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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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Charge d’espace
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1. Isolants solides dans l’industrie électrique
1.1 Rôle
La fonction première d’un isolant électrique est de s’opposer au passage du courant entre conducteurs. Les propriétés diélectriques des matériaux utilisés sont donc de toute première importance. Les isolants solides jouent de plus le rôle de support mécanique des conducteurs et doivent en général transmettre par conduction la chaleur dégagée dans les différentes parties du dispositif.
La pérennité de leur fonction est extrêmement importante puisqu’elle conditionne la fiabilité des dispositifs et des systèmes dans lesquels ils sont intégrés. La défaillance des isolants conduit souvent à des situations catastrophiques entraînant éventuellement de lourdes conséquences économiques.
Citons à titre d’exemple :
-
la « fragilisation » d’une partie du réseau de transport électrique en cas de défaillance sévère d’une liaison souterraine de forte puissance ;
-
l’arrêt des machines de production d’électricité ;
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la défaillance d’alimentation électrique sur systèmes embarqués en orbite ;
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la défaillance des tubes à isolation sous vide ;
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la destruction de faisceaux de connexions électriques par mise en court-circuit de fils isolés dans des systèmes électriques ou électroniques ;
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la mise hors service de circuits intégrés par destruction des capacités MOS (Métal/Oxyde/Semi-conducteur).
L’ingénieur se trouve donc confronté à un double problème :
-
il doit faire un choix judicieux d’isolants en fonction du niveau des contraintes électriques et des autres contraintes de fonctionnement du système (thermique, mécanique, chimique, irradiation, etc.) ;
-
il doit envisager le comportement de l’isolant dans le temps en tenant compte de la durée d’utilisation envisagée pour le système en question (30 à 40 ans par exemple pour les câbles de transport d’énergie ou les alternateurs).
Ce choix fait donc intervenir les propriétés initiales du matériau et l’évolution de celles-ci dans le temps sous l’action des contraintes de fonctionnement.
Les phénomènes en jeu sont complexes car ils font intervenir tous les facteurs d’influence...
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Isolants solides dans l’industrie électrique
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).
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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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