THÈSE En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par l’Université Toulouse III – Paul Sabatier Discipline ou spécialité : Génie Electrique Présentée et soutenue par Flavien KOLIATENE Master Recherche Matériaux pour l’électronique & Ingénierie des Plasmas Maître ès science Le 5 janvier 2009 Titre : CONTRIBUTION A L’ETUDE DE L’EXISTENCE DES DECHARGES DANS LES SYSTEMES DE L’AVIONIQUE JURY M. Jean – Hugues PAILLOL, Professeur des Universités - PAU. Président M. Olivier LESAINT, Directeur de recherche au G2ELAB, Grenoble. Rapporteur M. François FOREST, Professeur à l’IES- Montpellier. Rapporteur M. Michel DUNAND, Resp. Interconnexion, Labinal. Examinateur M. Régis Meuret, Resp. Pôle SPEC, Hispano-suiza. Examinateur M. Thierry LEBEY, Directeur de recherche CNRS- Toulouse. Directeur de thèse M. Jean-Pascal CAMBRONNE, Professeur à l’UPS- Toulouse. co-Directeur de thèse Ecole doctorale : Génie électrique, électronique et télécommunications, Toulouse Unité de recherche : Physique, Chimie, Automatique Directeurs de Thèse : M. Thierry LEBEY, Jean-Pascal CAMBRONNE Rapporteurs : M. Olivier LESAINT, Directeur de recherche au G2ELAB, Grenoble M. François FOREST, Professeur à l’IES, Montpellier La vie est une succession de paragraphes paragraphes qui finissent tous par un point d’interrogation. « Charlélie Couture» Couture» A Ma mère, mes frères et sœurs, ma femme, ma fille et ma belle famille… A Tous ceux qui me sont chers… A La mémoire de mon Père… Résumé Grâce aux progrès réalisés dans le domaine de l’électronique de puissance, la puissance électrique embarquée dans les véhicules de transport (automobile, ferroviaire, maritime…) est en constante augmentation. Cette évolution est aussi en train de se produire dans les aéronefs conduisant inévitablement à une augmentation du niveau de tension. La souplesse de contrôle, la maintenance facilitée ainsi que le coût sont les atouts supposés des systèmes dits « Plus électrique ». Cependant, la mise en place de systèmes plus électriques peut conduire à l'apparition de phénomènes défavorables aux systèmes d'isolation électrique tels que des décharges. Une étude sur les conditions d’initiation des Décharges Partielles (DP) est donc apparue nécessaire pour garantir la fiabilité des systèmes d’isolation et donc de l’ensemble de la chaîne de puissance électrique. C'est dans ce cadre que s'inscrit le travail qui est présenté dans ce manuscrit. Une attention particulière est portée à la caractérisation expérimentale de l'existence de DP dans les systèmes électriques embarqués dans les aéronefs. Ceci est lié, d'une part, à l'environnement spécifique (pression, température, humidité,..) et, d'autre part, à l'augmentation du niveau de tension. Jusqu'à très récemment, ce phénomène n'était pas pris en compte dans les spécifications des équipements électriques embarqués, compte tenu du faible niveau de tension fonctionnement (115V AC et 28V DC). Nous rappelons tout d'abord l'évolution et le besoin en puissance électrique dans les nouvelles générations d'avions de plus en plus électriques. Un état de l'art sur les mesures de DP est ensuite présenté. La phénoménologie de décharges électriques dans l'air et notamment la loi de Paschen sont exposées. Enfin, des expressions correctives issues de la littérature sont présentées et discutées. Nous présentons ensuite le banc d'essai mis au point permettant, d'une part de caractériser le claquage électrique de l'air sous atmosphère contrôlée (pression, température et taux de l'humidité relative) et d'autre part d'effectuer les mesures de DP sous contraintes aéronautiques. Les mesures effectuées nous ont permis dans une première étape de définir selon la plage de température d'utilisation, le domaine de validité des expressions correctives. Nos mesures montrent ensuite que l'initiation des DP étant inévitable, certains équipements seront plus exposés que d'autres à leur développement dans leurs conditions normales de fonctionnement. Des recommandations doivent donc être établies afin d'imposer dans les spécifications les mesures de DP comme tests de qualification. Mots clés : Avionique, Loi de Paschen, Tension de claquage, Isolation électrique, Paramètres atmosphériques, Equipements de puissance, Décharges Partielles. Abstract Thanks to the progress realized in power electronics field, the electric power embarked on the transport vehicles (automobile, railroad, maritime…) is in constant increase. This evolution is also occurring in aircrafts, leading inevitably to an increase of the voltage level. The control flexibility, the facilitated maintenance as well as the cost are the assumed assets of systems called "More Electric". However, the implementation of more electric systems can lead to the occurrence of unfavourable phenomenons to the insulation electrical systems such as discharges. It seemed therefore necessary to develop a study on initiation conditions of Partial Discharges (PD) to guarantee the reliability of insulation systems which is the whole chain of electric power. It is in this frame the work relates to and it is presented in this manuscript. A particular attention is carried out concerning the experimental characterization of the PD existence in the electric systems embarked in aircrafts. This is bound, on one hand, to the specific environment (pressure, temperature, humidity) and, on the other hand, to the increase of the voltage level. Until very recently, this phenomena was not taken into account in the specifications of the embarked electric equipments, considering the low functioning voltage level (115V AC and 28V DC). We remind first of all about the evolution and the need in electric power in the new generations of more and more electric aircraft. A state of the art on the measures of PD is then presented. The phenomenology of electric shocks in the air in particular Paschen law are explained. Finally, corrective expressions coming from the literature are presented and discussed. Then we present the bench test worked out allowing, on one hand the characterization of the electric strain of the air under controlled atmosphere (pressure, temperature and relative humidity) and on the other hand the measures of PD under avionics constraints. The measures allowed us in a first stage to define according to the temperature set of use, the domain of validity of the corrective expressions. Our measures show then that the initiation of the PD being inevitable, some equipment will be more exposed than the others to PD development in normal functioning conditions. Recommendations must thus be established to impose within the specifications the PD measures as qualification tests. Keywords: Avionics, Paschen Law, Breakdown voltage, electric Insulation, Atmospheric parameters, Power equipments, Partial Discharges (PD). REMERCIEMENTS En dépit du fait qu’un seul nom d’auteur figure sur la couverture d’un mémoire de thèse !!! Que serait-on, seul face à son sujet de thèse !? Telle est la question que je me pose avant de commencer les traditionnels remerciements… Faire une liste exhaustive de tous les gens que j’ai rencontrées pour faire avancer directement ou indirectement ce travail serait hasardeux… Alors les absent(e)s de cette liste m’excusent, ma mémoire est sélective. Mais à coup sur j’ai pensé à vous à un moment… Tout d’abord, Je remercie Monsieur Christian Laurent, directeur du Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie (Laplace) pour m’avoir accueilli au sein du dit labo. Je remercie très sincèrement mes « chefs » Thierry Lebey et Jean Pascal Cambronne qui ont pu encadré et dirigé ce travail avec beaucoup de compétences et de sympathie. Au cours de ces années, votre grande disponibilité, votre rigueur scientifique, votre enthousiasme et vos précieux conseils m’ont permis de travailler dans les meilleures conditions. La confiance que vous m’avez accordée ainsi que nos nombreuses discussions m’ont permis de progresser. Soyez assuré, Monsieurs, de toute mon estime et de mon profond respect. De même, je tiens à souligner la patience et leurs contributions dans la rédaction de ce document. J’exprime toute ma reconnaissance à Sorin Dinculescu et Alain Boulanger qui ont apporté une contribution précieuse pour la mise en place du banc d’essai, sans lequel, la partie expérimentale de ce travail n’aurait pu se réaliser. Pour les nombreuses discussions, très fructueuses lors des réunions, qui ont permis d’orienter cette étude ainsi que son financement, je remercie le consortium des industriels partenaires ce travail : Technofan, Hispano-suiza, Nexans, Thalès et Labinal représentés respectivement par : Christophe Cester, Regis Meuret & Sebastien Vieillard, Jean-Pierre Ferlier et Hakim Jannah, Remerciement Mario Martinez et en particulier Michel Dunand et Kahina Meziani dont les contributions au travers de nombreuses suggestions m’ont beaucoup étayé. Je remercie les rapporteurs de cette thèse Olivier Lesaint et François Forest pour la rapidité avec laquelle ils ont lu mon manuscrit et l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail. Merci également au Professeur Jean-hugues Paillol, d’accepter de présider ce jury. Pour tous les moments passés ensemble au travail et en dehors, j’adresse un sentiment très particulier et toute ma reconnaissance à tous les permanents de l’équipe MDCE que j’ai eu le grand plaisir de côtoyer. A mes collègues doctorants et post-doctorants : Axel Rumeau, Fabrice Aymonino, Eddy Aubert, Ludovic Menager, Sombel Diaham, Hung, Cyrille Duschene, Tomer Vaday, Maher Souidan ; pour le soutien que vous m’avez apporté tout au long de ma thèse. Je vous exprime toute mon amitié. Aux ami(e)s : Landry, Phillipe, Guy, Thierry, Salouza, Gaetan, Gerome & Stéphanie, et tous ceux qui n’ont cessé de m’encourager, j’adresse mes vifs sentiments. A ma belle famille ; Dominique, Chantal, Anne-Sophie, Céline, Marie Claude et Jean-Marie, Françoise,... j’exprime toute ma reconnaissance pour leur soutien assouvi. Enfin, je tiens à remercier de façon particulière ma femme Sandrine et ma fille Lucile, qui ont été mes précieuses collaboratrices tout au long de cette étude. 2 TABLE DES MATIERES Table des matières ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ -4- Table des matières ___________________________________________________________________________ INTRODUCTION GENERALE ....................................................................... 9 CHAPITRE I : ENVOL DE LA PUISSANCE ELECTRIQUE EMBARQUEE.................. 15 I.1- Généralité sur les sources d’énergies embarquées............................................................. 17 I.2- Des avions de plus en plus électriques .............................................................................. 18 I.2.1- Historique de l’évolution de l’énergie électrique embarquée ......................................... 19 I.2.2- Vers l’avion plus électrique : Génération et réseau de bord ........................................... 20 I.2.2a- Nécessité d’un système Hybride : Electro-hydraulique ................................................ 22 I.2.3- Evolutions futures : Vers le tout électrique et le plus composite ................................... 23 I.2.3a- Le frein électrique ......................................................................................................... 24 I.2.3b- Mutualisation de l’électronique .................................................................................... 24 I.2.3c- Structure composite ...................................................................................................... 25 I.2.4- Positionnement du problème .......................................................................................... 25 I.2.5- Problématique industrielle ............................................................................................. 27 I.3- Fonctionnement et environnement aéronautique ............................................................... 28 I.3.1- Identification des contraintes spécifiques du système aéronautique .............................. 28 I.3.1a- Contraintes de fonctionnement ..................................................................................... 28 I.3.1b- Contraintes environnementales ..................................................................................... 29 b1- Température ....................................................................................................................... 30 b2- Pression .............................................................................................................................. 30 b3- Humidité ............................................................................................................................ 30 b3.1- L’humidité relative.......................................................................................................... 31 b3.2- Le rapport du mélange .................................................................................................... 31 b3.3- La température de rosée .................................................................................................. 31 b4- Densité de l’air ................................................................................................................... 32 b5- Conditions d’humidité en fonction de l’altitude ................................................................ 33 b6- Variation des paramètres atmosphérique en environnement avion ................................... 34 CHAPITRE II : PHENOMENOLOGIE & MESURES DES DECHARGES PARTIELLES (DP)........................................................................................... 37 II.1- Décharges électriques dans les gaz : LE PLASMA ......................................................... 39 II.1.1- Bref rappel de la théorie des gaz ................................................................................... 39 II.1.2- Généralités et définition ................................................................................................ 40 ___________________________________________________________________________ -5- Table des matières ___________________________________________________________________________ II.1.2a- Les collisions ............................................................................................................... 40 II.1.2b- Paramètres physiques d’initiation de la décharge ....................................................... 41 II.1.3- Mécanisme de formation et processus physiques des décharges électriques ................ 43 II.1.4- Loi de Paschen : Rappels théoriques ............................................................................. 45 II.1.5- Notion du champ disruptif............................................................................................. 49 II.1.5a- Influence de la géométrie des électrodes ..................................................................... 50 II.1.6- Variation des conditions environnementales................................................................. 54 II.1.7- Décharge en présence d’une paroi isolante .................................................................. 57 II.1.7a- Combinaison de diélectriques de différentes permittivités ......................................... 58 II.1.7b- Critères de la fonction d’isolation ............................................................................... 59 II.2- Les décharges Partielles : Etat de l’art ............................................................................. 59 II.2.1- Définitions et classification ............................................................................................. 6 II.2.1a- Définitions ................................................................................................................... 60 II.2.1b- Classification et terminologie...................................................................................... 60 II.2.2- Les mesures des DP comme technique de diagnostic du système d’isolation électrique .................................................................................................................................. 61 II.2.2a- Objectif ........................................................................................................................ 61 II.2.2b- Les différentes techniques de détection....................................................................... 62 b1- les techniques autres qu’électriques ................................................................................... 62 b1.1- La détection radio ........................................................................................................... 62 b1.2- La détection acoustique................................................................................................... 62 b1.3- La détection optique ........................................................................................................ 62 b2- La détection électrique ....................................................................................................... 63 b2.1- Historique ........................................................................................................................ 63 b2.2- Les montages de détection électrique ............................................................................. 63 b2.3- Les grandeurs liées aux DP ............................................................................................. 64 b2.3i- Le bruit de fond.............................................................................................................. 64 b2.3ii- La calibration de la mesure des DP .............................................................................. 65 b2.3iii- La Charge apparente .................................................................................................... 65 b2.3iv- Relation entre charge apparente et charge réelle ......................................................... 65 b2.3v- Tension d’apparition et d’extinction des décharges (TADP et TEDP)......................... 67 b2.3vi- Les grandeurs calculées ............................................................................................... 67 II.2.2c- Techniques d’analyse des DP ...................................................................................... 69 c1- Objectifs ............................................................................................................................. 69 c2- Procédures .......................................................................................................................... 69 c3- Reconnaissance par observation directe............................................................................. 71 c4- Reconnaissance par utilisation des coefficients statistiques : skewness & kurtosis ........... 71 c5- Méthodes diverses .............................................................................................................. 73 II.2.3- Effets des paramètres de fonctionnement électriques sur les DP .................................. 73 ___________________________________________________________________________ -6- Table des matières ___________________________________________________________________________ II.2.4- Nocivité des DP ............................................................................................................. 76 II.2.5- Diagnostics des équipements de l’électronique de puissance ....................................... 77 II.2.6- Les DP et les normes aéronautique : ABD0100 ............................................................ 77 CHAPITRE III : CARACTERISATION EXPERIMENTALES ET RESULTATS ..................................................................................................... 79 III.1- Claquage de l’air sous contraintes environnementales ................................................... 81 III.1.1- Description du dispositif expérimental ........................................................................ 81 III.1.2- Mode opératoire et protocoles expérimentaux ............................................................. 84 III.1.2a- Essais en température-humidité ................................................................................. 84 III.1.2b- Essais en pression simulant des variations d’altitude ................................................ 85 b1- Pompage ............................................................................................................................. 85 b2- Réglage de la distance inter-électrodes ............................................................................. 86 b2.1- Etalonnage de la vis micrométrique ................................................................................ 86 III.1.3- Mesure de la tension de claquage de l’air .................................................................... 88 III.1.4- Résultats et analyses .................................................................................................... 89 III.1.4a- Comparaison des résultats avec la courbe théorique de Paschen ............................... 89 III.1.4b- Effet de variation des paramètres environnementaux ................................................ 91 b1- Température et pression ..................................................................................................... 91 b2- Humidité ............................................................................................................................ 95 III.1.5- Validation des facteurs correctifs ................................................................................. 97 CHAPITRE IV : LES DECHARGES PARTIELLES (DP) DANS LES SYSTEMES DE L’AVIONIQUE .................................................................. 103 IV.1- Présentation du dispositif .............................................................................................. 105 IV.2- Acquisition et traitement des données .......................................................................... 107 IV.3- Description des véhicules tests ..................................................................................... 108 IV.4- Caractérisation des DP .................................................................................................. 109 IV.4.1- Environnement de fonctionnement des équipements ................................................ 109 IV.4.2- Mesures des DP ......................................................................................................... 110 IV.4.2a- Isolation des câbles .................................................................................................. 110 a1- Champ et potentiel dans un câble..................................................................................... 112 a2- Disposition des câbles aéronautiques ............................................................................... 113 a3- Résultats des mesures des DP .......................................................................................... 114 a3.1- Influence de la jauge ..................................................................................................... 115 a3.2- Influence des contraintes d’installation ......................................................................... 116 a3.3- Influence de la variation des paramètres environnementaux ........................................ 118 ___________________________________________________________________________ -7- Table des matières ___________________________________________________________________________ IV.4.2b- Isolation statorique................................................................................................... 119 b1- Mesures des DP en impulsionnelle : Test d’isolation entre spires ................................... 120 b2- Mesures des DP en AC 50Hz........................................................................................... 122 b3- Isolation des autotransformateurs .................................................................................... 124 IV.4.2c- Isolation des composants d’électronique de puissance ............................................ 127 IV.5- Analyses et recommandations ...................................................................................... 129 CONCLUSION ................................................................................................ 131 ANNEXES ........................................................................................................ 137 BIBLIOGRAPHIE .......................................................................................... 153 ___________________________________________________________________________ -8- INTRODUCTION GENERALE Introduction générale ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ 10 Introduction générale ___________________________________________________________________________ Les inquiétudes, entretenues d’une part, par l’augmentation exponentielle de la consommation des énergies fossiles et d’autre part, par le souci de préserver l’environnement ont motivé les acteurs impliqués dans le domaine du transport à mettre en place des solutions alternatives. Une des solutions possibles consiste dans le développement de véhicules plus électriques voire hybrides. Cependant, la mise en place des systèmes plus électriques constitue un challenge. De nombreux défis doivent être relevés pour garantir la fiabilité des systèmes. Dans ce contexte, de l’automobile au ferroviaire en passant par le maritime et l'aéronautique, les systèmes électriques subissent de profondes mutations et doivent être repensés. L’essor de l’électronique de puissance durant ces dernières années participe à ce changement. Fiabilité, modularité, gain de masse, souplesse de fonctionnement sont, parmi d’autres, les qualités qu’apportent ces nouveaux modes de conversion d’énergie. Qui ne peut constater l’évolution faite de la célèbre 2CV à la nouvelle C5 ? De la même manière, la comparaison entre le premier train alimenté par caténaire et le nouveau AGV (Automotrice Grande Vitesse) en dit long sur l’apport d’organes électriques. Retenons que les caractéristiques principales recherchées sont le confort, la sécurité, le coût et l’impact sur l’environnement. Dans le secteur aéronautique, dont la contrainte principale est la masse embarquée, plusieurs réflexions sont menées pour arriver à ces objectifs en incorporant aussi la fiabilité des équipements. Des investigations sont donc menées sur la fiabilité des convertisseurs statiques (plate forme du Laboratoire Pearl), sur les problèmes liés à la compatibilité électromagnétique et sur la phénoménologie des Décharges Electriques Partielles (DP) notre cas d’étude. Le travail que nous allons présenter s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre le laboratoire Laplace via l’équipe Matériau Diélectrique dans la Conversion d’Energie (MDCE) et les industriels qui interviennent dans la chaîne de puissance électrique embarquée dans les aéronefs. Cette collaboration associe les entreprises du groupe Safran (Labinal, HispanoSuiza, Technofan), avec Thalès Avionics System (TAES) et Nexans (fabricant de câbles). Improprement appelées corona dans la littérature, les Décharges Partielles (DP) correspondent à des ruptures d’isolation localisées soit à la surface, soit dans le volume du Système d’isolation Electrique (SIE). L’existence de ce phénomène entraîne leur vieillissement précoce. Jusqu’à très récemment, ce phénomène n’était pas pris en compte dans les spécifications relatives aux équipements électriques de l’avionique, compte tenu des faibles niveaux de tension utilisés (115V AC 400Hz et 28V DC). L’augmentation des charges électriques a conduit à une augmentation de la puissance embarquée. Cette exigence se traduira par une augmentation du niveau de tension (230V AC à fréquence variable 360- ___________________________________________________________________________ 11 Introduction générale ___________________________________________________________________________ 800Hz et +/-270 ou 0-540V DC). Ainsi, cette augmentation combinée aux contraintes imposées par l’environnement avionique : baisse de pression liée à l’altitude, cycles de température et variation du taux d’humidité, risque de rendre l’existence des DPs inévitable. Dès lors, tout le problème consiste donc, d’une part à identifier les contraintes spécifiques aux systèmes de l’avionique et d’autre part à quantifier expérimentalement l’impact de ces contraintes sur l’occurrence des décharges afin d’apporter, dans le futur, soit des outils d’aide aux dimensionnements, soit des critères de choix d’équipements via la préconisation des tests spécifiques, pour garantir la fiabilité de la fonction d’isolation. Dans le premier chapitre, nous présentons l’évolution de l’énergie électrique embarquée dans les aéronefs. Après avoir rappelé les différentes sources d’énergie traditionnellement utilisées, nous nous focalisons sur l’aspect électrique. Notamment l’architecture du réseau de bord et les différentes fonctions qui font appel de plus en plus aux systèmes électriques. Cette évolution a progressivement ouvert la voie vers l’Avion Tout Electrique, et ses conséquences constituent un des challenges à relever. Nous identifions les contraintes spécifiques à l’environnement des systèmes embarqués dans les aéronefs notamment la variation des paramètres atmosphériques, susceptibles d’influencer l’initiation des décharges. Dans le second chapitre, nous rappelons les principes fondamentaux de la physique des décharges ainsi que l’état de l’art sur l’utilisation des DP comme technique de diagnostic des équipements électriques. Les principaux paramètres physiques, les phénomènes ainsi que les lois sont brièvement rappelés. La revue de la littérature effectuée à cet effet a permis d’identifier des expressions correctives proposées pour prendre en compte l'impact sur la courbe de Paschen d'éventuels écarts liées aux conditions environnementales. Dans le troisième chapitre, nous décrivons le dispositif expérimental mis au point ainsi que les résultats obtenus. Ce chapitre est consacré à la caractérisation de la décharge électrique en champ uniforme dans l’air sous différentes conditions, obtenues par la variation des paramètres atmosphériques (pression, température et le taux d’humidité relative). C’est le tracé de la loi de Paschen dans ces conditions spécifiques qui constitue notre apport principal. Nous discutons aussi de la validité des expressions correctives proposées dans la littérature. Dans le quatrième chapitre, nous présentons les résultats de caractérisation des DP sur différents équipements électriques embarqués dans les aéronefs. Nous étudions l’impact de ___________________________________________________________________________ 12 Introduction générale ___________________________________________________________________________ variation des paramètres environnementaux sur la tension d’apparition des DP dans les conditions spécifiques à l’avionique. Nous en déduisons les limites d’utilisation des équipements actuels et nous donnons quelques recommandations. Enfin, dans la conclusion, nous dégageons les résultats essentiels de cette étude et les perspectives de recherches qui en découlent. ___________________________________________________________________________ 13 Introduction générale ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ 14 Chapitre I : ENVOL DE LA PUISSANCE ELECTRIQUE EMBARQUEE I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ 16 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ L’utilisation de l’électricité dans le monde aéronautique n’est pas récente. Mais, progressivement, les avionneurs ont manifesté un profond souhait d’élargir son utilisation à l’ensemble des fonctions remplies à bord des avions. De surcroît, le confort des passagers comme le développement des distractions à bord (cinéma, jeux,…) ne fait qu’augmenter la demande en puissance électrique embarquée. Dans ce chapitre, tout en rappelant les principales sources d’énergies traditionnellement utilisées, nous présentons succinctement l’évolution et l’intérêt de l’utilisation croissante de l’énergie électrique ainsi que les contraintes spécifiques liées au fonctionnement et à l’environnement du système de l’avionique. I.1- Généralité sur les sources d’énergies embarquées Trois sources d’énergie coexistent actuellement dans les aéronefs : hydraulique, pneumatique et électrique. Ces trois sources d’énergie sont toutes obtenues à partir du réacteur. L’énergie primaire est donc fournie par la combustion du Kérosène et les autres sources citées constituent le secondaire. Hydraulique : L’énergie hydraulique est fournie par une pompe hydraulique couplée mécaniquement à l’arbre du réacteur. Les principales fonctions du circuit hydraulique sont l’actionnement des commandes de vol, le relevage du train d’atterrissage ainsi que le freinage. Pneumatique : L’énergie pneumatique est obtenue par prélèvement d’air chaud sur les étages haute et basse pression du réacteur. Les fonctions réalisées par le pneumatique sont principalement le conditionnement d’air de la cabine et du cockpit (climatisation et pressurisation) et le dégivrage des bords d’attaque des ailes. Le circuit d’air permet aussi le démarrage des réacteurs, mais cette fois l’alimentation se fait par l’APU « Auxiliary Power Unit ». L’APU est un générateur auxiliaire alimenté lui aussi par du kérosène. Il est essentiellement utilisé au sol avant le démarrage des réacteurs. Electrique : L’énergie électrique est fournie par un alternateur entraîné mécaniquement par la rotation de l’arbre du réacteur. Les fonctions de l’énergie électrique sont nombreuses et variées et en perpétuelle augmentation. ___________________________________________________________________________ 17 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ Ces sources d’énergie, dites de servitude, présentent des avantages et des inconvénients, énumérés dans le tableau I.1. Hydraulique Pneumatique Electrique Avantages Fort couple Démarrage des réacteurs Coût de maintenance Gain de poids Inconvénients Fuite de Skydroll® Tuyauterie importante Prélèvement sur le réacteur Compatibilité Electromagnétique Possibilité d’existence des Décharges Partielles ou couronne. Tableau 1.1 : Avantages et inconvénients des différentes sources d’énergie. Les principaux inconvénients de l’hydraulique sont les risques de corrosion et d’incendie lors d’une fuite du liquide hydraulique : le Skydroll®. De plus, les prélèvements d’air effectués sur les réacteurs pour maintenir la pression dans le circuit pneumatique pénalisent le rendement du réacteur. Ainsi, Boeing annonce près de 35% de réduction de la puissance nécessaire par l’utilisation d’une architecture électrique à la place d’un système pneumatique. Le remplacement d’un système hydraulique ou pneumatique ainsi que toute la tuyauterie associée permet également d’envisager un gain de masse. Cependant les contraintes avioniques imposent une sécurité de fonctionnement et une disponibilité des équipements. Pour assurer ces contraintes, le gain en poids est difficile à estimer et dépend des choix technologiques. En effet, qui dit plus d’électricité embarquée, dit aussi davantage de câbles pour conduire le courant. On estime ainsi à plus de 500 kilomètres la longueur des câbles dans l’A380. Un des principaux avantages de l’électricité est la simplicité de la maintenance possible directement sur avion [Wei]. De plus l’électronique peut transmettre des informations sur l’état du système permettant des actions de maintenance avant apparition d’un défaut majeur. En réduisant ainsi les temps d’immobilisation de l’avion, le taux de disponibilité, qui est synonyme de rendement, augmente. I.2 - Des avions de plus en plus électriques D’une manière générale, l’électricité prend une place prépondérante dans le schéma énergétique des véhicules, notamment dans la distribution interne d’énergie. Les aéronefs n’échappent pas à cette tendance. Le besoin en puissance électrique est de plus en plus croissant comme l’illustre la figure I.1, ce qui pourrait entraîner l’abandon progressif de l’énergie hydraulique ou pneumatique à bord des aéronefs : c’est le concept de l’avion « tout électrique ». ___________________________________________________________________________ 18 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ Figure I.1 : Evolution de la puissance électrique embarquée [S01] Nous revenons brièvement dans les paragraphes suivants sur l’historique de cet envol de la puissance électrique embarquée dans les aéronefs. I.2.1 - Historique de l’évolution de l’énergie électrique embarquée Comme illustré sur la figure I.1, les chiffres parlent d’eux-mêmes. Depuis le début de l’histoire de l’aéronautique, les avions deviennent de plus en plus électriques. Dans les années 50, l'un des premiers avions civils "long courrier" (la caravelle SE 210, 80 passagers) consommait environ 27kW avec une distribution électrique de 28V en continu. A l’époque, l’ensemble des commandes étaient hydrauliques et mécaniques. Au début des années 70, Airbus commercialise l’A300 (260 passagers) et la consommation est de 250kW avec une distribution complètement revue. Le réseau principal est à 115V AC triphasé à 400Hz. Pourquoi ce choix ? La réponse est liée à la masse. La fréquence plus élevée que pour les réseaux électriques terrestres s’explique, entre autres, par le fait que la taille des matériaux magnétiques diminue quand la fréquence augmente. A cette époque, l’électricité n’est toutefois utilisée que pour l’instrumentation de vol. A la fin des années 80, l’A320 consomme 300kW, soit guère plus que son prédécesseur, mais il sonne le glas des anciennes commandes de vol. Dotés d’un système appelé « Fly by Wire », les volets sont toujours actionnés par pression hydraulique mais la commande est entièrement électrique. Le confort et le divertissement du passager prennent aussi une part non négligeable de la consommation électrique. Sécurisante et souple d’utilisation, cette nouvelle technologie sera appliquée par les autres avionneurs [Bon]. ___________________________________________________________________________ 19 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ I .2.2 - Vers l’avion plus électrique : Génération et réseau de bord L’architecture type d’un gros porteur (A330 par exemple, Figure I.2) est constituée de trois circuits hydrauliques (H1 à H3) et de deux alternateurs qui, connectés aux turbines (Engine + Gen) alimentent séparément un bus de 115V – 400Hz. Figure I.2 : Architecture type du réseau électrique d’un biréacteur. Circuit hydraulique en tirets [Lan] L’ensemble des charges de forte puissance (commerciales ou techniques) est branché sur ce bus bar. Pour assurer la constance de la fréquence, un système électro-hydraulique permet de fixer une vitesse constante sur l’arbre de la machine (Constant Speed Drive). L’ensemble alternateur plus CSD constitue le générateur principal (Figure I.3) et est appelé IDG (Integrated Drive Generator). Une machine à aimants permanents PMG (Permanent Magnet Generator) assure l’alimentation d’une excitatrice par le biais d’un ensemble redresseur plus convertisseur DC-DC. Figure I.3 : Principe de l’IDG ___________________________________________________________________________ 20 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ Dans certaines conditions, une source électrique auxiliaire, APU (Auxiliary Power Unit), souvent en queue d’avion, assure la génération d’air pour le démarrage des moteurs et le conditionnement de la cabine. Elle est principalement utilisée au sol [Ema]. Deux prises de parc (Ext A et B) permettent l’alimentation de l'avion quand celui-ci est à l’arrêt. Un transformateur redresseur (TR) assure la conversion entre le bus bar alternatif et continu (28VDC). C’est un système dodécaphasé qui facilite le filtrage des harmoniques de courant générées et de réduire les ondulations de tension en sortie [Bon]. Enfin, côté secours, des batteries branchées sur le bus bar DC assurent l’alimentation des organes de vol vitaux. De plus, une éolienne de secours, la RAT (Ram Air Turbine), permet à la fois de pressuriser un circuit hydraulique (H1) et d’assurer la fourniture électrique de ces mêmes organes via un alternateur de quelques kW (Constant Speed Motor / Generator). En ce qui concerne le circuit hydraulique, il en existe trois indépendants (H1, H2, et H3) dont la génération est assurée par des pompes. Chacun de ces circuits possède un accumulateur (non représenté sur la figure) qui permet d’absorber les variations de pression. Comme nous l’avions mentionné, l’un des circuits sert également de secours [Wei]. C’est l’A380 qui marque le plus l’histoire de l’aéronautique, par sa taille, ce qui nous importe peu dans le cadre de cette étude, mais surtout par son architecture qui se différencie nettement des précédentes et traduit le souhait de l’avionneur d’aller vers le « plus électrique ». Plusieurs évolutions importantes sont à noter. Tout d’abord, du point de vue de la puissance installée à bord, qui passe à 800kW avec quatre générateurs à fréquence variable de 200kW chacun [Lan]. L’un des trois circuits hydrauliques des architectures dites « 3H » est remplacé par un circuit électrique pour obtenir une architecture dite « 2H+2E». Le fait de n’avoir que deux circuits hydrauliques principaux et de remplacer le troisième circuit hydraulique classique par un secours électrique peut être un facteur de diminution de masse. ___________________________________________________________________________ 21 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ Figure I.4 : Architecture 2H+2 E du réseau de l’A380 [Lan] Le système de secours est toujours alimenté électriquement par une éolienne (RAT) fournissant suffisamment de puissance pour assurer les fonctions vitales. Cela a permis de supprimer des pompes hydrauliques et la tuyauterie associée entraînant un gain de masse non négligeable. La deuxième évolution est la suppression du système complexe et lourd d’entraînement à vitesse constante de l’alternateur alimentant le réseau AC. Le précédent système IDG devient VFG (pour Variable Frequency Generator) en s’affranchissant du système CSD. Cette modification a pour conséquence de revoir l’ensemble des charges électriques car la fréquence peut désormais varier entre 360 Hz et 800Hz. La tension est toujours régulée à 115V/200V. Autre différence remarquable par rapport aux anciens produits Airbus, les fonctions jusque-là assurées par les vérins et machines hydrauliques sont remplacées par de nouveaux systèmes hybrides. I.2.2.a - Nécessité d’un système Hybride : Electro-hydraulique En dépit des avantages indéniables du système électrique, l’hydraulique conserve une place importante dans la conception des systèmes. Ainsi, on assiste à une utilisation accrue des architectures hybrides « électro-hydraulique » qui remplacent les systèmes entièrement hydrauliques. Plutôt que d’acheminer depuis les moteurs et sur une longue distance des ___________________________________________________________________________ 22 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ quantités importantes de fluide hydraulique, l'idée a consisté à générer localement l’énergie hydraulique nécessaire pour actionner tel ou tel système. En d’autres termes, le principe d’une génération de puissance hydraulique centralisée et commune à tous les systèmes est remplacé par des réseaux hydrauliques décentralisés, activés par l’intermédiaire d’une électropompe (ou micro-pompe), elle-même entraînée par un moteur électrique situé à proximité immédiate du système. Ainsi, les actionneurs hydrauliques sont remplacés par des nouveaux systèmes tels que les EHA (Electro-Hydrostatic Actuator) et EMA (Electro-Mechanical Actuator) qui représentent et plus d’un tiers des actionneurs à bord de l’avion (Figure I.5). Figure I.5 : Schéma de principe d’un Actionneur Hydro Electrique (Electro-Hydrostatic Actuator) et photo d’un Actionneur Electro Mécanique (Electro Mechanical Actuator) La partie électrique de ces actionneurs est composée d’un étage d’entrée constitué d’un pont de diodes puis d’un onduleur de tension commandé en courant. Le niveau de tension du bus continu de chaque onduleur est de 270 VDC pour une puissance de plusieurs kilowatts. Cette évolution, aussi remarquable soit-elle, est loin de son apogée. C’est ainsi que les avionneurs annoncent une nouvelle génération d’aéronefs : le Boeing 787 « dreamliner » et l’Airbus A350, qui ouvrent la voie vers le « tout électrique ». I.2.3 - Evolutions futures : Vers le tout électrique et le plus composite Les spécialistes s’accordent pour considérer l’avion tout électrique comme l’aéronef du futur [S02]. Le remplacement des systèmes hydrauliques par des dispositifs électriques permet en effet de répondre à un défi majeur : réduire encore et toujours les coûts d’exploitation des avions en simplifiant la maintenance. ___________________________________________________________________________ 23 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ I.2.3.a - Le Frein électrique Le développement du frein électrique est une véritable avancée technologique. Avec les freins électriques, les équipements hydrauliques sont remplacés par des boîtiers électroniques et les pistons hydrauliques par des actionneurs électro-mécaniques. Ainsi, lorsque le pilote freine, c’est un calculateur qui envoie l’information à un boîtier de commande, qui transforme l’information électrique en un effort électro-mécanique : les actionneurs placés sur la couronne de frein, qui remplacent les pistons hydrauliques, serrent alors les disques de carbone les uns contre les autres comme dans le freinage hydraulique traditionnel. 1. Moteur électrique 2. Réducteur à engrenage 3. Vis et écrou 4. Disque carbone rotor 5. Disque carbone stator Figure I .6 : Schéma du principe du frein électrique [S03] Le futur 787 dreamliner intègre des freins électriques développés par la société MessierBugatti [S03]. Le 787 est pourvu de huit roues principales. Chacun des freins est actionné par un système électronique nommé EBAC et disposé dans une baie avionique. Les actionneurs situés au niveau des roues sont alors reliés aux EBAC par des câbles de puissance dont la longueur est au moins égale à la longueur de la jambe du train d’atterrissage. I.2.3.b - Mutualisation de l’électronique Les différents systèmes électriques ne fonctionnent pas tous durant les mêmes phases de vol. Pour alléger les systèmes embarqués, plusieurs charges peuvent donc être alimentées par le même convertisseur. Si ces charges ne fonctionnent pas au même moment, le convertisseur est dimensionné pour la charge dont la puissance est la plus importante. Par exemple une même électronique pourra commander le train d’atterrissage et la direction quand l’appareil est au sol. L’inconvénient de cette structure est que si les charges ne sont pas toutes situées au ___________________________________________________________________________ 24 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ même emplacement, les convertisseurs devront alors alimenter les charges via des câbles de puissance plus ou moins longs. Ceci induit les phénomènes cités dans le tableau I.1. I.2.3.c- Structure composite Autrefois réservés essentiellement au domaine militaire, les matériaux composites structuraux s’émancipent de cette filiation et s’ouvrent au domaine civil [S02]. La structure des avions civils était jusqu’à très récemment entièrement métallique. Les qualités mécaniques des composites, en terme de résistance par rapport au poids de la structure, font pencher les avionneurs vers ce type de matériau. Boeing annonce 50% de composite pour le 787 alors qu’Airbus annonce 52% pour son nouvel A350 (ces chiffres sont fournis en pourcentage du poids total de l’avion). Ces matériaux sont composés de couches de fibres de carbone agglomérées dans une résine époxy permettant le maintien mécanique. Le nombre de couches utilisé dépend des caractéristiques mécaniques désirées. Une structure en métal conducteur, cuivre ou bronze, peut être ajoutée sur la peau du matériau composite notamment sur le fuselage. Cette partie métallique a été ajoutée pour conduire les courants engendrés par un impact foudre sur l’avion. Les propriétés électriques en terme de conductivité du matériau composite sont en effet très médiocres par rapport à l’aluminium. De plus ces propriétés ne sont pas isotropes. Dans la direction privilégiée, la conductivité du composite (données Airbus) est 60 fois moins importante que pour l’aluminium. 1.2.4 – Position du problème La présentation décrite dans les paragraphes précédents illustre les progrès réalisés et traduit le besoin en puissance électrique. L’énergie électrique devra assurer désormais les fonctions principales de l’avion (Figure I.7). Pour arriver à ces objectifs, le principal enjeu se situe autour de l’architecture du réseau ellemême. Il faut trouver l’architecture « optimale » qui permet d’inclure les nouveaux systèmes tout en garantissant leur fiabilité et leur disponibilité. En effet, les actionneurs tels que les EHA absorbent un courant très important pendant leur démarrage. Ils sont donc générateurs de perturbations pouvant entraîner des "creux" de tension sur le réseau à chaque déplacement d’une gouverne [Ema]. L’inconvénient de l’électricité par rapport à l’hydraulique est la difficulté à accumuler l’énergie électrique pour répondre aux variations brutales de puissance. ___________________________________________________________________________ 25 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ Commandes de vol Commandes de vol Dégivrage Cœur électrique Contrôle moteur Charges commerciales Train d’atterrissage Commandes de vol Moteur + Générateur électrique Figure I.7 : Représentation des fonctions électriques futures Comme nous l’avons mentionné précédemment, pour assurer l’alimentation des charges dont les puissances consommées sont de plus en plus importantes, l’augmentation du niveau de tension est envisagée. Ainsi, le bus principal passerait de 115V à 230V entre phase et neutre à fréquence variable (360-800Hz). Le passage d’une fréquence fixe (400Hz) à une fréquence variable pour l’alimentation des équipements électriques constitue une étape majeure. Cette variabilité de la fréquence est liée au régime du moteur qui va jusqu’à la valeur maximale de 850Hz. Elle permet de délivrer une tension dont la fréquence tient compte des variations de vitesse du moteur. Du coup, l’ensemble du système de câblage et les organes de distribution s’en trouvent simplifiés. Auparavant, quel que soit le régime du moteur, il fallait en effet accorder la tension produite sur une fréquence unique. La création d’un bus HVDC « High Voltage Direct Current » est aussi à l’étude. Le choix du niveau de tension retenu se fera entre 0- 540V et ±270V. L’avantage d’un bus HVDC est de réduire le dimensionnement des câbles pouvant entraîner une réduction de masse non négligeable. En effet, à puissance donnée l’augmentation de la tension entraîne une diminution dans les mêmes proportions du courant. Cependant, il existe plusieurs inconvénients. Outre le problème de la proportionnalité entre le niveau de tension du bus continu et les perturbations électromagnétiques [Gen], dans un environnement aussi sévère que l’aéronautique, le taux d’humidité, la pression et la température sont des grandeurs qui influencent l’initiation des DP. Ces phénomènes qui se produisent dans les gaz occlus ou environnant le SIE peuvent conduire à long terme au vieillissement précoce entraînant la rupture de la fonction d’isolation [Bel, Bui, May]. Au-delà ___________________________________________________________________________ 26 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ d’un certain niveau de tension, combiné aux contraintes liées à l’environnement de fonctionnement, la quasi-totalité des équipements de puissance (câbles, machines, autotransformateurs, module de puissances IGBT, …) sont assujettis à ce phénomène [Bil, Bo1, Co1, Le1]. Ainsi, nous exposons dans le paragraphe suivant les contraintes spécifiques au système aéronautique. 1.2.5 – Problématique industrielle Du point de vue industriel, la fiabilité des équipements est entachée par l’apparition des DP dans les cas où, les matériaux isolants utilisés n’ont pas été élaborés en tenant compte de cet aspect. Ainsi, dans les hypothèses présentées, les entreprises partenaires de cette étude (Labinal, Hispano-Suiza, Technofan, Nexans et Thales) qui fournissent les équipements de la chaine de puissance électrique s’intéressent à ce phénomène du fait de la susceptibilité des DP sur leurs équipements. Ces entreprises, actrices notables dans l’amélioration du système électrique, ont, à des degrés différents un dénominateur commun, le système d’isolation électrique, maillon faible de la chaîne de puissance électrique et siège des DP. Les activités industrielles concernées par ce phénomène, varient selon les entreprises : Labinal développe pour la distribution électrique, les systèmes de câblage et des harnais moteur. Hispano-suiza est spécialisé dans l’extraction et la gestion de la puissance au travers des convertisseurs électroniques de puissance et de systèmes électriques. Technofan est spécialisé dans les systèmes de ventilation. Ce sont les différentes phases d’isolation dans une machine (entre spires, entre phase et de fond d’encoche) et des autotransformateurs. Nexans, fabrique des câbles pour aéronautique utilisés dans la fabrications des harnais. Thales AES développe des équipements électriques (générateurs, …) et systèmes électroniques de puissance Tous ces équipements, quelque soit la configuration du système d’isolation, sont assujettis aux phénomènes des DP si les conditions d’initiations sont réunies. ___________________________________________________________________________ 27 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ I.3 – Fonctionnement et environnement aéronautique I.3.1 – Identification des différentes contraintes spécifiques du système aéronautique. Le bon fonctionnement du système électrique nécessite la connaissance des contraintes que le système doit subir tout en garantissant sa fiabilité. Ces contraintes sont de deux types : I.3.1.a - Contraintes de fonctionnement Ce sont les paramètres de fonctionnement électrique en mode normal ou anormal souvent répertoriés dans les normes (ABD0100 dans le cas de l’aéronautique) : nature et niveau de la tension, fréquence, courant,… Dans le cadre de notre étude, nous nous intéressons au niveau de tension, principal paramètre d’initiation des décharges électriques dans l’environnement du système. Les tableaux I.2 et I.3 présentent les valeurs des tensions vues par l’isolant [Lab]. Régime Normal Sans pics Stable Transitoire Régime Anormal Avec pics Stable Sans pics Transitoire Stable Transitoire 115V Phase/Neutre 167 254 439 526 176 254 Entre phases 294 441 549 713 305 441 230V Phase/Neutre 334 508 878 1052 354 509 Entre phases 588 882 1098 1426 611 882 Tableau I.2 : Analyse des tensions en régime alternatif Régime normal Régime Anormal Stable Transitoire Stable Transitoire 0 – 270 Phase/Neutre 280 330 290 350 +/- 270 ou 0 – 540 ___________________________________________________________________________ 28 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ Entrephase 560 660 580 700 Tableau I.3 : Analyse des tensions en régime continu (HVDC) Ces valeurs résument les contraintes de tension sur le système d’isolation selon la configuration du réseau. Par exemple, dans le cas des câbles représentés sur la figure I.8, ce que nous avons noté Phase/Neutre peut concerner les câbles monofilaires (a) au contact d’un plan de masse (ou blindage) et l’Entre phases, les câbles bifilaires (b) pour les contraintes d’une différence de potentiel entre les âmes. La configuration dite de "l’entre phases" simule le cas d’un « harnais » dans lequel les câbles étant gainés ensemble, l’épaisseur d'isolant est donc plus importante du fait de leur juxtaposition. a) câble monofilaire blindé b) câbles bifilaires Figure I.8 : Schématisation des contraintes électriques sur l’isolation des câbles La connaissance de ces valeurs permettra dans la suite de notre travail de les comparer avec les résultats de mesure des tensions de seuils d’initiation des DP dans les différents modes de fonctionnement. Ces modes de fonctionnement sont présentés dans la norme MIL-STD-704F [S05]. Les précisions sur la durée des différents modes de fonctionnement, dans les conditions de vol sont présentées en annexe1. I.3.1.b - Contraintes environnementales L’environnement aéronautique est caractérisé par la variation des paramètres atmosphériques liée d’une part au changement d’altitude et d’autre part à la localisation de l’équipement (température élevée à proximité des réacteurs). Ces paramètres se définissent comme suit : ___________________________________________________________________________ 29 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ b.1 - Température Au niveau macroscopique, c’est une mesure de l’énergie cinétique (Ec = 3/2 kT), liée à la vitesse moyenne d’une molécule, qui est fonction croissante du degré d’agitation thermique des particules. Dans l’environnement d’un avion, la température de l’air varie en fonction de la couche atmosphérique liée à l’altitude. Ainsi, la norme aéronautique DO160 prévoit « des susceptibilités » liées à la variation de la température en altitude (1ft ≈ 0.3m). Plusieurs procédures d’essais sont définies selon cette variation (figure I.9) pour caractériser les performances de l’équipement selon son utilisation et le profil de vol. Altitude (ft) Température (°C) Figure I.9 : Variation de la température en environnement avion b.2 - Pression La pression atmosphérique est le poids d’une colonne d’air, qui s’étend sur une altitude donnée jusqu’au sommet de l’atmosphère, en un point quelconque de l’atmosphère. Ce poids s’applique sur tous les objets à la surface de la terre. La pression atmosphérique évolue avec l’altitude [Annexe2], plus précisément elle diminue, exponentiellement, d’un facteur 10 chaque fois que l’on s’élève de 16 km. Intuitivement, cette diminution s’explique par la raréfaction des particules d’air. Notons au passage que ce paramètre est utilisé pour mesurer l'altitude puisque le fonctionnement d’un altimètre repose sur ce principe. b.3 Humidité L’humidité de l’air atmosphérique est la quantité d’eau sous forme de vapeur, exprimée en gramme, contenue dans un mètre cube d’air (g/cm3). En général, quand on parle de mesure ___________________________________________________________________________ 30 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ d’humidité, on fait allusion au ‘taux d’humidité’ exprimé en % qui représente en fait l’humidité relative. La détermination de cette mesure est étroitement liée à d’autres grandeurs physiques, telles que la température et la pression. Le taux d’humidité dans un volume (V) d’air est généralement exprimé à partir d’un des trois paramètres suivants : b.3.1 – L’humidité relative On appelle pression de vapeur saturante Ps(T) , la valeur maximale que peut atteindre la pression partielle Pv de la vapeur d’eau à la température T, une partie de cette vapeur se condense (apparition d’eau liquide). L’humidité relative s’exprime (en pourcentage) par la relation : HR (%) = Pv *100 Ps (T ) (1.1) L’humidité relative ne donne pas directement la quantité de vapeur d’eau dans l’air, mais seulement un rapport entre l’état de l’air considéré et celui de l’air saturé à la même température et à la même pression. Le diagramme de Mollier[Annexe2] permet de faire correspondre à température et à taux d’humidité relative donnés, l’équivalent en humidité absolue. b.3.2 – Le rapport du mélange Noté r et exprimé en g/Kg , il exprime le rapport des masses Meau de vapeur d’eau et Mair sec d’air sec à température constante. Cette grandeur est la référence en humidité. Elle exprime l’humidité absolue r= M eau M air sec (1.2) b.3.3 – La température de rosée C’est la température à laquelle il faut refroidir, à pression constante, une masse M d’air humide pour atteindre la saturation. La connaissance de cette température permet de déterminer le taux d’humidité de l’air, ceci, grâce à l’utilisation de tables et de diagrammes. ___________________________________________________________________________ 31 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ b.4 – Densité de l’air L’humidité absolue et relative sont liées par la température et la pression partielle de la vapeur d’eau. Le diagramme ci-dessous (figure I.10) donne les relations liant les paramètres : humidité relative Hr, humidité absolue Ha, les pressions partielles de l’eau Pe et de l’air Pa, la masse de l’eau me, la pression P et le volume V de l’air humide. Densité de l’air δ = P 293 760 273 + θ Température θ (°C) Pression de l’air P = P L + Pe Humidité absolue Hr = Pression partielle de l’air PL Pe 1 me = T Ra V Pression partielle de l’eau Pe Humidité relative H r Pression de la vapeur Pes Pe H a = = P es H as Fig. I.10 : Diagramme de relation liant les paramètres atmosphériques [Zeb] où Ra est la constante des gaz parfaits, et θ la température du gaz exprimée en °C. L’indice s indique que le paramètre correspond à la saturation. Le diagramme démontre que les deux manières de représenter le taux d’humidité peuvent être converties de l’une à l’autre. Le paramètre le plus important dans leur liaison est la température. La densité de l’air δ est ainsi définie par la pression P et la température θ : δ= P 293 760 273 + θ (1.3) δ = 1 pour θ = 20°C et P = 760 mmHg définies comme conditions normales de température et de pression (CNTP) [Atk, Pee]. Dans l’étude de la capacité d’isolation de l’air, l’humidité est un paramètre caractéristique de la tenue en tension notamment en ce qui concerne l’initiation des décharges couronnes au voisinage des lignes aériennes de transport d’énergie et des isolateurs [Ian]. ___________________________________________________________________________ 32 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ b.5 - Conditions d’humidité en fonction de l’altitude En fonction de l’altitude (z ; en mètre), la quantité d’eau rapportée à la quantité d’air sec qui la contient et exprimée en g/kg est définie par l’équation : r = a × (ln z ) + b × ln z + c 2 (1.4) a, b et c étant des paramètres dépendant du type de mission : polaire, tropicale,… Le tableau I.4 issu des données Airbus donne les valeurs de ces paramètres. Type de Mission Polar Mission (PM) Tropical Mission ™ Allowable Maximum Hot Day (AMHD) Structural Maximum Hot Day (SMHD) Standard Day (SD) a -3,115.10-3 -4,320.10-1 -3,969.10-2 -4,612.10-2 -4,732.10-2 b -1,556.10-2 1,855 6,189.10-2 1,770.10-1 1,2570.10-1 c 0,4245 20,20 2,9107 2,3954 5,2870 Tableau I.4 - Valeurs des paramètres de profil de mission La variation de l’humidité en fonction de l’altitude extrapolée dans la figure I.11 dépendra donc du type de mission. Figure I.11 : Profil de la variation d’humidité en altitude ___________________________________________________________________________ 33 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ b.6 - Variation des paramètres atmosphérique en environnement avion Le fonctionnement des systèmes électriques à bord des aéronefs est soumis à d’incessantes variations des paramètres atmosphériques liées, d’une part à l’altitude et, d’autre part, à la localisation du système dans l’avion. Ainsi, comme le montre le tableau I.4, les normes définissent des « zonning » pour identifier les contraintes environnementales en fonction de la situation des équipements [ABD]. Tableau I.5 : Valeurs récapitulatives des variations des paramètres atmosphériques en fonction de leur zonning Le tableau I.5 donne les valeurs de températures ambiantes dans les différentes zones de l’avion. La localisation de ces zones sur avion est présentée sur la figure I.12. Ainsi, l’APU placé dans la queue de l'avion (le "tail cone"), "voit" une température de 120°C. D’autres composants (harnais,…) de puissance à proximité du réacteur sont soumis à des températures avoisinant 180°C. Les zones, dites « pressurisées » (pression constante), concernent le fuselage qui comporte la cabine des passagers, le cockpit et les soutes. Les autres zones dites « non pressurisées» varient en fonction des conditions extérieures et donc de l’altitude. ___________________________________________________________________________ 34 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ Figure I.12: Schématisation des différentes zones dans un aéronef. Les développements récents permettent d'envisager une évolution à court terme vers l’Avion Tout Electrique. Toutefois, la particularité de l’environnement avionique peut constituer une limite pour l’utilisation de la puissance électrique notamment en ce qui concerne le niveau de tension. Nous avons donc identifié les contraintes spécifiques à cet environnement et qui sont susceptibles d’influencer la tension d’initiation des décharges. Dans la suite, tout en rappelant les théories physiques de la décharge, nous tenterons dans un premier temps de caractériser expérimentalement l’impact de la variation des paramètres atmosphériques sur la phénoménologie des décharges électriques. Ensuite, nous déterminerons les conditions dans lesquelles ces décharges sont susceptibles de se produire dans les équipements embarqués via la détection de leurs tensions seuils dans des conditions environnementales différentes. ___________________________________________________________________________ 35 I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ 36 Chapitre II : PHENOMENOLOGIE & MESURES DES DECHARGES PARTIELLES II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ 38 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ II.1 - Décharges électriques dans les gaz : Le Plasma Les plasmas sont désignés comme étant le quatrième état de la matière faisant suite dans l’échelle des températures aux trois états classiques : solide, liquide et gazeux. Le terme de « plasma » (du grec « matière informe ») a été introduit la première fois en 1923 par les physiciens américains I. Langmuir et L. Tonks pour désigner dans les tubes à décharge [Bro, Nas, Del], certaines régions équipotentielles contenant un gaz ionisé électriquement neutre. Ainsi, un plasma est défini comme un gaz constitué de particules chargées, d’ions et d’électrons mais tel que l’ensemble reste globalement électriquement neutre. Les plasmas constituent un vaste domaine de la physique qui a suscité un vif intérêt en vue d’application aussi bien dans l’industrie (torche à plasma, traitement de surface, gravure,…) que dans la vie quotidienne (téléviseur à écran plasma). Par contre, dans le cadre de notre étude, un plasma est indésirable au voisinage du Système d’Isolation Electrique (SIE) du fait de sa nocivité. Nous présentons brièvement dans cette partie une revue sur les paramètres physiques responsables de l’initiation d’une décharge ainsi que la théorie qui gouverne ce phénomène et l’utilisation de la caractérisation des décharges électriques « partielles » (DP) comme technique de diagnostic du SIE. II.1.1 - Bref rappel de la théorie des gaz A l’équilibre, et en l’absence de forces extérieures, un gaz est constitué d’un ensemble de particules uniformément réparties, dont la vitesse n’a aucune direction privilégiée (distribution isotrope). L’énergie de chaque particule peut être stockée sous différentes formes, énergie de translation dans le cas d’un atome, énergie de rotation et de vibration dans le cas d’une molécule [Jan]. Dans le cas simple d’un atome en translation, son énergie est définie à partir des composantes cartésiennes de la vitesse et est égale à : 1 2 3 mv = kT 2 2 (2.1) Où : v : est la vitesse quadratique moyenne de la particule T : la température thermodynamique k : la constante de Boltzmann (k = 1,38.10 23 J / K ) m : la masse de la particule ___________________________________________________________________________ 39 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ Il en résulte que pour un gaz composé de particules de masses différentes mais à température uniforme, les plus rapides sont aussi les plus légères. En particulier les électrons sont animés de vitesses très supérieures à celles des atomes ou des ions lourds. II.1.2 - Généralités et définitions Sous l’effet des rayonnements (naturels) ionisants, un gaz contient toujours une quantité infime de particules chargées. Soumises à un champ électrique et donc à la force de Coulomb, les particules chargées vont entrer en collision avec les espèces environnantes. On distingue alors deux types de chocs : élastiques et inélastiques. Dans les chocs élastiques, les particules se conservent et, seule leur vitesse est modifiée. L’énergie cinétique globale du système reste inchangée. Par contre, dans les chocs inélastiques, l’énergie interne des particules change. L’énergie de la particule incidente, dans ce cas, est suffisante pour que la particule heurtée passe à un niveau d’énergie supérieure ou soit ionisée. Les chocs inélastiques sont donc la source d’un nombre de réactions physico-chimiques qui vont alors modifier les propriétés macroscopiques du gaz. II.1.2.a - Les collisions Succinctement, nous présentons les processus réactionnels en phase gazeuse. La décharge électrique est le siège de processus de collisions multiples dans lesquelles les électrons jouent un rôle très important, puisqu’ils contrôlent la création et l’entretien de l’ionisation. Ces électrons permettent aussi de créer des espèces actives qui vont réagir entre elles ou avec les atomes (ou molécules), les ions, les photons ou avec les parois. Dans un plasma, on trouve deux grandes familles de collisions : les collisions électroniques et les collisions entre particules lourdes. Ces types de collisions sont regroupés dans le tableau II.1 ___________________________________________________________________________ 40 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ Processus Réactions Ionisation par impact électronique e-+ A → 2 e- + A+ Excitation par impact électronique e-+ A → e- + A* Recombinaison radiative e-+ A+ → A* +hυ Recombinaison à trois corps e- + A+ + B → B + A* Détachement par impact électronique e- + A- → 2 e- + A Attachement à trois corps e-+ A + B → A + B- Ionisation dissociative Dissociation par impact électronique e- + AB → 2 e- + A + B+ e-+ AB → e- + A + B Tableau II.1 : Principaux types de collisions dans un plasma II.1.2.b - Paramètres physiques d’initiation de la décharge Tous les plasmas n’ont pas les mêmes caractéristiques et peuvent être ainsi classifiés en fonction de certains paramètres qui sont essentiellement : La densité électronique : la densité électronique ne est le nombre d’électrons libres par unité de volume (cm-3). C’est un paramètre important du fait de l’efficacité des processus de collisions. Les électrons sont les principaux responsables du transfert d’énergie du champ électrique externe vers le gaz. Le rendement du processus d’ionisation augmente lorsque l’on augmente la densité des électrons dans le milieu. Le taux d’ionisation : le taux d’ionisation τi représente le rapport du nombre d’électrons libres ne sur le nombre de particules totales ne + N, où N est le nombre de particules neutres. Il spécifie la fraction des particules dans une phase gazeuse où elles sont ionisées. La température : La génération d’une décharge est influencée par de nombreux paramètres propres au gaz d’une part, à l’alimentation électrique d’autre part, et surtout à la température qui reste le facteur le plus important. Ainsi, en fonction de la température et de la concentration des électrons, on distingue différents types de plasmas naturels ou artificiels [Bib] ___________________________________________________________________________ 41 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ Le libre parcours moyen (lpm): Le libre parcours moyen λ correspond à la distance moyenne parcourue par une particule entre deux collisions successives. Intuitivement, et dans l’hypothèse d’un déplacement rectiligne des particules, la probabilité de collision est liée à la densité de particules. En faisant abstraction de la vitesse des particules susceptibles d’être heurtées et en prenant un modèle de type boule de billard représenté sur la figure II.1, on voit que le nombre dx de chocs successifs nc subi par une particule incidente sur un déplacement dx est égal au nombre de particules contenues dans le volume σdx, σ désignant la section efficace de collision, soit : nc = nσdx (2.2) σ n Particule incidente dx Figure II.1 - Volume d’interaction et Section efficace La probabilité d’obtention d’un choc s’obtient donc pour une longueur λ telle que : 1 = nσλ soit λ= 1 nσ (2.3) Il apparaît donc que, le lpm est fonction de la concentration en particules n et de la section efficace de collision σ exprimée en cm2. Précisons que cette section σ dépend également de la charge et de l’énergie de la particule incidente [Rax]. Il faut également ajouter que la densité de particules n est elle même liée à la pression et à la température par la loi des gaz parfait défini par : P = nkT (2.4) ___________________________________________________________________________ 42 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ Il en ressort que λ0 correspond au lpm à la pression P0 et à la température T0, et λ au lpm à la pression P et à la température T, on peut alors écrire : λ = λ0 * P0 T * P T0 (2.5) Au cours de l’évolution du lpm lors de la variation des conditions atmosphériques, il apparaît donc par exemple qu’une augmentation de température est "équivalente" à une réduction de pression, sans toutefois perdre de vue que le lpm dépend également de l’énergie de la particule incidente et donc du champ électrique auquel elle est soumise. Ce point sera à nouveau discuté ultérieurement. Ainsi, plus la densité des molécules est grande, plus il y aura de chances que celles-ci se percutent, de sorte que le lpm s’en trouvera réduit. II-1.3 - Mécanismes de formation et processus physiques des décharges électriques Un électron, placé dans un champ électrique uniforme (E = V/d), où V est la différence de potentiel appliquée entre deux électrodes distantes de d, est accéléré et peut ioniser des atomes ou des molécules au cours de chocs successifs. L’ionisation d’une espèce conduit donc à la formation d’une particule chargée et à la libération d’un électron supplémentaire (Tableau II.1), qui à son tour va être accéléré et acquérir une énergie suffisante pour ioniser une seconde particule. Ce mécanisme d’ionisations successives est connu sous le nom « d’avalanche électronique » d λ γ α E Figure 2.2 Schématisation du processus d’émission et d’ionisation dans une décharge électrique ___________________________________________________________________________ 43 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ Pour que la décharge soit auto-entretenue, il est nécessaire que tous les électrons qui quittent la zone d’ionisation soient remplacés. Chaque électron doit créer suffisamment d’ions positifs, de photons et d’espèces métastables pour qu’au moins l’un d’eux puisse produire un nouvel électron. Sous l’influence du champ électrique appliqué, les particules ainsi créées vont se déplacer dans l’espace inter-électrodes et générer un courant électrique : le courant de décharge. Du point de vue électrique, la figure II.3 décrit le comportement du courant en fonction de la valeur de la tension appliquée [Poi]. La courbe permet de distinguer quatre régimes : Dans la région I, les courants et les tensions sont faibles (moins de 10-11A, quelques dizaines de volts) et la décharge n’existe qu’en présence d’un agent ionisant, d’origine extérieure. Elle ne peut s’entretenir d’elle-même si cet agent disparaît, elle est dite non autonome. Les mécanismes susceptibles de produire les charges sont soit l’ionisation (α), soit l’émission secondaire (γ) à la cathode (figure II.2). Si l’on continue d’augmenter la tension après avoir atteint la saturation I0, le courant se remet à croître, caractérisant une amplification par le gaz de l’ionisation et l’émission secondaire à la cathode, résultat du bombardement des ions positifs issus du mécanisme d’ionisation. Ce régime correspondant à la région II est défini comme la décharge de Townsend, caractérisée par une tension VD appelée "potentiel disruptif". Après l’amorçage, pour la valeur VD du potentiel, la décharge se fixe en un point de fonctionnement stable, caractérisé par un potentiel fixe lorsque la tension atteint une valeur Vl inférieure à VD (quelques 100V), un courant I, variable sur toute la plage d’un palier correspondant à la région III (de 10-6A à 1A environ). C’est la décharge luminescente. Elle se distingue en aval par la décharge luminescente subnormale, un palier de décharge luminescente normale et en amont par la décharge luminescente anormale. Elle est caractérisée par une luminosité visible à l’œil nu. Au-delà de la décharge luminescente anormale, c’est l’amorçage de la décharge d’arc (région IV). Les courants de décharges deviennent très importants car toute l’énergie passe par un même canal préférentiel dans l’espace inter-électrodes. Dans ce régime, la tension cesse de croître, des effets thermiques importants au niveau de la cathode commencent à apparaître. Ce régime fait l’objet de nombreuses applications [Vac] ___________________________________________________________________________ 44 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ Figure II.3 Caractéristique courant tension et différents régime de décharges II.1.4 - Loi de Paschen : Rappels théoriques Nous rappelons dans cette partie les bases théoriques nécessaires à notre étude. Pour déterminer la tension d’initiation d’une décharge, une description simple des phénomènes physiques mis en jeu conduit à la loi de Paschen utilisée comme approximation théorique [Pop, Pap, Mee]. Cette loi décrit le mécanisme de rupture de Townsend dans les gaz en considérant la multiplication d’électrons produits par collisions dans le gap pour lequel le paramètre prépondérant est le produit pression-distance, associé à la création d’électrons secondaires par bombardement ionique à la cathode. Ces deux processus sont quantifiés par les coefficients de Townsend. Les mécanismes décrits par Townsend, correspondent à la décharge auto-entretenue présentée dans le paragraphe précédent. Dans ce régime, le premier coefficient de Townsend α est défini par la quantité d’électrons dn créés au cours d’une avalanche électronique par une quantité n d’électrons se déplaçant sur une longueur dx, soit: dn = αndx ou n = exp(αx) (2.6) Le coefficient α décrit le processus d’avalanche caractérisée par les ionisations successives et la création d’électrons (figure II.2). Dans l’expression (2.6), si un électron est créé par un seul électron originel, c’est que ce dernier a parcouru une distance égale au lpm (λ). On retrouve donc [Dav] : ___________________________________________________________________________ 45 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ α = 1λ (2.7) Plus rigoureusement, en s’appuyant sur une distribution maxwellienne des vitesses électroniques et en tenant compte de la variation de probabilité de collision inélastique électron-molécule avec l’énergie des électrons, l’expression théorique de α peut se mettre sous la forme : B = A exp − p E p α (2.8) p désignant la pression exprimée en Torr. A et B étant deux constantes exprimées respectivement en [Torr-1.cm-1] et [V.Torr-1.cm-1]. L’expression E/p désigne le champ réduit exprimé en [V.Torr-1.cm-1] La déduction rigoureuse de l’expression de α p implique la connaissance de la fonction de distribution et de la section efficace d’ionisation [Cob]. A et B sont déterminés expérimentalement, pour chaque gaz et sont considérés constants sur un domaine de champ réduit E Gaz -1 p -1 . A (Torr .cm ) -1 -1 Domaine de validité E B (V. Torr .cm ) p (V. Torr-1.cm-1) H2 5 130 150 – 600 N2 12 342 100 – 600 CO2 20 466 500 – 1000 Air 15 365 100 – 800 H2O 13 290 150 – 1000 HCl 25 380 200 – 1000 He 3 34 20 – 150 Ne 4 100 100 – 400 Ar 14 180 100 – 600 Kr 17 240 100 – 1000 Xe 26 350 200 – 800 Hg 20 370 200 – 600 Tableau 2.2 : Valeurs des constantes A et B pour divers gaz [Pop] ___________________________________________________________________________ 46 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ Les ions étant aussi soumis à l’action du champ électrique, ils sont accélérés et viennent bombarder la cathode. L’émission d’électrons à la cathode, dite "émission secondaire" correspond au deuxième coefficient de Townsend (γ) qui est le nombre d’électrons secondaires émis par ions incidents. Ce coefficient dépend de la densité du gaz, de l’énergie acquise par les ions, autrement dit du champ réduit, mais également de la nature des électrodes. Les mécanismes d’ionisation et d’émission secondaire entretiennent la décharge ; elle est auto-entretenue ou autonome. La condition de claquage de Townsend est définie par la relation : γ [exp(αd )− 1]= 1 avec exp(αd ) >> 1 (2.9) Cela signifie que chaque électron qui part de la cathode est remplacé par l’action du processus α et γ, un agent ionisant externe n’étant alors plus nécessaire. En effet, le coefficient γ étant un nombre moyen d’électrons émis par la cathode pour chaque ion positif incident et pour les autres processus secondaires associés, et [exp(αd )− 1] étant le nombre d’ions positifs engendrés dans le gaz par un électron partant de la cathode, le nombre γ [exp(αd )− 1] représente la quantité d’électrons secondaires extraits à la cathode par les ions incidents. Ainsi, dans l’hypothèse d’un champ uniforme, E=V/d, en combinant ces expressions avec la condition de claquage, on établit une expression analytique pour le potentiel d’amorçage Vclaquage en fonction de distance réduite pd : Bpd C + ln( pd ) (2.10) A C = ln 1 ln(1 + ) γ (2.11) Vclaquage = Avec L’expression de la tension de claquage est connue sous le nom de la loi de Paschen et exprimée en volt [Bur]. Cette loi qui met en évidence que la tension de rupture d’un gap d de gaz peut être décrite par une fonction du produit pression-distance (pd). L’argument pd est proportionnel au nombre total d’atomes ou de molécules se trouvant entre les électrodes. Pour l’air, en utilisant les données du tableau 2.2, nous obtenons les courbes de la figure II.4 pour différentes valeurs de γ. ___________________________________________________________________________ 47 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ 10 -2 5.10-2 -1 10 Figure II.4 : Courbes de Paschen calculées pour différentes valeurs de γ Ces courbes sont tracées dans les conditions normales de pression et de température (T0= 20°C, P0= 760mmHg à 0°C (760Torr), Humidité absolue 11g/m3) [Ko1]. Le calcul de la loi de Paschen décrit une représentation non linéaire qui présente un minimum dont les coordonnées dépendent de la nature du gaz et des électrodes utilisées (figure II.5) Figure II.5 : Courbe de Paschen dans divers gaz [Pap] ___________________________________________________________________________ 48 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ L’existence d’un minimum sur la courbe s’explique intuitivement en partant de la constatation que le produit pd est proportionnel au nombre d’atomes ou de molécules se trouvant entre les électrodes. Lorsque celui-ci est faible, le nombre de collisions ionisantes est insuffisant pour satisfaire à la condition de claquage si le potentiel d’amorçage n’est pas suffisamment grand ; ainsi plus pd est petit, plus Vclaquage est grand. Lorsque pd est grand, les collisions des électrons sont si fréquentes qu’une petite fraction seulement acquiert suffisamment d’énergie pour ioniser le gaz, lorsque le potentiel d’amorçage n’a pas une valeur suffisamment grande ; plus pd est grand, plus Vclaquage est grand. La figure 2.4 montre l’influence du coefficient d’émission secondaire. La nature des électrodes et leur état de surface déterminent la valeur minimale de la tension de claquage qui est également influencée par les impuretés présentes dans le gaz [Zha]. Nous observons que la valeur de ce minimum est sensible à la variation de γ. Cet effet est d’autant plus important au voisinage du minimum mais devient infime quand pd > 10 Torr.cm. Ainsi, l’augmentation du coefficient d’émission secondaire induit une diminution du minimum d' environ 180 V pour γ = 10-1, soit 50% de moins que pour γ = 10-2. Qualitativement en effet, si l’émission secondaire est élevée, une faible tension est alors nécessaire pour entretenir la décharge. II.1.5 - Notion du champ disruptif Certains matériaux isolants peuvent, sous l’action d’un potentiel électrique, voir leurs propriétés physiques modifiées de façon réversible, et parfois irréversible. Le champ électrique correspondant au potentiel électrique maximal admissible avant claquage est appelé champ disruptif. La figure II.6 représente le champ électrique réduit E/p déduit de la loi Paschen. Cette courbe délimite deux zones qui définissent le critère de fiabilité relatif à l’initiation de décharges électriques [Co1]. Selon le dimensionnement du système et les critères de fonctionnement (niveau de tension, géométrie des électrodes et environnement du système), pour une valeur de champ réduit se situant dans la zone 2, le système est exempt de décharges et la zone 2 peut être qualifiée de zone de fiabilité. Par contre, les valeurs de champ réduit de la zone 1 vont engendrer des décharges. ___________________________________________________________________________ 49 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ Fig. II.6 : Champ électrique réduit de Paschen Cas de l’air Dans les conditions normales (20°C, 11g/m3 d’humidité et à pression atmosphérique), la valeur du champ disruptif de l’air communément admise est de 3,6 kV/mm (~3kV/mm) [Mee] Le Loi de Paschen, établie en 1889, a fait l’objet de nombreuses études [Cob]. Certains auteurs ont travaillé sur sa validité et sur les éventuelles conditions de déviation à cette théorie [Lee, Sla, Spy, Tor]. Les critères qui permettent d’établir ses limites d'application sont le facteur de forme (à faible distance inter-électrodes soit d<6µm) et les conditions environnementales [Da1]. II.1.5.a - Influence de la géométrie des électrodes La géométrie des électrodes définit la répartition du champ. Jusqu’ici, nous avons présenté le développement de la décharge en champ électrique homogène, obtenu avec des électrodes souvent planes, ayant des géométries régulières sans points anguleux et symétriques. La simulation électrostatique représentée sur la figure II.7, obtenue à l'aide du logiciel maxwell 10.0 illustre, dans le cas des électrodes ayant un profil de Rogowski [Har, Hu1] les lignes de champ et de potentiel. ___________________________________________________________________________ 50 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ Figure II.7 : Lignes de champ et équipotentiel entre deux électrodes planes distantes de 1mm Le passage au champ non homogène peut être considéré comme un changement continu de la distribution du champ et donc des paramètres physiques de la décharge. Pour illustrer notre propos, des modèles du champ non homogène sont issus de la représentation d’un condensateur cylindrique (figure II.8 a) représentatif des câbles de transport d’énergie et d’une configuration pointe plan (figure II.8 b). La décharge est classiquement établie entre une électrode active et une électrode passive (reliée à la masse). Ainsi, selon que l’électrode de petite taille est portée à un potentiel élevé ou à la masse, on parle de décharge couronne positive ou négative [Al1]. La dissymétrie des électrodes conduit à un champ électrique inhomogène dans l’espace inter-electrodes. r2 r1 r Décharge couronne Zone de dérive a) b) Figure II. 8 : Schématisation de la dissymétrie des électrodes. ___________________________________________________________________________ 51 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ En désignant par r1 et r2 (> r1) le rayon des électrodes respectivement intérieure et extérieure (figure II.8-a), le champ inter-électrodes est donné par : E (r ) = V (2.12) r r ln 2 r1 où V est la différence de potentiel entre les deux électrodes, et r la distance du point considéré à l’axe du système. Dans ce cas, le champ n’étant plus constant les paramètres qui en découlent ne sont également plus constants, comme par exemple le premier coefficient de Townsend α qui dépend de r par l’intermédiaire de E, conformément à l’équation (2.4). Ainsi, si r2 >>> r1, la région dans laquelle se produit l’ionisation est restreinte au voisinage immédiat de l’électrode intérieure (cathode). Dans la configuration pointe-plan représentée sur la figure II.8 b, le champ au voisinage de la pointe est intense ce qui permet l’ionisation. Cette région se caractérise par une zone « bleutée » à l’extrémité et autour de la pointe. Au-delà cette zone d’ionisation se trouve une zone de champ plus faible où les particules dérivent [Lac]. En l’absence de charge d’espace, Hartmann (1977) [Har] a établi une expression du champ électrique E en fonction du potentiel appliqué à la pointe le long de l’axe de symétrie x : E ( x) = V 2d + r ( x + r ) ln 2 r (2.13) avec V le potentiel, d la distance inter-électrodes, r le rayon de courbure de la pointe et x l’abscisse du point considéré par rapport à l’extrémité de la pointe prise comme origine. Dans une configuration fil plan, Lacoste et Al. (2004) ont utilisé la formule: E ( x) = Ei r x (2.14) où Ei désigne le champ électrique à la surface du fil que l’on peut déterminer par la formule empirique de Peek. ___________________________________________________________________________ 52 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ Figure II.9 : Effet de la dissymétrie des électrodes sur les lignes de champ et du potentiel E[V/m] 6 4,0x10 6 3,5x10 6 Electrodes symétriques r=2mm r=4mm r=8mm Champ E(V/m) 3,0x10 6 2,5x10 6 2,0x10 6 1,5x10 6 1,0x10 5 5,0x10 0,0 0 5 10 15 20 25 30 35 Lignes de champ (mm) Figure II.10 : Evolution du champ E en fonction de la dissymétrie des électrodes La figure II.10 représente l’évolution du champ relevé au voisinage proche de l’électrode active (1/10 de la distance entre les électrodes : 1mm), suivant un axe perpendiculaire aux lignes de champ, dans le cas des électrodes symétriques (figure II.7) et des effets de pointes pour différents rayons de courbure (2mm, 4mm, 8mm). Le champ électrique dans la configuration de la figure II.9 (électrodes symétriques) représenté sur la figure II.10, présente un plateau (valeur constante du champ) correspondant à la plus petite distance inter électrodes. Dans une configuration dissymétrique, par exemple pointe-plan, cette distance ___________________________________________________________________________ 53 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ varie avec le rayon de courbure (aplatissement du pic). L’homogénéité du champ dépend du rayon de courbure des points anguleux. Ainsi, dans une configuration pointe-plan, pour des applications en nanotechnologie, Dhariwal et Lee ont comparé les résultats expérimentaux obtenus avec la courbe de Paschen (figure II.11). J.M Torres R.S Dhariwal, R.T Lee, H.H Chung and Y.C Chiou Figure II.11 : Exemple de déviations à la courbe de Paschen [Tor, Lee] De l’évaluation des travaux cités, il ressort que la tension de claquage de l’air augmente continuellement avec l’accroissement de la distance entre les électrodes même à très faible pression Vc = Kd [Sla]. II.1.6 - Variation des conditions environnementales D’autres déviations à la théorie de Paschen sont liées à la variation des conditions environnementales. Quelle que soit son utilisation, un système est soumis aux aléas climatiques de son environnement de fonctionnement. La théorie de Paschen (cas de l’air) est établie dans les conditions normales de pression et de température : T0= 20°C, P0= 760 mmHg à 0°C (760 Torr), Humidité absolue 11g/m3. Les contraintes de l’environnement aéronautique imposent une variation de ces paramètres liés à l’élévation de l’altitude et l’ambiance de fonctionnement. En effet, la température est élevée à proximité des réacteurs, et c’est une zone non-pressurisée (faible pression). Dans la littérature, des expressions correctives sont établies pour prendre en compte des éventuels écarts à la condition de Paschen [Al2, Dun, Ian, Mik, Ort, Pee, Ort]. ___________________________________________________________________________ 54 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ Ces auteurs ont établi des expressions correctives liées à la variation de la température et du taux d’humidité. Ces corrections sont fondées sur la variation de la densité δ de l’air (1.3) déduite de la loi des gaz parfaits. Elles tiennent compte de nombreux paramètres : la géométrie, la symétrie et la configuration des électrodes, le gap inter-électrodes. Nous illustrons deux cas de figures ces corrections: 1- L’expression de la tension de claquage est corrigée par un facteur multiplicatif k image de la densité de l’air [Al2, Ian, Mik, Ort, Pee, Ort]. Cette correction sera dite correction de Peek : V ( P, T , Hr ) = k * V ( P0 , T0 , Hr0 ) (2.15) T Figure II.12 : Courbes calculées de Paschen corrigées par l’expression (2.15) 2- Dunbar [Dun] a utilisé une expression de la pression déduite de la loi des gaz parfaits (PV=nRT) selon Gay-Lussac [Atk] telle que : 273 + T P = P0 273 + T0 (2.16) Avec Po la pression atmosphérique et To la température exprimée respectivement en Torr et °C. A volume constant, la pression d’un volume de gaz donné varie proportionnellement à la température. Cette correction sera dite correction de Dunbar. ___________________________________________________________________________ 55 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ T Figure II.13 : Courbes calculées de Paschen corrigées par l’expression (2.16) La figure II.11 montre les résultats de calcul (avec matlab) de l’évolution de la courbe de Paschen en fonction de la variation des conditions environnementales selon l’hypothèse considérée. Dans le cas1 (figure II.12), la courbe de Paschen montre une translation vers le bas quand on augmente la température et inversement quand elle diminue. Dans l’hypothèse de Dunbar, qui représente le cas 2, la valeur de la pression calculée pour une température donnée (de l’expression 2.16) est introduite dans la formule de Paschen (2.10) en substitution de celle de la pression atmosphérique. On observe que la valeur minimale de la tension d’initiation des décharges reste inchangée quel que soit le produit pd [Kir] La validité des hypothèses énoncées sera vérifiée expérimentalement dans le chapitre suivant. Pour des champs électriques élevés, ce qui n’est pas le cas de notre étude, le facteur de forme, (caractéristique du champ inhomogène) combiné aux contraintes de l’environnement conduit à une expression du champ de claquage de la forme [Pee] : Ec = Aδ + B δ r (2.17) Avec A et B pouvant varier respectivement entre [31 – 39.8] kV.cm-1 et [8.4 – 11.8]kV.cm1/2 ; r représente le rayon de courbure de l’électrode et δ la densité de l’air. ___________________________________________________________________________ 56 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ II.1.7 - Décharge en présence d’une paroi isolante Généralement, les conducteurs sont isolés (câbles, bobines statoriques,…). De ce fait, la présence d’un isolant à la surface de l’électrode modifie le développement des décharges. H. Bertein [Ber] s’est intéressée au seuil de la décharge gazeuse en présence d’une paroi isolante. En utilisant une configuration dite de condensateur coin (figure II.14), elle obtient alors un ensemble continu de condensateurs à lames d’air parallèles d’épaisseur croissante, qui lui a permis de faire des observations suivantes : La modification provoquée par l’introduction d’une paroi isolante dans un intervalle d’air limité par deux parois conductrices concerne non pas l’amorçage de la décharge mais son extinction. En effet, elle a observé que si la décharge se produit entre deux parois conductrices, elle suit toujours une trajectoire unique et peut atteindre une énergie élevée ; au contraire, si l’une des parois est isolante, cette décharge est fragmentée en une pluie de décharges individuelles de faible énergie (ou effluves) qui dispersent la charge sur toute la surface. Cette fragmentation et cette dispersion révèlent que la décharge est amenée à s’éteindre presque aussitôt après son amorçage et pour délaisser sans cesse les chemins qu’elle suivait précédemment pour rechercher ailleurs un trajet plus favorable. Ainsi, en tenant compte de la présence de la paroi isolante, on établit l’expression corrigée de la tension d’initiation de la décharge. On considère un ensemble schématisé sur la figure II.14 ; un isolant d’épaisseur e et de permittivité εr en série avec une couche d’air d’épaisseur d, l’ensemble étant soumis à une différence de potentiel V. Figure II.14 : Schématisation d’une combinaison air-isolant : modèle condensateur coin. ___________________________________________________________________________ 57 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ Si l’inhomogénéité du champ est négligée et en considérant la continuité du déplacement électrique ( D = εE ), on peut écrire : ε 0 E a = ε r E mat or, V = Vair + Viso et sachant que E = V d D’où l’on déduit l’expression : V = dE a + e E a εr (2.18) Où Ea est le champ disruptif de l’intervalle d’air d. En supposant que la surface des électrodes ne joue aucun rôle (pas de charge d’espace) l’expression de la tension d’initiation de la décharge est corrigée, et s’écrit : e V = Vair 1 + d ε r (2.19) où e et εr représentent respectivement l’épaisseur de la lame isolante et sa permittivité, et d l’épaisseur de la lame d’air. Si les conditions de claquage sont réunies, Vair exprime la tension de claquage V= f(pd). Afin d’évaluer la tension d’initiation d’une décharge couronne dans l’environnement des câbles, certains auteurs [Co2] expriment cette relation en terme de pourcentage : Vd % = Vair dε r = V dε r + e (2.20) Cette expression est fondamentale pour le dimensionnement du système d’isolation, car elle permet, sous certaines conditions de fiabiliser la fonction d’isolation en choisissant le matériau isolant adéquat (e, ε r )et de définir le niveau de tension de fonctionnement exempt de décharges. II.1.7.a - Combinaison de diélectriques de différentes permittivités Dans le cas d’une généralisation à une superposition de n couches de matériaux isolants fréquemment rencontrées dans les applications (câbles par exemple), l’expression 2.19 devient : e e e e V = Vair 1 + 1 + 2 + 3 + ... + n dε n dε 1 dε 2 dε 3 (2.21) ___________________________________________________________________________ 58 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ Notons au passage que, l’utilisation de l’une au moins des électrodes recouverte de matériau isolant, connue sous le nom de décharges à barrière diélectrique « DBD », afin de produire des décharges à faible énergie, est utilisée dans de nombreuses applications de traitement de surface. A pression atmosphérique, la nature de ce type de décharges (luminescente ou filamentaire) diffère de celles qui se produisent entre deux électrodes métalliques [Ba1]. II.1.7.b - Critères de la fonction d’isolation Les matériaux isolants utilisés en électrotechnique répondent à un cahier de charges incluant, entre autres, la fiabilité de la fonction d’isolation en environnement sévère (humidité, température,...). La température est l’un des principal facteur de vieillissement des isolants (Loi d’Arrhenius) [Fou]. On définit ainsi la capacité thermique du matériau. Les classes thermiques établissent la tolérance du matériau selon les plages de températures de fonctionnement. En outre, il existe d’autres types de contraintes liées aux paramètres de fonctionnement. Ainsi, sous contraintes combinées, de nombreuses lois existent [Annexe3]. La prise en compte des effets de DP est établie par une loi, qui évalue la durée de vie [Bel] II.2 - Les Décharges Partielles - Etat de l’art Les matériaux isolants utilisés dans le système d’isolation électrique (SIE) ne sont jamais parfaitement homogènes [Fou]. D’une part, au cours leur élaboration, de très faibles quantités de gaz se trouvent souvent emprisonnées au sein du matériau et forment des vacuoles de formes et de dimensions très diverses dont l’accès aux caractéristiques (dimension, pression, nature du gaz) est impossible (figure II.15). D’autre part, lors de la mise en place de l’isolant autour de pièces conductrices, ou encore sous l’action de contraintes thermiques ou mécaniques, des décollements se manifestent entre le diélectrique solide et la partie métallique, leur volume interne peut être (ou non) ouvert sur l’atmosphère extérieure. Ces occlusions peuvent être le siège de décharges partielles, c’est un phénomène transitoire de déplacement de charges [Ba2, Wet]. ___________________________________________________________________________ 59 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ DP aux bords des métallisations d’un substrat DBC [Dup] Existence des défauts (vacuoles) dans un matériau isolant. Figure II.15 : Exemple de localisation de DP II.2.1 - Définition et classification II.2.1.a - Définitions Dans la littérature (anglo saxonne en particulier), les termes : corona, ionisation… sont indifféremment utilisés pour désigner les Décharges Partielles (DP) [Ba1]. Cette confusion dans la terminologie résulte du fait que le phénomène physique les régissant est fondamentalement identique puisqu’il s’agit de la physique des décharges électriques dans les gaz. II.2.1.b -Classification et terminologie Une décharge partielle est une décharge électrique qui ne court-circuite que partiellement l’isolation entre deux conducteurs portés à des potentiels différents [CEI]. Elle peut se produire à l’intérieur de l’isolant (occlusion gazeuse) en surface ou adjacente à un conducteur. Kreuger [Kre] classe les décharges en fonction de leur localisation. Ainsi il définit 4 catégories : 1- Les décharges internes : elles prennent naissance localement dans des zones du diélectrique où la rigidité est faible (figure II.16.A) : Une cavité gazeuse dans un solide ou une bulle dans un liquide par exemple. 2- Les décharges de surface : elles se manifestent lorsqu’un champ tangentiel important existe à la surface de l’isolant (figure II.16.B). ___________________________________________________________________________ 60 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ 3- Les décharges couronnes : elles apparaissent au niveau des renforcements localisés du champ électrique (effet de pointes, géométrie des électrodes,…) (figure II.16.C). La décharge est dans ce cas restreinte à une zone très réduite entourant le lieu de renforcement du champ. 4- Les arborescences : l’arbre électrique prend naissance sur un défaut de l’isolation (figure II.16.D). Il y a ensuite croissance des différentes branches de l’arbre où siègent des décharges. B B A D C A Figure II.16 : Classification des DP Par ailleurs, l’aspect impulsionnel ou non de la décharge est utilisé comme autre critère de classification des décharges [Van] Le caractère impulsionnel de la décharge est la conséquence de l’accumulation de la charge d’espace qui réduit localement le champ à un niveau insuffisant pour maintenir la multiplication des charges. D’autres synthèses sur la terminologie relative aux DP ont été publiées dans [Dan, Ba1] II.2.2 - Les mesures des décharges partielles comme technique de diagnostic du système d’Isolation Electrique II.2.2.a - Objectif La détection consiste à déceler la présence de décharges liées à d’éventuels défauts dans le système d’isolation. D’après Kreuger [Kre], quatre étapes doivent être remplies en vue d’atteindre cet objectif : 1. La détection : elle consiste à déceler la présence d’une décharge 2. La mesure : elle doit permettre par un choix judicieux des grandeurs, de quantifier l’intensité de la décharge 3. La localisation ___________________________________________________________________________ 61 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ 4. L’évaluation : déterminer le degré de nuisance des décharges afin de prévoir leur effet sur la durée de vie du matériau. II.2.2.b - Les différentes techniques de détection La principale technique de détection est celle qui consiste à mesurer le courant ou la charge d’une décharge : c’est la méthode électrique. Nous détaillerons cette méthode après avoir passé en revue les autres méthodes de détection. En plus des méthodes électriques, les principales méthodes de détection utilisent les phénomènes physico-chimiques qui se manifestent lors de l’apparition d’une décharge. II.2.2.b1 - Les techniques autres qu’électriques b1.1- La détection radio Les ondes électromagnétiques générées par une décharge sont captées par un récepteur à l’aide d’une antenne. Cette méthode ne permet ni de localiser ni de mesurer la décharge. Dans cette catégorie, on peut ajouter les techniques dites UHF utilisées principalement dans le cas des postes blindés isolés au gaz [Sel]. Les décharges produisent une série d’impulsions dont la durée est inférieure à 1ns. Chaque impulsion engendre une onde électromagnétique qui se propage dans le domaine UHF (300 à 1500 MHz). b1.2- La détection acoustique La décharge est comparée à une "explosion" qui donne naissance à une onde acoustique (dans le domaine audible ou ultrasonor) qui se propage à travers le matériau isolant et est captée par un détecteur. En général, un microphone ultrason est utilisé. Les signaux sont ensuite convertis en son audible [Lun1,2]. Cette méthode peut dans certains cas permettre de localiser les décharges et de mesurer également leur énergie qui est proportionnelle au carré de l’intensité des signaux captés. b1.3- La détection optique La lumière émise par les décharges se situe dans le domaine visible ou UV. Elle est souvent de faible intensité, ce qui nécessite de travailler dans une chambre noire. Avec l’utilisation d’une caméra, cette méthode permet de localiser les décharges avec précision, mais la corrélation entre l’amplitude de la décharge et l’intensité lumineuse est difficile à établir. Avec un photomultiplicateur, on arrive à corréler l'émission lumineuse avec l’amplitude de la décharge et à détecter des impulsions isolées. ___________________________________________________________________________ 62 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ D’autres méthodes reposent sur : les réactions chimiques, la pression de gaz et le dégagement de la chaleur. II.2.2.b2 - La détection électrique b2.1- Historique De nombreuses mises au point sur les techniques de détection et de mesure des décharges ont été publiées. On citera celles de Kreuger[Kre], Bartnikas [Ba1,2] et Nattras [Nat]. Des avancées notables ont été enregistrées et ne cessent d’améliorer l’analyse des DP par un traitement numérique des données de décharges. b2.2 - Les montages de détection électrique Les montages actuellement utilisés sont dérivés du dispositif mis au point par Austen et Whitehead, en 1941 [Aus]. Un des paramètres essentiels d’un tel montage est la bande passante : Boggs et All [Bog] ont travaillé sur la classification des détecteurs : - Détecteur à bande étroite : ayant une bande passante de 10kHz centrée à 20 ou 30 kHz. - Détecteur à large bande : ayant une bande passante de 100kHz centrée à 200 ou 300 kHz - Détecteurs à ultra-large bande (100 kHz à 1GHz). L’importance du choix de la bande passante a été confirmée par l’étude faite par Bartnikas sur l’effet du temps de montée d’une impulsion sur la réponse du détecteur [Ba3]. Actuellement, le type de montage le plus couramment utilisé consiste en une détection directe (figure II.15) Ctest V Ck Zm Figure II.15 Schéma de principe de la détection directe des DP. ___________________________________________________________________________ 63 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ V est la tension délivrée par la source, Ctest est l’échantillon sous test,Ck est le condensateur de couplage dont l’impédance est faible par rapport aux courants de décharges qui sont haute fréquence, Zm est l’impédance de mesure. Elle peut être placée également en série avec la capacité de couplage. La sortie de l’appareil est reliée à un appareil de mesure (par exemple l'ICM system) ou à un oscilloscope. Il existe deux types d’impédances de mesure : RC (parallèle) ou RLC (parallèle) cette dernière étant la plus utilisée. La réponse du circuit RC (tension aux bornes de Zm) à une décharge unique est une impulsion exponentielle décroissante. La réponse du circuit RLC à une décharge unique est oscillatoire et amortie. Dans les deux cas, la hauteur de l’impulsion est indépendante de la résistance de mesure R. Elle est également proportionnelle à la charge q, ce qui permet d’obtenir la charge en mesurant la hauteur de l’impulsion. La charge peut être obtenue par intégration du courant de décharge. b2.3- Les grandeurs liées aux DP b2.3i- Le bruit de fond Un inventaire des parasites externes à caractère entretenu pouvant entacher la mesure des décharges partielles a été établi par le groupe de travail de la CIGRE et publié dans Electra [Elect]. Les voies d’acheminement du bruit et les méthodes d’élimination y sont détaillées. Les parasites qui perturbent la mesure des DP sont classés en deux catégories [Web] : 1. les signaux impulsionnels aléatoires : ils sont distribués de façon plus ou moins aleatoire dans le temps et occupent un large domaine de fréquence (de quelques kHz à quelques MHz) 2. les signaux périodiques continus dans le temps et ayant des fréquences bien définies. Les sources de bruit sont nombreuses, on peut citer principalement : les émetteurs à haute fréquence, les décharges dans le contact électrique, les décharges dans le transformateur d’alimentation, les décharges dues à la présence des particules conductrices près de l’endroit où est effectué le test…. ___________________________________________________________________________ 64 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ Le bruit de fond est acheminé vers les détecteurs à travers les connexions de la source haute tension ou de l’alimentation du circuit de détection ou par induction électromagnétique dans la boucle du circuit à tester. L’utilisation d’une cage de Faraday permet de s’affranchir des perturbations électromagnétiques. En pratique, le CEI préconise de mesurer le niveau de bruit sans tension et sous tension (à 10% et 50% d’un niveau de tension prédéfini) [CEI] b2.3ii - La calibration de la mesure de charge des DP Exprimée en picocoulombs, elle consiste à injecter aux bornes de la cellule d’essai, des impulsions de courant brèves et de charge connue. Le niveau de calibration permet d’apprécier la sensibilité de la mesure. Il dépend de la configuration de l’échantillon sous test. Cette étape permet d’évaluer le niveau de bruit. b2.3iii- Charge apparente Lorsqu'une décharge se produit dans une cavité occluse dans un matériau isolant soumis à une différence de potentiel, la quantité de charge libérée par la décharge se déplace dans l’espace inter électrodes. Ce mouvement de charge sur une épaisseur de l’isolant induit une baisse de tension aux bornes de la cellule sous test. Il existe une autre définition de la charge apparente: celle donnée par la publication de la CEI La charge apparente est la charge qui, si elle est injectée instantanément aux bornes de l’objet en essai, changerait momentanément la tension entre les bornes de celui-ci de la même quantité que la décharge partielle elle-même. Notons que la charge apparente n’est pas égale à la charge totale réellement libérée localement par la décharge, qui elle, ne peut pas être mesurée directement. La charge apparente est affectée par la géométrie des électrodes, par les propriétés intrinsèques du matériau ainsi que par toutes les capacités parasites qui entourent le montage de mesure. b2.3iv- Relation entre charge apparente et charge réelle En considérant l’aspect énergétique et en se basant sur les calculs de Wetzer [Wet], on peut exprimer le rapport entre la charge apparente et la charge réelle : Considérons une source de tension V alimentant une éprouvette constituée par deux armatures planes parallèles séparées par un gaz (figure II.16) ___________________________________________________________________________ 65 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ i q V Figure II.16 : Circulation d’une charge dans un gaz entre deux armatures planes r Lorsqu’une charge q parcourt une distance dx sous l’effet d’un champ électrique E , le travail effectué par celle-ci est fourni par la source ; On peut écrire les équations suivantes : r r W = qE .dx = iVdt Avec r r E = E.u Soit alors r r r et d x = dx .u , u = 1 i= qEdx Ev =q Vdt V (2.16) (2.17) (2.18) r ν est la vitesse de déplacement de la charge q dans la direction du champ électrique E . Si à un déplacement dx dans la direction du champ r E correspond une chute de tension ∆V, la charge apparente qapp qui circule dans le circuit interne sera donnée par : ∆t qapp ∆x q = ∫ idt = ∫ Edx V 0 0 (2.19) Soit alors : qapp = q ∆V V (2.20) Cela signifie que la charge apparente n’est qu’une fraction de charge réelle libérée par la décharge. ___________________________________________________________________________ 66 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ b2.3v- Tension d’apparition et d’extinction des décharges partielles (TADP et TEDP) En alternatif, ces tensions sont exprimées en valeurs efficaces. Sous tension impulsionnelle, les TADP et TEDP sont définies comme la tension crête à crête [CEI 81]. - Tension d’apparition des décharges partielles (TADP) Lorsque la tension appliquée est augmentée graduellement d’une tension où l'on n’observe aucune décharge, la TADP est la tension au niveau de laquelle on commence à observer une récurrence de décharges ; En pratique, le CEI préconise de prendre la tension la plus basse au-dessus de laquelle l’intensité d’une grandeur choisie liée aux décharges devient supérieure ou égale à un niveau seuil prédéfini. - Tension d’extinction des décharges partielles (TEDP) Lorsque la tension appliquée est diminuée graduellement à partir d’une tension où l'on observe une récurrence de décharges, la TEDP est la tension à laquelle ces décharges disparaissent. En pratique, la CEI préconise de prendre la tension la plus basse en dessous de laquelle l’intensité d’une grandeur choisie liée aux décharges devient inférieure ou égale à un niveau seuil prédéfini. Ces deux définitions établissent l’importance du manipulateur. b2.3iv - Les grandeurs calculées Dans ce paragraphe, on considère que pendant une durée T, N décharges sont mesurées. - Courant moyen des décharges Le courant moyen I est la somme des valeurs absolues des charges de N décharges divisée par la durée. Ce courant est exprimé en Coulombs par seconde et non pas en Ampère. I= 1 N ∑ qi T i =1 (2.21) Il est possible de distinguer le courant moyen positif et le courant moyen négatif. ___________________________________________________________________________ 67 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ - Energie des décharges Une décharge isolée ne dépose qu’une quantité infime d’énergie dans l’isolant, mais les décharges peuvent être nombreuses et dans ce cas leur effet cumulatif peut conduire à la détérioration du matériau, d’où l’intérêt de considérer les décharges comme des "ennemies" silencieuses [Wen]. L’expression de l’énergie calculée est : N E = ∑ qiVi (2.22) i =1 Vi est la tension appliquée à la cellule d’essai à l’instant où se produit la décharge dont la charge est qi. C’est l’énergie apparente fournie par le circuit externe lors de l’apparition des décharges dans le matériau. C’est une grandeur cumulative liée à la dégradation de l’isolant. D’après le CEI, on doit conserver le signe de chaque terme dans la formule. Si on divise E par la durée T, on obtient la puissance des décharges. Cette puissance est exprimée en Watt. - Débit quadratique C’est la somme des carrés des charges apparentes des décharges divisée par la durée T. Cette grandeur donne un poids plus important aux décharges les plus intenses sans tenir compte de la tension appliquée. D= 1 N 2 ∑ qi T i =1 D est exprimé en (coulombs)2 par seconde. Après que de nombreux travaux ont été réalisés dans le domaine de la détection et de la mesure des DP, il est apparu que la prise en compte de grandeurs globales tel que le nombre total des décharges ou la décharge globale enregistrée ne permettait pas une analyse plus fine des processus de décharges. La discrétisation des mesures a permis d’améliorer la connaissance des DP. L’objectif de l’introduction des techniques numériques est donc de discrétiser la mesure des DP afin d’enregistrer pour chaque décharge individuelle, sa charge apparente qi, la valeur ___________________________________________________________________________ 68 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ instantanée de la tension Vi à l’instant ti et, en alternatif la phase d’apparition фi de la décharge sur l’onde de tension. Le principe de base est l’utilisation, en sortie d’un détecteur de décharge classique, d’un convertisseur analogique/numérique et le choix d’une référence de temps en rapport avec la tension appliquée. Batnikas a introduit en 1969 l’analyseur multicanaux [Ba3] en l’utilisant pour déterminer les distributions de l’amplitude des décharges n(q) avec l’avantage que de telles distributions permettent d’accéder à l’énergie dissipée par les décharges. D’autres types de distribution ont été introduits par la suite comme la distribution du nombre de décharges dans la phase n(ф). Les dispositifs incluant un ordinateur ont ensuite été mis au point [Ta1], ce qui a permis de stocker un grand nombre de données et de les traiter. Une mise au point sur la performance des techniques de détection actuelle a été récemment faite par Hikita [Hik] II.2.2.c- Techniques d’analyse des DP c1- Objectifs La mesure des DP représente un outil de diagnostic de la qualité du système d’isolation électrique et par conséquent de l’état de l’ensemble d’un équipement électrique (transformateur, stators, câble, convertisseur,...) [Bre, Cav, Ema, Kau, Le1,Sc2] La mesure et la caractérisation des DP peuvent permettre l’identification des défauts susceptibles d’apparaître dans un appareil (défaut d’isolation comme par exemple la présence des cavités dans une isolation solide, le renforcement de champ au niveau des pointes métalliques,...) La reconnaissance de ces défauts permet d’améliorer le dimensionnement du système et le renforcement du matériau isolant afin de garantir la fiabilité du système. Ces tests doivent être non destructifs. c2- Procédures L’exploitation des résultats de mesures des DP est délicate et nécessite le choix judicieux des techniques de reconnaissance. Elle se fait à l’aide de diagrammes de décharges tels que la distribution dans la phase du nombre de décharges, de la charge moyenne ou les distributions n(q). Elle peut également se baser sur la forme des impulsions du courant car il existe une relation directe entre les phénomènes physiques impliqués et la forme de l’impulsion [Kre]. ___________________________________________________________________________ 69 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ Mais cette méthode présente l’inconvénient que les signaux peuvent être modifiés selon la géométrie de l’équipement sous test. La procédure de reconnaissance englobe les étapes suivantes : - La mesure du niveau de tension PDIV - L’acquisition des diagrammes de décharges (signatures ds DP) - La comparaison des signatures obtenues à ceux relatives à des défauts connus ( utilisation de la base de données) - La classification. Un exemple type de signature est la représentation de la signature de DP sur une base de temps alternatif qui permet d’identifier et/ou de localiser la décharge [Annexe 4]. Figure 2.17. Exemple d’acquisition de signature de DP en alternatif ___________________________________________________________________________ 70 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ c3- Reconnaissance par observation directe La méthode élaborée par le CIGRE [CIG] est fondée sur l’observation directe des impulsions liées aux décharges par un observateur expérimenté à l’aide d’un oscilloscope. L’observation doit se faire au moment de l’essai et non ultérieurement. L’environnement des essais devra être pris en compte pour distinguer des éventuelles impulsions dues aux parasites ou aux décharges issues du dispositif de test. En plus des diagrammes de l’acquisition, on peut examiner l’évolution des DP en fonction de la tension appliquée et de la durée d’application de cette tension. L’article de la CIGRE dresse une liste de contrôle contenant 16 catégories. Cette liste se présente sous forme d’un tableau. Pour chaque cas, sont décrits : la variabilité des réponses, l’amplitude relative des DP sur les alternances positive et négative et enfin l’évolution de la charge en fonction de la tension d’essai et de la durée d’application de la tension. Un cas peut correspondre à plusieurs types de défauts. c4- Reconnaissance par utilisation de coefficients statistiques : skewness & kurtosis Une des méthodes d’analyse des DP utilise des paramètres statistiques. Il s’agit du calcul des coefficients statistiques permettant de décrire la forme de la distribution des décharges. Elle a été introduite par Tanaka & Al en 1978 [Ta1]. Ces auteurs introduisent les moments d’ordre 3 et 4 (Skewness et Kurtosis) des distributions des décharges. Ils étudient la variation de ces coefficients en fonction de la tension appliquée et de la configuration des électrodes pour divers types de cavités. Ils obtiennent une corrélation entre la nature du défaut et l’évolution de ces coefficients [Ta2] - Moment d’ordre 3 ou Skewness (symétrie) Ce coefficient caractérise le degré d’asymétrie d’une distribution par rapport à sa moyenne. Il est positif lorsque la queue de la distribution s’étend vers la droite et négatif lorsqu’elle s’étend vers la gauche. Le skewness d’une distribution gaussienne normale est nul [Pre]. ___________________________________________________________________________ 71 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ - Moment d’ordre 4 ou Kurtosis (aplatissement) Ce paramètre caractérise l’aplatissement de la distribution par rapport à une distribution normale. Un Kurtosis négatif signifie que la distribution est plus "aplatie" qu’une gaussienne normale. Un Kurtosis positif signifie que la distribution est plus "pointue" qu’une gaussienne. Figure 2.18. Exemple typique de profil de distribution des DP et les valeurs de Skewness et Kurtosis - Applications aux analyses de la signature des DP En 1985, Tatsuki et Tanaka [Tat] étudient les DP lors du développement d’arborescences dans des isolants solides. Ils examinent l’évolution de la charge maximale par polarité en fonction du temps, de la longueur de l’arborescence ainsi que le skewness de la distribution q(ф). Ils adoptent une méthode de suivi des skewness avec une représentation dans le plan où l’axe des abscisses représente les skewness des distributions positives et l’axe des ordonnées représente les Skewness des distributions négatives. Les auteurs concluent que, contrairement à la charge maximum, la représentation dans ce plan est un paramètre approprié pour le suivi du développement des décharges. Okamoto et Al arrivent aux mêmes conclusions en 1986 [Oka] Gulski et Al proposent en 1992 une méthode automatique de reconnaissance des DP appliquée à des cavités cylindriques dans différents matériaux isolants [Gu1]. Leur étude est complétée en 1993 par une classification des DP générées dans des modèles de défauts standards élaborés en laboratoire ou sur des maquettes contenant des défauts connus ou encore sur des appareils électriques [Kre, We1]. Ils utilisent les distributions n(ф) et q(ф). Ces études aboutissent à la mise en place du taux de reconnaissance et d’outils de mesure du degré ___________________________________________________________________________ 72 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ de similitude (contour score) entre l’empreinte à reconnaître et celles contenues dans la base de donnée. Les résultats qu’ils obtiennent varient avec la morphologie de l’objet sous test. En effet, un défaut standard est bien reconnu (auto-reconnaissance) alors que dans les appareils électriques, leur méthode ne permet pas, à partir des acquisitions des DP, de remonter de manière fiable au défaut qui les provoque. c5- Méthodes diverses D’autres méthodes concourent à l’amélioration de l’analyse des acquisitions de DP pour la reconnaissance des types de défauts. Basées par exemple sur l’énergie des décharges [Kra92]ou encore sur l’utilisation des réseaux neurones [Gu2]. Des travaux récents combinent la mesure de spectroscopie diélectrique et les DP pour localiser les zones de défauts susceptibles d'être le siège de DP dans les câbles [Sc2, Rah]. II-2.3 - Effets des paramètres de fonctionnement électriques sur les DP Dans l’hypothèse que la tension aux bornes du système est suffisante pour amorcer les DP, l’occurrence des DP se manifeste différemment selon la nature de la tension appliquée. Dans une modélisation dite a, b, c ; un matériau isolant qui contient une occlusion gazeuse est représenté par un schéma électrique (figure II.19). La partie saine du diélectrique en parallèle sur le défaut est modélisée par un réseau (Ra, Ca). La partie saine du diélectrique en série avec le défaut est modélisée par un réseau (Rb, Cb). Le défaut est modélisé par le réseau (Rc, Cc) dont les caractéristiques dépendent du gaz occlus dans le défaut et par un éclateur en parallèle. La tension se répartit alors suivant le rapport entre les permittivités, les résistivités et les dimensions géométriques respectives. Sous une tension alternative, ce modèle a un comportement capacitif alors que sous tension continu il est plutôt résistif. ___________________________________________________________________________ 73 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ Figure II.19 Représentation schématique et représentation équivalente de type circuit de l’existence d’une décharge dans un isolant solide Sous une tension alternative, la tension aux bornes de la cavité suit pratiquement la sinusoïde [Ba2]. Le nombre de décharges par cycles de fonctionnement est élevé. Il est donné par la relation suivante : V − Vdiv N =4f Vdiv − Vdev (2.21) Avec f la fréquence. Pendant la phase d’inversion de la polarité, la tension aux bornes de la cavité s’inverse et passe par zéro (figure II.20). Le temps entre deux décharges successives est défini tel que : ∆t = avec Vdiv − Vdev dV α dt (2.22) dV Cb gradient de la tension et α = dt Cb + Ca Notons aussi que les fréquences prévues pour la nouvelle génération d’avions « plus électriques » (fréquence variable de 400-800Hz), bien que n’ayant a priori pas d’influence sur le seuil d’apparition des DPs, auront des conséquences sur le nombre de décharges par seconde et par suite sur la durée de vie du système dans le cas où les systèmes utilisés présentent des seuils inférieurs à la contrainte électrique. ___________________________________________________________________________ 74 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ Figure II.20 Evolution de la tension aux bornes d’un défaut sous tension alternative Quand une tension continu est appliquée, les décharges se produisent lors de son augmentation. Après que la tension soit devenue constante, les décharges se produisent rarement [Ba2]. La tension aux bornes de la cavité est définie par : t Vc = V − (Vdiv − Vdev) exp − Rb(Cb + Cc ) (2.23) Elle croit pour atteindre la tension appliquée Va (que l’on attendrait si aucune décharge n’intervenait) suivant une loi exponentielle dans laquelle la constante de temps Rb (Cb + Cc) est élevée car Rb est la résistance d’isolement de la partie saine de l’isolant. En général, lors de l’application entre deux électrodes d’une tension suffisante pour amorcer la décharge électrique, celle-ci n’apparaît pas instantanément, mais avec un certain retard. Le temps qui s’écoule entre l’application de la tension V ≥ Vi et l’apparition de décharge se compose de deux parties [Ba2]: - Le temps correspondant à la probabilité de l’apparition, durant l’application de la tension, d’un électron provoquant l’amorçage (temps de retard statistique). - Le temps correspondant au temps nécessaire pour que la décharge une fois commencée se développe dans tout l’espace entre les électrodes. ___________________________________________________________________________ 75 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ Le temps de retard statistique est défini par : τs = (qp) −1 (2.24) Où q et p désignent respectivement le nombre d’électrons primaires formés en une seconde entre les électrodes, par l’émission de la cathode ou par l’agent ionisant extérieur et la probabilité pour qu’un électron primaire engendre une avalanche suffisamment importante pour satisfaire à la condition d’amorçage. Le taux de répétition des décharges partielles sous une tension continu est de plusieurs ordres inférieurs à celui obtenu sous tension sinusoïdale. La durée de vie de l’isolant est dépendante de plusieurs critères et notamment du nombre de décharge et de leur énergie. Par conséquent, nous pouvons considérer qu’à tension crête identique, le régime de tension continu est moins contraignant que le régime de tension alternative. II.2.4 - Nocivité des DP Les DP sont les "ennemies" silencieuses des matériaux isolants [Bui, May, Wen]. La dégradation d’un isolant solide sous l’action des décharges partielles se produit dans le cas où, à l’intérieur ou à la surface d’une isolation composite, le champ électrique disruptif est localement atteint. Elle est le résultat d’un ensemble complexe qu’on peut énumérer ainsi : - élévation de température du gaz ambiant provenant des chocs élastiques entre - électrons et molécules gazeuses, bombardement ionique et électronique des parois de la vacuole, provoquant leur - érosion, soit directement, soit par l’intermédiaire d’échauffements locaux, rayonnement ultraviolet, dû aux atomes excités et aux recombinaisons des - porteurs, réactions chimiques secondaires provoquées ou activées par l’effluve et faisant intervenir les gaz contenus dans la cavité, les produits de décomposition ou les deux à la fois ; un cas important de ce point de vue concerne les décharges dans l’air (l’objet de notre étude), L’importance de ces divers mécanismes varie certainement avec le matériau diélectrique considéré et les conditions dans lesquelles il est utilisé. L’impact final de ces phénomènes consiste en la mise en court circuit du système. ___________________________________________________________________________ 76 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ II.2.5 - Diagnostics des équipements de l’électronique de Puissances La chaîne de puissance est constituée d’un ensemble d’équipements assurant spécifiquement différentes fonctions : production, conversion et transport d’énergie. Par conséquent, les configurations du système d’isolation ne sont pas identiques d’où la nécessité d’utiliser des méthodes particulières pour tester efficacement le matériau selon les cas. Outre le dispositif standard de mesure de DP, de nombreux travaux ont été effectués au sein de l’équipe MDCE du laboratoire Laplace tant sur la caractérisation des DP dans les isolations statoriques [Mba, Nae] que sur les modules de puissance (IGBT) [Bri]. Dans la littérature, beaucoup de travaux sont effectués dans ce sens afin de garantir la fiabilité des équipements qui constituent la chaîne. II.2.6 - Les Décharges Partielles et les normes aéronautiques : ABDO 100 Dans les années 70, les travaux de W. Dunbar [Dun] ont abordé cette problématique, dans un rapport technique et dans le cadre d’une collaboration avec Boeing, pour des applications aérospatiales. Ensuite, les travaux de Kirciki [Kir] ont repris l’hypothèse de Dunbar pour retracer les courbes de tension d’initiation des décharges en fonction de la pression pour différentes températures (23, 250, 500, 700,900 et 1100 °C). Les travaux de I. Cotton vont dans le même sens [Co1,2,3] mais avec une approche théorique des prévisions établies par Peek [Pee]. Cependant d’autres auteurs ont travaillé sur l’utilisation des DP comme technique de diagnostic des câbles et des connecteurs pour des applications aérospatiales et avioniques [Bil, Wan, Wei] A ce jour, la détection des DP ne figure pas dans les spécifications de l’aéronautique du fait des faibles niveaux de tension utilisés. Dans l’hypothèse du doublement de tension dans les aéronefs, cette thématique est devenue d’actualité. Par contre la caractérisation des DP des systèmes embarqués dans les aéronefs nécessite la mise en place d’un banc pouvant recréer les contraintes spécifiques à l’environnement de fonctionnement du système. Tel est le challenge que nous nous sommes fixé et qui est exposé dans la suite de ce travail. Ce banc permettra d’une part la compréhension de l’impact des variations des paramètres atmosphériques sur la phénoménologie des décharges électriques dans l’air et la validation des facteurs correctifs énoncés dans le paragraphe 1.6 de ce chapitre. D’autre part les mesures des DP sur les véhicules tests représentatifs des équipements embarqués seront effectuées et leurs résultats seront comparés aux tensions nominales de fonctionnement. ___________________________________________________________________________ 77 II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ 78 Chapitre III : CARACTERISATIONS EXPERIMENTALES ET RESULTATS « Influence des conditions environnementales sur la courbe de Paschen » III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ 80 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ Afin de mieux appréhender l’impact de l’environnement aéronautique sur l’initiation des DP dans les systèmes embarqués, il nous a paru nécessaire de comprendre dans une première étape les processus physiques fondamentaux de claquage de l’air dans ces conditions spécifiques. Le dispositif expérimental que nous avons développé nous servira donc dans ce chapitre à évaluer les effets de la variation des paramètres atmosphériques sur la phénoménologie des décharges électriques en comparaison à la loi de Paschen. Ce dispositif sera ensuite utilisé dans le chapitre suivant pour les mesures de DP sur les véhicules tests dans les conditions plus représentatives de leur fonctionnement. Dans ce chapitre, nous donnons tout d’abord une description du dispositif expérimental ainsi que des protocoles expérimentaux suivis. La validation de ce banc est effectuée par comparaison des points expérimentaux obtenus à ceux résultant de la courbe de Paschen. Nous présentons ensuite l’impact de la variation des différents paramètres atmosphériques sur la tension de claquage de l’air et finalement nous tenterons d’expliquer ces résultats à l’aide de la physique des décharges. III.1 – Claquage de l’air sous contraintes environnementales III.1.1 - Description du dispositif expérimental Le dispositif expérimental développé pour nos investigations est représenté dans les figures III.1, III.2 et III.3 Etuve Climatique Entrée consignes Alimentation Oscillo de visualisation Transformateur: Vmax 20kV Figure III.1 : Photographie du banc d’essai ___________________________________________________________________________ 81 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ Figure III.2 : Photographie globale du banc d’essai Figure III.3 : Photographie de l’enceinte basse pression et des électrodes Le schéma synoptique de l’ensemble des équipements est présenté par le diagramme de la figure III.4. ___________________________________________________________________________ 82 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ 6 7 9 T 1 2 4 5’ 3 5 10 8 11 P1,T1,H1 P0,T0,H0 Figure III.4 : Schéma synoptique du banc de test et du circuit de mesure. Le banc expérimental est constitué d’une étuve climatique (1) dont les caractéristiques sont décrites en annexe 5. Une enceinte basse pression (2) d’environ 0.02m3 contenant des électrodes sphériques (3) représentée sur la figure III.3 est placée à l’intérieur de cette étuve. L’une des électrodes est fixée sur un axe solidaire d’une vis micrométrique (4) permettant de régler la distance inter électrodes d. Les électrodes de 5cm de diamètre sont en acier inoxydable [nuance316]. D’une manière générale, ce matériau est utilisé pour le contact des produits liquides avec une meilleure résistance à la corrosion dans toute une gamme d’environnements. Sa composition est présentée dans le tableau III.1. Eléments C Pourcentage 0.08 Mn Si P S Cr Ni Mo N 2.0 0.75 0.045 0.03 16.0- 10.0- 2.0- 0.10 18.0 14.0 3.0 Tableau III.1 – Composition des électrodes [www.sepha.com/stainless.htm] Ce banc permet de balayer des plages de température de -65 à 175°C, des baisses de pressions jusqu'à 0.1 atmosphère et d’ajuster le taux d’humidité relative de 10 à 98% sur une plage de température selon le climatogramme de la figure III.5. Les consignes pour le conditionnement ___________________________________________________________________________ 83 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ de l’atmosphère de l’étuve sont fixées à l’aide d’un ordinateur (7) et régulées dans l’enceinte basse pression à l’aide des vannes (11). Deux pompes (5 et 5‘) connectées en parallèle et fonctionnant simultanément en fonction de la température permettent l’obtention de niveaux de pression jusqu'à 10-2mbars (~7.10-2Torr) à température ambiante. La lecture du niveau de pression se fait à l’aide d’un manomètre (10). La température à l’intérieur de l’enceinte est mesurée à l’aide du thermocouple (9). T (°C) 95 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 Rel. humidity (%) 80 90 100 98 Figure III.5 : Climatogramme de l’enceinte utilisée. Afin de minimiser les erreurs sur la distance entre les électrodes liées à la dilatation différentielle des matériaux, celle-ci n’est fixée qu’une fois que l’environnement est thermiquement stable. Le protocole de mesure doit donc être clairement bien défini et est présenté dans ce qui suit. III.1. 2 - Mode opératoire et protocoles expérimentaux a- Essais en température-humidité Le climatogramme présenté sur la figure III.5 définit la plage possible des essais combinés « température-humidité ». Une fois que les conditions fixées sont stables, on effectue le réglage de la distance inter-électrodes et on procède aux essais. L’enceinte à l’intérieur de ___________________________________________________________________________ 84 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ laquelle est la cellule étant fermée, le conditionnement s’effectue par circulation d’air prélevé à l’intérieur de l’étuve, les vannes de régulation étant ouvertes. Il est important de constater que des résultats identiques sont obtenus même si l’enceinte est ouverte. A température constante, il est possible de régler la distance inter-électrodes une fois pour toute et de procéder ensuite à un balayage en humidité. A partir de certaines valeurs de température et pour un taux d’humidité relative élevé, l’apparition des gouttelettes d’eau sur les électrodes réduit la distance inter-électrodes allant même jusqu'à les court-circuiter. Ceci peut être observé pour des valeurs de température aussi faible que 30°C mais pour des taux d’humidité relative très élevés (98%). Pour un taux d’humidité élevé (apparition des gouttelettes d’eau) les conditions d’essais ne sont pas identiques l’enceinte étant ou non fermée. Dans le premier cas, les gouttelettes d’eau sur les électrodes sont plus importantes que dans l’autre. Aussi, afin de réduire au maximum les éventuelles erreurs, l’impact de l’effet de la quantité de l’humidité n’est donc étudié que sur la plage de température n’entraînant pas l’apparition de gouttelettes d’eau. b- Essais en pression simulant des variations d’altitude Les vannes de prélèvement étant fermées, la mise en marche de la pompe permet d’effectuer des essais à des pressions inférieures à la pression atmosphérique. Si un conditionnement est souhaité, on jouera sur les vannes de pompage et de prélèvement pour obtenir le couple (P, T) souhaité. b.1- Pompage L’obtention d’une dépression est réalisée à l’aide de deux pompes disposées en parallèle (5 et 5’sur la figure III.3) qui présentent des caractéristiques différentes, notamment au niveau de la puissance et de la plage de fonctionnement en température. La plus puissante (pompe primaire à palettes) fonctionne à température ambiante et permet d’atteindre un vide primaire de l’ordre de 10-2 mbars. La deuxième (pompe à membranes) sert à maintenir le niveau de pression pour un conditionnement sur une large gamme de température. La figure III.6 résume par un schéma synoptique le protocole d’essais. ___________________________________________________________________________ 85 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ Etape 1: Entrer consignes Température, Humidité Etape 2: Pompage Baisse de Pression Thermalisation de l’étuve et de l’enceinte Pompage maximal & maintien du pompage pendant laThermalisation Essais sur la plage de température humide Essais combinés T, P T>100°C et T<10°C Régulation Essais en basse pression sur la plage de température humide Figure III.6 : Schéma synoptique du protocole d’essais. b2- Réglage de la distance inter-électrodes La distance entre les électrodes est réglée à l’aide de la vis micrométrique. Le point zéro (point de contact des électrodes) est déterminé électriquement. Les électrodes étant en courtcircuit, elles sont écartées progressivement jusqu’à atteindre une position dans laquelle le système se comporte électriquement comme un circuit ouvert. C’est le point référence « zéro » à partir duquel nous fixons la distance d. L’erreur lors de cette manipulation est au maximum de 5µm. L’étalonnage du mouvement de la vis micrométrique a tout d’abord été effectué, à l’aide d’un comparateur comme nous le décrivons ci dessous. b2.1- Etalonnage de la vis micrométrique La figure III.7 représente le dispositif mis en place, pour vérifier que les déplacements du bras de la vis micrométrique correspondent au jeu effectué en se référant à la graduation de celleci. ___________________________________________________________________________ 86 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ Comparateur Vis micrométrique Fixation:étau Figure III.7 : Schéma de principe de l’étalonnage de la vis micrométrique. Les résultats de l’étalonnage sont représentés sur la figure III.8 en comparaison avec une droite de « référence » idéale, pour laquelle en chaque point les valeurs de l’abscisse et de l’ordonnée sont identiques. 140 120 Droite régulière Etalonnage 100 ∆ 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 distance (x0.01mm) Figure III.8 : Résultats de l’étalonnage de la vis micrométrique. L’erreur augmente avec la distance. Pour une distance de 1mm, nous observons un écart ∆ de l’ordre de 6% entre le déplacement de la vis micrométrique et l’indication du comparateur. Cette calibration nous permet d’évaluer les erreurs commises sur la distance inter-électrodes : le dispositif ne nous permettra pas d’avoir une précision de quelques microns (inférieure à 10). ___________________________________________________________________________ 87 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ III.1. 3 - Mesure de la tension de claquage Le schéma électrique de mesures est présenté sur la figure III.9. Une résistance (R=1MΩ) est utilisée pour limiter le courant lors de la rupture. Enceinte basse pression Oscilloscope R=1MΩ Secteur Etuve climatique Figure III.9 : Schéma électrique de mesures. La rupture de l’air est caractérisée par une chute de tension et est observée à l’aide d’un oscilloscope (figure III.10). Figure III.10 : Exemple de signal observé lors de la rupture. Généralement, la rupture se produit au maximum de la tension correspondant à la valeur de la tension seuil de rupture du gaz (figure III.10) et ceci de manière reproductible à chaque période. ___________________________________________________________________________ 88 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ III.1. 4 - Résultats et analyses III.1.4a - Comparaison des résultats avec la courbe théorique de Paschen La figure III.11 représente l’effet de variation du produit pd dans les conditions normales de température et de pression. Ces points expérimentaux sont obtenus en faisant varier la distance entre les électrodes, et sont superposés à la courbe calculée à partir de l’expression (2.6) de Paschen dans l’air. Figure III.11 : Comparaison des résultats expérimentaux avec la courbe calculée de Paschen pour γ = 10-2. Dans l’intervalle du gap considéré, de 5.10-3mm à 1mm, nous observons une assez bonne concordance. Par conséquent, la configuration utilisée est assimilable à celle de Paschen et dans ces conditions nous avons pu valider notre banc. Mais pour des faibles valeurs du produit pd représentées sur la figure III.12, correspondant à deux types de mesures : - p variable et d fixe, - d variable et p fixe. les points expérimentaux obtenus ne suivent plus le comportement de la courbe de Paschen à gauche de son minimum (figure III.12). ___________________________________________________________________________ 89 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ Variation de p pour d =1mm Variation de d pour p= 1.1bar Figure III.12 : Comparaison des résultats expérimentaux avec la courbe calculée de Paschen à température ambiante. L’écart observé, à gauche du minimum de Paschen, entre les points expérimentaux et la courbe calculée, peut être tout d’abord expliqué à pression atmosphérique par la différence de configuration des électrodes. Notons qu’un résultat identique est observé dans le cas d’une configuration pointe-plan [Dhar]. Dans la configuration utilisée par Paschen (des électrodes planes), l’uniformité du champ dépend de la surface équidistante des électrodes (cf. fig.II.9). Celle-ci est plus étendue pour des électrodes planes que pour des électrodes sphériques. Nous retrouvons bien ainsi que, le développement d’une décharge dépend tout d’abord de la répartition du champ [Spy] Par ailleurs à faible pression, la nature des décharges diffère de celles obtenues à pression atmosphérique. A d constante, la tension d’initiation de la décharge est quasi constante pour des produits pd [Torr.cm] compris dans l’intervalle [4.10-4 – 8.10-1]. En effet, la nature des décharges observées, illustrées schématiquement sur la figure III.13 dépend principalement de la pression. Les décharges occupent un volume de plus en plus important à mesure que la pression diminue. Comparativement à une décharge à pression atmosphérique pour laquelle on observe l’établissement d’une étincelle filamentaire entre les deux points les plus rapprochés des électrodes, nous avons obtenu une lueur luminescente dont le volume augmente avec la diminution de la pression. L’effet de pression est liée directement à ___________________________________________________________________________ 90 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ l’évolution du libre parcours moyen. A la différence de la courbe de Paschen, pour laquelle la tension est augmentée pour initier les décharges pour des produit pd inférieurs au minimum, nous restons sur un palier correspondant à la valeur de la tension minimale. Compte tenu des conditions nécessaires à l’obtention d’une décharge et notamment le phénomène de multiplication électronique, il apparaît qu’elles ne sont plus remplies dans nos conditions géométriques pour les distances les plus faibles. Les électrons provoquant la décharge remontent alors les lignes de champ électriques correspondant aux conditions d’obtention de la rupture du gaz considéré. Ce n’est donc plus la distance interélectrode qui est importante dans ces conditions mais la pression. La « vraie » distance de rupture correspond alors à la longueur de la ligne de champ à la pression considérée. Les décharges sont dominées par le libre parcours moyen. d d d p atmosphérique Augmentation de pd à d fixe Figure III.13 : Schéma d’évolution de la décharge observée en fonction de la pression. III.1.4b - Effet de la variation des paramètres environnementaux Notre système étant validé et ses limites connues, nous nous proposons d’étudier l’impact des principaux paramètres environnementaux et de leur variation sur la rupture de l’air b1. Température et pression Les figures III.14 (a à d) représentent pour un taux d’humidité constant un exemple de l’évolution de la tension de claquage à différentes températures en fonction de la distance entre les électrodes et pour deux pressions. ___________________________________________________________________________ 91 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ à T=25°C - hr=45% Tension de claquage Vrms P=1at (760Torr=1013mb) P=0.17at (129Torr=175mb 1000 100 10 100 1000 d(µm) a- T1 = 25 °C à T=50°C - hr=45% Tension de claquage Vrms P=1at (760Torr=1013mb) P=0.17at (129Torr=175mb) 1000 100 10 100 1000 d(µm) b- T5 = 50 °C ___________________________________________________________________________ 92 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ T=100°C Tension de claquage Vrms P=1at (760Torr = 1013mb) P=0.17at (129Torr = 175mb) 1000 100 10 100 1000 d(µm) c- T6 = 100 °C T=150°C Tension de claquage Vrms P=1at (760Torr=1013mb) P=0.19at (150Torr=200mb) 1000 100 10 100 1000 d(µm) d- T8 = 150°C Figure III.14 : Tension de claquage en fonction de la distance inter électrodes à différentes températures, et sous deux pressions différentes. ___________________________________________________________________________ 93 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ L’augmentation de la température entraîne une diminution de la tension de rupture du gaz [Al2]. Ces courbes permettent aussi d’observer que l’effet de la pression diminue pour les distances inter-électrodes les plus faibles : A 25µm, nous observons une variation d’environ 12% alors qu’elle est de 55% à 1mm. Afin de mieux observer l’impact de ces paramètres, la figure III.15 représente l’effet de variation de la température sur la tension de claquage pour différentes distances interélectrodes. Ces résultats montrent que l’influence de la température ne dépend pas de la distance entre les électrodes. Par contre, pour une distance donnée, une augmentation de température de 215 °C entraîne une diminution du niveau de tension de claquage d’environ 50%. Pour un gap fixé à 1mm représenté sur la figure III.16, on observe que la tension d’initiation de la décharge décroît pour les deux valeurs de pressions considérées. L’énergie des ions en mouvement (Σ1/2mv2) et celle liée à l’agitation thermique (E = 3/2 kT) contribuent à la mobilité des électrons qui suite à l’augmentation de la température entraîne une amplification des processus collisionnels. 5000 d=1mm d=0,5mm d=0,01mm d=50µm d=25µm P=1at (1013mb) 4500 Tension de claquage Vrms 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 -100 -50 0 50 100 150 Température (°C) Figure III.15 : Effet de variation de la température sur la tension de claquage pour différentes distances inter-électrodes. ___________________________________________________________________________ 94 Tension de claquage Vrms III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ P= 1at (760Torr) P=0,17at (129Torr) 1000 -50 0 50 100 1000 150 Temperature (°C) Figure III.16 : Effets combinés de l’augmentation de la température et de la baisse de pression pour une distance inter électrode d=1mm. Une baisse de pression conjuguée à une élévation de la température constituent donc la contrainte la plus sévère. On observe que la tension de claquage diminue d’environ 80% pour une augmentation de température de 215°C et une pression de l’ordre de 1/8 de la pression atmosphérique. b2. Humidité La figure III.17 présente la variation de la tension de claquage en fonction du taux d’humidité relative. L’augmentation du taux d’humidité relative se traduit par une augmentation de la tension d’initiation des décharges [Zeb, Sal]. Compte tenu de la présence de cette humidité, il faut donc fournir plus d’énergie pour exciter, dissocier ou ioniser les molécules [Dav]. On observe paradoxalement que la tension de claquage augmente lorsque la température de l’air augmente, ce qui semble en contradiction avec les résultats précédents. Toutefois, si on considère que la capacité du milieu à contenir l’eau augmente avec l’accroissement de la température [Atk] et compte tenu de l’hypothèse précédente liée à la difficulté d’ionisation en présence d’humidité, il relève alors de la même logique qu' une variation du taux d’humidité entre 10 et 98% à 30°C entraîne une variation de la tension de claquage d’environ 10%. ___________________________________________________________________________ 95 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ 4100 4000 10°C 20°C 30°C Tension de claquage Vrms 3900 3800 3700 3600 3500 3400 3300 0 20 40 60 80 100 Humidité relative (%) Figure III.17 : Impact de l'augmentation de la température et de l’humidité relative La figure III.18 représente l’évolution de la tension de claquage en fonction de la variation du taux d’humidité relative, combinée à une baisse de pression. A faible pression, il semble du fait de la raréfaction de la matière due au pompage, la tension d’initiation de la décharge ne varie que très peu avec ce paramètre. T= 40°C 4000 P = 760Torr (1at) Tension de claquage Vrms 3500 3000 2500 2000 1500 P= 129 Torr (0,17at) 1000 0 20 40 60 80 100 Humidité relative (%) Figure III.18 : Impact de l'augmentation du taux d’humidité et de la baisse de pression. ___________________________________________________________________________ 96 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ III.1.5 - Validation des facteurs correctifs Nous avons présenté dans le paragraphe I.6 du chapitre 2 les principales expressions correctives utilisées dans le cas de variations des paramètres environnementaux, (température, pression, taux d’humidité relative). La figure III.19 présente la superposition de certains de nos résultats en comparaison avec les corrections proposées dans la littérature. Les traits pleins sont les courbes calculées avec la correction de Peek [Pee], pour trois valeurs de températures : -50°C, 25°C et 150°C. Cette correction qui multiplie l’expression de Paschen par un facteur mutiplicatif (2.10) est en concordance avec les points expérimentaux pour T = 50°C et 25°C. Or si, nous continuons ce raisonnement (Cf. figure II.11), on s’apercoit que la tension de claquage tend vers 0 à mesure que la température augmente. Ceci diffère des résultats expérimentaux pour T = 150°C, au voisinage du minimum des courbes c'est-à-dire lorsque 5.10-1 < pd [Torr.cm]< 10. En revanche, en utilisant l’hypothèse (Cf. figure II.11) de Dunbar [Dun], dont le calcul à 150°C est représenté par les pointillets sur cette même courbe, les résultats du calcul concordent avec nos points expérimentaux. Pour confirmer cette hypothèse, nous avons effectué d’autres mesures proches du minimum de Paschen à différentes températures. Calculs CNTP (T=25°C) * T=-50° C T=150°C Figure III.19 : Comparaison des résultats expérimentaux avec les prévisions de la littérature. ___________________________________________________________________________ 97 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ 460 -65°C Correction de Peek Tension de claquage Vrms 440 420 -50°C 400 380 -25°C 360 0°C 75°C 340 15°C 320 30°C 50°C 0,7 0,8 Correction de Dunbar 100°C 150°C 20°C 0,6 0,9 1,0 1,1 pd(Torr.cm) Figure III.20 : Evolution du minimum de Paschen selon la température. La figure III.20 représente l’évolution du minimum de Paschen pour différentes températures. Ces résultats expérimentaux sont comparés aux évolutions dites de Peek d'une part et de Dunbar, d'autre part. La validité des corrections semble dépendre de la température et donc de la pression (P=nkT) par conséquent du libre parcours moyen. A pd fixe, la tension de claquage augmente lorsque la température diminue. Dans une configuration sphère-sphère, la tension seuil d’initiation de la décharge dans l’air ne diminue pas et ce quelle que soit l’augmentation de la température. III.1.5 - Discussions Les mécanismes physico-chimiques au sein des décharges sont assez complexes et sont encore amplement étudiés par les physiciens des plasmas, car ils ne sont pas encore tous totalement connus [Loeb, Das]. Les analyses des études effectuées sur l’influence des conditions environnementales sur la tension de rupture de l’air sont généralement fondées sur la variation de la densité de l’air, caractérisée par la pression et la température [Al2, Co2, , Cob, Pee]. Par conséquent les expressions correctives sont établies en tenant compte de la géométrie et de la distance entre les électrodes, ainsi que du niveau et de la nature de la tension [Mik, S05]. ___________________________________________________________________________ 98 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ Ainsi, sans rentrer dans les détails du calcul des coefficients caractéristiques du claquage électrique du gaz (coefficients de dissociation, d’ionisation, de recombinaison, d’attachement, les coefficients de transport ainsi que le calcul des sections efficaces) liés à ces processus, qui sont souvent utilisés par les physiciens du plasma [You] sur une plage de température [5000 K – 15000K], nous tentons d’expliquer nos résultats par une analyse macroscopique. Rappelons que l’air est constitué d’un mélange de gaz (78% N2, 21% O2 et 1% d’autres gaz). Le calcul de tous les coefficients cités précédemment s’effectue isolément pour chaque composant. Le tableau III.2 présente le potentiel de dissociation et d’ionisation (énergie exprimée en eV) des principaux constituants de l’atmosphère. On observe que l’énergie nécessaire pour dissocier ou ioniser ces molécules sont respectivement de l’ordre de quelques eV et d’une dizaine d’eV environ. Dans le cas de notre étude, une variation de ∆T d’environ 215°C (soit un apport d’énergie d’environ 6.10-2 eV)n’aura donc pas d’effet considérable direct sur les phénomènes cités, responsables du phénomène d’avalanche électronique conduisant au claquage du gaz. Molécules Potentiel de dissociation Vd Potentiel d’ionisation Vi N2 4.5 15.5 O2 5.1 12.5 H2 4.5 15.6 Tableau III.2 : Potentiel critiques de quelques molécules Par contre,la variation de la température aura un effet direct sur la distribution statistique donc sur la mobilité des particules contenues dans le milieu, et donc sur leurs libres parcours moyens [Atk]. Dans cette hypothèse, nous analysons nos résultats par l’évolution de ce paramètre. Le milieu étudié est assimilé à un gaz parfait. Par conséquent, l’impact des paramètres atmosphériques sur le libre parcours moyen est relié directement au nombre de particules (P = nkT), fonction de la température et inversement proportionnel à la pression. Avec l’hypothèse qu’une variation de température ∆T d’environ 215°C n’a pas d’influence sur la section efficace. La figure III.21 présente l’évolution du lpm en fonction de la température et de la pression. Ces courbes théoriques sont obtenues à partir de l’expression (2.5). La variation de l’un des paramètres est effectuée en maintenant l’autre fixe (T0=20°C et P0=1at). On observe que le lpm augmente faiblement avec la température en comparaison de l’effet de pression. Le zoom présenté sur la figure permet de bien visualiser cet effet. Pour une variation de tempéraure entre -65°C (208°K) et 175°C (448°K), le lpm augmente linéairement ___________________________________________________________________________ 99 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ entre environ 49nm et 105nm. Par contre dans l’évolution en fonction de la pression, il apparaît un changement de pente pour environ 250 mmHg (~330mbar). L’apparition de la « rupture de pente » étant dû, à notre avis, à un niveau de pression « critique » à partir duquel le lpm augmente très vite pour des faibles variations de pression. 800 800 450 Pression (mmHg) 600 500 400 600 500 350 400 300 300 250 400 350 200 200 100 400 40 60 80 λ(nm) 100 300 300 Température (°K) Pression (mmHg) 700 450 Température (°K) 700 250 200 200 100 0 100 200 300 400 500 λ (nm) Figure III.21 : Evolution du libre parcours moyen en fonction de pression et de la température. Nous énoncons donc : - à pression contante, le libre parcours moyen augmente avec l’accroissement de la température ; - à température constante, le libre parcours moyen augmente avec la baisse de pression. Par conséquent, de ce point de vue l’augmentation de la température correspond à une baisse de pression. Cependant, la nature des phénomènes liés à la variation du libre parcours moyen est différente. Lorsque la pression baisse, les chocs intermoléculaires diminuent du fait de la raréfaction de la matière. A l’inverse l’augmentation de la température modifie la distribution des particules. Pour se faire une idée sur la différence de l’impact de ces deux paramètres, nous illustrons une correspondance de la variation de ces deux paramètres. Dans les conditions normales (T=20°C à P atmosphérique) pour lesquelles n ~ 2,7.1019 molécules/cm3, la valeur de λ est évaluée à environ 0.07µm [Dav]. Une baisse d’environ 1/10 de pression atmosphérique, conduisant à un λ = 0,7 µm correspond à une augmentation de température d’environ 2100°C ! Ceci traduit l’importance de l’impact de la pression par rapport à la ___________________________________________________________________________ 100 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ température. Quand le libre parcours augmente et devient de même ordre que la distance inter électrodes, c’est le phénomène d’émission secondaire qui entretient le claquage car une particule qui quitte l’anode rejoint directement la cathode. La diminution de la température implique d’une part la réduction de l’agitation thermique mais surtout l’augmentation de la pression et donc une diminution du libre parcours moyen. Par conséquent, il faut un apport en énergie de plus en plus important pour amorcer la décharge d'ou l’augmentation de la tension que nous avons observé lors de nos manipulations. D’autre processus pourraient aussi expliquer cette évolution. Selon Loeb [Loe], la baisse de température favorise les phénomènes d’attachement électroniques. Ceci pourrait aussi expliquer l’augmentation de la tension de claquage observée. Afin de faire une corrélation avec la tension de claquage de l’air, nous avons représenté sur la figure III.22 l’évolution de la tension en fonction du lpm pour une distance d=1mm. La tension de claquage décroit à mesure que le lpm augmente. L’allure des courbes est similaire à celle obtenue sur la figure III.21. Ces résultats confirme l’hypothèse de la correction du lpm que nous avons émise. 4500 Tension de claquage (Vrms) 4000 Augmentation de température 3500 3000 2500 2000 Baisse de pression 1500 1000 0 100 200 300 400 500 λ (nm) Figure III.22 : Tension de claquage en fonction du libre parcours moyen. Du point de vue de l’initiation de décharges, une variation de ∆T d’environ 215°C correspond à une baisse de pression d’environ 35%. A distance inter-électrode d fixe, l’augmentation de la température correspond à une diminution de la pression et donc du produit pd. La tension seuil de claquage est le minimum de la courbe de Paschen quel que soit l’augmentation de la température [Dun, Kir]. ___________________________________________________________________________ 101 III- Caractérisations Expérimentales et Résultats ___________________________________________________________________________ L’amplitude des variations de température de notre étude, ne nous a pas permis de comparer nos résultats à ceux issus de la littérature [5000 K – 15000 K] Retenons que dans ce chapitre nous avons pu évaluer la variation de la tension de claquage dans l’air en fonction de ces principaux paramétres . Nous allons maintenant effectuer les mesures de DP sur des dispositifs représentatifs des équipements embarqués dans les aéronefs et ceci sous contraintes environnementales. ___________________________________________________________________________ 102 Chapitre IV : LES DECHARGES PARTIELLES DANS LES SYSTEMES DE L’AVIONIQUE. IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ 104 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ Nous avons vu dans le chapitre précédent que la variation des paramètres environnementaux avait une influence non négligeable sur la tension d’initiation des décharges dans l’air. Par conséquent, la fiabilité des systèmes embarqués dans les nouvelles générations d’aéronefs est susceptible d’être réduite en fonction de leur dégré d'exposition à ces contraintes. Nous avons donc déterminé les seuils d’apparition sur des véhicules tests représentatifs des équipements utilisés. Cette caractérisation s’est tout d’abord effectuée dans les conditions normales de pression et de température puis dans dans leurs environnements de fonctionnement Après avoir présenté le dispositif de mesures utilisé, nous déterminons l’impact de variation des paramètres environnementaux sur le seuil d’initiation des DP. Nous examinons les paramètres qui peuvent caractériser les types de décharges afin de pouvoir, si le besoin s’en fait sentir dans le futur, tracer des pistes pour l’établissement de méthodes de diagnostic. IV.1 - Présentation du dispositif L’ensemble du dispositif est représenté dans le schéma de la figure IV.1. Il comprend : une source de tension variable Un générateur de tension (alternative sinusoïdale), commandé manuellement permet d’appliquer une tension d’amplitude variable pour atteindre la tension seuil d’apparition des DP. Il s’agit soit de l’association auto tranformateur/tranformateur, soit d’un générateur BF alimentant un amplificateur de puissance. La valeur seuil observée dépend de nombreux paramètres : sensibilité de la mesure (perturbation par des signaux parasites), ainsi que de l’attention de l’opérateur. Une cage de Faraday Permet d’atténuer le niveau de bruit du aux parasites. Elle est composée de deux compartiments [Syr]. Le transformateur est placé dans un des deux compartiments. Une des bornes est connectée à la sortie du générateur de tension. La seconde borne est reliée à la capacité de couplage. La capacité de couplage dispose d'une prise BNC à laquelle la tête de mesure du système de détection des DP (impédance de mesure) est connectée. Un soin particulier doit être apporté aux connexions haute tension afin d’éviter qu’elles ne soient le siège de décharges parasites. ___________________________________________________________________________ 105 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ Détection de mesure et d’acquisitions des DP Le système utilisé est un ICMsystem de la société Power Diagnostix Systems GmbH [Annexe 6]. Il est couplé à un oscilloscope. La tension d’initiation Ui est mesurée avec l’un ou l’autre de ces dispositifs (figure IV.1). Oscilloscope numérique Acquisition et traitement ICM system Cage de Faraday 5 4 3 Générateur de Tension variable Ordinateur de pilotage et d’exploitation 2 Transformateur 1 1 – Capacité de couplage 2 – Impédance de mesure et amplification 3 – Echantillon sous test 4 – Sonde de tension 5- Boîtier de synchronisation de la tension Figure VI.1 : Schéma synoptique du dispositf expérimental La cage de Faraday n’est utilisée que pour des essais réalisés en environnement ambiant. Les essais sous contraintes environnementales sont réalisés en utilisant le banc d’essai de la figure III.4 modifié pour permettre son utilisation sur des systèmes réels. ___________________________________________________________________________ 106 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ Figure IV.2 – Photographie de l’ensemble du système de détection et d’acquisition des DP IV.2 - Acquisition et traitement des données Le logiciel d’acquisition du systeme ICM présente de nombreuses fonctionnalités. Il permet de fixer certains paramètres de l’expérience : la gamme de fréquence spectrale de détection utilisée, la calibration, la durée d’acquisition, le niveau de l’amplification. Les résultats d’une acquisition peuvent se regrouper dans un tableau (figure IV.3) qui donne pour chaque mesure les paramétres calculés ainsi que les graphes obtenus. Enfin, la charge apparente des différentes décharges, leur nombre et leur distribution dans la phase peuvent être relevés directement. Le logiciel permet de calculer pour chaque polarité, les grandeurs statistiques (Skewness et Kurtosis) présentées dans le paragraphe a-4.1 du chapitre 2. ___________________________________________________________________________ 107 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ Figure IV. 3 - Exemple d’une acquisition des DP VI.3 - Description des véhicules tests Les mesures concernent tous les équipements représentatifs de chaque partie de la chaîne de puissance : de la production, à la charge en passant par le transport et la conversion. Dans le cadre de notre étude, les échantillons testés (figure IV.4) sont soit des systèmes réels soit des modèles réprésentatifs des équipements embarqués. Il s’agit de : câbles (a,b), paires twistées (c) simulant les isolations entre spires dans les moteurs et actionneurs, connecteurs (d), bus bar (e), de module de puissance IGBT (f), de systemes de bobinage complets (stators (g) et autotransformateurs). Le test de DP doit donc être réalisé en tenant compte de la configuration du matériel afin d’appliquer la contrainte sur le matériau isolant [Naec, Bre]. a b ___________________________________________________________________________ 108 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ c d e f 9 8 7 65 4’4 123 g h Figure IV.4 : Exemple des véhicules tests. IV.4 – Caractérisation des DP IV.4.1 – Environnement de fonctionnement des équipements Les mesures sont tout d’abord effectuées à l’ambiante et ensuite en fonction de leurs conditions d’utilisation. Ces équipements seront testés soit de manière spécifique (cas des câbles avec leur pliure et les aretes) soit dans des conditions environnementales variables spécifiques présentées dans le paragraphe b-6 du chapitre 1. ___________________________________________________________________________ 109 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ Lors de son fonctionnement l’équipement est en effet soumis à des contraintes environnementales différentes selon sa localisation. Nous avons montré dans le chapitre 3, que le cas le plus critique pour la tension d’amorçage des décharges est la combinaison d’un environnement dépréssurisé avec une température ambiante élevée. Un environnement de ce type est observé à proximité du réacteur (figure 4.5) [S05]. Certains équipements placés dans cet environnement, comme les harnais électriques (câbles) et les machines (stators) sont donc les plus exposés et seront donc susceptibles de présenter des DP. Figure IV.5 : Equipements disposés dans l’environnement du moteur IV.4.2 – Mesures des DP a - Isolation des câbles La caractérisation des DP dans les câbles a fait l’objet de nombreuses investigations. Dans certains cas, la réflectrométrie permet de localiser l’emplacement de certains défauts du type cracks, abrasion, etc… [Sch, Wan]. Les câbles à usage aérospatiale en général et aéronautique en particulier sont conçus pour resister aux contraintes de leurs environnements de fonctionnement selon les spécificités définies par la norme CEN 2005 [CEN]. Celle-ci établit les caractéristiques des cables: section nominale, diamètres externes, nature des conducteurs et des isolants, résistance linéique à 20°C (Ω/km), masse (kg/km), résistance aux attaques chimiques, tenue aux flammes … et aussi les codes d’identifications « short designation » : DR, DG, AD, DK, YV,…Les sections de ces câbles sont désignées par des nombres combinés à leurs identifications. Plus ce nombre ___________________________________________________________________________ 110 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ est petit, plus la section est importante : par exemple un câble dit YV000 à une section totale d’environ 16mm. D’une manière générale, tous ces câbles sont prévus pour fonctionner pour des températures comprises entre -55°C et 260°C. Pour les technologies d’élaboration, on distingue l'extrusion et le rubannage. La préférence pour l’une ou l'autre de ces technique est tout d’abord économique. L’industrie aéronautique utilise majoritairement les câbles rubannés avec une superposition de différents matériaux isolants (figure IV.6). 1 3 2 1 – conducteurs : multibrins en cuivre nickelé 2 – Isolation Polyimide ; 3 – Isolation PTFE Figure IV.6 : Exemple de câble testé Quelle que soit la technologie envisagée, on peut observer des cavités occluses dans le système d’isolation (figure IV.7) qui peuvent être le siège de DP si les conditions sur la tension sont remplies. Microcavités observées dans du polyethylène Cavité due à l’interface de rubanage entre deux extrudé [Avi] couches PI-PTFE Figure IV.7 : Existence des vacuoles dans l’isolation des câbles. ___________________________________________________________________________ 111 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ a.1 – Champ et potentiel dans un câble Dans la configuration présentée sur la figure IV.8, nous avons simulé avec Maxwell la répartition de champ et du potentiel. Ce modèle simule un câble, contenant une vacuole d’environ 10µm, posé sur un plan de masse. Les figures IV.9, IV.10, IV.11 réprésentent respectivement les lignes de champ, la distribution du champ et la répartition du potentiel. Ces résultats permettent de trouver la localisation la plus probable des décharges. On peut aussi observer l’influence de la permittivité (ε) sur la distribution du champ et du potentiel. Dans ce modèle, une tension de 1500V appliquée à un câble isolé PTFE (figure IV.8),ne conduit pas à une variation de la tension aux bornes du défaut (∆Vvacuole ) suffisante pour amorcer les DPs en volume. A l'inverse, compte tenu de la variation de tension dans l’air entre le plan de masse et la surface du câble (figure IV.11), les décharges risquent d’être préférentiellement surfaciques (couronne). Figure IV.8 : Schéma d’un câble contenant une vacuole sur un plan de masse Figure IV.9 : Lignes de champ électrique ___________________________________________________________________________ 112 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ Figure IV.10 : Distribution du champ sur un axe perpendiculaire. Figure IV.11 : Répartition de la tension a.2 – Disposition des câbles aéronautiques Différents types de câbles sont utilisés dans l’ aéronautique selon la puissance transportée. Les plus importants sont les routes dites de puissance. Ce sont les routes G (feeders) et les ___________________________________________________________________________ 113 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ routes P (Power). Ces routes qui transportent de fortes intensités (supérieures à 15A), ont donc des jauges importantes. Les routes P, connectent le cœur électrique aux charges de puissance. Ces routes utilisent essentiellement des câbles de type AD, et pour des zones plus chaudes des câbles de type DR, éventuellement blindés. Ce sont ces cables qui semblent être les plus exposés à l'existence de problèmes lors du doublement de tension. En effet, les câbles sont en général placés dans des « harnais » qui assurent les liaisons entre les différents équipements et ne sont qu’assez rarement blindés individuellement. Compte tenu de la diversité de ces câbles et de leurs conditions d’utilisation, il est donc très important de les caractériser du point de vue des DP. a.3 – Résultats des mesures des DP Au cours de cette étude, nous avons effectué une campagne de mesures sur différents types de câbles sous différentes configurations : monofilaires, bifilaires et trifilaires. La figure IV.17 présente une schématisation et des photos des câbles qui ont été blindés pour les besoins de l’étude simulant ainsi les harnais. Le blindage sert de contre électrode. L’objectif est de containdre au maximum l’isolation du câble. Les résultats obtenus sont quelque fois dispersés selon l’environnement caractérisant les difficultés de reproductilité de l’essai. Monofilaire blindé Bifilaire blindé Trifilaire blindé Figure IV.8 – Schématisation et photos des différentes configurations testées ___________________________________________________________________________ 114 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ Afin de s’affranchir des décharges au niveau du contact de la prise de tension, certains essais sont effectués en utilisant du Fluorinert (FC-72). • Le TADP et le TEDP Nous nous sommes intéressés dans un premier temps à la tension seuil d’apparition (TADP) et d’extinction (TEDP) des DPs. Ces deux valeurs sont indispensables pour la qualification d’un équipement soumis à un test de DP. Une décharge, amorçée lors d’une surtension anormale (mais tolérée) devra s’éteindre aussitôt sauf si la TEDP est inférieure à la tension nominale. Figure IV.9 : Comparaison des valeurs de TADP et TEDP pour différents types de câbles D’une manière générale, sur 18 échantillons testés (câbles de différentes jauges) dont les résultats sont présentés sur la figure IV.9, on observe que les valeurs de TEDP varient au maximum de 14% par rapport aux TADP. Ces essais sont réalisés en environnement ambiant. Nous présentons pour ces échantillons les principaux aspects pouvant influencer la tension d’apparition des DP. a3.1 - Influence de la Jauge Les figure IV.10 présente les résultats pour différents câbles et différentes jauge. On observe que, quel que soit le type de câble, la tension d’apparition des DP va dépendre de la section du ___________________________________________________________________________ 115 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ conducteur (âme). Elle est généralement d’autant plus grande que la section du câble est importante. Toutefois, nous avons obtenu dans certains cas des tensions d’apparition qui ne suivaient pas toujours cette logique. C’est le cas sur la figure de AD000 et AD14. Figure IV.10 – Exemple de résultats des DP dans les câbles a3.2- Influence des contraintes d’installation Dans leur environnement de fonctionnement, les câbles subissent des contraintes dues aux manipulations pendant la phase d’installation. Cet aspect peut induire des défauts : des "poches" d’air dues au pliage ou des effets de pointe liés au passage à proximité d’un plan de masse ou d’une arête (figure IV.11). a - Formation de « poches » due au rayon de b - Passage à proximité d’un arête courbure Figure IV.11 – Exemple de contraintes d’installation des câbles dans les aéronefs ___________________________________________________________________________ 116 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ Nous avons donc simulé ces différentes contraintes en laboratoire de la manière suivante : - en posant les câbles sur une arête d' une plaque de cuivre de 0.6mm de côté (point anguleux) - en posant les câbles sur une plaque de cuivre simulant le plan de masse - en appliquant une contrainte mécanique manuelle pour tenter d'induire des poches d’air par « pliage » Figure IV.12 – TADP pour les câbles posés sur une arête Figure IV.13 – TADP pour les câbles posés sur un plan de masse Les résultats présentés sur la figure IV.12 et IV.13 montrent que le passage du câble à proximité d’une arête est la situation la plus contraignante. Ceci est du à l’effet de pointe lié à ___________________________________________________________________________ 117 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ la configuration qui modifie la répartition du champ en comparaison à un câble blindé ou à un plan de masse. Notons de plus que l’installation des câbles obéit à certaines normes. La norme TDD92 définit par exemple les rayons de courbures Rc à respecter . La figure IV.14 présente un exemple de résultats comparatifs de la variation TADP. On observe que les variations des TADP sont négligeables si l’on respecte les contraintes de courbure formulées par la norme. Figure IV.14 – Exemple de résultats d’effets de rayon de courbure sur la tension d’apparition des DP. a3.3 - Influence de la variation des paramètres environnementaux Le tableau IV.1 présente un exemple de résultats obtenus. Nous avons voulu balayer toutes les contraintes relatives à la variation de la pression combinée à la température. Comme on le voit, les résultats présentés dans ce tableau correspondent à une boucle réalisée au bout de 72 heures. Au vue de ces résultats, il semble que les contraintes appliquées n’entraînent aucun viellissement appréciable de l’isolation. Conditions d’essais TADP (Vrms) CNTP 1900 T amb P=100mB 820 T=175°C T=175°C T=-65°C T=-65°C P=100mB P=1atm P=100mB P=1atm 712 1460 890 2200 CNTP 1950 Tableau IV.1 - Exemple de résultats de variation de la pression et de la température ___________________________________________________________________________ 118 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ Ces résultats permettent aussi d’évaluer l’influence de différentes conditions ainsi que l’impact de ce cycle sur la TADP. On observe que la condition la plus contraignante est la baisse de pression combinée à une élévation de la température. Dans ces conditions, la TADP diminue d’environ 65%. Un comportement identique est observé pour tous les équipements testés. Enfin, la figure IV.15 présente les résultats des seuils d'apparition des DP dans deux configurations « mono blindés et bifilaires ». Ces résultats sont comparés aux différents niveaux de tension susceptibles d’apparaître en regime normal ou anormal, en accord avec les normes actuellement en vigueur. 4500 4000 P=1013mbar & T=21°C 4000 P=1013mbar & T=21°C P=125mbar & T=21°C P=125mbar & T=21°C 3500 P=125mbar & T=90°C 3500 P=125mbar & T=90°C 3000 3000 2500 2500 2000 2000 1500 1500 1000 1000 500 500 0 0 (T3) 10 (T4) 10 (T4) 8 (T4) 6 (T5) 6 (T1) 2 (T1) 000 (T3) 10 (T3) 16 (T3) 24 (T3) 6 (T4) 6 (T4) 6 (T5) 6 Figure IV.15 : Influence des paramètres environnementaux D’une manière générale, les résultats des tests effectués dans les conditions normales de pression et de température ne sont pas alarmants. En revanche, dans les conditions les plus critiques de l’environnement avion, certains cables ne pourront être qualifiés car leur TADP est trés proche des niveaux de tension susceptibles d’apparaître lors de leur fonctionnement. b - Isolation statorique Signalons tout d'abord que toutes les machines testées sont prévues pour fonctionner à 115V AC et n'ont donc pas encore fait l'objet d'un design spécifique en vue du doublement de tension. ___________________________________________________________________________ 119 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ Des travaux précédents ont montré que l’existence de décharges partielles contribue au viellissement extrinsèque du bobinage de machines tournantes basse tension [Mba, Zhu] lorsque celles-ci sont alimentées par onduleur. La figure IV.16 rappelle dans le cas d’une alimentation type MLI, les différentes formes de tension pouvant exister pour les différents types d’isolation. Figure IV.16 - Identification des contraintes d’une machine tournante sous une alimentation type MLI [Le2] Contrairement à une alimentation sinusoïdale pour laquelle la nature de la tension - c'est à dire sa forme, sa fréquence - est la même quelle que soit l'isolation, une alimentation par convertisseur se traduit par des contraintes différentes suivant l'isolation considérée (spires/spires, spires/masse et entre phases) b.1- Mesures des DP en impulsionnelle : test d’isolation entre spires. L’isolation entre spires ne peut être directement testée en alternatif. Elle est pourtant la plus exposée lorsqu’une alimentation par onduleur est utilisée. Un test spécifique a donc été developpé [Nae]. Il consiste à appliquer une succession d’impulsions de tension dont le front est suffisamment raide pour qu’une distribution non linéaire de la tension du même type que celle existant lors d’une alimentation par onduleur se produise dans le bobinage. L’amplitude, le front (dV/dt) et la durée peuvent être réglés et la mesure des DP est réalisée à travers des ___________________________________________________________________________ 120 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ détecteurs hautes fréquences (HF) de tension ou de courant. Comparativement au test classique (AC 50Hz), pour lequel la tension se repartit linéairement sur la longueur du bobinage, ce test permet de concentrer 80% de la tension au niveau des premières spires. Si, la première et la dernière spire de cette bobine sont jointives (ce qui peut être le cas du fait du bobinage mécanique), alors quelques dizaines de microns d’émail vont supporter 80% de la tension appliquée et ce à la fréquence de découpage, c’est à dire quelques kHz. Afin de produire des contraintes maximales le bobinage du stator, il est préférable que le point milieu soit accessible. Durant nos essais, nous avons utilisé pour ces tests le générateur d’impulsion mis au point au laboratoire comme source de tension et un capteur de courant comme détecteur des DP. Il a été montré que des durées d’impulsions trop longues (superieures à 150µs) peuvent nuire à une bonne détection des DP [Nae]. Nous avons appliqué un créneau d’impulsion d’environ 100µs. L’amplitude des impulsions débitées par ce générateur est volontairement limitée pour nos tests à 1000V (valeur crête). Sur 12 machines à notre disposition, nous n’avons pas observé dans des conditions normales de pression et de température, les signaux caractéristiques des DP, pour des tensions allant jusqu'à 950 V crête à l’exception d'un stator qui avait déjà été utilisé pendant 5000h (figure IV. 16). Pour les trois phases, les valeurs obtenues sont du même ordre (Tableau IV.2) Tension courant DP Figure IV.17 - Exemple de mesure de DP en impulsionnel : test d’isolation entre spires ___________________________________________________________________________ 121 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ Tension seuil d’apparition des DP (valeur crête en volt) Phase U Phase V Phase W 650 600 600 Tableau IV.2 : Résultats de mesures de la tension d’initiation des DP entre spires b.2 - Mesures des DP en AC 50Hz Les isolations entre phases et de fond d’encoche peuvent quant à elles être testées sous une tension AC 50Hz. La sollicitation de l’isolation de fond d’encoche s’effectue en imposant une différence de potentiel entre la caracasse reliée à la masse et une phase sous tension (figure IV.18a). L’isolation d’entre phase est testée selon la configuration de la figure IV.18.b. Nous testons dans ce cas, une phase par rapport à l’autre en maintenant la carcasse et la troisième phase à un potentiel flottant. Les valeurs de la tension seuil de PD sont exprimées en Vrms. Phase 1 l’entre spires Ck carter Fond d’encoche Oscilloscope Phase 3 a. Phase 2 Test de DP en configuration « fond d’encoche » Phase 1 Ck carter Oscilloscope l’entre phases Zm l’entre spires Phase 2 Phase 3 b. Test de DP en configuration « entre phase » Figure IV.18 – Configuration utilisés pour les tests de DP en AC 50Hz ___________________________________________________________________________ 122 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ Ces tests ont été effectués dans les conditions normales de pression et de températures et sous contraintes environnementales. Le tableau IV.3 présente les résultats de TADP (en volt rms) de 10 échantillons classés en deux lots selon les critères définis par le fournisseur. Isolation de fond d’encoche Phase sous tension Phase à la masse 1 2 Lot 1 3 4 5 1 2 Lot 2 3 4 5 Ph1 Ph2 Caracasse 880 800 796 809 794 1050 915 976 975 1015 870 795 805 794 800 967 960 970 972 1055 Ph3 856 720 805 806 804 795 975 973 950 970 Isolation entre phases Phase sous tension Phase à la masse 1 2 Lot 1 3 4 5 1 2 Lot 2 3 4 5 Ph1 Ph2 720 760 715 710 715 805 850 890 935 800 Ph3 710 770 710 704 796 806 824 796 975 970 Ph2 Ph3 760 805 885 805 890 1100 986 975 1080 1150 Tableau IV.3 : Résultats des mesures de DP Globalement, ces résultats montrent que le fond d’encoche est mieux isolé que l’entre phases. Mais on observe aussi une différence de résultats selon le lot. Ceci est généralement du à la dispersion dans la réalisation (technique de bobinage, vernis d’imprégnation, renforcement d’isolation entre phase…). Il semblerait donc que pour les machines du lot 1, les phases ne soient pas isolées les unes des autres, ce qui explique ces résultats. ___________________________________________________________________________ 123 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ Essais d’isolation de fond d’encoche Conditions environnementales de tests 25°C 1 bar 20% d’humidité 25°C 0.15bar 20% d’humidité 175°C 0.15bar 20% d’humidité 25°C 0.15bar 97%d’humidité TADP TEDP 798 620 435 368 348 320 437 322 Essais d’isolation entre phases TADP TEDP 1055 1024 1100 564 561 602 462 457 498 562 558 608 940 920 996 435 435 512 389 378 402 444 438 520 Tableau IV.4 – Impact des contraintes aéronautiques sur le TADP et TEDP d’un stator 115VAC Le tableau IV.4 présente un exemple de résultats dans les conditions recommandées par les constructeurs aéronautiques. On observe que l’effet combiné de la pression (1013 mbar à 0.15mbar) combinée à l’augmentation de la température (∆T = 150°C) entraîne une diminution de la TADP d’environ 60%. L’effet de l’augmentation du taux d’humidité est inexistant à basse pression, nous retrouvons en effet la même variation pour 20% et 97% du taux d’humidité pour la même pression. Pour une machine prévue pour fonctionner à 115VAC, même dans les zones les plus critiques, les resultats obtenus disposent d’une marge suffisante en comparaison de la tension seuil susceptible d’initier les DP. b3 - Isolations des auto-transformateurs Les auto-transformateurs sont constitués de fils émaillés. Selon la configuration, deux fils peuvent être côte à côte (figure IV.19). Dans ce cas, le test de DP équivaut à un test sur les fils émaillés torsadés couramment utilisé pour simuler le bobinage des machines. Ce test a été effectué uniquement dans les conditions normales de pression et de température compte tenu de l’installation de cet équipement en zone préssurisée. ___________________________________________________________________________ 124 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ 9 8 7 Bobine secondaire Bobine primaire 6 5 4’ 4 3 2 1 Figure IV.19 - Configuration du bobinage 3,0 Niveau moyen de tension d'apparition des DPs Tension (kVrms) 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 1-5 1-3 1-8 1-7 3-5 3-7 3-8 5-7 5-8 7-8 Essais entre les sorties Figure IV.20 - Tension d’apparition des DP dans les autotransformateurs 230V AC La figure IV.20 montre les résultats des DP sur un autotransformateur. Globalement les tensions d’apparition des DP entre les enroulements sont supérieures à 1 kVrms, à l’exception du test entre 3-5 où cette valeur est d’environ 705Vrms +/- 8% car dans cette configuration les deux bobines sont à« touche-touche » et dans ce cas, c'est l’isolation de deux fils emaillés qui est testé. ___________________________________________________________________________ 125 IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ Ces autotransformateurs sont installés dans les zones préssurisées. Par conséquent, les résultats de DP ne sont pas inquiétants pour une tension d’utilisation de 230V AC. Les véhicules tests utilisés dans les machines et éventuellement les autotransformateurs sont souvent représentés par des fils émaillés torsadés [Kau, Mba]. Les résultats de la figure IV.21, permettent de constater que les tensions d’apparition des DP entre phases dans les stators sont du même ordre de grandeur que celles des fils émaillés torsadés. Les phases ne sont donc pas isolées les unes des autres. Une autre remarque émanant de ces résultats est que la "capacité" d’isolation peut être renforcée par l’utilisation de vernis d’imprégnation. On observe que l’imprégnation conduit à une augmentation des niveaux des seuils d’apparition des DP. Ceci explique par ailleurs les résultats obtenus dans les stators et présentés dans le tableau IV.3. Ces résultats nous confortent dans l’idée que, les tests d’isolation statorique et dans une certaine mesure ceux des autotransformateurs se résument principalement à la caractérisation du fil émaillé et de son imprégnation. Tension d'apparition des DPs (rms) 1000 950 Moyenne sur 12 échantillons 900 873.91 850 800 750 700 680.66 650 636.08 600 550 Non imprégnées Vernis SEG 1 Vernis Sivamid 2 Figure IV. 13 – TADP fils émaillés torsadés et influence de l’imprégnation Même si les niveaux de tension d’apparition des DP dans les machines et les autotransformateurs ne sont pas alarmant, par rapport à la tension nominale de fonctionnement, le choix judicieux d'un vernis d'imprégnation et une bonne qualité de cette opération permettent encore d'avantage de limiter l'existence des DP. 126 ___________________________________________________________________________ IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ c- Isolation des composants d’électronique de puissance Un module de puissance dispose de nombreux type d’isolation (figure IV.22). Nous considérons, dans notre cas, le module de puissance comme une boîte noire. Les travaux de F. Breit [Bre] ont montré que les DP observées, indépendamment de la technologie mise en œuvre, prennent leurs sources au niveau des composants de puissance. L’application directe d’une tension sinusoïdale aux bornes d’un module IGBT (protocole usuellement employé : norme IEC 1227) n’est pas possible du fait que les modules IGBT sont réalisés en associant les puces IGBT avec des diodes en antiparallèle. L’application directe de la tension sinusoïdale conduirait à la mise en conduction de la diode sur chaque alternance négative. Ainsi, nous avons réalisé cette mesure en suivant le protocole d’essai mis en place par le LGET. Il s’agit d’appliquer une tension sinusoïdale à valeur moyenne non nulle. Ainsi ce protocole permet de tester le module IGBT à l’état bloqué (figure IV.23). Figure IV.22 - Schéma de structure d’un module IGBT Haute Tension Schéma électrique de la mesure des DPs Exemple de forme de tension appliquée (AC+DC) Figure IV.23 – Protocole d’essais de DP dans les IGBT 127 ___________________________________________________________________________ IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ Un exemple de résultat sur un module IGBT prévu pour fonctionner à 600V est donné dans ce qui suit. Schéma électrique du véhicule test C1 Résultats des mesures Test E1C2 à la masse 1 C1 à la HT DC = 400V E1C2 à la HT E2 à la masse DC = 450V DIV = DC + AC DIV = 400V+290Vrms DIV = DC+ AC DIV =450V+ 265Vrms Test 2 G1 E1C2 G2 E2 Tableau IV.5 – Schéma électrique et résultats de mesures des DP Le tableau IV.5 présente le schéma électrique de la configuration des mesures ainsi que les résultats obtenus. Avec une calibration effectuée à 10pC, ces mesures montrent que les décharges peuvent apparaître à des tensions très voisines des conditions nominales de fonctionnement définies par le constructeur (600V). Ces décharges ne se produisent que pendant l’alternance positive (figure IV.24). Test 1 Test 2 Figure IV.24 – Exemple d’acquisition Compte tenu de la localisation de ce type d'équipement , nous n’avons pas jugé utile de faire des tests sous contraintes environnementales. 128 ___________________________________________________________________________ IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ IV.5 – Analyses et Recommandations Nous avons effectué au cours cette étude une campagne de mesure dont bien evidemment tous les résultats ne sont pas présentés dans ce document. D’une manière générale, tous les équipements testés présentent des DP mais pour des niveaux de tensions seuils d'apparition qui sont très différents. Il semble que certains équipements ne seront jamais soumis aux DP dans le cadre de leur fonctionnement. Par contre dans le cadre du doublement de tension, combiné aux contraintes de l’environnement, d’autres équipements seront inévitablement exposés aux DP si des précautions ne sont pas prises. C’est le cas de certains câbles pour lesquels les décharges observées sont majoritairement de type couronne. L’impact de la variation des paramètres environnementaux est le même que celui observé lors de l’étude phénoménologique exposée au chapitre 3 . Cet impact semble indépendant de la géométrie des électrodes et donc du champ. Notre sentiment est que le doublement de tension va inévitablement induire l’apparition des DP dans l’environnement aéronautique. Comme nous l’avons présenté dans le chapitre 1, l’objet de cette étude est d’apporter via des recommandations des outils d’aide au dimensionnement afin de s’abriter de la nocivité des DP. Par conséquent, en dépit de nombreuses perspectives à explorer afin d’établir les liens entre les multiples facteurs intervenant dans la phénomènologie des DP, nos investigations permettent d’ores de dégager quelques recommandations concenant l’initiation des DPs. Tous les types de matériels électriques sont concernés : câbles, connecteurs, machines, transformateurs,… Il est donc necessaire de porter un intêret particulier à ce phénomène. Afin de s’abriter de la nocivité de ce phénomène, les précautions devront concerner principalement: - L'élaboration du matériau isolant et le design de l’équipement L’élaboration et le design de l’équipement constituent les phases primordiales de la protection contre l'existence des DP. Dans l’hypothèse où l’équipement, au cours de sa vie, serait obligé de fonctionner en présence des DP, le choix de matériaux dits "corona résistant" serait souhaitable. Une autre solution consiste, afin d’éviter l’initiation de l’ionisation de l’air environnant, à utiliser la formule (2.21) et de choisir judicieusement le rapport (e/ε). Nous avons observé que la TADP dépend de la jauge des câbles, par conséquent la prise en compte de cet aspect est aussi vivement recommandé. 129 ___________________________________________________________________________ IV- Les Décharges Partielles dans les Systèmes de l’avionique ___________________________________________________________________________ - La qualification Après leur élaboration, les équipements doivent subir une phase de qualification avec des protocoles spécifiques biens définis. Il s’agit de mesurer le TADP et le TEDP dans toutes les conditions susceptibles d'être rencontrées lors de son fonctionnement. Nous n’évoquerons pas ici la notion de la charge apparente qui est généralement utilisée dans beaucoup de spécifications car celle-ci peut conduire à différentes interprétations d’un opérateur à un autre. Par contre, le protocole et le test de qualification (dispositif et connectique) doivent être parfaitement définis ce qui est loin d'être le cas aujourd'hui. . - Installation Dans le cas des cables, l’initiation d’une décharge est aussi liée à la configuration des harnais. Connaissant le niveau de tension de fonctionnement, une distance minimale doit être respectée entre des équipements selon le niveau de tension susceptible d’initier les décharges. 130 ___________________________________________________________________________ CONCLUSION Conclusion ___________________________________________________________________________ 132 ___________________________________________________________________________ Conclusion ___________________________________________________________________________ Dans l’optique d’apporter des outils d’aide au dimensionnement des systèmes d’isolation électriques, ces travaux nous ont permis d’étudier l’impact de la variation des paramètres environnementaux sur la tension d’apparition des décharges électriques dans un environnement type « avionique ». L’introduction d’une nouvelle génération d’avion « du Plus électrique vers le tout électrique » se traduit par l’apparition ineluctable de Décharges Partielles qu’il faut éviter sinon maîtriser. Nous avons, dans un premier temps identifié les contraintes spécifiques à l’environnement de fonctionnement du système électrique dans les aéronefs. Du point de vue des paramètres de fonctionnement électrique, les niveaux de tension susceptibles d’apparaitre dans les différents modes de fonctionnement (normal ou anormal), constituent les principales contraintes. Afin de récréer les contraintes liées à l’environnement de fonctionnement des systèmes électriques embarqués, un banc d’essai a été développé. Ce dispositif, caractérisé par la variation des paramètres atmosphériques, nous a permis dans un premier temps d’étudier l’impact d’une baisse de pression, de la variation de la température et du taux d’humidité relative sur la tension la tension d’initiation des décharges électriques dans l’air en champ uniforme par analogie avec la courbe de Paschen. Les résulats obtenus lors de cette étude nous ont permis de déterminer le domaine de validité des corrections établies issues de la littérature. Ainsi, nous avons mis en évidence que : la variation des paramètres caractéristiques de l’environnement (pression, température et taux d’humidité relative) entraîne une variation de la tension d’initiation des décharges. Les conditions les plus contraignantes sont la combinaison de faibles pressions et de température élevées (cas des équipements en zone dépréssurisée à proximité des réacteurs), pour lesquelles une diminution de l’ordre de 62% est observée. la validité des facteurs correctifs établis dans la littérature dépend tout naturellement de la géométrie et de la distance entre les électrodes, de même que de la nature et de l’amplitude de la tension. Nous avons validé expérimentalement dans notre cas la correction de Peek et de Dunbar qui ne sont valables que dans des plages de température données. la tension minimale (minimum de Paschen) d’initiation d’une décharge dans l’air en champ uniforme reste inchangée (≈320V) quelle que soit l’augmentation de la température. Cela signifie que ce minimum est 133 ___________________________________________________________________________ Conclusion ___________________________________________________________________________ « universel ». Par contre, il augmente si la température diminue. A distance inter-électrodes fixe, l’augmentation de la température entraine une augmentation de la pression donc du produit pd. Dans ces conditions, la distance d est aussi corrigée par un facteur k (d’=k*d) image de la correction considérée selon la plage de la température. Selon nous et du point de vue macroscopique, le principal paramètre physique responsable de la variation de la tension d’innitiation est le libre parcours moyen (lpm). Quand la pression diminue (liée à l’élévation de l’altitude dans le cas de l’environnement aéronautique), à température ambiante, le lpm diminue. De même, quand la température augmente, à pression constante, le lpm augmente lui aussi. Des études plus poussées dans le domaine de la physique des plasmas introduisent des corrections (dites de Viriel) et proposent des hypothèses qui permettent d’approfondir ce raisonnnement. Des mesures de DP sur un panel des véhicules tests représentatifs des dispositifs électriques embarqués dans les aéronefs ont été réalisés : les seuils d’apparition des DP dans les conditions ambiantes sur l’ensemble des échantillons sont globalement supérieurs à la tension nominale de fonctionnement. sous contraintes environnementales, les décharges sont observées dans les conditions voisines des conditions d’utilisation. l’évolution des résultats obtenus pour la caractérisation des DP sous contraintes environnementales sont similaires à celles obtenues en champ uniforme dans l’air. les résultats de l’influence des protocoles d’essais : immergé dans FC-72 et sous contraintes environnementales sur la tension d’apparition des DP nous permettent de déduire que les décharges se produisent principalement dans des volumes "ouverts", et sont donc du type couronne. Les DPs sont des éléments de jugement de la qualité d’une isolation. Compte tenu de leur nocivité, des précautions doivent être prises du point de vue de l’élaboration et du dimensionnement des SIE. Les expressions rappelées dans ce document montrent que les paramètres caractéristiques de dimensionnement du système d’isolation sont la permittivité 134 ___________________________________________________________________________ Conclusion ___________________________________________________________________________ diélectrique, l’épaisseur de l’isolant, la distance entre les conducteurs portés à des potentiels différents et leurs géométries. On peut ainsi évaluer en partant du niveau de tension nominal de fonctionnement, le pourcentage de la tension suceptible d’initier la décharge et ceci en tenant compte de l’impact des contraintes environnementales que nous avions pu estimer lors de cette étude. Les difficultés rencontrées dans la mise en place du dispositif expérimental ne nous ont malheureusement pas permis d’aborder autant de sujet que nous le souhaitions. Ainsi, nous n’avons pas pu réaliser des essais sous d’autres configurations : pointe-plan, fil-plan, pointepointe, … Il serait souhaitable de poursuivre cette partie expérimentale (sur la phénoménologie) de cette étude en réalisant les essais sous contraintes dans ces configurations. Du point de vue de diagnostic, les mesures effectuées sur plusieurs échantillons montrent une assez large dispersion des résultats. A titre d’exemple, nous obtenons quelquefois des valeurs différentes de tension seuil des DP pour des cables de jauge identique. Il serait souhaitable de mettre en place un dispositif d’essai avec des contraintes (électrique) parfaitement reproductibles quel que soit le type d’échantillons. Une idée est par exemple dans le cas particulier des cables, d’utiliser les billes comme contre électrode. Comparativement aux essais avec des câbles tressés (blindage), le contact à la surface du câble serait identique pour tous les échantillons. De même, afin d’évaluer la durée de vie, des essais de vieillissement sous contraintes combinées devront être envisagés. Enfin, il nous semble nécessaire que les remarques que nous avons formulées se traduisent dans les faits par la mise en place de tests spécifiques et de recommendations dans les futurs documents de types ABD. 135 ___________________________________________________________________________ Conclusion ___________________________________________________________________________ 136 ___________________________________________________________________________ ANNEXES Annexes ___________________________________________________________________________ 138 ___________________________________________________________________________ Annexes ___________________________________________________________________________ ANNEXE 1 Contraintes électriques de fonctionnement en environnement avion * Pour l’alternatif Conditions électriques durant 1 vol: En permanence à la tension maximale (max voltage in normal steady state): 248Vrms, 3 fois par vol, la tension max sera celle décrite par la courbe 2, 1 fois toutes les 10000 FH, la tension maximale sera celle décrite par la courbe 1. 139 ___________________________________________________________________________ Annexes ___________________________________________________________________________ *Pour le continu Les valeurs pour le continu sont des extrapolations de la MIL-STD-704F [S05] Courbes 1 et 4: transitoires anormaux pour le 270VDC, Courbes 2 et 3: transitoires normaux pour le 270VDC. Transitoires longs pour une alimentation 270VDC sur les barres de distribution principales 400 350 VDC (v) 300 250 200 courbe 1 courbe 2 150 courbe 3 100 courbe 4 50 0 0,001 0,01 0,1 1 10 t (s) Conditions électriques durant 1 vol pour le +/-270VDC: En permanence à la tension maximale sur un conducteur (max voltage in normal steady state): 280VDC, 3 fois par vol, la tension maximale sur un conducteur sera celle décrite par la courbe 2, 1 fois toutes les 10000 FH, la tension maximale sur un conducteur sera celle décrite par la courbe 1. Conditions électriques durant 1 vol pour le 540VDC: En permanence à la tension maximale (max voltage in normal steady state): 560VDC, 3 fois par vol la tension max sera celle décrite par la courbe 2 de la table ci-dessous, 1 fois toutes les 10000 FH, la tension maximale sera celle décrite par la courbe 1. "Données Airbus" 140 ___________________________________________________________________________ Annexes ___________________________________________________________________________ ANNEXE 2 1. Formules/calculs d’hydrométrie et d’hydrologie Les paramètres caractéristiques de l’environnement sont reliés par des lois que nous récapitulons dans le tableau suivant. Loi Loi de la température / altitude Loi des gaz parfaits Loi de pression hydrostatique Formules ∆T= α.∆z P(z)= ρa (z) . Ra (z) . T (z) dP/dz = -ρa (z) . g qs= 0,622.es/P(z) es(T)= 0,6108 (T+237,3)) Formule de PenmanMonteith Humidité relative e (%) Humidité absolue ρa : densité de l’air (kg.m) Ra : Cte des gaz parfaits (287J.kg-1.°K -1) T (°K) 3 P2=P1. (T2/T1) (-g/αRa) Equation calcul pression / altitude. Densité de l’air humide ρa = P(z) / [Ra (z) . T (z)] Calcul de l’humidité spécifique qs T: température (°C) α : -0,0065°C.m -1 exp(17,27.T Altitude de référence 0m P1=101,3kPa, T1=25°C es: pression partielle de vapeur saturante (kPa) / T:température (°C) e= Pv(T) / Psat (T) = mv(T)/msat(T) Pv : pression partiel de la vapeur d’eau Psat : pression de la vapeur saturante de l’eau mv : masse de vapeur d’eau msat masse de vapeur d’eau dans l’air saturé X= mv/mas mv: masse de vapeur d’eau mas : masse d’air sec contenue dans un volume quelconque V d’air humide. Masse molaire de l’air sec : Mas=29g.mol-1 Masse molaire de l’eau : Mv=18g.mol-1 Densité de vapeur d’eau/ à d= Mv/Mas l’air sec 141 ___________________________________________________________________________ Annexes ___________________________________________________________________________ 2. Diagramme psychrométrique Le diagramme psychrométrique dit de "Mollier" permet pour une température donnée de passer de l’humidité relative à l'humidité absolue. Les deux axes principaux représentent en abscisse la température, en ordonnée l'humidité absolue en gramme par kilogramme d'air sec. 142 ___________________________________________________________________________ Annexes ___________________________________________________________________________ ANNEXE 3 Principaux modèles de durée de vie des isolants sous contraintes Modèles de durée de vie Formule de dure de vie L = Aexp(B/T) Arrhenius L : durée de vie A, B : Constantes T : Température L = kV-n Power Thermique/Electriques Exponentielle Décharges partielles k, n : Constantes V : Tension appliquée L = cexp(-kV) c, k : constantes V : Tension appliquée dv/dt =Nk∆w dv/dt: volume érodé k: coefficient d’érosion ∆w: Energie de décharge L/L0 = (E/E0)-nexp(-B DT) SIMONI Multi contraintes RAMU Avec DT= (1/T0 – 1/T) T: Température de l’enceinte T0 : Température absolue E : Contrainte électrique E0 : Effort électrique de seuil L0 : durée de vie pour E<E0 et T0 B, n : constantes L = K(T)E-n(T)exp(-B DT) E>E0 Avec K(T)=exp(K1-K2 DT) N(T)=n1-n2 DT n1, n2, K1, K2 : constantes L = exp[A(E) + B(E)/T] E>0 FALLOU Avec A(E) = A1+A2E B(E) = B1+B2E A1, A2, B1, B2: constantes 143 ___________________________________________________________________________ Annexes ___________________________________________________________________________ ANNEXE 4 Identification des sources de DPs Spectres de représentations des décharges partielles Les spectres caractéristiques des décharges sont superposés à une base de temps qui représente la tension sinusoïdale d’essai. Les positions des crêtes et des zéros de tension et le sens de la rotation de la base sont indiquées sur la figure. Base de temps elliptique Base de temps sinusoïdal La notice du tableau suivant donne quelques cas typiques de décharges. Le spécialiste jugera en fonction de son expérinece et des appareils qu’il connaît. Forme des décharges Caractéristiques des décharges Origine Symétrique Stationnaires ou mobiles, parfois irrégulièrement espacées. C’est l’image habituelle de décharges dans une cavité à l’intérieur du diélectrique Asymétriques Amplitude la plus grande pour une alternance Décharges près de la surface d’un conducteur ou d’une électrode sous tension (ou au potentiel de la terre) 144 ___________________________________________________________________________ Annexes ___________________________________________________________________________ Les impulsions apparaissent exactement à la crête de l’onde de tension. Décharges par effet couronne sur une point du conducteur ou de l’électrode Bande irrégulière constituée par un grand nombre de décharges. Amplitude maximale aux environs du « zéro » de la tension Bruit causé par des contacts imparfaits ou aux parasites dans l’environnement de mesure. Configuration des DPs en observation elliptique Représentation des DPs en fonction de la structure des électrodes pour un niveau seuil d’amorçage des DPs et pour un niveau plus élevé [Ian] 145 ___________________________________________________________________________ Annexes ___________________________________________________________________________ ANNEXE 5 Caractéristique de l’enceinte climatique VOTSCH type 7018 pour la simulation de l’environnement Climatique Selon la norme CEI 60068-3-5 Caractéristiques techniques essais en température Plage de température : -70 °C à +180°C Stabilité (temporelle) : +/-0.1 à +/-0.5K Homogénéité : 1K à 4K Vitesse de variation : Chauffage : 4.0K/min Refroidissement : 2.3K/min Compensation thermique max. environ : 1000W Valeurs d’étalonnage : +23°C et +80°C 146 ___________________________________________________________________________ Annexes ___________________________________________________________________________ Caractéristiques techniques essais climatiques Plage de température : +10°C à +95°C Stabilité (temporelle) : +/-0.1 à +/-0.3K Homogénéité 1K à 2K Plage d’humidité : 10%hr à 98%hr (voir climatogramme : figure IV.5) Température de rosée : -3°C à 94°C Homogénéité : +/-1.0 %hr à +/-3%hr Compensation thermique : 400W sur la plage de 25°C à +95°C avec humidité relative jusquà 90%hr. Valeurs d’étalonnage : +23°C / 50%hr et +95°C / 50%hr Consommation en eau du dispositif d’humidification : A +40°C/ 92%hr. < 2l/24h Mesure d’humidité : Sonde psychrométrique avec alimentation permanente en eau, autonettoyante. 147 ___________________________________________________________________________ Annexes ___________________________________________________________________________ ANNEXE 6 ICM System Le ICM System est un détecteur de DPs numérique utilisable sur une large palette d’applications. Cet instrument transmet les impulsions électriques associées aux décharges en respectant leurs amplitudes et angle de phase dans une représentation trois dimensions [ICM]. Unité d’acquisition L’unité centrale d’acquisition du système de détection est la même pour toutes les applications. L’adaptation aux demandes spécifiques de chaque application est possible en choisissant les éléments de circuits (amplificateur, dispositif de couplage) correspondants. L’unité d’acquisition est constituée de six modules. Unité d’acquisition du ICM System 1- Le module d’alimentation AC2 Le LED vert indique que l’instrument est mis sous tension. La tension d’entrée doit être dans la gamme 95 – 260 VAC et une fréquence 47 – 63Hz 2- Le module de contrôle CTRL3 Ce module contient la communication GPIB et le port série. UN affichage par des LEDs indique à chaque instant l’état du système, par exemple : en communication, démarrage de l’acquisition, ou une activité de DP. 3- Le module DPR3 Le module DPR3 permet de générer les références logiques (temps et phase). Il contient les blocs mémoires et le circuit de mesure de la tension. Ainsi, le logiciel peut afficher la forme exacte de la tension appliquée sur l’objet à tester. Le DPR3 contient un dispositif pour le 148 ___________________________________________________________________________ Annexes ___________________________________________________________________________ contrôle de la signature des décharges et l’émulation du port RAM afin d’avoir l’acquisition des spectres et communication en mode asynchrone. 4- Le module de conversion analogue/numérique ADC3 L’unité ADC3 réalise la conversion en numérique des impulsions électriques analogues. Ce module détermine l’amplitude des impulsions et leurs polarités. Il peut traiter différentes formes d’impulsions en fonction de l’équipement testé. La conversion analogique numérique peut être réalisée en deux modes trigger : - Trigger aux premiers pics : le premier pic du signal mesuré est mémorisé et converti sous la forme d’une expression numérique. Afin d’empêcher la lecture des multiples signaux oscillants, une autre impulsion qui apparaît sur la durée définie par le temps mort peut re-trigger le temps mort. C’est le mode re-triggerable. - Trigger in time window : la décision concernant la polarité des impulsions est prise au fin de (time window). Ainsi, les deux pics positif et négatif sont mesuré et mémorisé dans le temps mort, défini. Le plus grand d’entre eux sera transféré au module DPR3. Dans les deux modes présentés ci-dessus, la conversion est démarrée si l’amplitude des impulsions électriques dépasse le niveau du bruit établi par LDD. Le temps mort (DT) définit l’intervalle de temps durant lequel une impulsion est convertie en numérique et ce temps est réservé pour une seule impulsion électrique. Le temps mort minimum est de 5µs. Le LDD (Low Level Discrimination) permet de rejeter le niveau de bruit ou de décharges qui ont une faible intensité et un taux de répétition grande Il réagit de façon symétrique sur les impulsions positives et négatives. Trigger module ADC3 de l’unité de détection des DP La résolution du convertisseur est de 12bits. La fréquence d’échantillonnage maximale en temps réel est de 200kHz. 5- Le module AMP3 149 ___________________________________________________________________________ Annexes ___________________________________________________________________________ Ce module contient l’amplificateur du signal associé à la DP. Il ya un computer programmable pour la gain et la bande passante des filtres. De plus, le module intègre un commutateur analogique numérique pour la mesure de la charge apparente en respectant la norme IEC270. Les paramètres spécifiques sont : - Gain 1, 2, 4, 8, 10, 20, …200, 400, 800 - Impédance d’entrée 50Ω - Fréquence de coupure : BF 40, 80, 100Hz et HF 250, 600, 800Hz 6- Le module GATE3 Le module de déclenchement GATE3 surveille le trigger du bruit afin d’éviter que ce signal ne contribue à la signature des DPs La structure est la même que celle du AMP3. De plus, il contient un trigger contrôlé. Si un signal de bruit amplifié dépasse le niveau trigger, un signal interne TTL est transmis aux modules AMP3 et ADC3. Activé par le programme de contrôle, ce signal ouvre un commutateur analogueAMP3 et empêche le traitement d’une autre impulsion électrique. Dispositifs externes utilisés pour la détection des DPs Le RPA1 est un préamplificateur pour les mesures dans le domaine des basses fréquences en respectant les normes IEC 602270. La bande passante du filtre est légèrement plus large que celle des filtres intégrés dans les modules AMP3 et GATE3. Ainsi, les filtres de l’unité d’acquisition contrôlent seulement la bande passante globale La sensibilité (en terme de PC) dépend des connections dans le circuit de mesure et du niveau de bruit. Les paramètres caractéristiques de cet amplificateur sont : - Impédance d’entrée 10kΩ/200pF Bande passante 40kHz – 800kHz Sensibilité d’entrée < 200Mv Le HST1est un préamplificateur pour la tension mesurée. Le système ICM l’actionne à distance s’il est connecté à l’entrée SYNC IN du module DPR3. Les spécifications de cet amplificateur sont : - Impédance d’entrée 10MΩ Gamme de tension 100Vrms Bande passante 30 - 400Hz Le quadripôle CIL est constitué d’une inductance en parallèle avec une résistance d’atténuation. L’inductance et la résistance sont calculées pour former, avec la capacité de couplage, un filtre de second ordre passe-haut. La figure ci-dessous présente le schéma électrique de ce dispositif. 150 ___________________________________________________________________________ Annexes ___________________________________________________________________________ Schéma électrique du quadripôle CIL4L Les spécifications du quadripôle CIL4L qu’on utilise pour les mesures de DPs sont : - 600pF – 2.5nF, 100mH Tension maximale 125kV (50Hz) Le calibrateur CAL1 est utilisé pour réaliser la calibration du circuit de mesure des DPs. Le calibrateur est un générateur d’impulsions et il permet de régler l’amplitude et la polarité d’une seule impulsion de charge par cycle. Cet instrument est synchronisé avec la fréquence de la ligne de tension par l’intermédiaire d’une photodiode. L’impulsion de charge du calibrateur est engendrée par l’injection d’un échelon variable de tension à travers une capacité fixe. Le calibrateur doit être relié en parallèle avec à tester. La gamme de charge standard pour CAL1A est 1/2/5/10/20/50/100pC. Etant donné que la calibrage de l’appareil de détection est en fonction des paramètres diélectriques de l’objet, il est nécessaire de recalibrer à chaque changement d’objet. 151 ___________________________________________________________________________ Bibliographie BIBLIOGRAPHIE ___________________________________________________________________________ - 153 - Bibliographie ___________________________________________________________________________ - 154 - Bibliographie [ABD] Norme ABD0100 Airbus Industry; Equipment – Design – General Requirements for Suppliers [Al1] N.L Allen and J.C.P Kong, “Positive corona inception in air at elevated temperatures”, IEE Proc. Sci. Meas. Technol., Vol. 153, n° 1, (2006) pp. 31-28 [Al2] N.L Allen, M. Abdel-Salam and I. Cotton, “Effects of temperature and pressure change on positive corona and sparkover under direct voltage in short air gaps”, IET Sci. Meas. 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