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Auteur(s)
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Christian LAURENT : Ingénieur de l’Institut national des sciences appliquées (INSA) de Toulouse - Directeur de Recherche au CNRS - Chercheur au Laboratoire de Génie électrique de Toulouse
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Lire l’articleINTRODUCTION
La fiabilité des dispositifs en génie électrique est largement déterminée par la pérennité des propriétés des isolants. Les défaillances du matériel électrique sont souvent dues à la rupture diélectrique (ou claquage) des isolants. Ces phénomènes se manifestent pour des champs électriques très inférieurs aux champs de rupture mesurés en laboratoire sur les isolants eux-mêmes ou sur des maquettes de systèmes. Cela est largement dû au vieillissement électrique des isolations, terminologie générique qui regroupe l’ensemble des mécanismes par lesquels les caractéristiques électriques des matériaux évoluent dans le temps sous l’action des contraintes de fonctionnement du système. On peut en fait considérer que le champ de rupture de l’isolation diminue avec la durée d’application des contraintes.
Après avoir brièvement rappelé les modes de défaillance des isolants, nous nous intéresserons plus spécifiquement aux matériaux utilisés sous fort champ électrique. Dans ces conditions sévères d’utilisation, les conceptions récentes conduisent à penser que les charges électriques internes (on dit aussi charge d’espace) sont impliquées dans les phénomènes de vieillissement et de claquage. Il est donc essentiel de caractériser l’isolant vis-à-vis de ces charges.
Après avoir décrit les mécanismes de génération des charges, nous envisagerons leur influence sur la distribution du champ électrique.
Nous traiterons ensuite des techniques permettant l’évaluation quantitative des charges internes et l’étude de leur distribution spatiale .
Le claquage fait intervenir la propagation d’arborescences électriques dont nous donnerons les caractéristiques principales.
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Isolants solides dans l’industrie électrique
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3. Arborescences électriques
Les arborescences électriques sont des structures filamentaires ramifiées constituées de microcanaux creux susceptibles de se propager sur des distances de plusieurs millimètres en volume et en sub-surface d’isolants. Le diamètre interne des filaments peut varier du micron à quelques centaines de microns en fonction de la nature des isolants et des conditions de développement de l’arborescence. Elles constituent une dégradation permanente des matériaux et sont étroitement associées au claquage.
3.1 Propagation
Nous distinguerons deux types de phénomènes selon la dynamique de propagation de l’arborescence.
HAUT DE PAGE3.1.1 Arborescence à propagation rapide
Des arborescences dont les temps de propagation sont extrêmement courts (très inférieurs à la microseconde) sont observables sous très forts niveaux de tension (voisins de ceux qui conduisent au claquage immédiat de l’isolant), ou au cours de la propagation d’arborescences auto-entretenues dont nous avons vu qu’elles affectaient les milieux contenant une densité critique de charge d’espace (figure 1).
Le phénomène s’accompagne d’émissions optique et acoustique lorsque la propagation se fait en volume. Des émissions d’électrons et de rayons X ont été observées au cours de la propagation superficielle d’arborescences. Les effets thermiques et mécaniques de la propagation sont visibles en surface et en volume du diélectrique (fracturation du matériau, échauffement autour des microcanaux).
Sous contrainte électrique, la propagation conduit invariablement au claquage. Il s’agit clairement d’un phénomène disruptif observé sous des champs voisins des champs de rupture (≈ 10 9 V · m−1). Il ne concerne donc pas les isolants dans les conditions d’utilisation conventionnelles.
Une plaque de polyméthacrylate de méthyle de 3 mm d’épaisseur soumise à une tension impulsionnelle de 2 MV d’amplitude et de 100 ns de durée...
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Arborescences électriques
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BRETON (J.-C.), RIVIÈRE (D.), PARRAUD (R.) - Les verres en électrotechnique. - Traité Génie Électrique vol. D2II, D 240 (12-1976), fiche D 240 (12-1991), Doc. D 242 (12-1991). Epuisé
-
(2) - DUMORA (D.) - Matériaux isolants céramiques en électrotechnique. - Traité Génie Électrique vol. D2II, D 274 et D 275 (12-1982), fiche D 274 (9-1989). Epuisé
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(3) - ANTON (A.), STEINLE (J.-L.) - Micas et produits micacés. - Traité Génie Électrique, D 2 360, Doc. D 2 360 (5-1997).
-
(4) - ANTON (A.) - Matériaux isolants solides. Caractéristiques électriques. - Traité Génie Électrique, D 2 315 (8-2003).
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(5) - MENGUY (C.) - Mesure des caractéristiques des matériaux solides. - Traité Génie Électrique vol. D 2 310, Doc. D 2 310 (8-1997).
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ANNEXES
LAFONT (H.) - Étude du comportement de la charge d'espace dans les structures MOS [Texte imprimé] : corrélation entre la technique C-V et la méthode de l'onde thermique. - Université des sciences et techniques du Languedoc (2002).
MATALLANA (J.) - Étude des propriétés de transport et de charge d'espace d'un nouveau matériau à base de polyéthylène pour l'isolation des câbles haute tension à courant continu. - Université des sciences et techniques du Languedoc (2001).
BOUCHET (T.) - Étude de la zone de charge d'espace mixte (ZCEM) dans le drain des MOS haute tension. - Université de droit, d'économie et des sciences (Aix-Marseille) (2001).
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