Ch-3

CHAPITRE 3
Matériaux isolants
A – Types d’isolant
a. Isolants solides
b. Isolants liquides
c. Isolants gazeux
B – Grandeurs caractéristiques
a.
b.
c.
d.
e.
Conductivité électrique
Permittivité diélectrique
Facteur de pertes
Rigidité diélectrique
Décharges partielles
C – Vieillissement
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1
3. Matériaux isolants
Définitions (CEI)
Un diélectrique est une substance dont la propriété électromagnétique
fondamentale est d’être polarisable par un champ électrique.
Un isolant est un matériau destiné à empêcher la conduction électrique entre
des éléments conducteurs.
Un isolant est un matériau de conductivité électrique faible - pratiquement
négligeable -, utilisé pour séparer des pièces conductrices portées à des
potentiels différents.
Un isolant est une substance dans laquelle la bande de valence est une bande
pleine séparée de la première bande d'excitation par une bande interdite d'une
largeur telle que, pour faire passer dans la bande de conduction des électrons
de la bande de valence, il faut une énergie assez grande pour entraîner une
décharge disruptive.

En pratique, tout isolant est
plus ou moins polarisable.
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[9]
2
3. Matériaux isolants > A. Types d’isolants
A. Types d’isolants
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3
3. Matériaux isolants > A. Types d’isolants > a. Isolants solides
Les isolants solides
Isolants naturels : bois, mica, verre, gutta-percha,
caoutchouc, cellulose
Polymères thermoplastiques : PVC, polystyrène, nylon, polycarbonate,
polyéthylène, téflon, kapton, etc.
Élastomères synthétiques : EPR, néoprène, certains silicones
Papiers synthétiques : nomex, prespan, kevlar
Polymères thermodurcissables : résines époxy, bakélite, dellite,
canevasite, certains silicones
Autres : céramiques (porcelaine),
béton, paraffine
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4
3. Matériaux isolants > A. Types d’isolants > a. Isolants solides
Polymérisation et réticulation
Polymérisation
Assemble de molécules de relativement petite taille (monomères) pour former des
chaînes (polymère). Exemple : le polyéthylène.

Éthylène
Polyéthylène
Réticulation
Création de pont entre des chaînes voisines de polymère.
Polymère réticulé
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5
3. Matériaux isolants > A. Types d’isolants > a. Isolants solides
Quelques polymères
PVC
Téflon
EPR
Propylène
Éthylène
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[10]
6
3. Matériaux isolants > A. Types d’isolants > b. Isolants liquides
Les isolants liquides
Les isolants liquides

Huiles minérales : elles sont généralement tirées du pétrole.

Huiles végétales, de nombreuses plantes :
ricin, colza, tournesol, arachide, olive…

Huiles ou fluides synthétiques spéciaux :
résistants au feu, biodégradables, etc.

Liquides cryogéniques : azote liquide, hélium liquide…
Complément facultatif
L'huile végétale
Les huiles sont souvent utilisées en combinaison avec des isolants
solides poreux: l’isolation papier-huile est courante dans les
transformateurs.

L’huile de castor (Castor oil) est en réalité de l’huile de ricin.
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[11]
7
3. Matériaux isolants > A. Types d’isolants > c. Isolants gazeux
Les isolants gazeux
Les isolants gazeux
Air, azote, gaz carbonique (CO2), hexafluorure de soufre (SF6).

Les isolants gazeux peuvent être mélangés dans différentes proportions
et sont utilisés sous différentes pressions.
[12]
Le vide
Le vide n’est jamais totalement vide ! Les phénomènes qui s’y déroulent
dépendent de manière critique des traces de gaz résiduelles et aussi des
impuretés présentes sur les électrodes, que le champ électrique, à partir
d’une certaine intensité, peut vaporiser dans l’intervalle supposé vide.

Le vide a été considéré comme un bon conducteur jusqu’à
la fin du 19e siècle! La raison en est que les pompes à vide
ne permettaient d’obtenir qu’un gaz plus ou moins raréfié,
dans lequel les ions ont une mobilité élevée.
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[51]
8
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques
B. Grandeurs
caractéristiques
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
9
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques
Grandeurs physiques électriques
Cinq principales grandeurs électriques caractérisent les isolants
utilisés en haute tension :
La
conductivité électrique, de volume ou de surface, qui n’est jamais
nulle.
La
permittivité diélectrique qui varie passablement selon le type de
polarisation en jeu.
Le
facteur de pertes qui relie la conductivité et la permittivité.
La
rigidité diélectrique, qui joue un rôle primordial en limitant les
possibilités d’utilisation d’un isolant.
L’intensité des
décharges partielles qui ne caractérise pas le matériau
en tant que tel, mais plutôt la qualité du procédé de fabrication, ainsi
que sa dégradation au cours du temps.
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10
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > a. Conductivité électrique
Conductivité transversale
Les bons isolants ont des conductivités transversales inférieures à 10-10 S/m et qui
tombent à 10-18 S/m pour les meilleurs d’entre eux.

Dans les isolants, la conductivité transversale dépend au moins
autant des impuretés (autrement dit du procédé de fabrication)
que des propriétés intrinsèques du matériau considéré.
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11
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > a. Conductivité électrique
Conductivité superficielle
S 
IS d

U L
S 

IS d

U 2 r
Les figures ci-dessus ne sont que des schémas de principe.
Un dispositif permettant de mesurer réellement la résistivité de
surface sera examiné au chapitre 6 – Mesure en haute tension.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
[13]
12
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > b. Permittivité diélectrique
Permittivité diélectrique
La permittivité traduit l’existence d’un mécanisme de polarisation
interne au matériau. Il en existe de quatre types :

Polarisation atomique.

Polarisation ionique.

Polarisation par orientation.

Polarisation interfaciale

Plusieurs types de polarisation peuvent coexister dans le même matériau.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
13
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > b. Permittivité diélectrique
Polarisation atomique
Maxwell a montré que, pour un
solide dans lequel seule intervient la
polarisation atomique, la permittivité
relative vaut exactement 2.
La polarisation atomique concerne
tous les matériaux et s’établit en un
temps très court, de l’ordre de 10-12 à
10-15 s.

Les fréquences concernées sont très éloignées de celles qui
interviennent habituellement dans les systèmes à haute tension.
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14
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > b. Permittivité diélectrique
Polarisation ionique
La polarisation ionique concerne les cristaux (comme le sel par exemple) et
s’établit en un temps de l’ordre de 10-10 à 10-13 s.
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15
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > b. Permittivité diélectrique
Polarisation par orientation
La polarisation par orientation
concerne les molécules polaires
comme l’eau par exemple.
Certains solides ont aussi des
monomères polaires, comme les
caoutchoucs ou les nylons, ainsi
que certains thermodurcissables,
telle la bakélite.

La polarisation par orientation donne des permittivités particulièrement
élevées dans les liquides, du fait de la mobilité des molécules.
[14]
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16
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > b. Permittivité diélectrique
Polarisation interfaciale
La polarisation interfaciale concerne
les diélectriques formés de grains de
différentes natures ou de structures
différentes, comportant des charges
résiduelles, pour lesquelles les joints
de grains constituent une barrière
d’énergie. Les charges se déplacent
très lentement dans le diélectrique
de sorte que le temps d’établissement
de cette polarisation va de 10-2 s à plusieurs minutes.
Ce phénomène apparaît dans certains cristaux mauvais conducteurs
comme le BSTO (Baryum – Strontium – Titane – Oxygène, en proportions
non stœchiométriques).
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17
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > b. Permittivité diélectrique
Valeurs de permittivité
La plupart des polymères ont des permittivités diélectriques relatives comprises
entre 2 et 4, aux fréquences industrielles.
Permittivité de quelques solides polaires :
Néoprène : r = 6,7 Nylon : r = 8
Bakélite r = 5 ~ 6
Verre : r = 5 ~ 7
Porcelaine r = 5 ~ 6
Mica : r = 6
Caoutchoucs : r = comprises entre 2,5 et 35.
Permittivité de quelques liquides polaires :
Alcool : r = 25,8
Glycérine : r = 47 Eau : r = 80
Huiles minérales : r = 2 ~ 2,5 (dépend des impuretés).
Permittivité des gaz
Du fait de leur faible masse volumique, leurs permittivités sont très proches de 1.
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18
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > b. Permittivité diélectrique
Enclenchement d’un champ
Lorsqu’on enclenche un champ électrique échelon d’amplitude Eo sur
un diélectrique, trois courants se superposent :

Un courant de conduction proportionnel, en tout instant, au champ appliqué.

Un courant de charge qui correspond à la charge du condensateur que
constitue l’isolant, entre ses deux électrodes.

Un courant dit d’absorption, correspondant au déplacement des charges
concernées par la polarisation. Ce courant est une fonction exponentielle
décroissante du temps.

Au déclenchement du champ, un courant de résorption jr
est généralement symétrique du courant d’absorption ja.
Toutefois, dans certains matériaux où se produisent des
réactions électrolytiques ou comportant des impuretés, on
peut avoir jr  -ja.
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[15]
19
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > b. Permittivité diélectrique
Courants d’absorption / résorption
Dispositif de mesure des courants
d’absorption et de résorption.
Source : M. de Nigris et al., Application of modern
techniques for the condition assessment of
power transformers, CIGRÉ A2-207 (2004).
Résultat type de mesure d’un courant
d’absorption et de résorption.
Dans certains matériaux, différentes
polarisation se superposent, avec des
constantes de temps différentes.
courant de charge n’est pas
 Le
visible sur cette figure.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
20
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > b. Permittivité diélectrique
Indice de polarisation
On peut caractériser l’état d’un isolant (ou la dégradation de son
état) en évaluant l’indice de polarisation
Cet indice est défini comme le rapport entre le courant mesuré au bout
d’une minute et après 10 minutes :
ip 
I t 1
I t 10
La mesure de l’indice de polarisation est surtout utilisée pour évaluer
l’état de l’isolation des câbles et des machines tournantes.
L’isolant est considéré comme :
ip  4 : bon

1,5 < ip < 4 : douteux
ip  1,5 : mauvais
Selon d’autres procédures (norme française NF C 15-100), la mesure du
courant d’absorption se fait à 30 secondes et à 1 minute.
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21
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > c. Facteur de pertes
Facteur de pertes
Diélectrique en régime sinusoïdal
Dans un condensateur comportant un isolant réel, le
courant n’est pas en parfaite quadrature avec la tension.
On caractérise le condensateur réel par son facteur de
pertes : tg d.
Relation avec la puissance
Le facteur de pertes peut être exprimé à partir des
puissances active, P, et réactive, Q :
cos  U I tot cos  P
tg d  ctg  


sin  U I tot sin  Q
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IC = courant capacitif
IG = courant conductif
[16]
22
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > c. Facteur de pertes
Valeurs de facteur de pertes
Solides
Plexiglas : 2 . 10-2
Téflon : 6 . 10-4
Polystyrène : 10-4
Résine époxy : 4 . 10-3
Polyéthylène : 3 . 10-4
Paraffine : 5 . 10-5
Liquides
Huiles minérales : 3 . 10-4 ~ 5 . 10-3
Gaz
Hexafluorure de soufre (SF6) : 2.10-7
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23
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > c. Facteur de pertes
Influence de la fréquence
Pour la polarisation par orientation, les parties réelles et imaginaires de la
permittivité peuvent être reliées aux limites à fréquence nulle, ro , et à fréquence
infinie, r (Traité d’électricité vol. 2 § 4.6.2) :
   r  
 

r o  r 
1  2
r o  r 
1 
2
r o  2
r   2

 t
t = temps de relaxation
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24
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > c. Facteur de pertes
Permittivité complexe de l’eau
Mesures réalisées sur l’eau
Modèle théorique pour les différents
mécanismes de polarisation
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
25
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > c. Facteur de pertes
Influence de la température
Dans un thermoplastique
comme le polyéthylène,
une augmentation de la
température provoque un
ramollissement, donc une
augmentation de la
mobilité des molécules.
Polyéthylène
Le temps de relaxation de
la polarisation diminue et la
fréquence propre associée
augmente.
Source : Robert FOURNIÉ, Les isolants en électrotechnique – Concepts et théorie (1986) p.76.
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26
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > d. Rigidité diélectrique
Rigidité diélectrique
Définition : La rigidité diélectrique est le champ électrique maximal que peut
supporter un isolant avant que se produise une décharge disruptive.
Valeurs de rigidité diélectrique
Solides (ASTM 149)
Kapton
290 kV/mm
Porcelaine
28 kV/mm
Plexiglas
20 kV/mm
Téflon
18 ~ 80 kV/mm
Polystyrène 16 kV/mm
Caoutchouc 15 kV/mm

Liquides (ASTM D877)
Huiles minérales 20 kV/mm
Azote liquide (77 K) 28 kV/mm
Gaz (1 atm, 25°C)
Air 3 kV/mm
SF6 8 kV/mm
La rigidité diélectrique se mesure en kV/mm ou MV/mm.
Les publications américaines donnent souvent des valeurs en V/mil ;
1 mil = 1/1000e de pouce, soit 25,4 m  1 kV/mm = 25,4 V/mil
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[17]
27
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > d. Rigidité diélectrique
Rigidité diélectrique du SF6
Une tension de claquage nettement plus
élevée que l’air permet de réduire
d’autant les distances entre les éléments
entre lesquels existe une différence de
potentiel (distance d’isolement).
Complément facultatif
Cahier technique n°188
de Schneider Electric
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28
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > d. Rigidité diélectrique
Rigidité diélectrique du « vide »
Tension de claquage mesurée entre deux
électrodes placées dans le « vide ».
Matériau des électrodes : W – Cu
Forme des électrodes : anneaux  80 – 40
Pression résiduelle : 10-4 Pa
Tension appliquée : AC 50 Hz
Source : Hanna Mościcka-Grzesiak + al., Comparison of electroinsulating properties of the vacuum gap beetween electrodes
made of various contact materials, 7th Int. Symp. on High Voltage Engineering (26-30 août 1991) Dresde. Publ. 34-03
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
29
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > e. Décharges partielles
Décharges partielles (DP)
Définition :
Une décharge partielle est une décharge électrique qui se
développe sur une partie seulement de l’intervalle isolant
soumis à la tension.
En pratique, une décharge partielle se produit dans les cavités ou les fissures qui
existent à l’intérieur d’un isolant solide; ou dans les bulles d’un isolant liquide.
Cavités dans la résine
époxy par exemple
Fissure perpendiculaire,
dans un élastomère
Cavité laminaire
dans du mica
Mauvaise adhérence de
l’isolant sur les électrodes
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
30
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > e. Décharges partielles
Mécanisme des décharges partielles
Deux raisons contribuent à
provoquer des décharges
partielles dans les isolants :
1. Le champ électrique dans les
cavités Ec est plus élevé que le
champ électrique Ed dans le
diélectrique.
Ec  Ed
2. La rigidité diélectrique est
plus faible dans les cavités
que dans le diélectrique.
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31
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > e. Décharges partielles
Charge apparente
Définitions : La charge électrique apparente d’une décharge partielle est la charge
qui, injectée entre les bornes de l’isolant, produirait la même variation
de tension que la décharge partielle elle-même.
L’isolant imparfait (comportant une
cavité) peut être représenté par une
combinaison de capacités :
CC : capacité de la cavité
CS et CS : capacité de l’isolant en
série avec la cavité
CP et CP : capacité de l’isolant en
parallèle avec la cavité
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
32
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > e. Décharges partielles
Mécanisme de décharges partielles
Chaque fois que la tension uC(t) sur la cavité dépasse une
tension de seuil US , une décharge se produit et une charge
est transférée à travers la cavité. Avec le modèle ci-contre,
on trouve la charge apparente Qapp en fonction de la charge
effectivement transférée dans la cavité Qc .
[18]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
33
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > e. Décharges partielles
Détection des décharges partielles
Définitions : Le niveau de décharges partielles est une intégrale temporelle de la
charge électrique apparente. Il se mesure en picocoulombs (pC).
Le circuit de détection des DP comporte un condensateur de couplage (Ck) en
parallèle avec l’échantillon et une impédance de mesure (Zm) en série.
Les décharges partielles produisent un
courant circulant essentiellement dans
la boucle Zm – Ck – Cx .
Détection des DP
Circuit de mesure de l’intensités des DP
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
34
3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > e. Décharges partielles
Mesure du seuil de DP
Exemples
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
35
3. Matériaux isolants > C. Vieillissement
C. Vieillissement
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
36
3. Matériaux isolants > C. Vieillissement
Dégradation au cours du temps
Définition : Une dégradation est une modification irréversible de la structure
d’un isolant solide, liquide ou gazeux.
Définition : Le vieillissement est une modification irréversible des propriétés
macroscopiques d’un isolant, due aux dégradations survenue au
cours de son utilisation normale.

Le vieillissement physique est dû à des fissurations, des gonflements,
une pénétration d’eau, une apparition d’hétérogénéités par migration
de composants.

Le vieillissement chimique est dû à des phénomènes d’oxydation, des
ruptures de chaîne de polymères, des réticulations, la formation de
sous-produits, etc.
Dans le SF6 , on observe la formation progressive de CF4 , SOF2 et SO2F2
qui sont des gaz plus ou moins toxiques.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
37
3. Matériaux isolants > C. Vieillissement
Critère de dégradation
Le vieillissement d’un isolant peut être évalué par la mesure de grandeurs
électriques telles que la rigidité diélectrique, par exemple.
Exemple de dégradation
évaluée par la rigidité
diélectrique, dans l’EPR
[19]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
38
3. Matériaux isolants > C. Vieillissement
Vieillissement du papier – huile
L’huile
Dans les isolants liquides (huiles de transformateurs), des prélèvements et des
analyses donnent des informations sur le vieillissement de l’huile.
La cellulose
La cellulose, largement utilisée dans les transformateur par exemple,
consiste en des chaînes comportant environ 1200 anneaux
de glucose reliés entre eux par des ponts d’oxygène.
Les principaux mécanismes de dégradation de
la cellulose sont :
- la pyrolyse
- l’oxydation
- l’hydrolyse, aggravée par l’eau provenant de la pyrolyse et de l’oxydation.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
39
3. Matériaux isolants > C. Vieillissement
Dégradation du papier – huile
Dans les isolations papier-huile, on
observe l’apparition de furfurane (C5H4O2),
qui indique une dégradation progressive
de la cellulose.
D’autres gaz peuvent également
y être décelés, permettant de
diagnostiquer certaines
causes de dégradation.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
40
3. Matériaux isolants > C. Vieillissement
Modèle de vieillissement
On peut modéliser le vieillissement sur la base de trois hypothèses :
1.
Le mécanisme de dégradation de la matière (quel qu’il soit) suit une loi
semblable à la loi d’Arrhenius pour les réactions chimiques:
X(W;T)  Xoe W/kT
X = vitesse de dégradation = quantité de matière dégradée par unité de temps
Xo = constante
W = énergie caractéristique
k = constante de Boltzmann
T = température
2.
L’énergie caractéristique W est une fonction décroissante de la contrainte
produisant la dégradation (par exemple le champ électrique).
3.
Le claquage de l’isolant survient lorsque la quantité de matière isolante
dégradée atteint un certain seuil, supposé fixe pour un matériau donné.

L’aspect statistique du processus de vieillissement n’apparaît pas dans ces hypothèses.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
41
3. Matériaux isolants > C. Vieillissement
Statistique des durées de vie
La durée de vie d’un certain type d’équipement, sous des contraintes
données, n’est évidemment pas strictement identique pour chaque
objet : c’est un processus en partie aléatoire, qui suit une loi statistique.
L’expérience montre que, dans les processus de défaillance de composants soumis
à des contraintes électriques, la probabilité de défaillance avant l’instant t est
donnée par la fonction de répartition :
F(t)  1  e
(t/ t)
t > 0 est une constante de temps
 > 0 un paramètre de forme
La densité de probabilité de Weibull est donnée par :
t
p(t)   
t t
( 1)
e
 (t/ t)
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
42
3. Matériaux isolants > C. Vieillissement
Fonction de répartition de Weibull

Le paramètre t apparaît comme une « durée de vie standard » : quand  tend vers
l’infini, la probabilité de défaillance est nulle avant le temps t, et tous les échantillons
claquent à cet instant-là.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
43
3. Matériaux isolants > C. Vieillissement
Les arborescences électriques
Deux phénomènes d’arborescence sont bien connus des exploitants
d’équipements utilisés en haute tension, en particulier les câbles.
1. Les arborescences électriques
Une irrégularité de la forme de
l’isolant engendre une augmentation
locale du champ électrique qui peut
suffire à provoquer une décharge.
L’arborescence électrique est formée
de matière carbonisée.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
44
3. Matériaux isolants > C. Vieillissement
Les arborescences d’eau
2. Les arborescences d’eau
Les irrégularités de surface peuvent absorber de l’eau qui pénètre progressivement
dans l’isolant. Ces infiltrations prennent alors la forme d’une arborescence, remplie
par l’humidité extérieure.
Quand le phénomène se produit à partir d’une cavité interne, il a la forme « nœud
de papillon » et l’eau qui le remplit vient de la décomposition des molécules
d’isolant.
Source : Robotic Cable inspection System
Source : Université de Laval (p. 17)
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45
3. Matériaux isolants > C. Vieillissement
Vieillissement accéléré
Pour les composants du réseau électrique, les tests de vieillissement
accéléré font usage de trois variables (séparément ou simultanément) :
- Application d’une tension d’essai Ue supérieure à sa valeur assignée Ua
- Application d’une température d’essai Te supérieure ou inférieure à la
température prévue de fonctionnement Ta.
- Application d’une fréquence d’essai fe supérieure à la fréquence assignée fa.
La durée de vie prévue en condition normale La est alors calculée en fonction de la
durée de vie Le obtenue durant l’essai, par le relation empirique :
m
n
Do
U  
  fe 
La  Le  e  
  
 U a   2(Ta  Te )   f a 
p
m, n et p et Do sont des paramètres à déterminer selon le type de matériel testé.

L’exposant n peut être positif ou négatif.
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