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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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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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Arborescences électriques
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2. Charge d’espace
Les matériaux utilisés dans l’isolation électrique ne se comportent jamais comme des isolants parfaits. Ils sont susceptibles de se charger électriquement par des mécanismes dont la nature est connue et décrite théoriquement dans certaines situations idéalisées. Dans les situations concrètes rencontrées dans les applications industrielles, il est difficile voire impossible, d’avoir une approche théorique tant les systèmes sont complexes et souvent mal définis au niveau microscopique. Il est donc essentiel, dans le cadre d’une application, de conduire des essais selon des techniques permettant la mesure de la charge générée ou susceptible de l’être, pour des conditions expérimentales données.
Nous appellerons charge d’espace l’ensemble des charges réelles, positives ou négatives, contenu dans un isolant, ce qui inclut les charges de surface et de volume. Nous désignerons par ρ c la densité volumique de ces charges que nous supposerons variable uniquement selon la direction z.
L’équation de Poisson s’écrit [7] :
¶D (z )/z = ρ ( z ) = ρc(z ) + ρp( z )avec :
- D (z ) :
- déplacement électrique
- ρ (z ) :
- densité de charge totale,
incluant par conséquent la charge de polarisation ρ p(z ) définie par rapport à la polarisation P (z ) du matériau par :
ρp(z ) = − P (z )/ zLorsque la polarisation est uniforme selon z, la charge totale se réduit à la charge d’espace.
Les différentes techniques de mesure décrites aux paragraphes 2.4 et 2.5 sont sensibles à l’ensemble des charges, quelle que soit leur origine. On mesure donc la charge d’espace et la charge de polarisation sans pouvoir les dissocier. Le découplage ne pourra s’effectuer qu’à travers la considération des lois physiques régissant les deux phénomènes.
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Charge d’espace
BIBLIOGRAPHIE
-
(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
-
(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).
-
(5) - MENGUY (C.) - Mesure des caractéristiques des matériaux solides. - Traité Génie Électrique vol. D 2 310, Doc. D 2 310 (8-1997).
-
...
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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