thèse - thesesups - Université Paul Sabatier

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
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-4-
Table des matières
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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
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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
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___________________________________________________________________________
10
Introduction générale
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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-
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11
Introduction générale
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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.
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13
Introduction générale
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14
Chapitre I :
ENVOL DE LA PUISSANCE
ELECTRIQUE EMBARQUEE
I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée
___________________________________________________________________________
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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.
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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 ».
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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].
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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
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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.
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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
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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.
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23
I- Envol de la Puissance Electrique Embarquée
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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
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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
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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
___________________________________________________________________________
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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 :
___________________________________________________________________________
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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
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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.
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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].
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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
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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.
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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
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36
Chapitre II :
PHENOMENOLOGIE & MESURES
DES DECHARGES PARTIELLES
II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles
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___________________________________________________________________________
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
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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.
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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
___________________________________________________________________________
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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].
___________________________________________________________________________
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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
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138
___________________________________________________________________________
Annexes
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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
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