Gaz isolants

1. Particules chargées dans un gaz

1.1 Définitions

1.2 Généralités sur les processus élémentaires

1.3 Grandeurs macroscopiques

1.4 Croissance d’une avalanche électronique

2. Phénomènes disruptifs

3. Critères de claquage

3.1 Claquage de type Townsend

3.2 Claquage de type dard

4. Claquage en champ uniforme

4.1 Claquage en champ uniforme et stationnaire

4.2 Claquages en champ uniforme et en régime impulsionnel

4.3 Influence de la forme de la tension appliquée sur la tension disruptive

5. Claquage en géométrie non uniforme

5.1 Généralités

5.2 Description des phénomènes

5.3 Influence de la pression

5.4 Influence de la forme de l’impulsion de tension

5.5 Claquage sous tension alternative à fréquence industrielle

6. Facteurs susceptibles de modifier la rigidité diélectrique d’un gaz

6.1 Facteurs intrinsèques

6.2 Facteurs non intrinsèques

7. Propriétés et classification des gaz isolants à usage industriel

7.1 Propriétés souhaitées pour les gaz isolants

7.2 Cas des mélanges

7.3 Décomposition et toxicité

7.4 Propriétés physico-chimiques

8. Recommandations et conclusions

Références bibliographiques

Théoriquement, un gaz constitue un isolant parfait puisqu’il ne contient que des atomes ou des molécules neutres. Pour qu’il puisse devenir conducteur, il est donc nécessaire qu’apparaisse, à l’intérieur, un certain nombre de particules chargées. Celles-ci peuvent être issues des parois (par effet de champ par exemple) si la tension appliquée est suffisamment importante, de sorte que le champ électrique au voisinage des parois soit de l’ordre de 107 V/m ; elles peuvent être créées par ionisation thermique si l’on chauffe le gaz à des températures très élevées (100 000 K environ) ou bien (ce qui est le cas le plus fréquent en électrotechnique) par ionisation directe des molécules. Toutefois, pour que l’ionisation des molécules puisse avoir lieu, il est nécessaire que quelques particules chargées soient présentes initialement dans le gaz.

En pratique, un gaz contient toujours un certain nombre de particules chargées. Celles-ci proviennent principalement des cascades d’électrons et d’ions résultant du rayonnement cosmique (figure 7) ou bien de la désintégration des gaz radioactifs émis par le sol (radon en particulier). Leur densité est relativement faible ; dans l’air par exemple, au niveau du sol, elle est d’environ une dizaine de paires d’ions par centimètre cube et par seconde. Par suite de la présence en permanence de ces particules chargées, l’application d’une tension, même très faible (de l’ordre du microvolt), aux bornes d’électrodes plongées dans le gaz se traduit par l’apparition d’un courant dans le circuit extérieur consécutif au déplacement des charges à l’intérieur du gaz.

Une augmentation importante de la tension appliquée entraîne une croissance rapide de ce courant (figure 7), le gaz passant ainsi d’un état quasi isolant à un état plus ou moins conducteur. La transition entre ces deux situations peut prendre des formes extrêmement variées selon la nature et l’état du gaz (ou du mélange de gaz) considéré (pression, température, dimensions et géométrie de l’enceinte contenant le gaz, état des parois, etc.), ainsi que selon l’intensité et la variation temporelle ou spatiale de la tension appliquée. On distingue ainsi un très grand nombre de formes différentes de claquage, caractérisant la plus ou moins grande rapidité avec laquelle le gaz initial devient conducteur.

Le but principal de tout ingénieur confronté à un problème d’isolation est de déterminer les conditions permettant d’éviter l’apparition du claquage et d’obtenir la tension disruptive la plus élevée possible. Pour atteindre cet objectif, il est important de connaître avec précision les paramètres qui caractérisent ce claquage (§ 3).

L’objectif de cet article est de donner un aperçu de la plupart des mécanismes fondamentaux qui conditionnent l’apparition du claquage et d’en déduire des directives générales permettant de faciliter le choix du meilleur dispositif isolant en tenant compte des contraintes inhérentes à tout système industriel (taille de l’enceinte, pression maximale du gaz, écarts maximaux de température, coût, etc.).

Dans un premier temps, nous étudierons les mécanismes qui caractérisent le transport, la création ou la disparition des électrons et des ions dans le gaz (§ 1). Les différentes formes de claquage que l’on rencontre en pratique seront énumérées dans le paragraphe 2 et étudiées dans les paragraphes suivants. Enfin, on précisera les propriétés que doivent posséder les gaz pour qu’ils puissent être considérés comme étant de bons isolants et utilisés comme tels (§ 7).

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