I. CLAQUAGE DANS LES GAZ

Claquage dans les gaz, les liquides et les solides
I. CLAQUAGE DANS LES GAZ
Les gaz constituent un des éléments de base de l'isolation à haute tension des
matériels électriques.
De tout temps, les bonnes qualités isolantes de l'air ont été utilisées aussi bien
dans les applications de l'électricité statique que dans l'isolation des lignes
aériennes.
Dans ces dernières décennies, la nécessité de diminuer sensiblement les
dimensions des installations électriques pour des questions d'encombrement et de
coût a conduit à recourir à d'autres gaz isolants tels que l'azote, le CO2, le fréon et
surtout l'hexafluorure de soufre (SF6).
Parallèlement, malgré des difficultés pratiques importantes, on a utilisé les
bonnes caractéristiques isolantes du haut vide (10-5 – 10-7' mmHg) dans la technique
de coupure (disjoncteurs, relais Reed).
Le comportement des isolants gazeux en haute tension doit être étudié dans
deux buts:
- éviter le développement d'arcs, ou si cela n'est pas possible, limiter ses
effets (distances d'isolement, cornes et raquettes d'amorçage en parallèle
avec des chaînes ou des fûts d'isolateurs, interrupteurs, disjoncteurs,
fusibles, etc.);
- connaître la physique des amorçages d'arc dans les gaz afin de faciliter
leur amorçage dans les applications particulières (éclateurs d'amorçage de
générateurs de choc, éclateurs de protection, para surtensions,
parafoudres, tubes fluorescents, soudure électrique, électroérosion, etc.).
Les théories exposées ci-dessous sont valables pour des cas de décharges dans
des gaz situés entre des électrodes planes-parallèles. Dans le cas d'électrodes de
forme géométriques différentes, on recourera avantageusement à des facteurs de
forme.
On étudiera tout d'abord séparément la décharge disruptive à basse pression (<
0,1 ÷1 atm. théorie de Townsend, puis à haute pression (> 1 atm, (plasma d'arc)).
Ces études seront faites dans le cas de distances d'éclatement (ou inter
électrodes) courtes (max. 1 m.), l'extension de la théorie aux longs arcs étant traitée
séparément.

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Dans les gaz, les phénomènes de conduction sont du type ionique, c'est-à-dire
qu'ils apparaissent si des ions positifs, négatifs et des électrons sont présents.
9.2.4 Définition: décharge dépendante
Comme en général les gaz sont électriquement neutres, une conduction
électrique n'apparaît à champ électrique appliqué faible, que sous l'effet de radiations
ionisantes (rayonnement cosmique, sources radioactives, rayons ionisants, etc...). Ce
phénomène peut être constaté lorsqu'on trace avec tout le soin requis, et en tension
continue. On parle alors de décharge dépendante ou non autonome caractérisée par
l'absence de tout phénomène lumineux (I = 10-10 A). Nous négligerons par la suite ce
phénomène par ailleurs important en physique (compteurs d'ions).
9.2.5 Définitions: décharge indépendante
Les conditions d'amorçage de la décharge disruptive dans un gaz sont liées au
déclenchement du phénomène d'avalanche ionique issue de l'avalanche électronique.
Le phénomène d'avalanche ionique se déclenche dès que le champ électrique appliqué
à la molécule neutre entraîne un dépassement de la valeur du potentiel d'ionisation de
cette molécule. Dans ce cas, on parlera de décharge indépendante ou autonome.
Loi de Paschen:
Le critère d'amorçage d'une décharge indépendante, correspondant à tous les
cas d'amorçage de décharges disruptives courantes dans les phénomènes haute
tension, fait l'objet de la loi de Paschen. Cette loi établit la relation liant la tension
disruptive da gaz en fonction du type de gaz, de la géométrie et des conditions
atmosphérique (p, t, h) (fig%).
U
C
E
A
p
d
p pression (N/m) E champ électrique homogène
d distance interélectrode entre l'anode (A) et la cathode (C)
Fig. I.1. Schéma d'une cellule pour l'établissement de la loi de Paschen

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La conduction du courant électrique les gaz est liée au déplacement de ions positifs et
d'électrons négatifs à l'intérieur de celui-ci sous l'effet du champ électrique E.
Les condition qui déterminent l'intensité du courant sont:
 Si le gaz est non ionisé, aucun courant ne circule;
 Si le gaz est uniquement ionisé par les électrons né négatifs dus au
rayonnement cosmique ou à la radioactivité, le courant est de l'ordre de 10-15
(A) (décharge dépendante);
 Si le phénomène d'émission d'électrons secondaires négatifs entraînant un
phénomène d'avalanche apparaît, le courant augmente fortement (décharge
indépendante).
Extraction d'électrons secondaires
L'extraction d'électrons secondaires se fait par l'effet de la force électrostatique
F=q.E.
Parcours de l'électron
En franchissant l'espace cathode-anode, l'électron peut entrer en collision avec des
molécules de gaz neutres (n). Le nombre de chocs avec ces molécules neutres est
défini par N. Parmi ces chocs, Z sont des chocs de type ionisant.
Phénomène d'avalanche:
Le graphe de la figure(I.2) présente le développement d'un phénomène d'avalanche.
Fig I.2. Phénomène d'avalanche.
n
+
n
+
n
+
Z=1
Z=2
-
-
-
-
1 2
3 4
+
-

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En généralisant on constate que:
 Le nombre d'électrons résultant des chocs ionisants vaut 2z ;
 Le nombre d'ions positifs résultant des chocs ionisant vaut 2z - 1.
Calcul du nombre de chocs entre les électrons et les molécules neutres:
Pour une distance d cathode- anode est égale à:
N=d/λ (I.1)
Où λ est le libre parcours moyen d'un électron dans un gaz comprenant n molécules
neutres par unité de volume et caractérisé par une section efficace de collision
électronique σ (m2). Dans ce cas λ est donné par:
n1
(I.2)
En introduisant (I.1) dans (I.2), on trouve:
N = d n σ (I.3)
Probabilité de libre parcours moyen des électrons:
Sur la base de la figure (I.3) on peut calculer la probabilité de libre parcours moyen
des électrons.
Soit P(x) et P(x+dx) les probabilité d'un libre parcours moyen >x, respectivement
>(x+dx)
Dans ce cas:
P(x+dx)=P(x)-P(x)δP= P(x) (1-δP) (I.4)
Où
dxn
Psdxs
P..
.
.
(I.5)
s
x
x+dx
dx
s (m2) section de l'espace de décharge (des électrodes)
Fig.I.3

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Par définition
dx )()(
)(' xPdxxP xP
dx
dP 
(I.6)
Les équations (I.4) à (I.6) permettent d'écrire
P(x+dx) = P(x)+P'(x)dx = P(x)(1-n σdx) = P(x)-P(x) n σ dx (I.7)
D'où
.
)( )(' n xP xP 
(I.8)
et par intégration
P (x) = exp (-n σ x) + K1 (I.9)
Pour la détermination de la constante K1 , on pose que si x = 0, alors P(0) = 1, donc
K1=0.
Energie cinétique d'un électron
L'énergie cinétique acquise par un électron sur un parcours x sans collision vaut
x
d
U
exEeWcin  ..
(I.10)
Energie de ionisation
L'énergie cinétique nécessaire à un électron pour ioniser une molécule, vaut:
ii eUW
(I.11)
Où Ui est le potentiel d'ionisation de la molécule neutre
Condition de collision ionisante
Pour obtenir une collision ionisante, on trouve en combinant (I.10) et (I.11), que la
condition suivante doit être remplie x > xi ,
Où
xi = Ui.d/U (I.12)
Nombre moyen de chocs ionisants
Le nombre moyen de chocs ionisants vaut:
Z = NP (xi) (I.13)
En introduisant (I.3) et (I.9) dans (I.13), il vient: