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HAUTE TENSIONProduction, Métrologie et

Applications

Dr Mohammed El Amine SLAMAMaître de conférences

Université des Sciences et de la Technologie d’OranMohamed Boudiaf

Faculté de Génie ElectriqueDépartement d’électrotechnique

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Chapitre 6Les interfaces. Contournement. Isolateurs.

1. Les interfaces. Contournement.

2. Interfaces solides/liquides.

3. Interfaces solides/gaz.

4. Interfaces polluées. Isolateurs.

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6.1 Les interfaces. Contournement

Par interface, nous désignerons la réunion d’au moins deux diélectriques depermittivité et de conductivité différente. On parle dans ce cas d’isolationcomposite ou mixte (gaz/solide – vide/solide – liquide/solide).

Pourquoi les utilisés ?

C’est un moyen d’isolement efficace de plusieurs point de vue :

• diélectrique;

• mécanique;

• physico-chimique.

Cependant, le comportement de ces systèmes d’isolation est différent enprésence d’une décharge électrique.

L’interface devient un point faible qui voit l’apparition de DP qui vont s’allongerjusqu’à provoquer le contournement.

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6.1 Les interfaces. Contournement (suite)

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1. Interfaces solides/liquides

D’un autre côté, il est toujours nécessaire, pour maintenir àdistance des pièces sous tension, d’utiliser un solide isolant(entretoise, cale). L’interface solide/ fluide constitue un pointfaible de l’isolation, le long duquel le claquage est facilité,comme le montre la pratique industrielle. Le point triple Pt,où trois matériaux (métal/isolant solide/fluide) sont enprésence a été reconnu comme l’endroit critique où sedéclenche les DP.

Le claquage est contrôlé par des streamers qui sepropagent à l’interface liquide/solide. L’allure des streamersde surface est semblable à celle observée dans le liquideseul, leur comportement dépendant de la nature du solide etde celle du liquide.

Dans la pratique des isolations HT, les liquides sont utilisés presque exclusivementen association avec des solides isolants (condensateurs imprégnés,transformateurs, etc.).

L’isolation doit absolument être dénuée d’inclusions gazeuses, dans lesquelles lesDP sont susceptibles d’apparaître, entraînant la dégradation puis le claquage del’isolation.

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Comme pour les streamers en volume, le courant associé aux streamer en surfaceest constitué d’impulsions plus moins denses selon la polarité de la pointe.

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En polarité positive, les courants mesurés comportent une composante continue surlaquelle se superposent des impulsions très brèves. La composante continues’annule au bout d’un certain temps (qlq microsecondes). La même remarque est àfaire pour la polarité négative.

Les courants sont constitués d’impulsions très courtes et les charges varient parpaliers, ce qui est significatif d’une propagation par sauts des décharges glissantes.

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Par interface, nous désignerons la réunion d’au moins deux diélectriques depermittivité et de conductivité différente. On parle dans ce cas d’isolation composite oumixte (gaz/solide – vide/solide – liquide/solide).

Du point de vue rigidité diélectrique, l’interface est un point faible qui voit l’apparitionde décharges qui vont s’allonger jusqu’à provoquer le contournement (claquage).

Lf

Lc

La ligne de fuite (Lf) est la distance laplus courte le long de la surface d'unisolant entre deux parties conductrices.

La ligne de contournement (Lc) est ladistance la plus courte dans un gazentre deux parties conductrices.

Le facteur de forme FF est unparamètre qui rends compte de lavariation du rapport de la ligne de fuitegéométrique et du diamètregéométrique.

2. Interfaces solide/gaz

Cs

Cv

Au début, des décharges couronnes apparaissent et dépendent de la capacité équivalente dusystème :

inception a

AU

C

La seconde étape voit l’apparition de streamers : streamer b

BU

C

Les streamers peuvent se propager puis reculer (réversibilité du phénomène) ou court-circuitertout l’isolant lorsqu’ils atteignent une longueur critique; c’est le contournement.

fov d

DU

C

• C est la capacité équivalente,• les constantes A, B, D, a, b et d sont liées à la géométrie de l’isolateur, à la nature de la

décharge et aux conditions expérimentales (gaz, pression, température, humidité, forme desélectrodes, tension, etc.)

2 5 4max

dul k C U

dt D’après Toepler

210inceptionU

C

4

0,44

1,36.10streamerU

C

2 5 4max

dul k C U

dt

En présence des streamers, il suffit dequelque centaines de volts pour faire unetransition vers le contournement.

Corona Streamers

Streamers

Leader

Les principales approches proposées pour expliquer l’apparition précoce d’une

décharge au niveau d’une interface gaz/solide sont :

• la distorsion du champ électrique;

• la modification des coefficients d'ionisation et d'attachement;

• l’accumulation de charges surfaciques;

La combinaison de ces mécanismes contribue considérablement à la diminution

de la rigidité diélectrique de l’interface gaz/isolant.

A l’heure actuelle, aucun critère de propagation des décharges surfaciques qui

prend en compte les différentes interactions n’a été proposé.

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L’étude des phénomènes de décharges surfaciques sur un isolateur en présence degaz (ou mélange) est d’une importance capitale pour la conception et ledimensionnement des composants et systèmes électro-énergétiques.

Les mécanismes de décharge surfacique sont très complexes. Ils dépendent deplusieurs paramètres comme les propriétés physiques et géométriques du solide, letype de gaz (ou mélange) et sa pression, la géométrie des électrodes ainsi que laforme, la polarité et l’amplitude de la tension appliquée.

Parmi les mécanismes proposés pour le contournement des surfaces propres, onpeut citer :• la distorsion du champ électrique local due a l'effet de la permittivité du diélectrique,• l’amplification des taux d'ionisation et d'attachement dans l'interface gaz/surface dueà la contribution de la surface,• et l'accumulation de charges surfaciques due aux effets des électrodes et àl'inhomogénéité du diélectrique.

Ces mécanismes peuvent affecter de façon très significative le développement de ladécharge et ainsi participer largement a la diminution de la rigidité diélectrique del'espace entre les électrodes.

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Distorsion du champ électrique local

La génération d'une décharge glissante à la surface d’un diélectrique solide enprésence de gaz (interface gaz/solide) dépend de la condition essentielle del'existence d'une composante tangentielle du champ électrique à la surface dudiélectrique.

Les simulations faites par plusieurs auteurs sur des intervalles électrode en contactou à proximité d’un isolant montrent que les lignes de champ électrique sontdéformées et se dirigent vers la surface de l’isolant solide tout en accentuant lechamp aux alentours de l'électrode HT.

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Amplification des taux d'ionisation et d'attachement dans l'interfaceL’initiation et la propagation des streamers en présence d’une surface diélectrique,comme dans le cas de l’air, seront fortement contrôlées par les coefficientsd’attachement et d’ionisation. Seulement ceux-ci seront grandement affectés par laprésence de cette surface. En effet, une surface diélectrique modifie les coefficientsd’ionisation et d’attachement de deux façons d’après Gallimberti et al :

- Elle émet des électrons par l’effet du bombardement des photons. Ceci contribue àfournir davantage d’électrons déclencheurs d’avalanches et à favoriser davantaged’ionisations collisionnelles par augmentation de la quantité d’électrons présents dansle processus de la décharge.- Elle peut attacher les électrons par des pièges et les ions positifs par attractionélectrostatique causant ainsi davantage d’attachement en plus de celui déjà induit parle gaz de remplissage de l’intervalle inter électrodes.

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Accumulation de charges surfaciques

Des connaissances actuelles, on peut distinguer trois mécanismes pouvantconduire à l’accumulation de charge à la surface d’un isolant solide: (1) letransport via le gaz de remplissage, (2) la conduction surfacique et (3) laconduction à l'intérieur du diélectrique.

Le mécanisme (1) suggère que les charges produites autour d'une électrodediffusent dans le gaz de remplissage à travers des lignes de champ pours'accumuler vers le centre de la surface du diélectrique. Quant au second (2), ilpréconise la circulation de charges à la surface du solide par l'effet du courant defuite, alors que le troisième (3) est basé sur la migration vers l'extérieur de lasurface du solide de charges produites à l'intérieur du diélectrique. Plusieurstravaux ont révélé que le mécanisme (1) était le plus conséquent. Cependant celane signifie pas que les deux autres ne peuvent pas être très efficaces si lesconditions leur donnant naissance (caractéristique du champ appliqué,inhomogénéité du diélectrique) sont accentuées.

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Dans le cas de surface isolantes polluées, la tension de contournement estinversement proportionnelle au degré de pollution.

3 Pollution et isolation externe

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Centrale de production

Poste élévateur

Lignes de transportPoste d’interconnexion et de répartition

Réseaux de répartition HTA

Réseaux de distribution HTB

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La chronologie du processus qui mène au contournement est constituéeessentiellement de quatre grandes phases ;

1. dépôt d'une couche solide constituée de sels et de matériaux insolubles,sauf dans le cas d’une pollution marine où la pollution est sous la formed’embruns marins,

2. humidification de la couche de pollution et circulation d'un courant dû à ladissolution des sels contenus dans le dépôt,

3. apparition de bandes sèches dues à l'échauffement par effet Joulesprovoqué par la circulation du courant ce qui aura pour conséquencel'amorçage de décharges locales,

4. élongation des décharges jusqu'à court-circuiter l'isolateur.

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A. Modèle électrique

. . ( ).napp A K pU V V V X N I r L X I

Les paramètres N et n sont des constantes caractéristiques de la décharge.

Dépendent de la nature du milieu où brûle la décharge et varient selon les auteurs etles conditions expérimentales.

Vapp=VA-VB

A

B

Vd (x)

Canal de décharge Pollution

Vp(x)

X L-X

I

B. Conditions critiques

C. Critères

Plusieurs critères existent (Hampton, Wilkins, etc.).

Critère de Dhahbi, Beroual et Krahenbul2

0eqd Z

dX

. . ( ).npV X N I r L X I

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D. Paramètres d’influence

Polarité

DC LI

Vc(-)< Vc(+) Vc(-)< Vc(+)

Constitution chimique de la pollution

Vc change en fonction de la nature chimique de la pollution et la quantité de

matières insolubles.

Paramètres géométriques et environnementales

forme de l’isolateur et disposition;

humidification et nature chimique du polluant;

forme de la tension appliquée;

etc.

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G. Contournement par pollution sous tension alternative

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

-15

-10

-5

0

5

10

15

Co

ura

nt [ A

]

Te

nsio

n

[ k

V ]

Temps t [ s ]

-2

-1

0

1

2___ Tension

___ Courant

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Niveau et taux de pollution

Description de l’environnement

faible0.06 mg/cm²

zones sans industries et avec faible densité d’habitations équipéesd’installations de chauffage.zones avec faible densité d’industries ou d’habitations mais soumisesfréquemment aux vents et/ou pluies.régions agricoles, régions montagneuses.

moyen0.20 mg/cm²

zones avec industries ne produisant pas de fumées particulièrementpolluantes et/ou avec une densité moyenne d’habitations équipéesd’installation de chauffage. zones à forte densité d’habitations et/ou d’industries mais soumisesfréquemment aux vents et/ou à des chutes de pluies.zones exposées au vent de mer, mais pas trop proches de la côte.

fort0.60 mg/cm²

zones avec forte densité d’industries et banlieues de grandes villes avecforte densité d’installation de chauffage polluanteszones situées près de la mer, ou exposées à des vents relativement fortsvenant de la mer.

très fort> 0.60 mg/cm²

zones généralement peu étendues, soumises à des poussières conductriceset à des fumées industrielles produisant des dépôts conducteursparticulièrement épais.zones généralement peu étendues, très proches de la côte et exposées auxembruns, aux vents marins très forts et polluants.zones désertiques caractérisées par de longues périodes sans pluie,exposées aux vents forts transportant du sable et du sel et soumises à unecondensation régulière.

I. Pollution

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NOCIVITE DE LA POLLUTION

-Quantité de la pollution

-Constitution de la pollution

-Composition de la pollution

-Humidification de la couche

•Site

•Isolateur

•Facteurs climatiques

NOCIVITE DE LA POLLUTIONTENSION FOV

I. Pollution (suite)

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Type de pollution

• Pollution naturelle

- Pollution marine

- Pollution désertique

- Poussières du sol et zones agricoles

• La pollution industrielle

• La pollution mixte

Mesure de la pollution

• Méthode de la densité du dépôt de sel équivalent (D.D.S.E).

• Méthode de la conductance superficielle.

• Méthode de courant de fuite :

I. Pollution (suite)

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I. Pollution (suite)

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Des méthodes d’essais sous pollution artificielles ont été proposées en vue dereproduire les conditions environnementales auxquelles sont soumis les isolateurs.Deux méthodes sont proposées suivant les normes CEI et ANSI/IEEE : la méthodedu brouillard salin où une solution saline pure (NaCl + H2O) est pulvérisée surl’isolateur et la méthode de la couche solide où la pollution est constituée d’unecouche solide préparée à base de sel (NaCl) et des matières insolubles inerte quel’on humidifie progressivement par pulvérisation ou par condensation.

A l'aide de ces techniques d'essais, il est possible de déterminer soit :

• la sévérité maximale qu'un isolateur peut supporter sans contourner sous unetension donnée,• la tension maximale qu'un isolateur peut tenir sans contourner pour une sévéritédonnée,• la tension (ou la sévérité) correspondant à une probabilité de 50% d'amorçagepour un niveau de sévérité donné (ou de tension donnée).

La procédure d'essai permet de dresser un catalogue complet des caractéristiquestension/sévérité des isolateurs.

I. Pollution (suite)

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J. Les isolateurs synthétiques

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J. Les isolateurs synthétiques

J. Les isolateurs synthétiques

J. Les isolateurs synthétiques

J. Les isolateurs synthétiques

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J. Les isolateurs synthétiques