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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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Mécanisme de streamer
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2. Techniques d’étude et tests de caractérisation du claquage des liquides
Les expériences de recherche fondamentale visent à identifier et caractériser par une analyse aussi fine que possible les phénomènes prédisruptifs et disruptifs. Dans ce but, on s’efforce d’obtenir simultanément un maximum d’informations électriques, optiques, acoustiques, etc., en faisant varier, dans une large mesure, les conditions expérimentales (pression, température, géométrie des électrodes, etc.). On utilise, le plus souvent, des ondes de tension de forme simple, en particulier des créneaux de tension à temps de montée ultra-bref et de durée ajustable (de quelques nanosecondes jusqu’à plusieurs secondes, figure 1). Les investigations portent sur des liquides simples (hydrocarbures, gaz liquéfiés) et également sur des liquides industriels (huiles minérales, liquides de synthèse) de façon à établir les similitudes et les différences de comportement. Dans certaines circonstances, le comportement d’une même substance sera étudié à l’état liquide et gazeux (ou solide).
Des essais systématiques visent à étudier, pendant une période raisonnablement courte (quelques semaines), le comportement de matériaux et de matériels en les soumettant à des contraintes plus sévères que celles de l’utilisation projetée.
Les essais industriels se pratiquent sur les matériaux (liquides seuls ou en association avec des isolants solides) et sur les matériels. Ils sont effectués soit pour la qualification de produits neufs, soit pour le contrôle au cours du fonctionnement de l’isolation, soit pour apprécier la résistance aux surtensions alternatives plus ou moins prolongées (secondes ou dizaines de secondes) ou aux surtensions brèves (dizaines ou centaines de microsecondes) engendrées par la foudre ou par des manœuvres sur le réseau. Ces essais sont réalisés selon les prescriptions des normes internationales ou celles du cahier des charges du fabricant lui-même ou de l’utilisateur.
Dans ces essais, on ne mesure généralement que la tension de claquage :
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dans des essais à court terme, celle-ci est obtenue en quelques secondes ou dizaines de secondes, soit par l’application d’une rampe de tension (alternative ou continue), soit en employant une tension croissante par sauts d’amplitude et de durée choisies ;
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lors des essais dits de choc, on emploie des ondes normalisées (figure ...
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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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