Phénomènes pré-disruptifs dans les liquides

Phénomènes pré-disruptifs dans les liquides
(“streamers”)
Olivier LESAINT
Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble (G2E lab)
CNRS Grenoble INP / Université Joseph Fourier
Phénomènes précurseurs du claquage des liquides
Domaine beaucoup moins avancé que dans les gaz !
Plus récent
1954 Liao & Anderson / rotating film - 1966 Stekol'nikov / streak camera - 1961 Farazmand Strioscopie
Peu (pas) de modèles prédictifs, beaucoup de caractérisation
physique de base mal connue, conditions locales « extrêmes »
Champs locaux >> MV/cm : porteurs de charges ? injection ? …
dynamique du changement de phase? (vitesses > 100 x Vson)
Domaines d’applications essentiels:
•
Isolation électrique
•
•
•
Imprégnation d’isolants solides (câbles, condensateurs)
Isolation très haute tension (transformateurs – 800kV)
Dépollution ?
•
Décharges dans l’eau
Objectifs présentation
• I - Phénoménologie phénomènes prédisruptifs
caractères « génériques »
• II - Nature gazeuse des canaux
• III - Propriétés électriques « macroscopiques » des canaux
• IV – Applications (dépollution)
I - une très large variété de phénomènes …
0.1km/s
8 kV
14 kV
30 kV
« 1er mode »
2 km/s
« 2nd mode »
100 µm
2 km/s
« 2nd mode »
160 kV
304 kV
424 kV
10 km/s
> 100 km/s
« 3rd
mode »
« 4ème mode »
Terme générique “streamer” (inapproprié …)
“Modes”: typologie descriptive (vitesse, … )
I - exemple: transition 1er / 2ème mode (pentane)
20
Inception voltage (kV)
2d mode
streamers
16
12
2 km/s
Vp
8
Vs
1st mode
streamers
4
Tip radius (µm)
0
100 m/s
0
ro
2
rc
4
6
8
Transition brutale ⇔ seuil de tension Vp
10
I – transition
3/4ème modes:
ester naturel
(Tran Duy et al. IEEE TDEI 2010)
3ème mode
(discontinu)
Vitesse moyenne de propagation (km/s)
1000
4ème mode
2ème mode (continu)
100
10
1
Ester naturel
Ester synthétique
Huile minérale
V
a
0,1
0
100
200
300
Tension (kV)
400
500
Liquide très spécifique:
ε = 80
σ = 0,1 – 1000 µS/cm
I - autre exemple: eau
Vitesse moyenne (km/s)
Premier saut
0.1 mm
0.4 cm
types III + II
0
0.2µs
t
- 23kV
type II
V
20kV/div Applied voltage.
200mA/div Current.
Tension appliquée (kV)
200ns/div Time.
“modes” comparables, mais à des tensions <<
II - Nature gazeuse. Processus élémentaire: génération d’une
cavité par une avalanche électronique (Denat et al. IEEE EI 88)
géométrie pointe-plan (rp ≈ 0.5 - 10 µm)
hydrocarbures ultra purs, pointe négative
impulsions de courant indépendantes de la pression
( 0 – 250 bars)
E > 7MV /cm
Avalanche électronique en phase liquide
génération d’une cavité gazeuse
5 nJ, 5 kV
Cyclohexane
100µA 50 ns /div.
rp = 4 µm, 8 kV, 40bars
II - nature gazeuse: dynamique cavité
Expansion
R max.
Implosion
HT
800
P = 0.5MPa
Laser
Rm
600
Photodiode
Diamètre
cavité
∆t
400
Integrated current pulse
200
Courant
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Time
(ns)
Bubble in cyclohexane (Wi = 7.26nJ )
Dynamique ≈ bulle de cavitation
140
Amplitude (mV)
120
100
80
Shock wave
Onde de choc
Pressure waves
Ondes
de pression
II - cavité: modèle hydrodynamique
∆t1 (first rebound)
∆t2 (second rebound)
1
theoretical curves ∆t ∝ P∞
-5/6
R(µm)
P∞=0.5MPa
6
∆t [µs]
5
P∞=1.2MPa
4
3
Pc
0,1
2
1
temps(ns)
0
0
200
400
600
800
1000
0,01
0,1
1
10
P∞ [MPa]
Modèle de Rayleigh (incompressible, non visqueux, bulle vide)
∆t = 0,91468 * Rray *
1/ 3
Bilan énergétique (volume de liquide vaporisé) Wi – énergie injectée
* dynamique
* forces électriques
* cavité
→ inertie du liquide
→ effet négligeable
→ essentiellement constituée de vapeur
W 
RW = k  i 
 P∞ 
ρ∞
P∞
II - nature gazeuse: canaux “2ème mode”
(Gournay et al. J Phys D 94)
Laser
beam
10 µm
filament lifetime
200 µm
maximum
diameter
Photodiode
“streamer”
= canal vapeur
en expansion
Coupure filaments
(pentane, 17 kV, 1.1MPa)
II - nature gazeuse: influence pression hydrostatique
(Gournay et al. J Phys D 94)
105
CH, 2.5mm, 17 kV
CH, 2.5mm, 17.5 kV
Filament diameter (µm)
Filament lifetime (ns)
100
104
Measured filament lifetime (ns)
Calculated Rayleigh lifetime (ns)
1000
10
100
Hydrostatic pressure (MPa)
10
0
2
4
6
8
Hydrostatic pressure (MPa)
1
10
P ↑ : large réduction
0
2
4
- durée de vie des canaux
(
arrêt propagation)
- diamètre canaux
6
8
10
II - nature gazeuse: influence de la pression
(Gournay et al. J Phys D 94)
Vitesse de propagation (km/s)
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Pression hydrostatique (MPa)
8
P ↑ : vitesse inchangée
(pentane, 17 kV)
II - Autre exemple: eau
24kV / 300ns
0.2µs
dm
1 mm
1µs
Expansion
10µs
Creation
Implosion
tm
Collapse
40µs
ε + conductivité élevés
60µs
Dissipation d’énergie >>
diamètre canaux >>
II - mécanismes de propagation ?
100 µm
Onde de choc
(cône de Mach)
Canal (vapeur) en expansion
strioscopie, pentane
Changement de phase (10W)
onde de choc
nécessairement gazeux pour assurer la propagation
(pas de porteurs de charge rapides en phase liquide)
hors équilibre pression (spatial, temporel)
Siège de “décharges”
* Mécanismes de conduction ?
champ très fort (≈
≈ 10MV/cm)
influence additifs (aromatiques)
* Mécanismes injection de charge ?
ionisation de champ
multiplication electronique
dissociation renforcée (Onsager)
•Vitesse propagation ?
•Phénomènes électro-mécaniques ?
P Electrostatique ≈ 100 Bars
•ramification ?
•…
II - Corrélation vitesse ⇔ pression interne
1er mode
100 m/s
1 – 10 bars
filament lifetime
maximum
diameter
2ème mode
2 km/s
10 – 100 bars
3/4ème mode
30 km/s
100 - 1000 Bar ?
III - propriétés électriques : chute de tension dans le canal
(Massala et al. IEEE EI 98)
point-plane, d= 10 cm
10
Stopping length of
2d mode streamers (cm)
8
⇒ arrêt dû à la chute de tension Vs
dans le streamer
6
4
2
Applied voltage (kV)
0
0
50
100
150
200
V - Vs
V
Epropa.
E = Vs / ls
Epropa < Ecritique (≈
≈ 10MV/cm) ⇒ arrêt de la propagation
III - propriétés électriques : chute de tension dans le canal
Stopping length (cm)
40
d=35 cm
35
∆V
30
25
20 cm
20
∆ls
15
10 cm
10
5 cm
5
Applied voltage (kV)
0
0
100
200
300
400
500
⇒ huile minérale (2ème mode, 2km/s)
E ≈ 5 to 30 kV/cm
⇒ eau (3ème mode, 30 km/s)
E ≈ ∆V / ∆ls = 12 kV/cm
III - chute de tension: paramètres sensibles
V - Vs
V
C
Liquides isolants:
i
i ~ V (dC/dx) v
⇒ E ↓ quand i ↑ (# arc électrique)
* quand la tension V ↑
* quand la vitesse v ↑
* quand la capacité linéique dC/dx ↑
⇒ E ↑ quand Pression ↑ (# décharge dans un gaz)
III - chute de tension dans le streamer (huile minérale)
(Massala et al. IEEE EI 98)
El (kV/cm)
20
15
influence tension appliquée / vitesse
(2 & 3ème modes)
10
5
Applied voltage (kV)
0
0
⇒ influence “capacité linéique” dC/dx
(streamer rampant P. Atten & A. Saker IEEE EI 96)
50
E (kV/cm)
100
150
Vb
200
250
300
350
Mineral oil
40
30
20
dC
dépend ε, épaisseur
Creeping streamers
10
9
8
7
6
C(pF/m)
5
10
100
III - chute de tension dans le streamer (pentane, 2ème mode)
Longueur d'arrêt (mm)
1,2
0.1 MPa
0.5 MPa
1
influence pression hydrostatique
7kV /mm (P atm)
1.5 MPa
2.5 MPa
0,8
0,6
4.5 MPa
0,4
75 kV / mm (65 bars)
6.5 MPa
0,2
0
5
10
15
20
25
Tension appliquée (kV)
30
Tension seuil propagation
inchangée
(Gournay et al. J Phys D 94)
III - Un cas particulier: l’eau
0,7 µS/cm
528µS/cm
102 µS/cm
Tension (20kV)
Ouverture
Courant (8A)
Tension (50kV)
Tension (50kV)
Ouverture
Courant
(20A)
Ouverture
Courant (40A)
Lumière
Lumière
Lumière
Forte influence conductivité sur courant & lumière
Aucune influence sur la vitesse de propagation
(Thèse Dang, Grenoble 2010)
III - Un cas particulier: l’eau
Streamer charge (µC)
Integrated light (arb)
100
100
500µS/cm
100µS/cm
10
Lumière intégrée (nC)
Charge des streamers ( C)
10
10µS/cm
1
1µS/cm
0.1µS/cm
0.1
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0.00001
0.01
10
Tension appliquée
Applied
voltage (kV)
(kV)
100
10
100
Tension appliquée
(kV)
Applied
voltage (kV)
courant, énergie dissipée, émission de lumière augmentent fortement au-delà de
≈ 10µS/cm
ε = 80
III - Un cas particulier: l’eau
σ= 0,1 – 1000 µS/cm
Temps de relaxation εσ = 70µs – 7 ns
Streamer charge (µC)
C
100
Streamer charge ( C)
R
10
τ = 0.7µ
µs
ta >> τ
tstreamer
>>ρε
ρε
1
tstreamer
<<ρε
ta <<
τρε
0.1
0.1
1
10
100
Conductivity ((µS/cm)
Conductivity
µS/cm)
Courant de déplacement
seul (C)
1000
Courant de déplacement
+ conduction (C + R)
large pertes Joules
autour du streamer (R)
III - émission de lumière et courants transitoires …
⇒ conduction généralement
“intermittente”
Distance: 20 cm V: 256 kV
Current (0.5 A/div.)
10 µs
10 µs
Emitted light
Voltage
streamer joignant les électrodes sans
claquage
III - caractérisation spectroscopique …?
* Mécanismes de conduction dans les filaments gazeux ?
- "tube liquide" très fin (10-100µm)
- pression élevée, non homogène, température ?
* différents mécanismes existent (≡différents modes de propagation)
* spectroscopie ≅ inutilisable dans les hydrocarbures !
* Azote liquide (3 & 4ème modes, Frayssines 2001)
- densité électronique 1018 cm-3 (Stark broadening of H-Balmer lines)
- Tr (kinetic temperature) 3000 K
* Eau (3 & 4ème modes, Bonifaci 2007)
- densité électronique 5-8 1018 cm-3 (Stark broadening of H-Balmer lines)
- Tr (kinetic temperature) 3600 – 4000 K (Simulation bande OH band avec Tr comme parametre ajustable)
•
III - caractérisation spectroscopique, azote liquide (3&4ème modes)
3000K
LN2
T=7
7K
LN2
T=7
7K
LN2
T=77
K
LN2
T=77
K
Ne~0,6-11024m-3
Ng~1-7 1026 m-3
N and
N2
central
N2
Peripheral
region
T=350K
region
≅ 100250µm
IV – application: dégradation de polluants organiques
527µS/cm
5 mm
Streamers « 3 & 4ème modes » dans l’eau
UV, OH, H2O2, ondes de chocs …
Dégradation de polluants organiques
(Thèse T.H. Dang 2010)
(très) mauvaise efficacité énergétique !
• décharge haute pression ⇒ recombinaison OH ⇒ H2O2 essentiellement
• pertes par effet Joule …
(Thèse Dang, Grenoble 2010)
IV – exemple: dégradation 4 - chlorophenol
Ln[C/Co] ≈ -kWrel
ln(C/Co)
0
Chemical yield K(µmol/kJ)
-1
without FeCl2
Streamer
(eau)
0.2
Arc
(eau)
10.1
Pulsed Corona
(air)
21
with FeCl2
5.0
15.3
36
without FeCl2
0.03
1
32
with FeCl2
2.7
6.8
51
-9
Streamer K = 0.2x10 (mol/J)
4-CP
-2
-9
Spark K = 10x10 (mol/J)
4-NP
-3
-9
Corona K = 21x10 (mol/J)
-4
-5
0
9
9
9
9
9
1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10
W (J/mol ClPh)
9
rel
sans FeCl2
(Thèse Dang, Grenoble 2010)
Conclusions …
mécanismes de décharge dans les liquides
- large variété de phénomènes
- changement de phase = étape indispensable
- difficulté: conditions extremes (P, T, E), physique ?
- pas de modèles
applications
- isolation électrique
- dépollution
oxydation de polluants: efficacité faible
Remerciements …
collègues G2E lab (R. Tobazéon, A. Denat, N. Bonifaci…)
partenaires (EDF, Schneider Electric, Alstom, AREVA, IREQ, …)
étudiants (P. Gournay, G. Massala, T.V. Top, P.E. Frayssines, T.D. Chau.…)