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Auteur(s)
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Robert TOBAZÉON : Ingénieur de l’Institut électrotechnique de Grenoble - Docteur ès sciences - Directeur de Recherche au Centre national de la recherche scientifique (CNRS)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les défaillances électriques du matériel électrique sont dues, dans une très large mesure, au claquage (ou rupture) électrique des isolations. On désigne ainsi l’étape ultime d’une succession de processus irréversibles où tout milieu diélectrique (solide, fluide, vide) est soudainement traversé par un arc électrique – canal hautement conducteur et lumineux – entre conducteurs soumis à une différence de potentiel. Le claquage peut aussi être déclenché dans les gaz, les liquides ou les solides traversés par un très intense faisceau lumineux produit par un laser.
La tension de claquage d’une isolation ne dépend pas uniquement des propriétés des matériaux eux-mêmes, mais d’un très grand nombre de facteurs (mise en œuvre, environnement, type de tension utilisée, etc.). Les conséquences d’un claquage sont plus ou moins catastrophiques, selon le milieu où il se produit : un milieu gazeux aisément renouvelé, peut être réutilisé après coupure de l’arc ; un liquide également, quoique les bulles de gaz produites, souvent en abondance, peuvent constituer ultérieurement un danger ; un solide, imprégné ou non, sera très généralement dégradé de façon irrémédiable et incapable de soutenir à nouveau la tension.
La majorité des équipements haute tension renfermant une combinaison d’au moins deux des milieux génériques (solide, fluide), le claquage de la totalité de l’isolation résulte d’interactions complexes. Le problème de la tenue diélectrique, sans aucun doute le plus important qui se pose à l’ingénieur, est aussi le plus difficile.
Actuellement, on considère qu’avant le claquage proprement dit, où se développe l’arc, il existe une période de préclaquage, comprenant elle-même deux phases :
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une phase de génération pendant laquelle se créent les circonstances favorables (injection et multiplication localisées de charges dans le liquide) à l’apparition de l’étape suivante, en règle générale, celle d’un « streamer » (canal conducteur lumineux et ramifié) ;
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une phase de propagation de la perturbation précédemment créée (le streamer).
Cette séparation en deux phases pourrait, aux très courtes distances entre les électrodes, se révéler arbitraire, le même phénomène se développant au cours du temps (avalanches électroniques, par exemple). En revanche, elle est tout à fait justifiée en ce qui concerne le mécanisme de streamer qui servira de base à l’exposé 3. La phase de propagation, quoique très brève (10 –9 s à 10 –4 s) a, de loin, été la plus étudiée ; nous l’examinerons en premier (en géométrie pointe-plan ou en champ quasi uniforme). Puis, nous traiterons de la génération et examinerons les mécanismes de base.
Selon les cas, le claquage est contrôlé par la génération ou par la propagation des streamers. Nous montrerons comment l’une ou l’autre de ces situations peut se présenter dans la pratique industrielle.
Enfin, nous nous efforcerons de tirer des enseignements des modèles théoriques et des expériences de laboratoire pour l’amélioration des performances et de la durée de vie des matériels : rappelons qu’en Électrotechnique, on vise 25 années et en Électronique, 5 à 10 années.
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6. Conclusion
La tendance permanente à réduire l’encombrement des matériels conduit à accroître progressivement les champs de service des isolations, en leur conservant une grande fiabilité et en sauvegardant la qualité de l’environnement. Aussi, une grande attention doit-elle être consacrée au choix des matériaux, en particulier en ce qui concerne leur rigidité à court et à long terme.
Les isolations haute tension, pour la plupart, mettent nécessairement en œuvre des liquides sélectionnés pour contribuer à l’élimination des décharges partielles et pour faciliter l’évacuation de la chaleur tout en préservant leurs qualités isolantes : grande résistivité, faibles pertes diélectriques, rigidité élevée. Cette dernière dépend d’une multitude de facteurs et n’est pas une qualité intrinsèque du liquide lui-même. Certes, selon la formule chimique, des différences notables existent d’un liquide à l’autre, mais interviennent considérablement les conditions d’emploi : forme de la tension appliquée (alternative, continue, impulsionnelle), contraintes thermiques, variations de pression, configuration de l’isolation (employée sous champ uniforme ou sous champ divergent). Les effets d’échelle sont considérables : plus les intervalles et les volumes de liquide sont grands, donc davantage sujets aux contaminations (eau, particules), plus la rigidité est réduite.
Les progrès récemment effectués sur la compréhension des mécanismes de base relatifs aux phénomènes prédisruptifs et disruptifs dans les liquides (injection de charges électriques ; multiplication par avalanches électroniques, génération de bulles gazeuses, génération et propagation de streamers) permettent une meilleure orientation dans le choix et la mise en œuvre d’un liquide pour une application projetée. Ils ont mis par ailleurs en lumière les spécificités de comportement de divers liquides et l’action de certains additifs.
L’huile minérale (avec de nombreuses variantes dans sa composition) possède de remarquables propriétés ; elle demeure le liquide le mieux adapté et le plus utilisé dans les isolations haute tension, en particulier dans les transformateurs de puissance. Les imprégnants utilisés dans les condensateurs de puissance sont des liquides fortement aromatiques, qui possèdent d’excellentes qualités de gassing, et fonctionnent durablement à des champs exceptionnellement...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ADAMCZEWSKI (I.) - Ionization, conductivity and breakdown in dielectrics liquids - (Ionisation, conductivité et claquage dans les liquides diélectriques). 421 p., 1969, Taylor and Francis, London.
-
(2) - AGUET (M.), IANOVICI (M.) - Haute tension. - 425 p., 1982, Éditions Giorgi, Saint-Saphorin.
-
(3) - BRADWELL (A.) - Electrical insulation (Isolation électrique). - 283 p., 1983, Peter Peregrinus Ltd, London.
-
(4) - BARTNIKAS (R.) - Electrical Insulating Liquids (Liquides isolants électriques). - 452 p., 1994, Engineering Dielectrics, Vol. 3, ASTM Philadelphia.
-
(5) - CHANG (J.S.), KELLY (A.J.), CROWLEY (J.M.) - Handbook of Electrostatic processes (Manuel des processus électrostatiques). - 763 p., 1995, Marcel Dekker Inc., New York.
-
(6) - CLARK (F.M.) - Dielectric materials for design and engineering practice...
ANNEXES
QUERE (F.) - Étude des mécanismes d'excitation électronique associés au claquage des diélectriques induit par un champ laser intense. Paris 6 - (2000).
HAUT DE PAGE2 Constructeurs - Fournisseurs (listes non exhaustive)
ASEA BROWN BOVERI (ABB) - http://www.abb.com/
BASF FARBEN UND FASERN AG - http://www.corporate.basf.com
BAYER AG - http://www.bayer.de/
BRITISH PETROLEUM COMPANY - http://www.bp.com/
DOW CORNING - http://www.dowcorning.com/
ATOFINA...
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