Effets des décharges partielles sur la résine époxy utilisée

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Effets des décharges partielles sur la résine époxy utilisée dans l’isolation
des machines électriques
F. Zeboudj1, M.A. Handala1*, E. Belhiteche1, N. Kireche1 and H. Goudjil1
1 Université Mouloud Mammeri, 15000 Tizi-Ouzou, Algérie
* E-mail : [email protected]r
Résumé: Dans les machines électriques, particulièrement
celles utilisées dans la gamme des moyennes et hautes
tensions, les décharges partielles entre spires et entre
spires et masse constituent une cause significative du
vieillissement des isolants.
Dans ce travail, nous présentons les résultats d’une étude
expérimentale sur les effets des décharges partielles sur
les propriétés électriques et diélectriques de vernis utilisé
dans l’isolation des machines électriques. L’évolution
des propriétés diélectriques intrinsèques de ces matériaux
telle que la permittivité relative, la résistivité et le facteur
de dissipation sont mesurés par la technique de
spectrométrie diélectrique dans une gamme de fréquence
(1kHz – 10 kHz). Les résultats de ces mesures sont
discutés en fonction de la durée d’application de la
contrainte électrique. La permittivité relative, la
résistivité électrique et le facteur de pertes diélectriques
dépendent de la fréquence et de la durée de l’application
du champ électrique. L’état de dégradation de l’isolant
est évalué par des observations au microscope
électronique à balayage (MEB) et par des analyses par
spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier
(FTIR). Les micrographies ont montré qu’à partir d’une
certaine valeur de tension une importante érosion se
produit à la surface du diélectrique soumis aux décharges
électriques. Les courants de décharges dépendent de la
durée d’application et du niveau de tension appliquée.
Mots clés : Analyses FTIR, décharges partielles,
dégradation de surface, micrographies MEB, résine
époxy.
I. INTRODUCTION
La résine époxy est largement utilisée comme matériau
d’isolation électrique, pour ses excellentes propriétés
physiques, chimiques et électriques [1].
L’isolation des machines tournantes est essentiellement
située dans le stator qui est composé de fils émaillés
assemblés pour réaliser des bobines qui sont imprégnées
avec une résine afin d’augmenter leurs propriétés
mécaniques, électriques et chimiques [2].
La plupart des systèmes à haute tension sont soumis à un
certain niveau de décharge électrique durant leur
utilisation [3].
La mesure des décharges partielles dans les systèmes
d’isolation a été largement utilisée dans l’évaluation de
la performance d’un isolant [4].
La charge qui s’accumule à la surface du diélectrique a
une influence sur la nature de la décharge [5. 6].
Les décharges de surface, telles que celles qui se
produisent dans les isolateurs, les extrémités de
l’enroulement du stator des alternateurs, les
transformateurs à haute tension, sont néfastes pour ces
matériels. De façon générale, l’utilisation de l’air en
association avec un solide réduit la rigidité diélectrique
de l’isolation [7].
Beaucoup d’efforts ont été développés pour suivre le
comportement des décharges partielles, soit dans des
échantillons de résine époxy, ou directement dans
l’isolation des machines tournantes. Réf
A. Défauts dans l’isolation des machines électriques
La machine électrique occupe une place important dans
les applications industrielles. L’un des constituants les
plus critiques de ces machines et aussi l’une des
principales sources de leur défaillance est l’isolation de
leurs enroulements [8,9]. Plus de 30 % des défaillances
dans les machines électriques sont dues aux problèmes
liés à l’isolation [9].
Diverses contraintes peuvent être à l’origine de la rupture
de l’isolation, les principales sont, thermiques,
électriques, mécaniques et environnementales [10,11].
En outre, la classe d’isolation et les applications du
moteur ont une forte influence sur le vieillissement du
système d’isolation.
La contrainte électrique peut conduire à une rupture de
l’isolation pour différentes raisons : problèmes liés au
matériau diélectrique lui-même, aux tensions transitoires,
aux décharges partielles auxquelles la machine est
exposée.
Le type de matériau diélectrique qui est utilisé dans les
machines électriques, ainsi que la tension appliquée à ce
matériau influe d’une manière significative sur la durée
de vie de l’isolation. Donc les matériaux d’isolation
doivent être choisis d’une façon adéquate afin d’assurer
un bon fonctionnement et une durée de vie souhaitée.
L’effet couronne peut devenir un sérieux problème,
surtout dans le cas de bobinages qui fonctionnent dans
une plage supérieure à 5 kV [12]. Cet effet se manifeste
sous forme de décharges localisées qui est le résultat
d’une ionisation gazeuse transitoire dans un système
d’isolation ou la contrainte électrique a dépassé une
certaine valeur seuil.
9ème conférence de la Société Française d’Electrostatique, 27-29 août 2014, Toulouse, France.

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Fig.3. Schéma du dispositif expérimental pour la mesure du
courant efficace de décharge
La figure 1 présente plusieurs groupes de bobines qui
ont subi une surchauffe. Le mode de défaillance est un
court-circuit multiple de spire à spire.
Un moteur subit de fréquents démarrages et, en raison
des efforts électrodynamiques, des vibrations
mécaniques, l’isolant se détériore et u court-circuit entre
spires apparait. La bobine court-circuitée produit une
surchauffe excessive qui entraîne une détérioration de
l’isolation. Une chaleur de plus en plus intense sera
produite dans la zone affectée jusqu’à destruction de
l’isolement entre phases ou entre une phase et la terre.
Suite à ce défaut la fonctionnement de la machine se
trouve fortement perturbé.
II. MONTAGE EXPERIMENTAL
Le dispositif expérimental utilisé dans notre étude est
présenté dans [13]. Les décharges partielles sont
obtenues dans un faible intervalle d’air en série avec une
plaque de résine (Fig. 3).
Afin d’étudier le courant de décharge, nous avons utilisé
deux appareils de mesure : un oscilloscope à mémoire et
un ampèremètre. L’oscilloscope est branché aux bornes
d’une résistance R de 940 Ω, il offre l’avantage de
faciliter l’acquisition de signaux de fréquence élevée et
de les enregistrer. L’ampèremètre nous permet de
mesurer la valeur efficace du courant de décharge. Il est
branché en série dans le montage comme indiqué dans la
figure 3.
Le schéma du dispositif expérimental utilisé pour la
mesure des propriétés diélectriques est représenté sur la
figure 4. L’isolant solide est soumis à un champ
électrique entre deux électrodes planes auxquelles est
appliquée une tension alternative délivrée par un
transformateur d’essai de 100 kV, 10 kVA.
A. Préparation des échantillons de résine époxyde
Le matériau objet de cette étude est un polymère obtenu
à partir du mélange de deux produits liquides, une résine
époxyde et un durcisseur. Nous avons mélangé la résine
avec 50% de durcisseur. Un agitateur électrique est
utilisé pendant les premières minutes afin d’assurer une
homogénéité du mélange. Ensuite, le produit obtenu est
coulé dans un moule de 3mm d’épaisseur.
Après solidification complète du mélange (au bout de
deux jours), nous obtenons une plaque de forme
parallélépipédique de laquelle nous avons découpé des
échantillons carrés.
III. RÉSULTATS EXPERIMENTAUX ET
DISCUSSION
A. Le courant maximum de décharge
Le courant de décharge présente trois composantes
distinctes: le courant capacitif, le courant synchrone et le
courant impulsionnel. Dans cette partie de notre travail,
nous étudions le courant impulsionnel qui correspond
aux décharges partielles dans la couche d’air en série
avec l’échantillon de résine époxyde. En faisant varier la
tension appliquée et l’épaisseur de l’intervalle d’air, nous
enregistrons les impulsions positives et négatives de plus
grande amplitude. La figure.5 montre une impulsion de
courant positive.
Le spectre de fréquence complexe () pour une
impulsion de courant donnée non périodique () peut
être obtenu par l’intégrale de fourrier :
()=  ()exp()
()=exp( 
)
Fig.1. défaut multiple de spire
à spire
Fig.2. défaut entre deux phases
Plaque de résine
époxyde
d’épaisseur «e»
A
Solide isolant
Electrodes H.T.
Fig.4. Dispositif expérimental pour la mesure des
propriétés diélectrique

3
La charge apparente est donnée par :
=()
 =exp( 
)
 =
La figure 6 présente le courant maximum de décharge en
polarité positive et négative pour l’épaisseur de 3mm de
résine époxyde.
Nous remarquons que l’amplitude du courant augmente avec
la tension appliquée pour les deux polarités, cependant cette
augmentation est plus significative en polarité positive.
L’amplitude maximum des impulsions positives est
d’environ 10 fois supérieure à celle des impulsions
négatives.
Dans le cas où la pointe est négative, les électrons se
déplacent dans la direction du champ d’intensité
décroissante. Par conséquence, la vitesse de dérive et
l’efficacité d’ionisation diminuent en s’éloignant de la
pointe. Il est plus difficile pour une décharge électrique de se
propager à travers l’espace inter électrodes dans un champ
convergeant vers la cathode (pointe négative) que dans un
champ divergeant de l’anode (pointe positive). 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 [14].
La variation du courant de décharge en fonction de la
tension appliquée et pour différentes épaisseurs de la couche
d’air est donnée par la figure 7 en polarités positive.
L’amplitude maximale des impulsions positives du
courant croit avec la tension et diminue avec
l’augmentation de l’épaisseur de l’intervalle d’air, ce qui
est dû à l’augmentation de l’impédance de la couche
d’air [15].
B. Valeur efficace du courant de décharge
La valeur efficace d’un courant variable au cours du
temps correspond à la valeur d’un courant continu qui
produirait un échauffement dans une résistance, cette
valeur se calcule par :  =
.()
Dans cette section, nous allons suivre l’effet de la tension
d’alimentation sur le courant efficace de décharge
électrique, en considérant plusieurs intervalles d’air.
D’après les résultats de mesure présentés dans la figure8,
nous remarquons que la valeur efficace augmente avec la
tension appliquée. Cette valeur diminue quand
678910 11 12
0
5
10
15
20
25
30
Résine 3mm+ 2mm d'air
Courant maximum (mA)
Tension d'alimentation (kV)
Impulsion positive
Impulsion négative
Fig.6. Courant maximum de décharge en
fonction de la tension
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
résine époxyde de 3mm d'épaisseur
Valeur efficace du courant de décharges (mA)
Tension d'alimentation (kV)
g=5mm
g=4mm
g=3mm
g=2mm
g=1.5mm
Fig.8. Courant efficace en fonction de la tension
appliquée.
678910 11 12
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Impulsion positive
Courant (mA)
Tension (kV)
Résine g=5mm
g=4mm
g=3mm
g=2mm
Fig.7. Courant maximum de décharge en polarité
positive en fonction de la tension.
Fig.5. forme des impulsions positive

4
l’épaisseur de la couche d’air augmente. Ce courant
représente la quantité d’énergie active à laquelle est
soumise la surface du matériau.
C. Propriétés diélectriques:
Les figures 9, 10, 11, 12 et 13 montrent l’influence de la
fréquence et de la durée d’application de la tension
(temps de vieillissement) sur les paramètres diélectriques
(résistivité, permittivité relative et facteur de pertes) de la
résine époxyde. Les échantillons sont vieillis sous un
champ électrique de 3.33kV/mm.
La résistivité
On remarque que l’augmentation de la fréquence induit
une diminution dans les valeurs de la résistivité.
La résistivité est déduite de la mesure de la résistance à
l’aide d’une relation qui dépend de la fréquence :
R = 1
C 
=s
C e
Donc la résistivité diminue avec l’augmentation de la
fréquence.
La permittivité
Le facteur de perte
Les figures 10, 11, 12 et 13 montrent que les valeurs de
la permittivité réelle (εr’) et la permittivité imaginaire
(εr’’) qui représente physiquement le facteur de
dissipation (tangδ), diminuent avec l’augmentation de la
fréquence et la durée de vieillissement.
Cette diminution pourrait s’expliquer par le fait qu’en
faibles fréquences l’orientation des dipôles électriques
suit facilement la variation du champ électrique. Le
facteur de dissipation εr’’ tend à s’annuler. Avec
l’augmentation de la fréquence le facteur de dissipation
εr’’ augmente jusqu'à une valeur maximale. En hautes
02h 4h 6h 8h
0,05
0,06
0,07
0,08
Résine époxy
Facteur de pertes
Temps de vieillissement
500Hz
2000Hz
4000Hz
10000Hz
1000 10000
0,040
0,045
0,050
0,055
0,060
0,065
0,070
0,075
0,080
0,085 résine époxyde
facteur de pertes
fréquence [Hz]
vierge
vieilli 2h
vieilli 4h
vieilli 6h
vieilli 8h
Fig .9. Variation de la résistivité en fonction de la fréquence
1000 10000
3,5
3,6
3,7
3,8
3,9
4,0
4,1
4,2
résine époxyde
pérmitivité relative
fréquence [Hz]
vierge
vieilli 2h
vieilli 4h
vieilli 6h
vieilli 8h
Fig.11. Variation de la permittivité en fonction de
temps de vieillissement
Fig.13. Variation du facteur de pertes en fonction de temps de
vieillissement
02h 4h 6h 8h
3,6
3,9
4,2
Résine époxy
Permittivité
Temps de vieillissement (Heures)
500Hz
2000Hz
4000Hz
10000Hz
Fig.10. Variation de la permittivité en fonction de la
fréquence
Fig.12. Variation du facteur de pertes en fonction de la
fréquence

5
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
0
10
20
30
40
50
60
Transmittance (%)
Nombre d'onde (1/cm)
Résine époxy vieilli 8h
fréquences l’orientation des dipôles ne suit plus la
variation du champ électrique (ils restent immobiles) et
le facteur de dissipation tend vers zéro. En fréquences
intermédiaires, les dipôles suivent difficilement la
variation du champ électrique, ce qui donne des pertes
diélectriques élevées. Dans notre étude nous avons pu
varier la fréquence de 500 à 104 Hz, situant ainsi dans
une zone de basses fréquences par rapport au diagramme
de Cole-Cole [16].
Pour une valeur de fréquence donnée, la permittivité et
la résistivité diminuent avec l’augmentation de la durée
d’application de la contrainte électrique.
D. Diagramme de Cole-Cole
La permittivité complexe  dépend de la permittivité
relative  et de la fréquence f. La partie réelle  de la
permittivité complexe représente la permittivité relative.
La partie imaginaire  de la permittivité complexe
représente les pertes dues au champ alternatif [17].
Le diagramme de Cole-Cole montre la dépendance de la
permittivité complexe, donc la permittivité relative et du
facteur de perte, de la fréquence de la tension alternative
d’essai. Aussi ce diagramme peut montrer des
changements dans la structure du matériau et des
mécanismes de polarisation [17].
Les systèmes d’isolation ont une influence importante
sur la durée de vie des machines, et la dégradation de
l’isolation cause des changements significatifs des
paramètres électriques et non électriques des machines.
[18].
La figure 14 montre le diagramme de Cole-Cole d’un
échantillon vierge et d’échantillons vieillis de 2h à 8h.
On peut remarquer l’évolution du facteur de pertes avec
l’augmentation de la permittivité. Ceci dans la gamme de
fréquence allant de 500Hz à 10kHz, soit es basses
fréquences, utilisées dans les machines électriques. Pour
les échantillons de résine époxy vieillis sous contrainte
électrique, le facteur de pertes diélectriques est plus
élevé.
E. Topographie de la surface du solide isolant
La figure 15 montre les micrographies des échantillons
vierge et vieilli pendant 4 heures sous décharges
partielles. L’échantillon vierge présente une surface lisse
et homogène. Par contre, pour l’échantillon soumis aux
décharges couronne pendant 4h, nous pouvons observer
pour des profondeurs d’analyse correspondant à la
tension de 20 kV la topographie des zones ayant subi des
dégradations.
F. Analyses FTIR
La figure 16 montre les spectres des échantillons de la
résine en forme de films : un échantillon vierge et un
autre soumis aux décharges pendant 8 heures de temps.
3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 4,0 4,1 4,2
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
résine époxy
Facteur de pertes
Permittivité
Vierge
Vieilli 2H
Vieilli 4H
Vieilli 6H
Vieilli 8H
Fig.14. Variation du facteur de pertes en fonction de la
permittivité
Fig .15. Micrographie MEB d’échantillons de résine époxy
a) vierge et b) vieilli sous décharges partielles durant 4h
a
b
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
0
20
40
60
80
4
3
2
1
Transmittance (%)
Nombre d'onde (cm
-1
)
résine époxy vierge
Fig.16. Spectre FTIR de résine époxyde vierge et vieilli
pendant 8 heures.