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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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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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Phénomènes de claquage dans les applications industrielles
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4. Physique de base du claquage des liquides
4.1 Propriétés physiques des liquides
Tout matériau est solide à très basse température et gazeux quand la température est suffisamment élevée. La compréhension de nombreux processus de base dans l’état liquide est facilitée en considérant le liquide, soit comme un gaz comprimé, soit comme un solide, pour lesquels des modèles théoriques sont bien établis. La connaissance du comportement de certaines grandeurs physiques lorsque l’on fait fortement varier la pression p (par exemple de 0 à 10 MPa) et la température T (de – 50 ×C à 100 ×C) est nécessaire pour identifier les mécanismes mis en jeu dans les phénomènes prédisruptifs et disruptifs. Un bref examen de l’influence de p et T sur les propriétés physiques des liquides est effectué dans ce paragraphe.
En pratique, la température de solidification d’un liquide T s et sa température d’ébullition T e sont importantes. Elles dépendent ou non de la pression comme l’illustre le diagramme de phase donné en exemple à la figure 11. Au-delà de la température critique T c , le milieu perd ses propriétés de fluide ordinaire. Le tableau 3 donne, pour quelques hydrocarbures, les valeurs des pressions critiques p c et températures critiques T c.
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Masse volumique ρ L
À température ambiante et pression atmosphérique, ρ L est comprise entre 600 et 1 000 kg/m3 pour les alcanes (tableau 3), sensiblement plus élevée pour d’autres liquides (inférieure à 1 600 kg/m 3 pour la plupart). Pour une pression donnée, ρ L décroît faiblement quand T augmente alors que la masse volumique de la vapeur du liquide ρ v croît fortement, comme le montre schématiquement la figure 12 : à la température critique T c, ρ L = ρ v (ª 250 kg/m 3). Des écarts importants aux variations décrites par cette figure (qui concerne l’équilibre thermique) peuvent se produire s’il y a de brutales variations de p ou T.
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Capacité...
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Physique de base du claquage des liquides
BIBLIOGRAPHIE
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(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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