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1
HAUTE TENSION
Production, Métrologie et
Applications
Dr Mohammed El Amine SLAMA
Université des Sciences et de la Technologie d’Oran
Mohamed Boudiaf
Faculté de Génie Electrique
Département d’électrotechnique
2
Chapitre 4. Claquage des liquides
1. Les différents types de liquides.
2. La formation des streamers dans les liquides.
3. Les mécanismes de claquage dans les liquides.
4. Principaux facteurs influençant le claquage des liquides.
3
4.1 Les différents types de liquides.
Les liquides isolants sont utilisés comme imprégnant d’isolations solides ou comme
produits de remplissage de matériels électriques très divers : transformateurs (de
puissance, de distribution, de traction, de four, de mesure...), réactances,
condensateurs, câbles, traversées, disjoncteurs, changeurs de prise, etc.
Leur rôle principal est d’éliminer l’air et les autres gaz de façon à améliorer la
tenue diélectrique de l’isolation. Cependant, dans beaucoup d’applications, ils
servent à la fois à améliorer les propriétés diélectriques et à évacuer la chaleur
d’un assemblage, comme dans le cas des transformateurs, par exemple.
Les liquides sont également utilisés pour leur pouvoir extincteur d’arcs
électriques (dans les chambres de coupure des commutateurs en charge et de
certains disjoncteurs), en raison de leur pouvoir lubrifiant pour les matériels
renfermant des pièces en mouvement (sélecteurs de prises, pompes immergées)
et, dans certains cas, pour améliorer la résistance au feu (transformateurs de
distribution).
Cependant, l’utilisation de liquides peut présenter des dangers, liés à leur toxicité
ou à celle de leurs produits de dégradation, vis-à-vis des personnes
(particulièrement en cas de feu) et vis-à-vis de l’environnement (en cas de fuite).
4
4.1 Les différents types de liquides (suite).
Les huiles minérales sont des produits « naturels » obtenus directement par
raffinage de bruts pétroliers. Leur composition chimique est extrêmement
compliquée (plusieurs milliers de molécules différentes) et peut varier dans de
larges proportions.
5
Les liquides de synthèse ont, au contraire, une composition simple, bien
définie. Leurs propriétés sont donc constantes. Ils ont la particularité d’améliorer
la résistance au feu (transformateurs) ou lorsque l’on recherche une meilleure
stabilité thermique et de grandes performances diélectriques. Il existe quatre
types principaux de liquides de synthèse :
— les hydrocarbures aromatiques ;
— les hydrocarbures aliphatiques telles les polyoléfines ;
— les esters (phtalates, esters de pentaérythritol) ;
— les silicones.
4.1 Les différents types de liquides (suite).
6
Les huiles végétales sont également des produits « naturels ». Leur composition
est plus simple (quelques dizaines de produits), mais elle peut également varier
dans de larges proportions.
Elles sont en général peu toxiques et biodégradables. Ces qualités sont dues
notamment à une faible résistance à l’oxydation et à l’hydrolyse. Ces deux
caractéristiques, qui sont favorables pour l’aspect éco-toxicologique, représentent
un inconvénient important pour les applications électrotechniques. Par ailleurs, leur
tenue diélectrique n’est pas très élevée.
4.1 Les différents types de liquides (suite).
7
4.1 Les différents types de liquides (suite).
8
4.1 Les différents types de liquides (suite).
9
Avant le claquage, où se développe l’arc, il existe une période de pré-disruptive
dans laquelle on voit l’apparition et le développement de petites décharges
appelées « streamers ». Cette période comprend elle-même deux phases :
• une phase de génération correspondant à l’apparition d’une perturbation (de
quelques mm de diamètre) caractérisée par un indice de réfraction différent de
celui du liquide environnant, au voisinage de l’électrode acérée. L’instabilité à la
surface de cette perturbation conduit à la génération de structures plus ou moins
ramifiées : le streamer. L’origine de cette génération est due à l’injection et
multiplication localisées de charges dans le liquide;
• une phase de propagation de la perturbation précédemment créée (le streamer).
4.2 Formation des streamers dans les liquides.
10
4.2 Formation des streamers dans les liquides (suite).
4.2.1 Phase de génération : génération d’un bulle de gaz
La perturbation observée dans la phase de génération est une bulle de gaz
résultant d’un échauffement local du liquide. Sa génération suit les premières
impulsions de courants enregistrés lorsque la tension est augmentée
progressivement. Chaque impulsion de courant résulterait d’une avalanche
électronique en phase liquide.
11
Il se dégage des théories existantes, deux conceptions différentes. La première est
basée sur le phénomène d'ionisation en avalanche dans le liquide (comme dans les
gaz) donnant lieu à une phase gazeuse ionisée. Par contre, la deuxième est basée
sur le phénomène d'ionisation en avalanche dans les bulles de gaz résultant d'une
vaporisation locale du liquide.
4.2.1 Phase de génération : génération d’un bulle de gaz (suite)
KATTAN et al. ont observé juste après un premier pic de courant, la formation
d'une première bulle gazeuse, qui pour eux est la conséquence d'une avalanche
électronique dans le liquide suivie d'une vaporisation. Ils établissent une relation
entre l'énergie injectée W, la pression P appliquée au liquide et le rayon maximum
Rm, de la bulle générée par :
avec
où R est la constante des gaz parfaits, Tb la température de vaporisation du liquide
et ΔUint l'énergie nécessaire à vaporiser localement le liquide.
Ils estiment que dans la phase gazeuse de la première bulle, les électrons peuvent
être accélérés sous l'action du champ électrique et acquérir une énergie importante
afin d'y favoriser les décharges et conduire à la formation de bulles successives.
12
4.2.1 Phase de génération : génération d’un bulle de gaz (suite)
WATSON et SHARBAUGH considèrent que le claquage est dû à des phénomènes
d'ionisation en avalanche dans une bulle qui résulterait de la vaporisation d'une
masse m de diélectrique liquide aux voisinages d'aspérités cathodiques où
l'énergie ΔH nécessaire à la vaporisation est :
avec Cp, Lv, To et Tb respectivement la chaleur spécifique, la chaleur latente de
vaporisation, la température ambiante et la température d'ébullition.
Ils ont aussi établi une relation reliant le champ E et l'énergie H en supposant le
courant limité par charge :
avec acste une constante, τs le temps de séjour du liquide dans la région de champ
important.
13
4.2.1 Phase de génération : génération d’un bulle de gaz (suite)
L'étude de la dynamique d’expansion de la bulle est un problème complexe du fait
de la présence de l’onde de choc qui comprime et met en mouvement le liquide
derrière elle, ce qui induit une modification du champ de pression à l’interface.
En ce qui concerne la phase d’implosion qui lui fait suite, sa dynamique dépend
pour beaucoup des caractéristiques du liquide (viscosité en particulier) et de
l’énergie injectée. De plus, la bulle perd une grande partie de son énergie sous la
forme d'une émission d'une onde de pression à la fin de chaque phase d'implosion,
lorsque son volume est minimal.
Quelle que soit la pression appliquée, la durée des rebonds (cycle
expansion/implosion) d’une bulle augmente avec la température du liquide.
La plupart des théories relatives à la dynamique des bulles générées dans les
diélectriques liquides sont inspirées de la théorie de RAYLEIGH. Cette théorie est
basée sur une dynamique contrôlée par l'inertie du liquide environnant la bulle. Elle
ne fait donc pas intervenir l'action du champ électrique. Plusieurs autres théories
ont introduit cet effet en considérant des configurations plan-plan et pointe-plan.
où R, p et P∞ désignent respectivement
le rayon de la bulle, la masse volumique
du liquide et sa pression à l'infini.
14
4.2.2 Transition bulle-streamer
4.2 Formation des streamers dans les liquides (suite).
Lorsque la tension appliquée augmente bien au-delà de la tension seuil, le nombre et
l’amplitude des impulsions de courant augmentent avec la tension. Chaque impulsion
de courant correspond à une décharge dans la bulle initiale et entraîne la création
d’une quantité supplémentaire de gaz, le contour de la bulle se déforme et son
volume augmente, c’est la phase de propagation.
A. Larson et M. Bengtsson ont démontré qu’après formation de la bulle gazeuse, les
décharges partielles qui s’y développent, provoquent une augmentation de la
pression conduisant ainsi au développement de la cavité.
Aka et Beroual ont montré que selon les conditions expérimentales, différents modes
de déformation de l’interface de la bulle peuvent apparaître et selon ces modes,
différents types de streamers (buissons, pagodes, filamentaires …) peuvent prendre
naissance. L’apparition de ces modes dépend énormément des champs locaux aux
différents sites de l’interface.
15
4.2.2 Transition bulle-streamer (suite)
16
4.2.2 Propagation et aspect des streamer
4.2 Formation des streamers dans les liquides (suite).
a. Mécanisme de formation des streamers et leurs caractéristiques
Beroual a montré que les mécanismes gazeux (où la bulle sert de détonateur) et
électronique ne peuvent agir singulièrement : la nature physique des streamers est
gazeuse et les processus électronique sont aussi présents.
Les streamers sont caractérisés par leur forme et leur vitesse. Ils sont
accompagnés de courants, d’émission lumineuse et d’ondes de chocs. Ces
caractéristiques dépendent :
• de la composition chimique et des propriétés physiques du liquide (pur ou
contenant de faibles concentrations d’additifs spécifiques),
• de la pression et de la température,
• de la géométrie des électrodes, de l’amplitude, de la polarité, et de la forme de la
tension,
• des contaminants de l’air, de l’humidité,
• des particules et autres traces d’impuretés présentes.
17
a. Mécanisme de formation des streamers et leurs caractéristiques (suite)
Les formes arborescentes des streamers sont généralement classées :
• en lents et ‘‘buissonneux’’ pour les streamers émanant de l’électrode négative;
• ou rapides et ‘‘filamentaires’’ avec un diamètre typique des filaments de l’ordre de
10 mm pour les streamers émanant de l’électrode positive.
Les streamers positifs sont souvent plus rapides que les streamers négatifs (environ
10 fois plus), à l’exception de l’huile de transformateur où les vitesses des streamers
positifs et négatifs sont du même ordre. Cependant, il a montré que dans les liquides
contenant un halogène dans leur molécule, les streamers négatifs peuvent être
également filamentaires est très rapides.
Notons que certains auteurs classent les streamers positifs en plusieurs modes
selon leurs vitesses de propagation ; ils distinguent généralement trois modes
consécutifs: 1er, 2ème et 3ème modes de propagation. D’autres auteurs considèrent 4
modes.
18
a. Mécanisme de formation des streamers et leurs caractéristiques (suite)
• L’indice optique du streamer diffère de celui du liquide (il est inférieur).
• Le streamer progresse en se ramifiant plus ou moins (figure 3) ; sa vitesse est
très variable (0,1 à 100 km/s) selon le liquide, la géométrie des électrodes, la
tension appliquée ; le diamètre des branches est compris entre quelques
micromètres et quelques dizaines de micromètres.
• Quelle que soit la polarité, les streamers de faible vitesse (> 0,5 km/s) ont une
forme touffue de buisson (bush-like) et plus la vitesse est grande, plus l’aspect est
filamentaire.
• La vitesse présente, en fonction de la distance, entre pointe et plan, un minimum
plus ou moins marqué, ou est pratiquement constante.
• La vitesse croît, en règle générale, avec la tension appliquée, mais en est
quelquefois quasiment indépendante, comme c’est le cas pour l’huile minérale, à
l’exception des fortes surtensions.
• Le streamer stoppe à une certaine distance (distance d’arrêt) si l’amplitude ou la
durée d’application de la tension sont insuffisantes, et les canaux se scindent en
microbulles de gaz ; une pression hydrostatique de quelques bars suffit à limiter le
développement des streamers lents, l’effet est bien moindre sur les streamers
filamentaires.
• Pour un même liquide, les vitesses des streamers positifs sont supérieures à
celles des streamers négatifs, et les distances d’arrêt plus longues, ce qui les rend
plus dangereux, raison pour laquelle ils ont été étudiés de façon bien plus
approfondie.
19
a. Mécanisme de formation des streamers et leurs caractéristiques (suite)
Les streamers produisent les effets suivants :
• Les streamers émettent de la lumière.
• Les streamers engendrent un courant généralement constitué de pics brefs,
irréguliers, très intenses aux grandes distances (> 1 Å), superposés à une faible
composante continue ; lumière émise et courant ont des allures semblables.
• Les streamers rapides sont le siège de processus très énergétiques : des produits
de décomposition (gazeux) sont formés et des ondes de choc sont associées à la
propagation.
20
a. Mécanisme de formation des streamers et leurs caractéristiques (suite)
21
a. Mécanisme de formation des streamers et leurs caractéristiques (suite)
22
4.3 Les mécanismes de claquage dans les liquides.
L'état général des connaissances sur le claquage électrique des diélectriques
liquides est moins avancé que dans le cas de gaz ou solides. La raison principale
pour cette situation est la grande variétés des liquides utilisés ainsi que des additifs
qui leur sont joint.
Les plus importants travaux publiées sur le sujet ont été données par Lewis,
Sharbaugh et Watson, par Swann et par Beroual. Leur travail fait sortir deux écoles
de pensée très distinctes. Notons que Beroual a montré que les deux pensées sont
complémentaires.
Ainsi, les principaux mécanismes peuvent être présentés en ce qui concerne le
claquage des diélectriques liquides:
1- mécanisme électronique,
2- mécanisme avec phase gazeuse.
En plus de ces mécanismes, le claquage peut être dû à la présence d'impuretés de
diverses natures, en suspension dans le diélectrique liquide. On parle dans ce cas
de mécanisme de claquage par pont. Ce dernier mécanisme est le plus proche de
celui concernant les huiles de transformateur. Ces dernières sont soumises à
différentes contraintes en exploitation, plus particulièrement au vieillissement
électrique et au vieillissement thermique en présence d'impuretés de différentes
natures. Ajoutons à cela, les phénomènes EHD et d’électrisation.
23
4.3 Les mécanismes de claquage dans les liquides.
4.3.1 Claquage Electronique
Il a été constaté dans le Xénon et l'Argon liquides, que le courant croit de manière
exponentielle lorsque la tension appliquée augmente. Cela a été interprété comme
le résultat d'un processus d'avalanche. Le courant cathodique tient son origine des
mécanismes d’émission par effet de champ et d’émission thermo-électronique.
D'après Von Hippel, la condition limite d'apparition d'une ionisation électronique des
particules du liquide est donnée par : e.E.  = C.h.µ
où E est le champ appliqué,  le libre parcourt moyen de l’électron, hµ est le quantum
d'énergie perdu par ionisation de la molécule, C est une constante arbitraire.
D’après Lewis, dans les hydrocarbures liquides, l'électron fournit son énergie
principalement dans les processus d'excitation, lors des vibrations des liaisons
chimiques C-H. La rigidité diélectrique ER, peut être formulée par:
C H
R i i
C h µ
E N n q
e
 
  
où h est la constante de Planck, µC-H est fréquence de vibration des liaisons C-H, N
est le nombre de particules par unité de volume, ni est nombre de groupes (CH,
CH2, CH3) dont la section efficace correspond à la collision avec un électron de
charge qi.
24
4.3.1 Claquage Electronique (suite)
D'après Adamczewski, les pertes d'énergie des électrons sont essentiellement liées
aux processus d'excitation lors des vibrations des liaisons C-C. La rigidité
diélectrique est donnée par:
 1C C
R
h µ
E d l n N A
e M

     
où µC-Cest la fréquence de vibration des liaisons chimiques C-C, d est la distance
moyenne entre les axes des molécules, l est la longueur de la projection des
liaisons C-C sur l'axe des molécules, n est le nombre d'atomes de carbone dans la
molécule, δ est la densité du liquide, M sa masse moléculaire et A le nombre
d'Avogadro.
Les théories de Lewis et d'Adamczewski peuvent expliquer la variation expérimentale
de la rigidité diélectrique impulsionnelle des hydrocarbures liquides très purs, en
fonction de leurs propriétés physiques et chimiques.
Cependant, la théorie électronique est moins satisfaisante quand elle est utilisée pour
prévoir les temps de retard de claquage. Les temps de retard formatifs observés dans
les liquides isolants sont beaucoup plus longs que ce qui est prévu par la théorie
électronique.
25
4.3 Les mécanismes de claquage dans les liquides (suite).
4.3.2 Claquage en phase gazeuse
Dans les liquides ultra-purs, et en géométrie pointe-plan, sous tension continue, il
a été observé, qu'à partir d'un certain seuil de tension, des bulles gazeuses se
forment au voisinage de la pointe, puis sont violemment chassées vers le plan.
Cette phase gazeuse résulterait soit de la vaporisation et de la nucléation des
bulles, soit de la cavitation. La phase de génération des bulles a été traitée dans le
sous-chapitre 4.2.1.
Un modèle plus élaboré et tenant compte du régime transitoire a été proposé par
Kao. D'après cet auteur, si la densité de courant est suffisante pour ramener la
température du liquide à son point d'ébullition, il y a claquage.
Une fois que la bulle est formée le claquage est le résultat de la bulle en croissance
à une taille critique ou par son allongement total de l’intervalle. Dans l'un ou l'autre
cas la décharge suit la faible rigidité diélectrique de vapeur.
Watson et Sharbaugh ont établi un critère de claquage vérifié dans les n-alcanes,
en identifiant les deux énergies ci-dessus (ΔH=H) :
a. Mécanisme thermique
26
b. Claquage par cavitation
4.3 Les mécanismes de claquage dans les liquides (suite).
Les expériences ont montré une forte influence de la pression hydrostatique sur le
champ disruptif d’un liquide isolant, indiquant qu'un changement de phase peut être
impliqué dans l’état critique du développement de claquage.
Si un liquide est chauffé à pression constante (ébullition), ou s'il est soumis à une
dépression à température constante (cavitation), il apparaît des bulles ou cavités de
vapeur ou de mélange de vapeur et de gaz. La cavitation désigne toute la séquence
de formation, d'expansion et de disparition de la cavité. Elle peut se produire dans le
liquide ou sur les parois. Kao a proposé un mécanisme de claquage par bulles. La
bulle est supposée être formée par un des procédés suivants:
(i) des poches de gaz sur la surface des électrodes;
(ii) répulsion électrostatique des charges d'espace qui peuvent être suffisantes à
créer une tension de surface;
(iii) dissociation de produits par collisions des électrons donnant une augmentation
de produits gazeux;
(iv) vaporisation du liquide par des décharges de type couronne produits par les
points et irrégularités sur les électrodes.
27
b. Claquage par cavitation (suite)
Une fois que la bulle est formée, elle tendra à s’allonger dans la direction de E de telle
sorte à minimiser son énergie potentielle dans le champ. Pour obtenir le critère de
claquage, Kao a supposé que le volume de la bulle reste constant pendant son
allongement et le claquage survient quand la chute de tension le long de la bulle
atteint la valeur minimale sur la courbe de Paschen pour un gaz donné dans la bulle.
L'expression du champ électrique distruptif dans la bulle est de la forme:
où  est la tension de surface du liquide, 1 et 2 sont
respectivement les permittivités du liquide et de la
bulle, r est le rayon initial de la bulle, Vb la chute de
tension dans la bulle. Cette expression indique que le
champ électrique critique nécessaire pour le claquage
de liquide dépend de la taille initiale de la bulle, qui est
affectée par la température et la pression extérieure.
L'accord n'est pas très correct et la théorie omet de
prendre en compte la production de la bulle initiale.
D’autres auteurs ont proposé des critères plus
élaborés qui tiennent compte des cet aspect.
28
4.3.2 Claquage en phase gazeuse (suite)
29
4.3 Les mécanismes de claquage dans les liquides (suite).
4.3.3 Claquage par pont de particules
Dans les isolants liquides utilisés en technique, peuvent apparaître, en suspension,
des impuretés de différentes natures ( bulles de gaz, gouttelettes d'eau, particules
solides isolantes ou conductrices). La présence d'impuretés conduit au
renforcement local du champ électrique. La déformation du champ dépend de
plusieurs paramètres comme: forme et dimensions des impuretés - intervalle et
forme des électrodes - permittivité et conductivité des impuretés - concentration
des impuretés entre les électrodes - valeur des charges libres existant à la surface
des particules.
Le champ local Elocal est généralement déterminé en attribuant aux impuretés des
géométries simples (sphères, ellipsoïde).
L'élévation du champ peut conduire à des claquages partiels dans le liquide, dans
le cas des impuretés solides conductrices. Dans le cas des impuretés solides
isolantes, celles-ci se polarisent dans le champ électrique et tendent à se déplacer
vers les zones où le champ est le plus intense (εimpuretés/solides > εliquide).
Si on considère des particules sphériques polarisées, de permittivité εp, la force
agissant sur une particule serait:
30
4.3.3 Claquage par pont de particules (suite)
31
4.3.3 Claquage par pont de particules (suite)
Pour qu'un pont de particules se forment entre les électrodes, il faut que le temps
d'application de la tension soit relativement long. Ce pont nécessite en effet une
grande concentration d'impuretés au voisinage des électrodes. Quand ce pont relie
les électrodes, il s'établit un fort courant circulant à travers ce pont, qui est plus
conducteur que le liquide. On aura ainsi, un échauffement local important, pouvant
engendrer le claquage. Le claquage peut aussi avoir lieu durant la formation du pont
(champ élevé en tête de pont).
Parmi les théories de claquage par pont, la plus connue est celle de Kok. Son critère
définit une valeur moyenne du champ électrique, au-dessus de laquelle la vitesse
des particules se dirigeant vers le domaine de champ maximum devient supérieure à
celle des particules repoussées vers l'extérieur (ce qui augmente la concentration
des particules). Cette valeur limite du champ, la rigidité diélectrique du liquide
pendant le claquage par pont:
32
L'eau est l'une des impuretés les plus typiques et les plus dangereuses pour les
liquides isolants. Elle peut exister sous trois formes: -eau dissoute -eau en émulsion
et eau dite de fond.
Les gouttes d'eau sont initialement sphériques et tendent à se déformer sous
l'influence du champ électrique. Elles prennent la forme d'ellipsoïdes qui s'allongent
dans la direction du champ, en fonction de l'intensité de ce dernier. Lorsque le
volume de la goutte est suffisant, il peut ainsi se former un canal d'eau reliant les
électrodes. Ce canal sera le siège d'un fort courant de conduction qui provoquerait
la vaporisation de l'eau et par suite la claquage dans le canal "vapeur-eau" en cours
de formation. Le claquage peut aussi avoir lieu, lorsque le champ en tête de goutte
d'eau déformée devient suffisamment intense.
4.3.3 Claquage par pont de particules (suite)
33
4.3.4 Claquage par mouvement électro-hydrodynamique. Electrisation des
liquides isolants
4.3 Les mécanismes de claquage dans les liquides (suite).
L’instabilité hydrodynamique provoquée par la force de Coulomb due à l’injection de
porteurs de charge dans le liquide créée des courants de convection et une turbulence
hydrodynamique (Chap. 2).
Le résultat de cette instabilité est l’apparition d’un régime critique qui définie la
tension de claquage du liquide. La vitesse caractéristique de l’agitation turbulente est :
EHD E W Eµv EHD


EHDµ
Si
EHD E W 
Perturbe le mouvement des charges
Ne Perturbe pas
34
4.3.5 Claquage par mouvement électro-hydrodynamique. Electrisation des
liquides isolants (suite)
35
Dans un liquide, des intervalles de quelques centimètres sont considérés
comme longs intervalles. Le mécanisme d'évolution des décharges pour de tels
intervalles est similaire dans ses caractéristiques générales, à celui observé
dans l'air pour des intervalles de l'ordre de quelques mètres. Ce mécanisme est
appelé comme dans les gaz: " mécanisme de streamer-leader".
4.3 Les mécanismes de claquage dans les liquides (suite).
4.3.6 Claquage des grand intervalles d’huile.
36
4.4 Principaux facteurs influençant le claquage des liquides.
L’augmentation de la pression hydrostatique améliore de façon importante la rigidité
diélectrique d’un liquide. L’influence de la pression sur la rigidité diélectrique diffère
selon la polarité. Dans certains liquides, il semble qu’en polarité négative la tension
de claquage augmente avec la pression, alors qu’en polarité positive la tension de
claquage augmente relativement peu. Les processus gazeux dominent donc en
polarité négative plus qu’en polarité positive.
4.4.1 Influence de la pression
4.4.2 Influence de la température
L'influence de la température est double. En augmentant la température, la
concentration de gaz et de l'humidité diminue dans le liquide. Cependant, les
conditions pour avoir un claquage thermoélectrique s'améliorent. Cette influence de
double effet, fait apparaître un maximum local dans la caractéristique représentant
la variation de la tension de claquage en fonction de la température.
37
4.4.3 Humidité et pollution
La présence d'un peu d'humidité dans le liquide diminue considérablement la
rigidité diélectrique de ce dernier. La figure ci-dessous illustre bien cet effet sur la
rigidité diélectrique à 50Hz de l'huile de transformateur.
4.4 Principaux facteurs influençant le claquage des liquides.
38
Quant à la pollution, il s’agit principalement des dépôts solides isolants ou
conducteurs, ainsi que les gaz de décomposition et les acides générées par
réactions chimiques. Cette pollution diminue la rigidité diélectrique des isolants
liquides.
4.4.3 Humidité et pollution (suite).
39
4.4.5 Forme de la tension et polarité des électrodes
La tension de claquage d’une huile donnée diminue avec l’augmentation de
l’intervalle inter électrode et le degré de non uniformité du champ. Pour un intervalle
inter-électrode donné, la tension de claquage diminue avec l’augmentation de la
surface des électrodes.
4.4 Principaux facteurs influençant le claquage des liquides (suite).
4.4.4 Gaz dissous
La présence d'oxygène (ou de SF6) dissous entraine une augmentation du champ de
claquage, vraisemblablement par diminution du libre parcours moyen des électrons,
par exemple de l’'oxygène dissous à saturation dans du n-hexane préalablement
dégazé élève sa rigidité de 50%.
40
4.4.5 Forme de la tension et polarité des électrodes (suite).
L’influence des dimensions sur la tension de claquage de l’huile est liée à
l’existence d’impuretés dans l’espace inter électrode dont le nombre croît avec
l’augmentation du volume d’huile. La tension de claquage en polarité négative est
plus grande qu’en polarité positive pour un rayon de courbure d’électrode faible.
Cette influence est liée à la différence dans le mécanisme d’évolution des
streamers positifs et négatifs.
41
4.4.6 Durée d’application de la tension
La tension de claquage diminue avec l’augmentation du temps d’application de
la tension. Cette diminution est d’autant plus importante que la concentration
des impuretés dans l’huile est grande. La diminution de la tension de claquage
pour des temps >1 ms est liée à l’augmentation de l’influence des impuretés.
Pour de tels temps, les particules impures se mettent en mouvement pour aller
prendre place sur l’axe des électrodes qui présente le champ électrique
maximum et former des ponts.
42
4.4.7 Nombre de claquage et vieillissement
Dans un dispositif donné avec des électrodes n'ayant pas subi de traitement spécial,
la rigidité peut augmenter de 50 à 100 % par rapport à la rigidité initiale après une
dizaine de claquages. Ce conditionnement est vraisemblablement lié à l'annihilation
de zones actives par les premières décharges (par exemple vaporisation de micro-
protubérances). Toutefois, des décharges intenses et répétées causent un
abaissement de la rigidité.

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  • 1. 1 HAUTE TENSION Production, Métrologie et Applications Dr Mohammed El Amine SLAMA Université des Sciences et de la Technologie d’Oran Mohamed Boudiaf Faculté de Génie Electrique Département d’électrotechnique
  • 2. 2 Chapitre 4. Claquage des liquides 1. Les différents types de liquides. 2. La formation des streamers dans les liquides. 3. Les mécanismes de claquage dans les liquides. 4. Principaux facteurs influençant le claquage des liquides.
  • 3. 3 4.1 Les différents types de liquides. Les liquides isolants sont utilisés comme imprégnant d’isolations solides ou comme produits de remplissage de matériels électriques très divers : transformateurs (de puissance, de distribution, de traction, de four, de mesure...), réactances, condensateurs, câbles, traversées, disjoncteurs, changeurs de prise, etc. Leur rôle principal est d’éliminer l’air et les autres gaz de façon à améliorer la tenue diélectrique de l’isolation. Cependant, dans beaucoup d’applications, ils servent à la fois à améliorer les propriétés diélectriques et à évacuer la chaleur d’un assemblage, comme dans le cas des transformateurs, par exemple. Les liquides sont également utilisés pour leur pouvoir extincteur d’arcs électriques (dans les chambres de coupure des commutateurs en charge et de certains disjoncteurs), en raison de leur pouvoir lubrifiant pour les matériels renfermant des pièces en mouvement (sélecteurs de prises, pompes immergées) et, dans certains cas, pour améliorer la résistance au feu (transformateurs de distribution). Cependant, l’utilisation de liquides peut présenter des dangers, liés à leur toxicité ou à celle de leurs produits de dégradation, vis-à-vis des personnes (particulièrement en cas de feu) et vis-à-vis de l’environnement (en cas de fuite).
  • 4. 4 4.1 Les différents types de liquides (suite). Les huiles minérales sont des produits « naturels » obtenus directement par raffinage de bruts pétroliers. Leur composition chimique est extrêmement compliquée (plusieurs milliers de molécules différentes) et peut varier dans de larges proportions.
  • 5. 5 Les liquides de synthèse ont, au contraire, une composition simple, bien définie. Leurs propriétés sont donc constantes. Ils ont la particularité d’améliorer la résistance au feu (transformateurs) ou lorsque l’on recherche une meilleure stabilité thermique et de grandes performances diélectriques. Il existe quatre types principaux de liquides de synthèse : — les hydrocarbures aromatiques ; — les hydrocarbures aliphatiques telles les polyoléfines ; — les esters (phtalates, esters de pentaérythritol) ; — les silicones. 4.1 Les différents types de liquides (suite).
  • 6. 6 Les huiles végétales sont également des produits « naturels ». Leur composition est plus simple (quelques dizaines de produits), mais elle peut également varier dans de larges proportions. Elles sont en général peu toxiques et biodégradables. Ces qualités sont dues notamment à une faible résistance à l’oxydation et à l’hydrolyse. Ces deux caractéristiques, qui sont favorables pour l’aspect éco-toxicologique, représentent un inconvénient important pour les applications électrotechniques. Par ailleurs, leur tenue diélectrique n’est pas très élevée. 4.1 Les différents types de liquides (suite).
  • 7. 7 4.1 Les différents types de liquides (suite).
  • 8. 8 4.1 Les différents types de liquides (suite).
  • 9. 9 Avant le claquage, où se développe l’arc, il existe une période de pré-disruptive dans laquelle on voit l’apparition et le développement de petites décharges appelées « streamers ». Cette période comprend elle-même deux phases : • une phase de génération correspondant à l’apparition d’une perturbation (de quelques mm de diamètre) caractérisée par un indice de réfraction différent de celui du liquide environnant, au voisinage de l’électrode acérée. L’instabilité à la surface de cette perturbation conduit à la génération de structures plus ou moins ramifiées : le streamer. L’origine de cette génération est due à l’injection et multiplication localisées de charges dans le liquide; • une phase de propagation de la perturbation précédemment créée (le streamer). 4.2 Formation des streamers dans les liquides.
  • 10. 10 4.2 Formation des streamers dans les liquides (suite). 4.2.1 Phase de génération : génération d’un bulle de gaz La perturbation observée dans la phase de génération est une bulle de gaz résultant d’un échauffement local du liquide. Sa génération suit les premières impulsions de courants enregistrés lorsque la tension est augmentée progressivement. Chaque impulsion de courant résulterait d’une avalanche électronique en phase liquide.
  • 11. 11 Il se dégage des théories existantes, deux conceptions différentes. La première est basée sur le phénomène d'ionisation en avalanche dans le liquide (comme dans les gaz) donnant lieu à une phase gazeuse ionisée. Par contre, la deuxième est basée sur le phénomène d'ionisation en avalanche dans les bulles de gaz résultant d'une vaporisation locale du liquide. 4.2.1 Phase de génération : génération d’un bulle de gaz (suite) KATTAN et al. ont observé juste après un premier pic de courant, la formation d'une première bulle gazeuse, qui pour eux est la conséquence d'une avalanche électronique dans le liquide suivie d'une vaporisation. Ils établissent une relation entre l'énergie injectée W, la pression P appliquée au liquide et le rayon maximum Rm, de la bulle générée par : avec où R est la constante des gaz parfaits, Tb la température de vaporisation du liquide et ΔUint l'énergie nécessaire à vaporiser localement le liquide. Ils estiment que dans la phase gazeuse de la première bulle, les électrons peuvent être accélérés sous l'action du champ électrique et acquérir une énergie importante afin d'y favoriser les décharges et conduire à la formation de bulles successives.
  • 12. 12 4.2.1 Phase de génération : génération d’un bulle de gaz (suite) WATSON et SHARBAUGH considèrent que le claquage est dû à des phénomènes d'ionisation en avalanche dans une bulle qui résulterait de la vaporisation d'une masse m de diélectrique liquide aux voisinages d'aspérités cathodiques où l'énergie ΔH nécessaire à la vaporisation est : avec Cp, Lv, To et Tb respectivement la chaleur spécifique, la chaleur latente de vaporisation, la température ambiante et la température d'ébullition. Ils ont aussi établi une relation reliant le champ E et l'énergie H en supposant le courant limité par charge : avec acste une constante, τs le temps de séjour du liquide dans la région de champ important.
  • 13. 13 4.2.1 Phase de génération : génération d’un bulle de gaz (suite) L'étude de la dynamique d’expansion de la bulle est un problème complexe du fait de la présence de l’onde de choc qui comprime et met en mouvement le liquide derrière elle, ce qui induit une modification du champ de pression à l’interface. En ce qui concerne la phase d’implosion qui lui fait suite, sa dynamique dépend pour beaucoup des caractéristiques du liquide (viscosité en particulier) et de l’énergie injectée. De plus, la bulle perd une grande partie de son énergie sous la forme d'une émission d'une onde de pression à la fin de chaque phase d'implosion, lorsque son volume est minimal. Quelle que soit la pression appliquée, la durée des rebonds (cycle expansion/implosion) d’une bulle augmente avec la température du liquide. La plupart des théories relatives à la dynamique des bulles générées dans les diélectriques liquides sont inspirées de la théorie de RAYLEIGH. Cette théorie est basée sur une dynamique contrôlée par l'inertie du liquide environnant la bulle. Elle ne fait donc pas intervenir l'action du champ électrique. Plusieurs autres théories ont introduit cet effet en considérant des configurations plan-plan et pointe-plan. où R, p et P∞ désignent respectivement le rayon de la bulle, la masse volumique du liquide et sa pression à l'infini.
  • 14. 14 4.2.2 Transition bulle-streamer 4.2 Formation des streamers dans les liquides (suite). Lorsque la tension appliquée augmente bien au-delà de la tension seuil, le nombre et l’amplitude des impulsions de courant augmentent avec la tension. Chaque impulsion de courant correspond à une décharge dans la bulle initiale et entraîne la création d’une quantité supplémentaire de gaz, le contour de la bulle se déforme et son volume augmente, c’est la phase de propagation. A. Larson et M. Bengtsson ont démontré qu’après formation de la bulle gazeuse, les décharges partielles qui s’y développent, provoquent une augmentation de la pression conduisant ainsi au développement de la cavité. Aka et Beroual ont montré que selon les conditions expérimentales, différents modes de déformation de l’interface de la bulle peuvent apparaître et selon ces modes, différents types de streamers (buissons, pagodes, filamentaires …) peuvent prendre naissance. L’apparition de ces modes dépend énormément des champs locaux aux différents sites de l’interface.
  • 16. 16 4.2.2 Propagation et aspect des streamer 4.2 Formation des streamers dans les liquides (suite). a. Mécanisme de formation des streamers et leurs caractéristiques Beroual a montré que les mécanismes gazeux (où la bulle sert de détonateur) et électronique ne peuvent agir singulièrement : la nature physique des streamers est gazeuse et les processus électronique sont aussi présents. Les streamers sont caractérisés par leur forme et leur vitesse. Ils sont accompagnés de courants, d’émission lumineuse et d’ondes de chocs. Ces caractéristiques dépendent : • de la composition chimique et des propriétés physiques du liquide (pur ou contenant de faibles concentrations d’additifs spécifiques), • de la pression et de la température, • de la géométrie des électrodes, de l’amplitude, de la polarité, et de la forme de la tension, • des contaminants de l’air, de l’humidité, • des particules et autres traces d’impuretés présentes.
  • 17. 17 a. Mécanisme de formation des streamers et leurs caractéristiques (suite) Les formes arborescentes des streamers sont généralement classées : • en lents et ‘‘buissonneux’’ pour les streamers émanant de l’électrode négative; • ou rapides et ‘‘filamentaires’’ avec un diamètre typique des filaments de l’ordre de 10 mm pour les streamers émanant de l’électrode positive. Les streamers positifs sont souvent plus rapides que les streamers négatifs (environ 10 fois plus), à l’exception de l’huile de transformateur où les vitesses des streamers positifs et négatifs sont du même ordre. Cependant, il a montré que dans les liquides contenant un halogène dans leur molécule, les streamers négatifs peuvent être également filamentaires est très rapides. Notons que certains auteurs classent les streamers positifs en plusieurs modes selon leurs vitesses de propagation ; ils distinguent généralement trois modes consécutifs: 1er, 2ème et 3ème modes de propagation. D’autres auteurs considèrent 4 modes.
  • 18. 18 a. Mécanisme de formation des streamers et leurs caractéristiques (suite) • L’indice optique du streamer diffère de celui du liquide (il est inférieur). • Le streamer progresse en se ramifiant plus ou moins (figure 3) ; sa vitesse est très variable (0,1 à 100 km/s) selon le liquide, la géométrie des électrodes, la tension appliquée ; le diamètre des branches est compris entre quelques micromètres et quelques dizaines de micromètres. • Quelle que soit la polarité, les streamers de faible vitesse (> 0,5 km/s) ont une forme touffue de buisson (bush-like) et plus la vitesse est grande, plus l’aspect est filamentaire. • La vitesse présente, en fonction de la distance, entre pointe et plan, un minimum plus ou moins marqué, ou est pratiquement constante. • La vitesse croît, en règle générale, avec la tension appliquée, mais en est quelquefois quasiment indépendante, comme c’est le cas pour l’huile minérale, à l’exception des fortes surtensions. • Le streamer stoppe à une certaine distance (distance d’arrêt) si l’amplitude ou la durée d’application de la tension sont insuffisantes, et les canaux se scindent en microbulles de gaz ; une pression hydrostatique de quelques bars suffit à limiter le développement des streamers lents, l’effet est bien moindre sur les streamers filamentaires. • Pour un même liquide, les vitesses des streamers positifs sont supérieures à celles des streamers négatifs, et les distances d’arrêt plus longues, ce qui les rend plus dangereux, raison pour laquelle ils ont été étudiés de façon bien plus approfondie.
  • 19. 19 a. Mécanisme de formation des streamers et leurs caractéristiques (suite) Les streamers produisent les effets suivants : • Les streamers émettent de la lumière. • Les streamers engendrent un courant généralement constitué de pics brefs, irréguliers, très intenses aux grandes distances (> 1 Å), superposés à une faible composante continue ; lumière émise et courant ont des allures semblables. • Les streamers rapides sont le siège de processus très énergétiques : des produits de décomposition (gazeux) sont formés et des ondes de choc sont associées à la propagation.
  • 20. 20 a. Mécanisme de formation des streamers et leurs caractéristiques (suite)
  • 21. 21 a. Mécanisme de formation des streamers et leurs caractéristiques (suite)
  • 22. 22 4.3 Les mécanismes de claquage dans les liquides. L'état général des connaissances sur le claquage électrique des diélectriques liquides est moins avancé que dans le cas de gaz ou solides. La raison principale pour cette situation est la grande variétés des liquides utilisés ainsi que des additifs qui leur sont joint. Les plus importants travaux publiées sur le sujet ont été données par Lewis, Sharbaugh et Watson, par Swann et par Beroual. Leur travail fait sortir deux écoles de pensée très distinctes. Notons que Beroual a montré que les deux pensées sont complémentaires. Ainsi, les principaux mécanismes peuvent être présentés en ce qui concerne le claquage des diélectriques liquides: 1- mécanisme électronique, 2- mécanisme avec phase gazeuse. En plus de ces mécanismes, le claquage peut être dû à la présence d'impuretés de diverses natures, en suspension dans le diélectrique liquide. On parle dans ce cas de mécanisme de claquage par pont. Ce dernier mécanisme est le plus proche de celui concernant les huiles de transformateur. Ces dernières sont soumises à différentes contraintes en exploitation, plus particulièrement au vieillissement électrique et au vieillissement thermique en présence d'impuretés de différentes natures. Ajoutons à cela, les phénomènes EHD et d’électrisation.
  • 23. 23 4.3 Les mécanismes de claquage dans les liquides. 4.3.1 Claquage Electronique Il a été constaté dans le Xénon et l'Argon liquides, que le courant croit de manière exponentielle lorsque la tension appliquée augmente. Cela a été interprété comme le résultat d'un processus d'avalanche. Le courant cathodique tient son origine des mécanismes d’émission par effet de champ et d’émission thermo-électronique. D'après Von Hippel, la condition limite d'apparition d'une ionisation électronique des particules du liquide est donnée par : e.E.  = C.h.µ où E est le champ appliqué,  le libre parcourt moyen de l’électron, hµ est le quantum d'énergie perdu par ionisation de la molécule, C est une constante arbitraire. D’après Lewis, dans les hydrocarbures liquides, l'électron fournit son énergie principalement dans les processus d'excitation, lors des vibrations des liaisons chimiques C-H. La rigidité diélectrique ER, peut être formulée par: C H R i i C h µ E N n q e      où h est la constante de Planck, µC-H est fréquence de vibration des liaisons C-H, N est le nombre de particules par unité de volume, ni est nombre de groupes (CH, CH2, CH3) dont la section efficace correspond à la collision avec un électron de charge qi.
  • 24. 24 4.3.1 Claquage Electronique (suite) D'après Adamczewski, les pertes d'énergie des électrons sont essentiellement liées aux processus d'excitation lors des vibrations des liaisons C-C. La rigidité diélectrique est donnée par:  1C C R h µ E d l n N A e M        où µC-Cest la fréquence de vibration des liaisons chimiques C-C, d est la distance moyenne entre les axes des molécules, l est la longueur de la projection des liaisons C-C sur l'axe des molécules, n est le nombre d'atomes de carbone dans la molécule, δ est la densité du liquide, M sa masse moléculaire et A le nombre d'Avogadro. Les théories de Lewis et d'Adamczewski peuvent expliquer la variation expérimentale de la rigidité diélectrique impulsionnelle des hydrocarbures liquides très purs, en fonction de leurs propriétés physiques et chimiques. Cependant, la théorie électronique est moins satisfaisante quand elle est utilisée pour prévoir les temps de retard de claquage. Les temps de retard formatifs observés dans les liquides isolants sont beaucoup plus longs que ce qui est prévu par la théorie électronique.
  • 25. 25 4.3 Les mécanismes de claquage dans les liquides (suite). 4.3.2 Claquage en phase gazeuse Dans les liquides ultra-purs, et en géométrie pointe-plan, sous tension continue, il a été observé, qu'à partir d'un certain seuil de tension, des bulles gazeuses se forment au voisinage de la pointe, puis sont violemment chassées vers le plan. Cette phase gazeuse résulterait soit de la vaporisation et de la nucléation des bulles, soit de la cavitation. La phase de génération des bulles a été traitée dans le sous-chapitre 4.2.1. Un modèle plus élaboré et tenant compte du régime transitoire a été proposé par Kao. D'après cet auteur, si la densité de courant est suffisante pour ramener la température du liquide à son point d'ébullition, il y a claquage. Une fois que la bulle est formée le claquage est le résultat de la bulle en croissance à une taille critique ou par son allongement total de l’intervalle. Dans l'un ou l'autre cas la décharge suit la faible rigidité diélectrique de vapeur. Watson et Sharbaugh ont établi un critère de claquage vérifié dans les n-alcanes, en identifiant les deux énergies ci-dessus (ΔH=H) : a. Mécanisme thermique
  • 26. 26 b. Claquage par cavitation 4.3 Les mécanismes de claquage dans les liquides (suite). Les expériences ont montré une forte influence de la pression hydrostatique sur le champ disruptif d’un liquide isolant, indiquant qu'un changement de phase peut être impliqué dans l’état critique du développement de claquage. Si un liquide est chauffé à pression constante (ébullition), ou s'il est soumis à une dépression à température constante (cavitation), il apparaît des bulles ou cavités de vapeur ou de mélange de vapeur et de gaz. La cavitation désigne toute la séquence de formation, d'expansion et de disparition de la cavité. Elle peut se produire dans le liquide ou sur les parois. Kao a proposé un mécanisme de claquage par bulles. La bulle est supposée être formée par un des procédés suivants: (i) des poches de gaz sur la surface des électrodes; (ii) répulsion électrostatique des charges d'espace qui peuvent être suffisantes à créer une tension de surface; (iii) dissociation de produits par collisions des électrons donnant une augmentation de produits gazeux; (iv) vaporisation du liquide par des décharges de type couronne produits par les points et irrégularités sur les électrodes.
  • 27. 27 b. Claquage par cavitation (suite) Une fois que la bulle est formée, elle tendra à s’allonger dans la direction de E de telle sorte à minimiser son énergie potentielle dans le champ. Pour obtenir le critère de claquage, Kao a supposé que le volume de la bulle reste constant pendant son allongement et le claquage survient quand la chute de tension le long de la bulle atteint la valeur minimale sur la courbe de Paschen pour un gaz donné dans la bulle. L'expression du champ électrique distruptif dans la bulle est de la forme: où  est la tension de surface du liquide, 1 et 2 sont respectivement les permittivités du liquide et de la bulle, r est le rayon initial de la bulle, Vb la chute de tension dans la bulle. Cette expression indique que le champ électrique critique nécessaire pour le claquage de liquide dépend de la taille initiale de la bulle, qui est affectée par la température et la pression extérieure. L'accord n'est pas très correct et la théorie omet de prendre en compte la production de la bulle initiale. D’autres auteurs ont proposé des critères plus élaborés qui tiennent compte des cet aspect.
  • 28. 28 4.3.2 Claquage en phase gazeuse (suite)
  • 29. 29 4.3 Les mécanismes de claquage dans les liquides (suite). 4.3.3 Claquage par pont de particules Dans les isolants liquides utilisés en technique, peuvent apparaître, en suspension, des impuretés de différentes natures ( bulles de gaz, gouttelettes d'eau, particules solides isolantes ou conductrices). La présence d'impuretés conduit au renforcement local du champ électrique. La déformation du champ dépend de plusieurs paramètres comme: forme et dimensions des impuretés - intervalle et forme des électrodes - permittivité et conductivité des impuretés - concentration des impuretés entre les électrodes - valeur des charges libres existant à la surface des particules. Le champ local Elocal est généralement déterminé en attribuant aux impuretés des géométries simples (sphères, ellipsoïde). L'élévation du champ peut conduire à des claquages partiels dans le liquide, dans le cas des impuretés solides conductrices. Dans le cas des impuretés solides isolantes, celles-ci se polarisent dans le champ électrique et tendent à se déplacer vers les zones où le champ est le plus intense (εimpuretés/solides > εliquide). Si on considère des particules sphériques polarisées, de permittivité εp, la force agissant sur une particule serait:
  • 30. 30 4.3.3 Claquage par pont de particules (suite)
  • 31. 31 4.3.3 Claquage par pont de particules (suite) Pour qu'un pont de particules se forment entre les électrodes, il faut que le temps d'application de la tension soit relativement long. Ce pont nécessite en effet une grande concentration d'impuretés au voisinage des électrodes. Quand ce pont relie les électrodes, il s'établit un fort courant circulant à travers ce pont, qui est plus conducteur que le liquide. On aura ainsi, un échauffement local important, pouvant engendrer le claquage. Le claquage peut aussi avoir lieu durant la formation du pont (champ élevé en tête de pont). Parmi les théories de claquage par pont, la plus connue est celle de Kok. Son critère définit une valeur moyenne du champ électrique, au-dessus de laquelle la vitesse des particules se dirigeant vers le domaine de champ maximum devient supérieure à celle des particules repoussées vers l'extérieur (ce qui augmente la concentration des particules). Cette valeur limite du champ, la rigidité diélectrique du liquide pendant le claquage par pont:
  • 32. 32 L'eau est l'une des impuretés les plus typiques et les plus dangereuses pour les liquides isolants. Elle peut exister sous trois formes: -eau dissoute -eau en émulsion et eau dite de fond. Les gouttes d'eau sont initialement sphériques et tendent à se déformer sous l'influence du champ électrique. Elles prennent la forme d'ellipsoïdes qui s'allongent dans la direction du champ, en fonction de l'intensité de ce dernier. Lorsque le volume de la goutte est suffisant, il peut ainsi se former un canal d'eau reliant les électrodes. Ce canal sera le siège d'un fort courant de conduction qui provoquerait la vaporisation de l'eau et par suite la claquage dans le canal "vapeur-eau" en cours de formation. Le claquage peut aussi avoir lieu, lorsque le champ en tête de goutte d'eau déformée devient suffisamment intense. 4.3.3 Claquage par pont de particules (suite)
  • 33. 33 4.3.4 Claquage par mouvement électro-hydrodynamique. Electrisation des liquides isolants 4.3 Les mécanismes de claquage dans les liquides (suite). L’instabilité hydrodynamique provoquée par la force de Coulomb due à l’injection de porteurs de charge dans le liquide créée des courants de convection et une turbulence hydrodynamique (Chap. 2). Le résultat de cette instabilité est l’apparition d’un régime critique qui définie la tension de claquage du liquide. La vitesse caractéristique de l’agitation turbulente est : EHD E W Eµv EHD   EHDµ Si EHD E W  Perturbe le mouvement des charges Ne Perturbe pas
  • 34. 34 4.3.5 Claquage par mouvement électro-hydrodynamique. Electrisation des liquides isolants (suite)
  • 35. 35 Dans un liquide, des intervalles de quelques centimètres sont considérés comme longs intervalles. Le mécanisme d'évolution des décharges pour de tels intervalles est similaire dans ses caractéristiques générales, à celui observé dans l'air pour des intervalles de l'ordre de quelques mètres. Ce mécanisme est appelé comme dans les gaz: " mécanisme de streamer-leader". 4.3 Les mécanismes de claquage dans les liquides (suite). 4.3.6 Claquage des grand intervalles d’huile.
  • 36. 36 4.4 Principaux facteurs influençant le claquage des liquides. L’augmentation de la pression hydrostatique améliore de façon importante la rigidité diélectrique d’un liquide. L’influence de la pression sur la rigidité diélectrique diffère selon la polarité. Dans certains liquides, il semble qu’en polarité négative la tension de claquage augmente avec la pression, alors qu’en polarité positive la tension de claquage augmente relativement peu. Les processus gazeux dominent donc en polarité négative plus qu’en polarité positive. 4.4.1 Influence de la pression 4.4.2 Influence de la température L'influence de la température est double. En augmentant la température, la concentration de gaz et de l'humidité diminue dans le liquide. Cependant, les conditions pour avoir un claquage thermoélectrique s'améliorent. Cette influence de double effet, fait apparaître un maximum local dans la caractéristique représentant la variation de la tension de claquage en fonction de la température.
  • 37. 37 4.4.3 Humidité et pollution La présence d'un peu d'humidité dans le liquide diminue considérablement la rigidité diélectrique de ce dernier. La figure ci-dessous illustre bien cet effet sur la rigidité diélectrique à 50Hz de l'huile de transformateur. 4.4 Principaux facteurs influençant le claquage des liquides.
  • 38. 38 Quant à la pollution, il s’agit principalement des dépôts solides isolants ou conducteurs, ainsi que les gaz de décomposition et les acides générées par réactions chimiques. Cette pollution diminue la rigidité diélectrique des isolants liquides. 4.4.3 Humidité et pollution (suite).
  • 39. 39 4.4.5 Forme de la tension et polarité des électrodes La tension de claquage d’une huile donnée diminue avec l’augmentation de l’intervalle inter électrode et le degré de non uniformité du champ. Pour un intervalle inter-électrode donné, la tension de claquage diminue avec l’augmentation de la surface des électrodes. 4.4 Principaux facteurs influençant le claquage des liquides (suite). 4.4.4 Gaz dissous La présence d'oxygène (ou de SF6) dissous entraine une augmentation du champ de claquage, vraisemblablement par diminution du libre parcours moyen des électrons, par exemple de l’'oxygène dissous à saturation dans du n-hexane préalablement dégazé élève sa rigidité de 50%.
  • 40. 40 4.4.5 Forme de la tension et polarité des électrodes (suite). L’influence des dimensions sur la tension de claquage de l’huile est liée à l’existence d’impuretés dans l’espace inter électrode dont le nombre croît avec l’augmentation du volume d’huile. La tension de claquage en polarité négative est plus grande qu’en polarité positive pour un rayon de courbure d’électrode faible. Cette influence est liée à la différence dans le mécanisme d’évolution des streamers positifs et négatifs.
  • 41. 41 4.4.6 Durée d’application de la tension La tension de claquage diminue avec l’augmentation du temps d’application de la tension. Cette diminution est d’autant plus importante que la concentration des impuretés dans l’huile est grande. La diminution de la tension de claquage pour des temps >1 ms est liée à l’augmentation de l’influence des impuretés. Pour de tels temps, les particules impures se mettent en mouvement pour aller prendre place sur l’axe des électrodes qui présente le champ électrique maximum et former des ponts.
  • 42. 42 4.4.7 Nombre de claquage et vieillissement Dans un dispositif donné avec des électrodes n'ayant pas subi de traitement spécial, la rigidité peut augmenter de 50 à 100 % par rapport à la rigidité initiale après une dizaine de claquages. Ce conditionnement est vraisemblablement lié à l'annihilation de zones actives par les premières décharges (par exemple vaporisation de micro- protubérances). Toutefois, des décharges intenses et répétées causent un abaissement de la rigidité.