Système d’isolation : Diélectrique

Système d’isolation : Diélectrique

Théories des décharges partielles

Généralités

Les décharges partielles (DP) sont définies comme des décharges électriques localisées qui ne court-circuitent que partiellement l’espacement entre électrodes, c’est-à-dire le volume de l’isolation. Elles peuvent ou non se produire à proximité d’un conducteur. Les décharges partielles sont en général une conséquence de concentrations locales de contraintes électriques dans ou à la surface de l’isolation. Souvent, de telles décharges apparaissent comme des impulsions de durée inférieure à 1 μs (Power & Energy Society, 2009).
Les décharges partielles sont souvent accompagnées de petites étincelles, pleines d’électrons et d’ions qui bombardent l’isolation. Les matériaux organiques constituant la grande part des systèmes d’isolation (huiles minérales, résines époxydes polyesters, etc.) se dégradent dans ce bombardement par la scission de certaines liaisons chimiques telles que la liaison carbonehydrogène. Avec le temps, ce phénomène érode un chemin à travers les parties organiques conduisant à la rupture diélectrique. Les DP dans un diélectrique, tel que le polyéthylène (PE), peuvent provoquer sa rupture diélectrique à l’intérieur de quelques jours.
Les DP peuvent se créer dans les différents types d’isolation, solides, liquides ou gazeux, ou toutes combinaisons de ces types. Dans certaines monographies, le terme «décharges partielles» englobe un large groupe de phénomènes de décharge, tels que :
• Des décharges internes survenant dans des cavités dans les diélectriques solides ou liquides,
• des décharges de surface apparaissant à l’interface de différents matériaux isolants,
• des décharges couronnes (corona) survenant dans les diélectriques gazeux en présence de champs inhomogènes,
• Des décharges se propageant à partir d’un défaut dans les diélectriques solides, suivant une structure arborescente appelée arbre électrique (treeing).
La définition des décharges partielles introduite ci-haut reste valable pour tous ces phénomènes, du fait que tous ces types de décharges précitées prennent naissance dans des zones restreintes dans l’isolation, subissant de fortes concentrations de champ électrique dues aux différents défauts locaux (cavités gazeuses, impuretés, aspérités de surfaces, etc.).
Dans les sections suivantes de ce chapitre, nous exposons essentiellement les mécanismes physiques de claquage de l’air. Plusieurs études ont confirmé que la première cause de la création des décharges partielles dans l’isolation haute tension est la présence de cavités gazeuses dans le matériau diélectrique qui peuvent être dues soit aux défauts de fabrication ou au vieillissement thermique ou mécanique (Bartnikas, 2002; Blackburn et al., 2000; Boggs, 1990a; Niemeyer, 1995; Stone et al., 2004).
Les principaux mécanismes de claquage de l’air sont le mécanisme de Townsend (avalanche électronique) et le mécanisme de Streamer.

Mécanisme de Townsend

La théorie de la rupture des gaz est assez bien établie. Le mécanisme de Townsend est considéré comme la première tentative pour expliquer cette rupture. Elle est basée sur le principe de génération d’avalanches électroniques successives dues principalement aux collisions entre électrons et atomes ou molécules du gaz jusqu’au claquage. En effet, si un gaz est soumis à un champ électrique suffisamment élevé, un courant de particules chargées électriquement devient possible par l’ionisation partielle du milieu. Ainsi, le gaz devient conducteur et la décharge se produit. Par ailleurs, les conditions ambiantes (température, pression, rayonnement, etc.) ont une grande influence sur ce phénomène (Busch et al., 2001; Fenger et Stone, 2005).

Ionisation

En présence d’un champ électrique assez élevé, l’amorçage de décharges partielles dans un gaz dépend de la présence d’électrons libres dans le milieu. Ces derniers n’existent dans l’air que pour de très courtes durées en l’absence d’un champ électrique élevé. Normalement après leur création par des rayons cosmiques ou radioactifs, ils sont directement piégés pour former des ions négatifs. Cependant, dans un champ électrique intense, ces électrons peuvent se détacher à nouveau à partir des ions négatifs suite aux collisions avec des molécules neutres ou bien suite à une interaction avec des photons énergétiques( ) hν , émis par des atomes excités.
Le principal concept d’ionisation qui domine dans le mécanisme de Townsend reste le processus de collision. En effet, les électrons en mouvement dont l’énergie cinétique est supérieure à l’énergie d’ionisation sont capables d’ioniser par collision des molécules neutres, en d’autres mots, libérer des électrons du cortège électronique (Bartnikas et McMahon, 1979; Gorur, 2003a), qui à leur tour acquièrent par le champ électrique assez d’énergie pour ioniser d’autres molécules, et ainsi de suite jusqu’au claquage. Ce phénomène est aussi connu sous le nom d’avalanche électronique. Cette avalanche cumulative est souvent accompagnée d’une lueur et d’un bruit chuintant. Le schéma de la Figure 1.5 montre le principe de multiplication des électrons et des ions positifs dans le processus d’avalanche.
Les électrons créés par le développement de l’ionisation peuvent être piégés, comme mentionné ci-dessus, et ainsi retirés du processus d’ionisation. C’est le concept d’attachement.
Une croissance nette de la population d’électrons et d’ions positifs serait possible uniquement si le taux d’ionisation est supérieur au taux d’attachement. Ceci ne peut être garanti que si le champ appliqué est suffisamment intense.

Premier Coefficient d’ionisation de Townsend

La courbe de la Figure 1.6 représente la variation du courant en fonction de la tension appliquée entre deux électrodes planes. Townsend fut le premier chercheur à étudier cette variation (Townsend, 1915). Dans un premier intervalle 1 [0 ] V le courant croît proportionnellement avec la tension jusqu’à une valeur de saturation 0 ( ) I et y reste constant.
Si des électrons sont arrachés de la cathode par radiation ultra-violette et que la tension est augmentée au-delà d’une valeur critique 2 ( ) V , le courant s’emballe avec un taux exponentiel. dans une configuration plane d’électrodes Adaptée de Townsend (1915, p. 2) Townsend a attribué cette augmentation exponentielle du courant au mécanisme d’ionisation par collision. Pour quantifier ce processus, il a introduit une quantité ( ) α , appelée premier coefficient d’ionisation de Townsend. Ce coefficient est défini comme le nombre d’électrons ou d’ions positifs produits par un électron par unité de longueur dans la direction du champ.Si nous assumons que ( ) x n est le nombre d’électrons par seconde se trouvant à la distance ( ) x de la cathode (voir le schéma descriptif de la Figure 1.7), la variation ( ) dn du nombre d’électrons sur un élément de longueur ( ) dx dans la direction du champ sera :
Le nombre total d’électrons par seconde qui atteint l’anode est déterminé en résolvant l’équation différentielle ci-dessus.
Avec 0 ( ) n est le nombre initial d’électrons qui partent de la cathode. De cette relation, nous déduisons l’expression du courant ( ) I à l’anode :
Avec 0 ( ) I représentant le courant initial généré à la cathode. En outre, pour une température constante et pour une distribution d’énergie donnée, la probabilité d’ionisation dépendra uniquement de la densité du gaz ou de la pression. Par conséquent, nous pouvons écrire :

Table des matières

INTRODUCTION 
CHAPITRE 1 INTRODUCTION GÉNÉRALE AUX DÉCHARGES PARTIELLES
1.1 Système d’isolation : Diélectrique
1.1.1 Permittivité
1.1.2 Facteur de dissipation
1.1.3 Rupture diélectrique
1.1.3.1 Rupture dans les gaz
1.1.3.2 Rupture dans les liquides
1.1.3.3 Rupture dans les solides
1.2 Théories des décharges partielles
1.2.1 Généralités
1.2.2 Mécanisme de Townsend
1.2.2.1 Ionisation
1.2.2.2 Premier Coefficient d’ionisation de Townsend
1.2.2.3 Coefficient d’attachement
1.2.2.4 Deuxième coefficient d’ionisation de Townsend
1.2.3 Mécanisme de Streamer
1.2.4 Décharges négatives
1.2.5 Décharges couronne (Corona Discharge)
1.2.6 Champ non-uniforme
1.2.6.1 Cavité gazeuse dans un diélectrique solide ou liquide
1.2.6.2 Effet de pointe
1.3 Conclusion
CHAPITRE 2 PROBLÉMATIQUE INDUSTRIELLE ET ÉTAT DE L’ART POUR LA MESURE DES DÉCHARGES PARTIELLES
2.1 Problématique industrielle
2.1.1 Les transformateurs de puissance
2.1.2 Système d’isolation des transformateurs
2.1.3 Le besoin de la supervision en ligne
2.2 Revue de littérature – État de l’art du domaine
2.2.1 Méthodes de détection et de mesure des DP
2.2.1.1 Techniques électriques
2.2.1.2 Techniques chimiques
2.2.1.3 Techniques mécaniques (émission acoustique)
2.2.2 Portrait de la recherche dans le domaine
2.3 Objectifs du projet de recherche
2.4 Conclusion
CHAPITRE 3 MONTAGE EXPÉRIMENTAL
3.1 Description du système
3.1.1 Présentation des sondes piézocéramiques
3.1.2 Préparation du capteur
3.1.3 Protocole expérimental
3.1.4 Banc d’essai
3.1.5 Plan d’expériences
3.2 Analyse des performances métrologiques du système de mesure
3.2.1 Gammes fréquentielles
3.2.2 Étalonnage (Calibration)
3.2.2.1 Test de normalité des résidus
3.2.2.2 Test de stabilité / Ergodicité
3.2.2.3 Régression et analyse de linéarité
3.2.2.4 Étude de l’erreur de linéarité et du biais
3.3 Conclusion
CHAPITRE 4 MODÉLISATION ET POST-TRAITEMENT
4.1 Modélisation par la MEF de la configuration pointe plan du banc d’essai
4.1.1 Description physique du problème à résoudre
4.1.2 Formulation mathématique
4.1.2.1 Conditions aux limites
4.1.2.2 Résultats
4.2 Traitement du signal brut issu des piézoélectriques
4.2.1 La transformée en ‘Wavelets’
4.2.1.1 Transformé en ondelette discrète (Discret Wavelet Transform – DWT)
4.2.1.2 Transformée inverse
4.2.1.3 Relation entre fréquence et échelle
4.2.2 Acquisition des signaux
4.2.2.1 Cas des capteurs piézoélectriques
4.2.2.2 Signal du coupleur capacitif
4.2.3 Processus retenu pour le traitement
4.2.4 Construction du diagramme de résolution dans la phase DRPDP
4.2.5 Construction du diagramme d’analyse d’amplitude des impulsions AAI
4.3 Conclusion
CHAPITRE 5 ANALYSE MÉTROLOGIQUE DES NOUVEAUX CAPTEURS
5.1 Paramètres d’expérimentation
5.1.1 Mode d’acquisition et base de temps
5.1.2 Essai à vide
5.2 Validation descriptive
5.2.1 Diagrammes temporels
5.2.2 Diagramme de parité
5.2.3 Diagramme de résolution dans la phase DRPDP
5.2.4 Diagramme d’analyse d’amplitude des impulsions AAI
5.2.5 Analyse du biais
5.2.6 Analyse du niveau de corrélation
5.3 Conclusion
CHAPITRE 6 ÉTUDES DE LOCALISATION DES DÉCHARGES
6.1 Localisation par émission acoustique
6.1.1 Équations physiques d’une source monopole
6.2 Méthodes de localisation des foyers des décharges partielles
6.3 Expérimentation
6.3.1 Calcul des coordonnées de la source
6.3.2 Détermination des instants d’arrivées des signaux
6.4 Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE ET RECOMMANDATIONS
ANNEXE I MESURES DE CALIBRATION
ANNEXE II LOCALISATION DE LA SOURCE DES DÉCHARGES PARTIELLES PAR
LE MOYEN DU CALCUL DE L’ÉNERGIE ACOUSTIQUE
ANNEXE III EXEMPLE DE MESURE DE DP DANS LA GAMME DES UHF
BIBLIOGRAPHIE

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