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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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Physique de base du claquage des liquides
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3. Mécanisme de streamer
3.1 Streamers et claquage
Que le liquide soit soumis à un champ divergent ou à un champ uniforme, quelle que soit la forme de l’onde de tension (impulsionnelle, alternative, continue), les phénomènes prédisruptifs qui conduisent le plus universellement à l’établissement d’un arc électrique sont les streamers : ainsi ont été dénommées toutes sortes de figures lumineuses et ramifiées, qui prennent naissance en général au voisinage d’une électrode (phase de génération) puis se déplacent à grande ou très grande vitesse vers l’électrode opposée (phase de propagation).
Selon la forme et la durée d’application de l’onde de tension, le streamer peut stopper ou progresser jusqu’à l’électrode opposée ; en règle générale, lorsqu’il atteint cette électrode (ou en est très proche) l’arc se produit. Ainsi, la tension de claquage d’un liquide est régie par le comportement des streamers : elle est contrôlée, soit par la phase de génération, soit par la phase de propagation et l’on conçoit qu’elle dépend, pour un même liquide, du type de tension appliquée et de la géométrie des électrodes.
La phase de propagation des streamers sous tension impulsionnelle et en champ divergent a fait l’objet de nombreux travaux ; en particulier, une avancée importante a été réalisée au cours de ces dix dernières années : elle a permis une caractérisation détaillée des streamers, et nous la présenterons tout d’abord. La phase de génération, bien plus difficile à étudier, est moins documentée ; cependant, plusieurs faits nouveaux ont été récemment acquis et seront présentés ensuite.
Un fait à souligner dès à présent est l’extrême diversité de comportement des streamers dans les liquides, ce qui entraîne de très gros écarts sur les tensions de claquage selon les circonstances. Chaque liquide a ses caractéristiques propres et, pour l’instant, il n’est pas possible, connaissant le comportement d’un liquide, de prévoir convenablement celui d’un autre liquide, même de formule voisine.
HAUT DE PAGE3.2 Caractéristiques générales...
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Mécanisme de streamer
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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