Les différentes sources de pollution des isolateurs

Les différentes sources de pollution des isolateurs 

La pollution des isolateurs peut provenir de différentes sources : naturelle, industrielle, ou mixte.

La pollution naturelle 

La pollution naturelle peut être d’origine marine ou désertique. Elle se traduit par des dépôts d’embruns, de sable ou de poussières véhiculés par des vents, des pluies…. Dans les régions froides, le givrage atmosphérique est aussi un facteur naturel. Le dépôt de glace accumulée sur les isolateurs entraîne la dégradation des propriétés électriques de l’isolation des lignes et favorise l’apparition de décharges pouvant conduire au contournement. En cas de forte pluie, un film continu d’eau peut s’établir d’une extrémité à l’autre de la chaîne d’isolateurs ou de la colonne isolante. Comme l’eau n’est jamais parfaitement isolante, ce phénomène peut entraîner le contournement de la chaîne d’isolateurs ; on parle du contournement sous pluie.

La pollution industrielle 

Les activités industrielles peuvent avoir un impact sur les installations électriques et notamment sur les isolateurs de ligne de transport d’énergie. La pollution dans ce cas peut provenir des fumées évacuées à proximité des raffineries par des torchères pétrolières, des cimenteries, des complexes sidérurgiques, chimiques, ou même des centrales thermiques. Pour les régions exemptes de fumées, cette pollution peut être d’origine domestique et es due aux appareils de chauffage polluants les habitations, les véhicules,… ; elle peut aussi provenir des engrais agricoles. Les isolateurs se recouvrent de poussières faiblement conductrices, mais très hygroscopiques car elles ont tendance à absorber l’humidité de l’air. Dans les conditions de forte humidité comme le brouillard, la pluie, la condensation matinale…, la dissolution des sels contenus dans cette poussière provoque la formation d’une couche électrolytique. Les gaz présents dans les fumées absorbées par cette couche électrolytique en augmentent encore la conductivité. De la même manière que dans la pollution marine, un courant de fuite circule alors dans la couche superficielle et le contournement peut survenir.

La pollution mixte 

La pollution mixte est le résultat de la combinaison d’une ou de plusieurs pollutions précitées. Cette forme de pollution est la plus sévère pour l’exploitation des ouvrages électriques. Par conséquent, quelle que soit la source de pollution, on observe la formation d’une couche électrolytique due à l’humidification d’un dépôt solide accumulé progressivement à la surface des isolateurs. Il est important de remarquer que par suite du lavage périodique des dépôts par la pluie, on atteint après une période plus ou moins longue d’exploitation, une « pollution limite » propre â chaque site qui dépend entre autre de l’intensité de la pollution atmosphérique, de l’adhérence des poussières, de la fréquence de la pluie,… La nature et les caractéristiques des agents contaminants sont très variées. Généralement, ils ne provoquent pas de dégradation de la rigidité diélectrique lorsqu’ils sont secs. Cependant, l’humidification d’un dépôt solide accumulé progressivement à la surface des isolateurs, quelle que soit sa nature, provoque la formation d’une couche électrolytique caractéristique du phénomène de pollution.

Le contournement d’un isolateur pollué 

L’un des principaux critères pris en compte lors de la conception des isolateurs haute tension de plein air (isolation extérieure) est le comportement de leur surface en cas d’encrassement en service. La forte dégradation des isolements de surface par des couches étrangères conductrices entraîne des conséquences importantes. L’accumulation des couches polluantes à la surface des isolateurs engendre une conductivité électrique superficielle. La répartition du potentiel le long de la ligne de fuite se trouve ainsi modifiée. Suivant les conditions atmosphériques comme la pluie fine, le brouillard…, la tension de rupture diélectrique de l’air peut être atteinte entre deux points de la surface isolante provoquant ainsi l’amorçage d’un arc électrique qui, par la suite court-circuite une partie de la ligne de fuite.

La description du principe met en évidence les divers processus qu’il y a lieu de considérer pour parvenir à une modélisation complète du contournement des isolants: processus thermique qui gouverne l’assèchement de la couche polluée et processus d’ionisation qui déterminent l’amorçage des arcs locaux ainsi que leur élongation jusqu’au contournement.

Le surdimensionnement des lignes électriques aériennes ne suffit pas pour supporter convenablement les contraintes électriques d’exploitation lorsqu’on enregistre un dépôt de pollution trop important sur les surfaces isolantes. Les difficultés rencontrées encore aujourd’hui pour arriver à une bonne maîtrise de la tenue sous pollution des isolateurs montrent que des efforts en matière de recherche restent indispensables. La mise au point des modèles plus performants est donc nécessaire. Elle passe par une analyse approfondie des processus physiques qui conduisent au contournement : dynamique de développement de l’arc de contournement, répartition du dépôt de polluants à la surface des isolateurs, processus d’humidification de la couche de pollution.

LA CONDUCTION SURFACIQUE-EQUATIONS 

Parmi les nombreuses causes pouvant conduire à un déclenchement des ouvrages électriques (et ainsi parfois à une interruption de la distribution d’énergie électrique) le phénomène de pollution apparait comme très important [1]. Ce phénomène a pour origine le dépôt de pollution à la surface des isolateurs, suivi d’une humidification. Le dépôt humidifié favorise la circulation d’un courant de fuite à la surface des isolateurs. L’échauffement ainsi créé peut entrainer l’évaporation de l’eau contenue dans le dépôt de pollution. La répartition du potentiel est donc fortement modifiée et des amorçages d’arcs peuvent apparaitre. Dans un premier temps, nous allons voir le phénomène de conduction surfacique, ensuite nous présenterons les équations et les conditions qui gouvernent la répartition de potentiel pour un isolateur pollué.

La conduction surfacique sur les isolateurs pollués 

Lorsqu’un isolateur est propre ou recouvert d’une couche de pollution sèche, un très faible courant de fuite capacitif circule. Ceci est dû aux très faibles valeurs des conductivités volumiques de l’air, de l’isolant solide et de la couche de pollution. On obtient ainsi une répartition électrostatique du potentiel électrique. Lorsque la couche est humidifiée, elle devient le siège d’un courant de conduction de valeur relativement importante et la répartition du potentiel électrique diffère de la répartition électrostatique. Cette circulation de courant à travers la couche de pollution est appelée conduction surfacique. Le phénomène de conduction surfacique est dû à la conductibilité superficielle. Celle-ci est attribuée à la présence d’une couche mince d’eau ayant été rendue plus ou moins conductrice par la dissolution de substances provenant de la couche de pollution. En absence de pollution, la dissolution de substance provenant de l’isolant luimême peut engendrer cette conductibilité superficielle [26]. Ce phénomène reste toutefois marginal.

La conductibilité superficielle est mesurée par l’inverse de la résistance qu’offre un carré « plan » pris à la surface de l’isolant lorsque la longueur du trajet de courant est égale à la largeur d’écoulement. Cette résistance  est communément appelée résistivité superficielle ou résistivité surfacique et son inverse, notée  , conductivité surfacique. C’est cette dernière grandeur que nous allons utiliser dans la suite pour caractérise la couche de pollution à la surface d’un isolateur. Plusieurs facteurs influent sur la conductivité surfacique, en particulier l’humidité et la température.L’échauffement de la couche dû à la circulation d’un courant de fuite modifie la conductivité de deux façons : l’accroissement de la température entraîne une augmentation de sa valeur (cas des électrolytes [27]) et l’évaporation de l’eau entraîne sa diminution [3]. Cette modification va influer à son tour sur le courant, et ainsi de suite. Finalement des zones sèches de très faible conductivité surfacique apparaissent. En dehors de la présence de pollution, des couches semi-conductrices peuvent être appliquées volontairement à la surface pour avoir certains effets (réduction de la valeur du champ électrique, échauffement…) : on retrouve là aussi le phénomène de conduction surfacique.

Equations

La tenue diélectrique des matériels d’isolation est tributaire des répartitions du champ et du potentiel à leurs surfaces. Ces répartitions en présence de la conduction surfacique sont différentes des répartitions électrostatiques. Nous allons considérer les équations et les conditions qui gouvernent ces répartitions en prenant en compte la couche de pollution. Nous prenons comme hypothèses :
– Les isolants qui entrent en jeu ici (air, porcelaine…) possèdent une permittivité de valeur constante, une résistivité volumique nulle et une densité volumique de charge libre nulle,
– Les couches de pollution, lorsqu’elles existent, sont d’épaisseur très faible devant les dimensions de l’isolateur,
– La tension appliquée aux bornes de l’isolateur est alternative sinusoïdale à fréquence industrielle.

PRINCIPAUX MODELES STATIQUES DE PROPAGATION DE L’ARC ELECTRIQUE

Lorsqu’une chaîne d’isolateurs neufs est installée, par exemple pour soutenir une ligne haute tension, elle remplit parfaitement son rôle de support mécanique et, de plus aucune décharge n’apparaît sur sa surface car la longueur de l’ensemble est telle que le champ électrique en chaque point de son voisinage est nettement inférieur à la rigidité diélectrique de l’atmosphère ambiante. Il est ainsi tant que l’isolateur reste propre et sec. Malheureusement, dans un environnement naturel, des dépôts d’origine diverses (poussières, fumées, suie,…) peuvent s’accumuler de façon non homogène sur la surface isolante provoquant une conductivité électrique superficielle qui modifie la répartition du potentiel le long de la ligne de fuite. Cette hétérogénéité du champ électrique sur les différentes parties de l’isolateur peut encore être accentuée par l’humidification plus ou moins grande de la couche de pollution suivant les circonstances atmosphériques (pluie, brouillard, embruns,…). Dans ces conditions entre deux points de la tension isolante, la tension de rupture diélectrique de l’air peut être atteinte, entraînant l’amorçage d’une décharge électrique qui court-circuite une partie de la ligne de fuite. Pour adapter plus rationnellement les isolateurs d’un ouvrage à la sévérité de pollution -d’un site ou pour surveiller la qualité de l’isolement et donc d’éviter des éventuelles défaillances, il est impératif de disposer de modèles permettant de prévoir le contournement des isolateurs. C’est dans cette optique, plusieurs modèles furent développés afin d’établir le critère d’établissement de l’arc en continu, pour ensuite être étendu au cas d’une tension alternative.

Modèle de J. Danis

J. Danis a utilisé un modèle de forme géométrique simple (plaque ou cylindre) possédant plus d’une zone sèche pour reproduire des couches similaires à celle observées sur les isolateurs pollués dans les conditions naturelles. La rupture des zones sèches survient alors de manière aléatoire . Le lieu d’apparition des arcs partiels, la forme et le mouvement des racines des arcs sur une surface polluée  dépendent ainsi de plusieurs facteurs dont on ne peut déterminer les effets instantanés. Le comportement macroscopique de ces arcs est alors de nature stochastique. La tension de contournement est donc une variable aléatoire et a une fonction de distribution.

Table des matières

INTRODUCTION
PARITE 1: CONTEXTE GENERAL
CHAPITRE 1 :LE PHENOMENE DE CONTOURNEMENT D’UN ISOLATEUR POLLUE
I- Introduction
II- Les différentes sources de pollution des isolateurs
1- La pollution naturelle
2- La pollution industrielle
3- La pollution mixte
III- Le contournement d’un isolateur pollué
IV- Conclusion
CHAPITRE 2 :PROBLEMATIQUE : LA CONDUCTION SURFACIQUE-EQUATIONS
I. Introduction
II. La conduction surfacique sur les isolateurs pollués
III. Equations
IV. Conditions aux interfaces
1. Interfaces conducteur-isolant
2. Interfaces isolant-isolant
V. La conduction pure
VI. Conclusion
PARTIE 2: PRINCICIPAUX MODELES DE PROPAGATION DE L’ARC ELECTRIQUE
CHAPITRE 1 :PRINCIPAUX MODELES STATIQUES DE PROPAGATION DE L’ARC ELECTRIQUE
I. Introduction
II. Principaux modèles statiques de contournement
1. Modèle d’Obenaus
2. Modèle de Neumarker
3. Modèle d’Alston et Zoledziowski
4. Modèle de Rizk
5. Modèle de Claverie et Porcheron
6. Modèle de Rao et Gopal
7. Modèle de J. Danis
8. Modèle de la couche mixte
9. Modèle du disque circulaire
10. Modèle de Nacke et de Wilkins
III. Conclusion
CHAPITRE 2 :PRINCIPAUX MODELES DYNAMIQUES DE PROPAGATION DE L’ARC ELECTRIQUE
I. Introduction
II. Mécanisme de propagation
1. Propagation par ionisation
2. Propagation par force électrostatique
III. Critères de propagation de la décharge
1. Critère de Hampton
2. Critère de Hesketh
3. Critère de Wilkins
4. Critère de Nacke
5. Critère de Claverie et Porcheron
6. Critère de Nishimura
7. Critère d’Anjana et Lakshminarasimha
8. Critère de Jolly et Chen
9. Critère de N. Dhahbi, A, Beroual et L. Krahenbul
A. PREMIER CAS
B. DEUXIEME CAS
C. TROISIEME CAS
IV. Modèles dynamiques
1. Modèle de Rizk et Nguyen
2. Modèle de Anjana et Lakshminarasimba
3. Modèle de Sundararajan et Gorur
4. Modèle de N.Dhabbi et A.Beroual
V. Vitesse de propagation
VI. Conclusion
PARTIE 3: RESLTATS ET SIMULATIONS
CHAPITRE1 :METHODES NUMERIQUES DE CALCUL DE CHAMP ET DE POTENTIEL POUR LES ISOLATEURS POLLUES EXISTANTS
I. Introduction
II. Méthodes des différences finies
III. Méthodes des éléments finis
IV. Méthodes de charges équivalentes
V. Méthodes des éléments frontières
VI. Commentaires sur ces différentes méthodes
VII. Méthode des équations intégrales de frontières
1. Fonction de Green de l’équation de Laplace
2. Méthode de l’identité de Green
VIII. Conclusion
CHAPITRE 2 :DEVELOPPEMENT DU MODELE DE LA CONDUCTION SURFACIQUE PAR LA METHODE DES EQUATIONS INTEGRALES DE FRONTIERE
I. Introduction
II. Application de la méthode des intégrales de frontière (MEIF)
III. Choix des variables et conditions aux interfaces « classiques »
IV. Condition d’interface polluée
V. Ensemble des équations à résoudre
VI. Commentaires
VII. Discrétisation numérique
1. Découpage en éléments finis
2. Discrétisation des équations
VIII. Calcul de différentes grandeurs
1. Champ tangentiel
2. Densité surfacique de courant
3. Densité de puissance thermique
4. Champ électrique normal
5. Module du champ électrique total
6. Courant de fuite
IX. Conclusion
CONCLUSION

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