Influence des Caractéristiques de l`Interface Air-Solide sur

8ème conférence de la Société Française d’Electrostatique, 3-5 juillet 2012, Cherbourg-Octeville, France.
Influence des Caractéristiques de l'Interface Air-Solide
sur les Impulsions de Courant et la Charge Associée
M. A. HANDALA1*, N. KIRECHE1, E. BELHITECHE1
Laboratoire de haute tension
Université Mouloud Mammeri, BP 17 RP, de Tizi-Ouzou, 15000, Algérie
*E-mail : [email protected]
Résumé : L’isolation mixte gaz/solide est présente dans
les matériels électriques tels que les transformateurs, les
disjoncteurs, les lignes de transport d’énergie. Cette
association solide/gaz, comme c’est le cas aussi des
inclusions accidentelles de gaz dans le volume d’un
diélectrique fait apparaître une interface qui constitue le
point faible de l’isolation où, en cas de contrainte
électrique élevée, apparaitront en premier lieu des
décharges électriques (décharges partielles). Les
mécanismes qui gouvernent l’interaction entre la
décharge électrique et la surface du solide isolant sont
encore mal connus. L’étude des caractéristiques des
impulsions de courant de décharge peut nous aider à
mieux comprendre le processus de décharge et le niveau
de dégradation du diélectrique.
Nous Avons étudié les impulsions du courant de
décharge et la charge associée dans une isolation
composée air-solide. Les caractéristiques des impulsions
dépendent de la durée d’exposition du diélectrique aux
décharges, de l’épaisseur de la couche d’air, de la nature
du diélectrique ainsi que du niveau et de la polarité de la
tension. Après l’avoir exposée à des décharges, la
surface du diélectrique est observée au microscope
électronique et sa dégradation mise en évidence. La
déstabilisation électrique de la charge déposée à la
surface de l’isolant par le faisceau électronique du MEB
génère une arborescence de surface.
INTRODUCTION
L’interaction des décharges avec les surfaces
diélectriques, les polymères en particuliers, présente un
intérêt aussi bien pour les applications industrielles que
pour la recherche fondamentale. Nous citerons le cas du
traitement de surface des polymères pour améliorer leur
mouillabilité afin de les rendre facilement imprimables
[1], la production de feuilles d’électrets utilisées dans le
matériel électro acoustique [2]. A côté de ces
applications, les décharges de surface peuvent être
indésirables, telles que celles qui se produisent dans les
isolateurs de traversée des transformateurs à haute
tension, les extrémités de l’enroulement moyenne
tension du stator des alternateurs, les extrémités de
câbles, etc.
De façon générale, l’utilisation de l’air en association
avec un solide isolant réduit la rigidité diélectrique de
l’isolation [3]. En effet, du fait de la différence des
permittivités des deux milieux, le champ électrique dans
le gaz est d’autant plus grand que la permittivité du
solide est élevée, entrainant l’apparition de décharges
partielles dans le gaz entre l’électrode haute tension et la
surface du diélectrique. Lorsque ce dernier est un
polymère, matériau très utilisé dans les systèmes à haute
tension pour sa bonne résistance mécanique, son faible
poids et sa facilité de façonnage et de mise en œuvre, il
est très sensible à l’activité des décharges partielles qui
constituent la cause principale de la dégradation de ces
isolations [4]. Ainsi, la fiabilité et le coût du matériel
électrique dépendent plus des caractéristiques de la
surface du solide isolant que de ses propriétés en
volume [5]. La mesure de la charge de surface a une
grande importance pour l’évaluation des performances
électriques des matériaux isolants utilisés en haute
tension [6] La charge qui s’accumule à la surface du
diélectrique a une influence sur la nature de la décharge
[7,8]. Les décharges à la surface d’isolants restent une
préoccupation dans la mesure où elles sont responsables
du claquage des isolations. C’est pourquoi il est
nécessaire de connaître l’évolution du courant de
décharge en fonction des caractéristiques de l’isolation
composée.
MONTAGE EXPERIMENTAL
Le schéma du dispositif expérimental que nous avons
utilisée est montré dans la figure 1. L’alimentation haute
tension est assurée par un transformateur d’essai
monophasé 100 kV, 10kVA, 50Hz.
Electrode
haute tension
g
Solide isolant
d’épaisseur “e”
d
380 V
50 Hz
V
R
Transformateur
100 kV – 10 kVA
50 Hz
Z
osc
PC
Z : diodes zener
R : résistance de
OSC : Oscilloscope
V : mesure de la tension
Fig.1. Schéma du dispositif expérimental
Les décharges sont obtenues à l’aide de deux électrodes,
l’une pointue et l’autre plane sur laquelle est posé le
solide isolant. L’électrode acérée est reliée à la borne
haute tension du transformateur, l’électrode plane est
mise à la terre et l’ensemble est placé dans l’air à
pression atmosphérique.
L’électrode haute tension est un cylindre de 3 mm de
diamètre qui se termine par une pointe de 0,3 mm de
rayon de courbure. Les échantillons de solide isolant
utilisés sont des disques de polymère, de 13 cm de
diamètre et de différentes épaisseurs.
Le courant de décharge est enregistré à l’aide d’un
oscilloscope à mémoire que nous avons branché aux
bornes d’une résistance R de 940 Ω. L’oscilloscope de
marque HAMEG type HM1705-2 a une bande passante
de 150 MHz et un taux d’échantillonnage de 200 MS/s.
Les informations obtenues et enregistrées par
l’oscilloscope sont transmises à un ordinateur via une
interface RS 232 pour y être traitées.
Pour assurer la protection de l’oscilloscope contre
d’éventuelles surtensions, nous avons placé des diodes
Zener en tête bêche en parallèle avec la résistance de
mesure R.
La protection de la station de mesure contre les
perturbations dues au champ électromagnétique émis
par les décharges électriques, est assurée en couvrant les
appareils de mesure avec du papier aluminium relié à la
terre. Nous avons utilisé des câbles coaxiaux pour les
différentes connexions afin d’éviter les phénomènes
induits par les champs perturbateurs.
augmentera et une nouvelle décharge apparaîtra. Alors
que lorsque la tension décroît (2e quadrant de
l’alternance), une fois la décharge inhibée par la charge
d’espace, elle reste éteinte jusqu’à ce que la tension
reprenne sa croissance après son passage par zéro. Ceci
explique la non-apparition ou du moins le nombre très
réduit de décharges durant la phase de décroissance de
la tension.
L’amplitude des impulsions varie dans une grande
plage. C’est pourquoi nous nous intéresserons, pour
chaque niveau de tension, aux impulsions de courant
négative et positive ayant la plus grande amplitude. En
fonction de la nature et des dimensions de l’isolant
solide ainsi que de la tension appliquée, nous
caractériserons ces impulsions maximales de courant
par leur amplitude, charge, temps de montée et temps de
descente.
Forme des impulsions du courant de décharge
La figure 2 montre la forme des impulsions de courant.
Le temps de montée est pratiquement le même pour les
impulsions positives et les impulsions négatives dans la
limite des essais que nous avons effectués et il varie
peu. Nous avons constaté que le temps de descente des
impulsions négatives, contrairement à celui des
impulsions positives, varient dans une assez large plage
(Fig.2 b et c).
b
a
RESULTATS EXPERIMENTAUX ET
DISCUSSION
Courant de décharge
Dans cette partie nous présentons les résultats
expérimentaux de l’étude des courants de décharge sur
des échantillons de PMMA.
En faisant varier la tension appliquée nous mesurons les
plus grandes impulsions positives et négatives.
Pour une même tension, les impulsions de courant sont
moins nombreuses et elles ont une amplitude, en
général, plus grande en alternance positive qu’en
alternance négative. Les impulsions de courant
apparaissent durant le premier cadran de chaque
alternance positive et négative de la tension.
Le nombre et l’amplitude des impulsions augmentent
avec la tension appliquée aussi bien en alternance
positive que négative.
La période d’activité (temps entre l’apparition de la
première impulsion et l’extinction de la dernière
impulsion pendant une alternance) s’élargit quand la
tension appliquée augmente [9,10].
L’apparition par intermittence des décharges est due à
l’accumulation puis la disparition de la charge sur le
solide isolant. En effet, la charge qui s’accumule à la
surface du solide réduit le champ électrique appliqué et
la décharge s’éteint [8]. Avec l’augmentation de la
tension (partie ascendante de l’alternance) le champ
2,13 mA
0,532 mA
500 ns
500 ns
c
0,213 mA
500 ns
Fig. 2. Impulsions de courant : a)
positive ; b et c) négatives
Les faibles temps de montée correspondent à une grande
vitesse de propagation du streamer. Le temps de montée
est dû au déplacement des électrons qui ont une grande
mobilité alors que le temps de descente est dû au
déplacement des ions qui ont une faible mobilité
[8].L’impulsion de courant négative de la figure 2.c.
présente un palier après la valeur de crête qui serait dû
au déplacement lent des ions.
Effet du niveau de tension sur le courant maximum de
décharge
La figure 3 montre la variation du courant maximum en
fonction de la tension en polarités positive et négative
pour un échantillon de styrène acrylonitrile (SAN) de 3
mm d’épaisseur en série avec un intervalle d’air de
même épaisseur.
50
40
30
20
10
0
0
1/6
2/6
3/6
Rapport g/d
SAN 3 mm + 3 mm d'air
Impulsions positives
Impulsions négatives
120
100
10kV
8kV
6kV
4kV
10
80
60
40
20
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Tension (kV)
Fig. 3. Courant maximum de décharge en
fonction de la tension
Courant de décharge (mA)
Courant maximum (mA)
10kV
8kV
6kV
4kV
60
Fig. 4. Courant maximum de décharge en polarité positive en
fonction de la position de l’interface air-solide
160
140
constant quant l’épaisseur de l’intervalle d’air augmente
et que celle du solide diminue (Fig. 5)
Courant de décharge (mA)
En polarité positive, les impulsions caractérisent les
streamers [11]. Ceux-ci se propagent plus vite sur la
surface du solide que dans l’air grâce à la photo
ionisation et à la photo émission du solide isolant.
Alors qu’en polarité négative, les impulsions de Trichel
caractérisent un régime diffus ou homogène [11].
8
6
4
2
0
0/6
L’amplitude maximum des impulsions de courant
augmente avec la tension appliquée pour les deux
polarités. Cependant, les impulsions positives sont
nettement plus grandes que les impulsions négatives.
Les streamers positifs se développent sur des distances
plus longues que celles des streamers négatifs [3].
Influence de la position de l’interface sur le courant
maximum de décharge
Pour une distance inter électrodes constante de 6 mm,
nous avons utilisé successivement des plaques de
PMMA de 6 mm, 5 mm, 4mm et 3 mm.
Nous avons relevé l’amplitude maximum des
impulsions de courant en polarité positive en fonction
du rapport g/d (g : épaisseur de l’intervalle d’air et d :
distance inter électrodes) (Fig.4)
L’amplitude maximum des impulsions de courant
diminue en passant de g = 0 mm à g = 1 mm puis croit
avec l’épaisseur de l’intervalle d’air. Lorsque la
décharge se développe sur la surface du solide isolant (g
= 0 mm), la multiplication électronique est favorisée par
l’émission secondaire du diélectrique. A partir de g = 1
mm l’amplitude des impulsions croit de façon quasilinéaire avec la diminution de l’épaisseur du solide
isolant. En polarité négative, le courant diminue aussi en
passant de g = 0 mm à g = 1 mm, mais il reste quasi
1/6
2/6
3/6
Rapport g/d
Fig. 5. Courant maximum de décharge en polarité négative
en fonction de la position de l’interface air-solide
En polarité négative, l’accumulation d’électrons à la
surface du solide isolant empêche le champ électrique
de croître [12] et les décharges ne se développent plus
malgré l’augmentation de la tension [13]. Le champ
électrique est aussi réduit par l’accumulation d’ions
négatifs formés par attachement d’électrons libres avec
les molécules d’oxygène dans l’intervalle d’air,
l’oxygène étant électronégatif [12].
Influence de l’état de surface du diélectrique sur le
courant de décharge
Un vieillissement sous décharges d’une plaque de
PMMA de 3 mm en série avec un intervalle d’air de
même épaisseur a montré que le courant de décharge
augmente avec la durée du vieillissement (Fig. 6). Pour
étudier l’influence de la dégradation de la surface du
diélectrique sur le courant de décharge, nous avons
procédé à trois essais sur un échantillon de PMMA de 4
mm d’épaisseur en série avec un intervalle d’air de 2
mm d’épaisseur : le premier essai avec une surface
vierge, le deuxième avec une surface usée avec du
papier de verre et le troisième avec une couche
conductrice déposée sur le PMMA au-dessous de la
pointe haute tension. La figure 7 montre que le courant
de décharge présente les plus grandes valeurs dans le
cas de la surface conductrice et les plus faibles pour
l’échantillon vierge. Le nombre d’impulsions de courant
augmente aussi quand la surface devient conductrice.
Les charges d’espaces s’évacuent plus facilement dans
ce cas et leur effet inhibiteur sur le champ appliqué est
réduit.
90
Impulsions négatives
Impulsions positives
Courant maximum (mA)
80
70
60
50
40
en recourant à l’enregistrement de la courbe de courant
impulsionnel puis au calcul de la charge par intégration.
Une fois l’impulsion maximale enregistrée et les
données la caractérisant (tableau des valeurs) transmises
à l’ordinateur via l’interface RS 232, nous procédons au
calcul de la charge par intégration de I(t). La charge
représente le nombre d’électrons qui, lors du
développement des avalanches électroniques, sont
recueillis ou émis (suivant la polarité) au niveau de
l’électrode haute tension. Le courant de décharge à la
surface de l’isolant solide sera transmis à la terre à
travers la résistance de mesure après avoir traversé
l’isolant solide sous forme d’un courant de déplacement.
L’intensité étant définie comme le nombre de charges
électriques traversant un circuit par unité de temps, la
charge impulsionnelle est calculée comme suit :
30
Q = ∫ I (t ).dt
20
2
4
6
8
10
12
Avec ∆ t = durée de l’impulsion
Temps de vieillissement (heures)
Fig.6 Courant de décharge en fonction de la durée de
vieillissement
55
PMMA avec couche conductrice
PMMA avec surface rugueuse
PMMA vierge
Courant de décharge (mA)
50
45
40
35
30
25
20
15
10
4
5
6
7
8
9
∆t
14
10
Tension (kV)
La charge impulsionnelle est donc donnée par le calcul
de l’aire des impulsions de courant.
La figure 8 montre la variation de la charge maximale
de l’impulsion de courant en polarités positive en
fonction de la tension pour différentes épaisseurs de
styrène acrylonitrile (SAN) sans couche d’air (g = 0
mm). La charge varie globalement en U2. L’épaisseur
du solide isolant a aussi une influence sur la charge
produite. La charge maximale augmente lorsque
l’épaisseur du solide diminue (Fig.9).
Nous pouvons interpréter l’allure de la courbe Q=f(U)
de la façon suivante :
Lorsqu’une impulsion de courant est enregistrée, la
décharge correspondante s’étend sur une longueur L à la
Fig. 7. Courant de décharge en fonction de la tension
pour différents états de surface du diélectrique
+160
Impulsions positives
+140
SAN
3 mm
4 mm
5 mm
6 mm
+120
CHARGE ASSOCIEE A LA DECHARGE
ELECTRIQUE
Charge (nC)
+100
+80
+60
+40
La charge superficielle a toujours une influence sur le
phénomène de claquage de l’isolant soumis à un champ
électrique élevé [14]. Les modifications chimiques
induites par les décharges à la surface du solide isolant
dépendent de la charge produite [15].
Plusieurs méthodes sont utilisées pour mesurer la charge
superficielle : figures de Lichtenberg [16,17,18], sonde
électrostatique [19,20], effet Pockels (méthode électrooptique) [21], etc.
Evaluation de la charge associée à une impulsion
maximum de courant
A défaut de mesurer directement la charge superficielle,
nous avons utilisé une méthode indirecte pour l’évaluer
+20
+0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Tension (kV)
Fig. 8. Charge positive maximale en fonction
de la tension appliquée
surface d’un isolant d’épaisseur d. La capacité du
diélectrique à l’endroit où se produit la décharge est
proportionnelle à la longueur de cette dernière :
C = K1.L/d
Comme la longueur de la décharge est proportionnelle à
la tension appliquée [22], nous pouvons écrire
C = K1(K2.U)/d
+140
SAN
Impulsions positives
+120
Charge (nC)
+100
22 kV
20 kV
18 kV
16 kV
14 kV
12 kV
a
U
I
+80
+60
+40
0,106 mA
+20
Décharge en retour
2 ms
+0
3
4
5
6
Epaisseur du solide isolant (mm)
Fig. 9. Charge positive en fonction de l’épaisseur
du solide isolant
Nous savons aussi que la charge est égale au produit de
la tension par la capacité
Q = C.U
D’où l’expression de la charge en fonction de la tension
appliquée et de l’épaisseur du solide isolant
Q = K1.K2.U2/d
Q = K.U2/d
La charge est proportionnelle au carré de la tension et
elle est inversement proportionnelle à l’épaisseur du
diélectrique.
DECHARGE EN RETOUR
On considère d’abord le cas où la pointe de l’électrode
haute tension est posée sur le diélectrique. Du fait du
changement de la polarité en tension alternative, il est
attendu qu’il n’existe pas d’accumulation de charge
d’espace à la surface de l’isolant. En réalité, la décharge
en polarité positive étant plus longue que celle en
polarité négative, il subsistera toujours une charge
positive sur le diélectrique solide [3].
La charge superficielle a une influence sur le
phénomène de claquage de l’isolant soumis à un champ
électrique élevé [14]. Elle détermine, aussi la forme de
la décharge de surface [23].
Nous avons constaté, pour des tensions appliquées
supérieures à 10 kV, l’apparition d’impulsions inverses
de courant. Elles se produisent en général juste avant le
passage par zéro de la tension (Fig.10), ce qui est aussi
relevé par [6,24].
Ces impulsions ont une amplitude d’autant plus grande
que la tension appliquée est élevée. Elles sont le résultat
de décharges dues à la charge d’espace qui se forme à la
surface du solide isolant [24]. Juste avant le passage par
zéro de la tension, cette charge d’espace provoque une
décharge inverse vers la pointe de l’électrode haute
tension.
Cette décharge se produit du fait que lorsque la tension
tend vers zéro, le champ électrique appliqué devient très
faible devant celui de la charge d’espace.
Une observation au MEB de la surface de l’échantillon
de PMMA soumis aux décharges de surface a montré le
développement d’une arborescence de surface (Fig. 11)
b
Décharge en retour
I
U
0,106 mA
2 ms
Fig. 10. Décharge en retour après une
alternance :
a) positive ; b) négative
Cette dernière serait générée par déstabilisation
électrique de la charge déposée à la surface du
diélectrique par le faisceau du microscope électronique
[25]
Fig.11. Micrographie MEB de PMMA soumis à des
décharges électriques
CONCLUSION
Le nombre et l’amplitude des impulsions de courant
augmentent avec la tension. Leur nombre est plus
important en alternance négative qu’en alternance
positive. Cependant leur amplitude est plus grande en
polarité positive.
Le temps de montée moyen des impulsions positives et
négatives est pratiquement le même. Le temps de
descente des impulsions négatives est plus grand que
celui des impulsions positives.
L’insertion d’une couche d’air en série avec le solide
isolant fait croître le courant maximum de décharge.
Pour une même distance inter électrodes, les impulsions
de courant présentent une amplitude plus grande lorsque
l’épaisseur d’air incluse est plus grande.
En polarité négative, le courant varie très peu avec
l’épaisseur de la couche d’air pour les distances que
nous avons étudiées.
L’état de surface du diélectrique a une grande influence
sur les caractéristiques du courant de décharge..
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