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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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Conclusion
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5. Phénomènes de claquage dans les applications industrielles
La pratique industrielle fait appel à des liquides dont les propriétés physico-chimiques sont extrêmement différentes ; de surcroît, leur mise en œuvre, les qualités de l’environnement dues à la conception et aux contraintes de service des matériels varient considérablement ; par exemple :
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l’huile minérale des transformateurs de puissance entre en contact avec différents matériaux et solides isolants, d’où la présence inévitable, à la longue, de particules, d’eau, de gaz, une tendance à l’oxydation, la possibilité de génération et de transport de charges par frottement (l’huile assure le refroidissement de l’appareil par circulation forcée) ; les volumes de liquides sont considérables (ils peuvent atteindre plusieurs dizaines de mètres cubes), les intervalles de liquide libre sont quelquefois très grands (ª 1 m au voisinage des sorties haute tension) ;
-
il en va très différemment dans un condensateur de puissance tout film imprégné, où existent des problèmes d’une autre nature (compatibilité du liquide et du film, défauts de bobinage et des connexions) ; les interstices de liquide libre s’expriment en micromètres ou en fractions de micromètre.
Les tensions (par bobine) dans un condensateur ne sont que de quelques kilovolts ; les champs de service sont les plus élevés de tous les matériels (100 V/mm en valeur maximale), les renforcements du champ électrique sur les bords d’armatures (feuilles minces d’aluminium d’épaisseur 5 à 10 mm) étant voisins de 3 (soit 3 MV/cm en valeur maximale, plus du double lors de surtensions !). Dans les transformateurs, les tensions de service sont bien plus élevées (> 100 kV) et les champs de service environ vingt fois moindres ; les renforcements macroscopiques du champ sont assez réduits (
6).
En ce qui concerne le liquide lui-même, l’ingénieur est confronté aux problèmes suivants :
-
prévoir son aptitude à soutenir sans défaillance les contraintes normales de fonctionnement ;
-
tenir compte de ses capacités à résister aux diverses surtensions (ondes de foudre, surtensions de manœuvre et plus récemment aux surtensions à front...
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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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