Interfaces + Outdoor Insulation (in French)

1. 1
HAUTE TENSION
Production, Métrologie et
Applications
Dr Mohammed El Amine SLAMA
Maître de conférences
Université des Sciences et de la Technologie d’Oran
Mohamed Boudiaf
Faculté de Génie Electrique
Département d’électrotechnique

2. 2
Chapitre 6
Les interfaces. Contournement. Isolateurs.
1. Les interfaces. Contournement.
2. Interfaces solides/liquides.
3. Interfaces solides/gaz.
4. Interfaces polluées. Isolateurs.

3. 3
6.1 Les interfaces. Contournement
Par interface, nous désignerons la réunion d’au moins deux diélectriques de
permittivité et de conductivité différente. On parle dans ce cas d’isolation
composite ou mixte (gaz/solide – vide/solide – liquide/solide).
Pourquoi les utilisés ?
C’est un moyen d’isolement efficace de plusieurs point de vue :
• diélectrique;
• mécanique;
• physico-chimique.
Cependant, le comportement de ces systèmes d’isolation est différent en
présence d’une décharge électrique.
L’interface devient un point faible qui voit l’apparition de DP qui vont s’allonger
jusqu’à provoquer le contournement.

4. 4
6.1 Les interfaces. Contournement (suite)

5. 5
1. Interfaces solides/liquides
D’un autre côté, il est toujours nécessaire, pour maintenir à
distance des pièces sous tension, d’utiliser un solide isolant
(entretoise, cale). L’interface solide/ fluide constitue un point
faible de l’isolation, le long duquel le claquage est facilité,
comme le montre la pratique industrielle. Le point triple Pt
,où trois matériaux (métal/isolant solide/fluide) sont en
présence a été reconnu comme l’endroit critique où se
déclenche les DP.
Le claquage est contrôlé par des streamers qui se
propagent à l’interface liquide/solide. L’allure des streamers
de surface est semblable à celle observée dans le liquide
seul, leur comportement dépendant de la nature du solide et
de celle du liquide.
Dans la pratique des isolations HT, les liquides sont utilisés presque exclusivement
en association avec des solides isolants (condensateurs imprégnés,
transformateurs, etc.).
L’isolation doit absolument être dénuée d’inclusions gazeuses, dans lesquelles les
DP sont susceptibles d’apparaître, entraînant la dégradation puis le claquage de
l’isolation.

6. 6

7. 7
Comme pour les streamers en volume, le courant associé aux streamer en surface
est constitué d’impulsions plus moins denses selon la polarité de la pointe.

8. 8
En polarité positive, les courants mesurés comportent une composante continue sur
laquelle se superposent des impulsions très brèves. La composante continue
s’annule au bout d’un certain temps (qlq microsecondes). La même remarque est à
faire pour la polarité négative.
Les courants sont constitués d’impulsions très courtes et les charges varient par
paliers, ce qui est significatif d’une propagation par sauts des décharges glissantes.

9. 9
Par interface, nous désignerons la réunion d’au moins deux diélectriques de
permittivité et de conductivité différente. On parle dans ce cas d’isolation composite ou
mixte (gaz/solide – vide/solide – liquide/solide).
Du point de vue rigidité diélectrique, l’interface est un point faible qui voit l’apparition
de décharges qui vont s’allonger jusqu’à provoquer le contournement (claquage).
Lf
Lc
La ligne de fuite (Lf) est la distance la
plus courte le long de la surface d'un
isolant entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement (Lc) est la
distance la plus courte dans un gaz
entre deux parties conductrices.
Le facteur de forme FF est un
paramètre qui rends compte de la
variation du rapport de la ligne de fuite
géométrique et du diamètre
géométrique.
2. Interfaces solide/gaz

10. Cs
Cv
Au début, des décharges couronnes apparaissent et dépendent de la capacité équivalente du
système :
inception a
A
U
C

La seconde étape voit l’apparition de streamers : streamer b
B
U
C

Les streamers peuvent se propager puis reculer (réversibilité du phénomène) ou court-circuiter
tout l’isolant lorsqu’ils atteignent une longueur critique; c’est le contournement.
fov d
D
U
C

• C est la capacité équivalente,
• les constantes A, B, D, a, b et d sont liées à la géométrie de l’isolateur, à la nature de la
décharge et aux conditions expérimentales (gaz, pression, température, humidité, forme des
électrodes, tension, etc.)
2 5 4
max
du
l k C U
dt
    D’après Toepler

11. 2
10
inceptionU
C


4
0,44
1,36.10
streamerU
C


2 5 4
max
du
l k C U
dt
   
En présence des streamers, il suffit de
quelque centaines de volts pour faire une
transition vers le contournement.
Corona Streamers
Streamers
Leader

12. Les principales approches proposées pour expliquer l’apparition précoce d’une
décharge au niveau d’une interface gaz/solide sont :
• la distorsion du champ électrique;
• la modification des coefficients d'ionisation et d'attachement;
• l’accumulation de charges surfaciques;
La combinaison de ces mécanismes contribue considérablement à la diminution
de la rigidité diélectrique de l’interface gaz/isolant.
A l’heure actuelle, aucun critère de propagation des décharges surfaciques qui
prend en compte les différentes interactions n’a été proposé.

13. 13
L’étude des phénomènes de décharges surfaciques sur un isolateur en présence de
gaz (ou mélange) est d’une importance capitale pour la conception et le
dimensionnement des composants et systèmes électro-énergétiques.
Les mécanismes de décharge surfacique sont très complexes. Ils dépendent de
plusieurs paramètres comme les propriétés physiques et géométriques du solide, le
type de gaz (ou mélange) et sa pression, la géométrie des électrodes ainsi que la
forme, la polarité et l’amplitude de la tension appliquée.
Parmi les mécanismes proposés pour le contournement des surfaces propres, on
peut citer :
• la distorsion du champ électrique local due a l'effet de la permittivité du diélectrique,
• l’amplification des taux d'ionisation et d'attachement dans l'interface gaz/surface due
à la contribution de la surface,
• et l'accumulation de charges surfaciques due aux effets des électrodes et à
l'inhomogénéité du diélectrique.
Ces mécanismes peuvent affecter de façon très significative le développement de la
décharge et ainsi participer largement a la diminution de la rigidité diélectrique de
l'espace entre les électrodes.

14. 14
Distorsion du champ électrique local
La génération d'une décharge glissante à la surface d’un diélectrique solide en
présence de gaz (interface gaz/solide) dépend de la condition essentielle de
l'existence d'une composante tangentielle du champ électrique à la surface du
diélectrique.
Les simulations faites par plusieurs auteurs sur des intervalles électrode en contact
ou à proximité d’un isolant montrent que les lignes de champ électrique sont
déformées et se dirigent vers la surface de l’isolant solide tout en accentuant le
champ aux alentours de l'électrode HT.

15. 15
Amplification des taux d'ionisation et d'attachement dans l'interface
L’initiation et la propagation des streamers en présence d’une surface diélectrique,
comme dans le cas de l’air, seront fortement contrôlées par les coefficients
d’attachement et d’ionisation. Seulement ceux-ci seront grandement affectés par la
présence de cette surface. En effet, une surface diélectrique modifie les coefficients
d’ionisation et d’attachement de deux façons d’après Gallimberti et al :
- Elle émet des électrons par l’effet du bombardement des photons. Ceci contribue à
fournir davantage d’électrons déclencheurs d’avalanches et à favoriser davantage
d’ionisations collisionnelles par augmentation de la quantité d’électrons présents dans
le processus de la décharge.
- Elle peut attacher les électrons par des pièges et les ions positifs par attraction
électrostatique causant ainsi davantage d’attachement en plus de celui déjà induit par
le gaz de remplissage de l’intervalle inter électrodes.

16. 16
Accumulation de charges surfaciques
Des connaissances actuelles, on peut distinguer trois mécanismes pouvant
conduire à l’accumulation de charge à la surface d’un isolant solide: (1) le
transport via le gaz de remplissage, (2) la conduction surfacique et (3) la
conduction à l'intérieur du diélectrique.
Le mécanisme (1) suggère que les charges produites autour d'une électrode
diffusent dans le gaz de remplissage à travers des lignes de champ pour
s'accumuler vers le centre de la surface du diélectrique. Quant au second (2), il
préconise la circulation de charges à la surface du solide par l'effet du courant de
fuite, alors que le troisième (3) est basé sur la migration vers l'extérieur de la
surface du solide de charges produites à l'intérieur du diélectrique. Plusieurs
travaux ont révélé que le mécanisme (1) était le plus conséquent. Cependant cela
ne signifie pas que les deux autres ne peuvent pas être très efficaces si les
conditions leur donnant naissance (caractéristique du champ appliqué,
inhomogénéité du diélectrique) sont accentuées.

17. 17
Dans le cas de surface isolantes polluées, la tension de contournement est
inversement proportionnelle au degré de pollution.
3 Pollution et isolation externe

18. 18
Centrale de production
Poste élévateur
Lignes de transportPoste d’interconnexion et de
répartition
Réseaux de répartition
HTA
Réseaux de distribution
HTB

19. 19
La chronologie du processus qui mène au contournement est constituée
essentiellement de quatre grandes phases ;
1. dépôt d'une couche solide constituée de sels et de matériaux insolubles,
sauf dans le cas d’une pollution marine où la pollution est sous la forme
d’embruns marins,
2. humidification de la couche de pollution et circulation d'un courant dû à la
dissolution des sels contenus dans le dépôt,
3. apparition de bandes sèches dues à l'échauffement par effet Joules
provoqué par la circulation du courant ce qui aura pour conséquence
l'amorçage de décharges locales,
4. élongation des décharges jusqu'à court-circuiter l'isolateur.

21. 21

22. 22
A. Modèle électrique
. . ( ).n
app A K pU V V V X N I r L X I
     
Les paramètres N et n sont des constantes caractéristiques de la décharge.
Dépendent de la nature du milieu où brûle la décharge et varient selon les auteurs et
les conditions expérimentales.
Vapp=VA-VB
A
B
Vd (x)
Canal de décharge Pollution
Vp(x)
X L-X
I

23. B. Conditions critiques
C. Critères
 Plusieurs critères existent (Hampton, Wilkins, etc.).
 Critère de Dhahbi, Beroual et Krahenbul
2
0
eqd Z
dX

. . ( ).n
pV X N I r L X I
  

24. 24

25. D. Paramètres d’influence
Polarité
DC LI
Vc(-)< Vc(+) Vc(-)< Vc(+)
Constitution chimique de la pollution
Vc change en fonction de la nature chimique de la pollution et la quantité de
matières insolubles.
Paramètres géométriques et environnementales
 forme de l’isolateur et disposition;
 humidification et nature chimique du polluant;
 forme de la tension appliquée;
 etc.

26. 26
G. Contournement par pollution sous tension alternative
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
-15
-10
-5
0
5
10
15
Courant[A]
Tension[kV] Temps t [ s ]
-2
-1
0
1
2
___ Tension
___ Courant

27. 27
Niveau et taux
de pollution
Description de l’environnement
faible
0.06 mg/cm²
zones sans industries et avec faible densité d’habitations équipées
d’installations de chauffage.
zones avec faible densité d’industries ou d’habitations mais soumises
fréquemment aux vents et/ou pluies.
régions agricoles, régions montagneuses.
moyen
0.20 mg/cm²
zones avec industries ne produisant pas de fumées particulièrement
polluantes et/ou avec une densité moyenne d’habitations équipées
d’installation de chauffage.
 zones à forte densité d’habitations et/ou d’industries mais soumises
fréquemment aux vents et/ou à des chutes de pluies.
zones exposées au vent de mer, mais pas trop proches de la côte.
fort
0.60 mg/cm²
zones avec forte densité d’industries et banlieues de grandes villes avec
forte densité d’installation de chauffage polluantes
zones situées près de la mer, ou exposées à des vents relativement forts
venant de la mer.
très fort
> 0.60 mg/cm²
zones généralement peu étendues, soumises à des poussières conductrices
et à des fumées industrielles produisant des dépôts conducteurs
particulièrement épais.
zones généralement peu étendues, très proches de la côte et exposées aux
embruns, aux vents marins très forts et polluants.
zones désertiques caractérisées par de longues périodes sans pluie,
exposées aux vents forts transportant du sable et du sel et soumises à une
condensation régulière.
I. Pollution

28. 28
NOCIVITE DE LA POLLUTION
-Quantité de la pollution
-Constitution de la pollution
-Composition de la pollution
-Humidification de la couche
•Site
•Isolateur
•Facteurs
climatiques
NOCIVITE DE LA POLLUTION
TENSION
FOV
I. Pollution (suite)

29. 29
Type de pollution
• Pollution naturelle
- Pollution marine
- Pollution désertique
- Poussières du sol et zones agricoles
• La pollution industrielle
• La pollution mixte
Mesure de la pollution
• Méthode de la densité du dépôt de sel équivalent (D.D.S.E).
• Méthode de la conductance superficielle.
• Méthode de courant de fuite :
I. Pollution (suite)

30. 30
I. Pollution (suite)

31. 31
Des méthodes d’essais sous pollution artificielles ont été proposées en vue de
reproduire les conditions environnementales auxquelles sont soumis les isolateurs.
Deux méthodes sont proposées suivant les normes CEI et ANSI/IEEE : la méthode
du brouillard salin où une solution saline pure (NaCl + H2O) est pulvérisée sur
l’isolateur et la méthode de la couche solide où la pollution est constituée d’une
couche solide préparée à base de sel (NaCl) et des matières insolubles inerte que
l’on humidifie progressivement par pulvérisation ou par condensation.
A l'aide de ces techniques d'essais, il est possible de déterminer soit :
• la sévérité maximale qu'un isolateur peut supporter sans contourner sous une
tension donnée,
• la tension maximale qu'un isolateur peut tenir sans contourner pour une sévérité
donnée,
• la tension (ou la sévérité) correspondant à une probabilité de 50% d'amorçage
pour un niveau de sévérité donné (ou de tension donnée).
La procédure d'essai permet de dresser un catalogue complet des caractéristiques
tension/sévérité des isolateurs.
I. Pollution (suite)

32. 32
J. Les isolateurs synthétiques

33. 33
J. Les isolateurs synthétiques

34. J. Les isolateurs synthétiques

35. J. Les isolateurs synthétiques

36. J. Les isolateurs synthétiques

37. 37
J. Les isolateurs synthétiques