magister, Génie Electrique, ENP 1990.

[27] P.Claverie, Y.Porcheron, << How to choose insulators for polluted areas >>, IEEE Trans. PAS, Vol. 92, No. 3, May-June 1973, p. 1121-1131.

[28] A.Mekhaldi, S.Bouazabia, << Conduction phenomena on polluted insulating surface under AC high voltages >>, 9e International Symposium on High Voltage Engineering, Rapport 3174, Grätez, Autriche, 28 Août -1e Septembre 1995.

[29] D.Namane, << Effet de discontinuité de la couche de pollution sur le comportement d'isolateurs haute tension, sous la fréquence 50 Hz >>, Thèse de Magister, Département de Génie Electrique, Ecole Nationale Polytechnique d'Alger, Février 1998.

[30] A.Mekhaldi, << Etude des phénomènes de conduction et de décharge électrique sur des surfaces isolantes polluées sous tension alternative 50 Hz >>, Thèse de doctorat d'état, Génie Electrique, ENP, juin 1999.

[31] Z.Sahli, << Etude de la non uniformité de la pollution sur des caractéristiques de contournement des isolateurs réels pollués sous tension continu >>, Mémoire de Magister, Génie Electrique, UAM Bejaia.

[32] A.Mekhaldi, << Etude du développement d'un arc électrique sur des surfaces isolantes contaminées par la pollution désertique >>, Thèse de Magister, Génie Electrique, ENP 1990.