Le système d’isolation de masse des barres du stator

Les décharges partielles

Lorsqu’un milieu isolant est soumis à de fortes contraintes électriques, une rupture diélectrique ou un claquage peut se manifester dans ce milieu, celui-ci ne pouvant plus contenir totalement les charges électriques à ces bornes; il en résulte une transformation complète ou partielle du milieu isolant en milieu conducteur. Afin d’en arriver à cette situation, certaines conditions doivent être en place. Premièrement, le milieu doit être en présence d’un champ électrique important. La valeur maximum du champ électrique que celui-ci peut supporter est donnée par sa rigidité diélectrique. Étant donné que la rigidité diélectrique d’un isolant gazeux comme l’air est toujours inférieure à celle des isolants liquides ou solides, l’apparition du phénomène de DP est surtout susceptible de survenir dans les isolants gazeux. Par la suite, en plus d’être soumis à un champ électrique élevé, un électron initiateur doit être présent dans le gaz, qui pour les DP d’encoche est de l’air. Lorsque les conditions sont propices, il survient un phénomène d’ionisation enclenché par les collisions entre les électrons et les molécules. En effet, étant donné que le champ électrique transmet de l’énergie cinétique aux particules chargées et les oriente selon sa direction, ces particules dans leur libre parcours entrent en collision avec des molécules qui sont présentes dans l’air. Les électrons en raison de leur faible masse acquièrent beaucoup de cette énergie cinétique et en conservent la totalité lors de collisions élastiques avec les molécules.

Ainsi, lorsqu’un électron initiateur soumis à un champ électrique élevé, acquiert assez d’énergie cinétique, il peut entrer en collision avec une molécule et réussir à arracher un électron à cette molécule. Cette réaction arrache à la molécule neutre un électron qui devient libre en créant un ion positif. Ce nouvel électron qui est soumis au même champ électrique peut également acquérir assez d’énergie cinétique pour occasionner d’autres collisions ionisantes. Ce mécanisme appelé avalanche électronique se répète jusqu’à 108 fois dans une seule décharge, causant ainsi la rupture diélectrique de l’isolant gazeux (Bartnikas et McMahon, 1979). En raison de leur masse beaucoup plus importante que celle des électrons libres, les ions acquièrent beaucoup moins de vitesse. Ainsi, l’énergie cinétique reçue, lors de leur libre parcours est redistribuée à chacune des collisions avec d’autres molécules.

L’ionisation par collisions ioniques est donc considérée comme étant beaucoup moins efficace que celle par collisions électroniques. Les électrons initiateurs sont généralement présents en raison de ceux déposés sur les surfaces isolantes lors d’une activité de DP précédente et de ceux émis par les surfaces métalliques. Le délai avant l’apparition d’un électron initiateur dans un espacement d’air, lorsque le champ électrique occasionné par une tension alternative appliquée, a atteint la valeur maximum de la rigidité diélectrique, est un événement statistique, identifié comme étant le temps d’attente statistique. De plus, afin de soutenir l’activité de DP d’autres électrons doivent être fournis par des mécanismes d’ionisations secondaires. Ces mécanismes sont ceux par émission de surface (cathode) due à l’impact ionique ainsi qu’à la photoémission, et ceux par émission de volume dans la cavité d’air due à la photoionisation des molécules neutres et au photodétachement d’ions négatifs (Bartnikas et McMahon, 1979).

En présence d’une cavité d’air ayant des surfaces isolantes, une décharge affecte seulement une faible portion de la surface totale de la cavité ce qui permet à plusieurs sites de décharger simultanément ou consécutivement. Selon les conditions de champ électrique, la dimension de la cavité d’air et l’état des surfaces, différents régimes tels que des décharges impulsionnelles, luminescentes ou pseudoluminescentes peuvent se former. Les décharges impulsionnelles, qui sont celles détectées par les instruments de mesure conventionnels, se présentent sous deux formes, caractérisées par leur temps de montée et leur durée. Les décharges de type Townsend de plus faible amplitude, ont une progression lente, leur temps de montée est relativement long et leur durée est courte tandis que les décharges de type Streamer, qui sont plus intenses, ont un temps de montée beaucoup plus rapide et une durée plus courte.

La différence majeure entre ces deux types de décharges impulsionnelles se reflète dans les signaux électroniques générés et dépend de l’intensité du champ électrique à l’intérieur de la cavité ainsi que de la présence de charges formées dans l’air qui ont pour effet de créer une distorsion du champ électrique. Les décharges luminescentes n’ont pas un caractère impulsionnel, mais se présentent plutôt sous forme d’une activité continue tandis que les décharges pseudoluminescentes possèdent des caractéristiques de ces deux régimes, c’est-à-dire de petites impulsions superposées à un signal presque constant. Ces différents régimes de décharges peuvent survenir simultanément dans une cavité d’air et leur point commun est qu’ils participent tous à la dégradation des surfaces.

Le système d’isolation de masse des barres du stator

L’une des principales composantes du système d’isolation de masse est un minerai naturel appelé mica qui est extrêmement résistant à l’attaque des DP. Chimiquement, le mica est un composé complexe de silicate d’aluminium avec du potassium, magnésium, fer et autres traces d’éléments. Les principaux types de mica utilisés pour les systèmes d’isolation de masse sont la muskovite et la phlogopite (Stone et al., 2004). Le mica possède une structure sous forme de flocons ayant une mauvaise intégrité mécanique et doit être fixé à l’aide d’une résine sur un support mécanique qui est de la fibre de verre tissée, de la fibre textile de polyéthylène téréphtalate ou de la fibre textile de polyester. Les premiers systèmes d’isolation de type thermoplastique consistaient principalement en des flocons de mica imprégnés d’une résine naturelle, tels que l’asphalte ou le shellac (résine naturelle d’origine animale). Ces systèmes de faible rigidité diélectrique et de basse température de fonctionnement (classe thermique B, 105°C) étaient généralement surdimensionnés. Il est d’ailleurs encore possible de trouver des machines de faibles puissances, fonctionnant avec ce type de système d’isolation. L’introduction de nouveaux matériaux à la fin des années 1950 a permis d’augmenter considérablement la puissance des machines tout en diminuant l’épaisseur de l’isolant de masse.

De nos jours, les systèmes d’isolation de masse sont de type thermodurcissable, à base de résine synthétique polyester ou époxy et opèrent à plus haute température (classe thermique F, 155 °C). La résine époxy, qui est maintenant un standard dans l’industrie, est un matériau composé de matière organique (carbone, oxygène et hydrogène) qui, une fois polymérisé, possède d’excellentes propriétés mécaniques et thermiques. Ce système d’isolation peut être fabriqué selon deux procédés. Le premier consiste à utiliser un ruban de mica enrichi d’une résine époxy à l’état B, c’est-à-dire prépolymérisé (Resin-Rich). Suite à l’application du ruban sur les conducteurs de la barre, la polymérisation de la résine est terminée à haute température et haute pression. Le deuxième procédé consiste en un ruban de mica à faible contenu en résine (dry bands) qui est imprégné de résine sous vide dans une cuve, VPI (Vacuum Pressure Impregnated), et ensuite polymérisé toujours à haute température. Ce second procédé peut s’effectuer sur les barres individuelles ou sur tout l’enroulement du stator GVPI (Global Vacuum Pressure Impregnated), lorsque les machines sont de plus faibles dimensions.

Dans le cas des alternateurs hydrauliques à 13.8 kV, l’isolation de masse des barres placées dans les encoches du noyau magnétique mis à la terre, doit être en mesure de supporter une tension maximale de 8 kV (phase-terre). Lorsque les barres sont soumises à cette tension, un champ électrique se développe dans le volume de l’isolant. Puisque l’interface entre la surface de l’isolant des barres et la surface laminée du noyau magnétique n’est pas parfaitement lisse et uniforme, des pointes microscopiques et des espacements d’air peuvent générer des concentrations locales du champ électrique entre ces deux surfaces et initier une activité de DP. Afin d’uniformiser les surfaces équipotentielles et d’enrayer les concentrations locales du champ électrique à l’interface entre ces deux surfaces, la partie droite de la barre, qui est la section à l’intérieur du noyau magnétique, est finie avec un revêtement semi-conducteur chargé de graphite ou de noir de carbone sous forme de peinture ou de ruban. Ce revêtement permet d’assurer un bon contact électrique avec le noyau magnétique et de mettre au même potentiel (la mise à la terre) toute la surface de l’isolation de masse et de celle du noyau magnétique. La section à l’extérieur du noyau magnétique (les deux développantes) est finie avec une protection anti-effluves, servant à créer un gradient de tension. Cette protection est aussi sous forme de ruban ou de peinture chargée d’oxyde de fer ou de carbure de silicium.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 LA REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Les décharges partielles
1.2 Le système d’isolation de masse des barres du stator
1.3 L’apparition des décharges partielles d’encoche
1.3.1 La résistivité du revêtement semi-conducteur
1.3.2 La vibration des barres dans les encoches du stator
1.4 Le mécanisme des décharges partielles d’encoche
1.4.1 L’effet de la condition des surfaces
1.4.2 L’effet de la contrainte électrique seule
1.4.3 L’effet de la contrainte thermique
1.4.4 L’effet de la contrainte mécanique
1.4.5 L’effet de l’humidité
1.5 Conclusion
CHAPITRE 2 EFFECT OF SURFACE DEGRADATION ON SLOT PARTIAL DISCHARGE ACTIVITY UNDER ELECTRICAL, THERMAL AND MECHANICAL STRESSES
2.1 Abstract
2.2 Introduction
2.3 Experimental description
2.3.1 Accelerated aging test setup
2.3.2 PD measurements
2.3.3 Surface conductivity measurements
2.4 Results
2.4.1 Visual observations of surfaces
2.4.2 Surface conductivity measurements
2.4.3 PD measurements
2.5 Discussion
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 CONTRIBUTION OF HUMIDITY TO THE EVOLUTION OF SLOT PARTIAL DISCHARGES
3.1 Abstract
3.2 Introduction
3.3 Experimental description
3.3.1 Humidity aging test setup
3.3.2 Measurements techniques
3.4 Results
3.4.1 Visual observations of surfaces
3.4.2 PD measurements
3.5 Discussion
3.5.1 Slot PD process
3.5.2 Effects of surface condition
3.5.3 Effects of temperature
3.5.4 Effects of humidity
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 EFFECT OF SURFACE CONDITION ON THE ELECTRIC FIELD IN AIR CAVITIES
4.1 Abstract
4.2 Introduction
4.3 Slot PD model
4.4 Results and discussion
4.4.1 Electric field distribution
4.4.2 Effects of surface condition
4.5 Conclusion
CHAPITRE 5 RÉSULTATS SUPPLÉMENTAIRES
5.1 L’inspection visuelle des sites de DP d’encoche
5.2 La réponse diélectrique de la partie droite
5.3 L’essai de rupture diélectrique
5.4 Discussion
5.5 Conclusion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I CALCUL DE LA DYNAMIQUE DES CHARGES APPLIQUÉES SUR LA SURFACE ISOLANTE
ANNEXE II ORGANIGRAMME DU MODÈLE DE CALCUL DU CHAMP ÉLECTRIQUE
BIBLIOGRAPHIE