Effet de l'épaisseur d'un écran pollué sur la rigidité diélectrique d'un système d'électrodes à champ non uniforme

République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche scientifique
Université A. MIRA de Bejaia
Faculté de la Technologie
Département d'Electrotechnique

En Vue De L'obtention Du Diplôme D'Ingénieur d'Etat
En Electrotechnique
Option : Réseaux Electriques

Thème

Effet de l'épaisseur d'un écran pollué sur la

rigidité diélectrique d'un système d'électrodes à

champ non uniforme

Proposé et dirigé par : Présenté par :

Mr R . Boudissa Mr H. Ait said

Mme Mouhoubi Mr L . Slimanou

2009/2010

Remerciements

Nos premiers remerciements vont à Mr BOUDISSA et Mme MOUHOUBI nos encadreurs, pour l'aide précieuse qu'ils nous ont apportés tout au long de ce travail.

Nos sincères remerciements aux membres du jury, pour l'honneur qu'ils nous font en participant au jugement de notre travail.

Que tous les enseignants et les étudiants d''electrotechnique, trouvent ici l'expression de notre reconnaissance et respect.

Nos vifs remerciements s'adressent également à tous ceux qui ont contribué de prés ou de loin à la réalisation de ce mémoire.

Dédicaces

Je dédie ce modeste travail :

À mes chers parents, ma grand-mère, ma tante et toutes les personnes qui m'ont encouragé tout au long de mes études ;

À mes frères et ma soeur ;

À ma chérie Alia ;

À tous mes amis(es) de : CSA, B206 ;

À tous les êtres chers dont le soutien m'a été indispensable.

Hakim

Je dédie ce modeste travail : À mes très chers parents.

À mon frère et mes soeurs. À toute ma famille.

À tous mes amis.

RESUME

Ce travail présente une étude de l'effet de l'épaisseur d'un écran pollué sur la rigidité diélectrique d'un système d'électrodes à champ non uniforme. En effet, des associations de diélectriques isolant solide et gazeux formant des isolations composites. Il est donc nécessaire d'étudier le comportement des caractéristiques électriques et diélectriques. La décharge électrique est résumée à la théorie du streamer pour des tensions élevées. L'amorçage à la surface d'une barrière isolante polluée dépend de plusieurs paramètres. La tension de disruption du système décroît lorsque la conductivité superficielle de la barrière augmente quelle que soit la variante de distribution de pollution appliquée sur celle-ci. Par contre cette même tension est beaucoup plus grande quand la barrière est propre, ce qui explique l'effet négatif de la pollution sur ses performances.

Mots dles : épaisseur - écran - rigidité - diélectrique - électrodes - champ - uniforme - isolant - solide - gazeux - isolation - composites - électriques - décharge - streamer - tension - amorçage - barrière - disruption - conductivité - pollution - propre - performances.

Table des figures

Fig. I.1 : Champ électrique propre à l'intérieur d'un matériau isolant sous tension ... .... 4

Fig. I.2 : Principe de mesure de la résistance transversale ....5

Fig. I.3 : Principe de mesure de la résistance superficielle ... .... 6

Fig. I.4 : Circuit électrique équivalent série 7

Fig. I.5 : Circuit électrique équivalent parallèle 7

Fig. I.6 : Cellule de mesure de rigidité diélectrique :(a) isolants gazeux ; (b) isolants solides et liquides .......8

Fig. I.7 : isolant comportant une inclusion gazeuse ... .... 10

Fig. I.8 : Système d'électrodes pointe-barrière-plan ... .... 15

Fig. II.1 : Arc transféré .......21

Fig. II.2 : Arc non transféré .......22

Fig. II.3 : Décharges glissantes .... 22

Fig. II.4 : Electrode de décharge à barrière diélectrique ... .... 23

Fig. II.5 : Effet de Townsend ... .... 24

Fig. II.6 : Développement d'un streamer négatif .... 28

Fig. II.7 : Développement leader 29

Fig. II.8 : Eclateur pointe-plan avec propagation d'un streamer .... 30

Fig. II.9 : Effet couronne à pointe négative ... .... 31

Fig. IV.1 : Modèle expérimental . ... 46

Fig. IV.2 : Circuit de mesure de la tension d'amorçage et de visualisation ... .... 47

Fig. IV.3 : configuration « pointe-barrière-pointe » ... .... 48

Fig. IV.4 : configuration « pointe-barrière-plan » ... .... 48

Fig. IV.5 : Transformation de l'humidité relative en humidité absolue ... .... 51

Fig. IV.6: Facteur de correction en Fonction de l'humidité absolue ... .... 51

Fig. IV.7: Tension de claquage en fonction de la position de la barrière propre et sèche (øp=5cm)..... 53
Fig. IV.8: Chemin de la décharge dans l'intervalle pointe-barrière-plan pour différentes

largeurs de la barrière propre (øp=5cm, a/d=10%) 53

Fig. IV.9: Tension de claquage en fonction de la position de la barrière (øp= 10 cm) 54

Fig. IV.10: Chemin de la décharge dans l'intervalle pointe-barrière-plan pour différentes

largeurs de la barrière propre (a/d=10%, øp=10 cm) 54

Fig. IV.11 Tension de claquage en fonction de la position de la barrière propre (eb=6 mm) 55

Fig. IV.12 : Tension de claquage en fonction de la distance interélectrode .... ... 56

Fig. IV.13 : Efficacité du système en fonction de la position a/d ... .... 56

Fig. IV.14: Chemin de la décharge dans l'intervalle d'air pointe-barrière-pointe pour

différentes largeurs de la barrière propre (a/d=10%) 57

Fig. IV.15 : Efficacité du système en fonction de la largeur de la barrière 58

Fig. IV.16 : Tension de claquage en fonction de l'épaisseur de la barrière propre (a/d= 10% ; øp=5 cm) 58
Fig. IV.17 : Chemin de la décharge dans l'intervalle d'air pointe-barrière-plan pour

différentes largeurs de la barrière propre (eb=4 cm; øp=5 cm) 59
Fig. IV.18 : Tension de claquage en fonction de l'épaisseur de la barrière propre (a/d= 10%;

øp=10 cm) .......59
Fig. IV.19 : Chemin de la décharge dans l'intervalle d'air pointe-barrière-plan pour

différentes largeurs de la barrière propre (øp=10 cm; eb=4 cm) 60

Fig. IV.20 : Tension de claquage en fonction de l'épaisseur de la barrière propre (a/d= 10%) 60

Fig. IV.21 : Efficacité de la barrière en fonction de son épaisseur (a/d=10%) 61

Fig. IV.22: Chemin de la décharge dans l'intervalle d'air pointe-barrière-pointe pour

différentes largeurs de la barrière propre (eb=4 cm) 61

Fig. IV.23: Tension de claquage en fonction de la conductivité superficielle de la barrière 62

Fig. IV.24: Développement de la décharge en pollution uniforme 63

Fig. IV.25 : Développement de la décharge sur la face HT+Terre 63

Fig. IV.26 : Apparition de la décharge sur la face HT 63

Fig. IV.27 : Développement de la décharge sur la face Terre+Côtés 64

Fig. IV.28 : Développement de la décharge sur la face HT+Côtés 64

Fig. IV.29 : Tension de claquage en fonction de la conductivité superficielle de la barrière 65

Fig. IV.30 : Développement de la décharge en pollution uniforme 66

Fig. IV.31 : Développement de la décharge sur la face HT+Terre 66

Fig. IV.32 : Apparition de la décharge sur la face HT 66

Fig. IV.33 : Développement de la décharge sur la face Terre+ côté 67

Fig. IV.34 : Développement de la décharge sur la face HT+côté 67

Fig. IV.35 : Apparition de la décharge sur les trois faces de la barrière 67

Table des matières

Introduction générale

Chapitre I Isolants et barrières Isolantes

I.1 Introduction .......1

I.2 Isolant .......1

I.2.1 Définition .... ... 1

I.2.1.1 Isoler 1

I.2.1.2 Isolation .... ... 1

I.2.1.3 Diélectrique ..... .. 1

I.2.1.4 Système d'isolation .... ... 1

I.2.2 différents types d'isolants .... ... 2

I.2.2.1 Isolants gazeux .... ... 2

I.2.2.2 Isolants solides .... ... 2

I.2.3 Matériaux utilisés pour les isolants solides .... ... 2

I.2.3.1 Verre .... ... 2

I.2.3.2 Verres trempés .... ... 3

I.2.3.3 Verres recuits .... ... 3

I.2.3.4 Silicone .... ... 3

I.2.4 Propriétés des isolants .... ... 4

I.2.4.1 Propriétés diélectriques .... ... 4

I.2.4.1.1 Permittivité .... ... 4

I.2.4.1.2 Résistance en tension continue .... ... 5

I.2.4.1.2.1 Résistance transversale en tension continue .... ... 5

I.2.4.1.2.2 Résistance superficielle en tension continue .... ... 6

I.2.4.1.2.3 Résistance d'isolement .... ... 7

I.2.4.1.3 Facteur de pertes diélectriques en tension alternative .... ... 7

I.2.4.1.4 Rigidité diélectrique ... .... 8

I.2.4.1.5 Décharge disruptive ... .... 8

I.2.4.1.5.1 Décharge intrinsèque 9

I.2.4.1.5.2 Décharge thermique .... ... 9

I.2.4.1.5.3 Décharge partielle .... ... 9

I.2.4.2 Propriétés thermiques .. .. 10

I.3 Isolateur ... .... 13

I.3.1 Définition .... ... 13

I.3.1.1 L'intervalle d'air ... .... 13

I.3.1.2 L'isolant solide .... ... 13

I.3.1.3 L'interface air-isolant solide ... .... 13

I.4 Barrières isolantes .......14

I.4.1 Introduction .... ... 14

I.4.2 Facteurs d'influence de la barrière sur la rigidité diélectrique de l'air ... .... 14

I.4.2.1 Largeur de la barrière ... .... 14

I.4.2.2 Position de la barrière .... ... 15

I.4.2.3 Epaisseur et permittivité du diélectrique utilisé ... .... 16

I.4.2.4 Nature et polarité de la tension appliquée ... .... 16

I.4.2.5 Matériau de la barrière ... .... 16

I.4.2.6 Accumulation de la charge d'espace ... .... 17

I.4.2.7 Pollution de la barrière .... ... 17

I.4.2.8 Longueur de l'intervalle ... .... 17

I.4.2.9 Nombre de barrières isolantes utilisées ... .... 17

I.4.2.10 Forme de la barrière ... .... 18

I.4.2.11 Prédécharges ... .... 18

I.4.2.12 Barrières trouées ... .... 18

I.5 Conclusion .......19

Chapitre II Décharges dans l'air

II.1 Introduction .......20

II.2 Type de décharges .......20

II.2.1 Décharges pointe-pointe ... .... 20

II.2.2 Décharges pointe-plan .... ... 21

II.2.3 Décharge plan-plan ..... .. 22

II.3 Notions élémentaires sur les décharges dans les gaz ... .... 23

II.3.1 Théorie de Townsend .... ... 24

II.3.2 Théorie du Streamer .... ... 26

II.3.2.1 Aspect et constitution d'un streamer .... ... 27

II.3.2.2 Influence de la polarité .... ... 27

II.3.2.2.1 En polarité positive .... ... 27

II.3.2.2.2 En polarité négative .... ... 28

II.4 Décharge de type leader .......29

II.5 Décharge électrique en champ non uniforme .... ... 29

II.6 Décharges couronne .... ... 30

II.6.1 Seuil d'effet couronne .... ... 32

II.6.2 Effet de couronne en tension alternative .... ... 33

II.7 Les Paramètres influant sur le développement de la décharge . .... 33

II.7.1 Présence des particules conductrices dans l'air 33

II.7.2 Influence de la pollution de l'air .... 34

II.8 Conclusion .......34

Chapitre III Pollution atmosphérique

III.1 Introduction .......35

III.2 Définitions .......35

III.2.1 Couche de pollution ... .... 35

III.2.2 Degré de pollution ... .... 35

III.2.3 Salinité ....... 35

III.3 Sources de pollution .......35

III.3.1 Pollution naturelle ... .... 36

III.3.1.1 Pollution marine ..... .. 36

III.3.1.2 Pollution désertique ... .... 36

III.3.2 Pollution industrielle .... ... 36

III.3.3 Pollution mixte . ... 36

III.4 Impact de la pollution .......37

III.4.1 Arc non localisé .... ... 37

III.4.2 Arc fixe .......37

III.4.3 Contournement des isolateurs pollués .... ... 37

III.5 Sévérité de pollution d'un site ... .... 38

III.5.1 Mesure de la sévérité de pollution d'un site ... .... 39

III.5.1.1 Densité du dépôt de sel équivalent (DDSE) ... .... 39

III.5.1.2 Conductance superficielle .......39

III.5.1.3 Mesure optique .... ... 40

III.5.1.4 Mesure de la pollution de l'air .... ... 40

III.5.1.5 Densité du dépôt non soluble (DDNS) ... .... 40

III.5.2 Classification des sites pollués ... .... 40

III.6 Méthodes d'essais sous pollution ... .... 41

III.6.1 Essai sous pollution naturelle .... 42

III.6.2 Essais sous pollution artificielle ... .... 42

III.6.2.1 Méthode des couches solides ... .... 42

III.6.2.2 Méthode du brouillard salin .... ... 43

III.6.2.3 Méthode de la pollution liquide .... ... 43

III.7 Techniques de lutte contre la pollution ... .... 43

III.7.1 Allongement de la ligne de fuite ... .... 43

III.7.2 Utilisation des isolateurs plats (auto-nettoyables) .......44

III.7.3 Graissage des isolateurs (couches hydrophobes) .... ... 44

III.7.4 Revêtements à base de silicones ... .... 44

III.7.5 Nettoyages sous ou hors tension .... ... 44

III.8 Conclusion .......45

Chapitre IV Partie expérimentale

IV.l Introduction 46

IV.2 Techniques expérimentales .... ... 46

IV.2.1 Dispositif expérimental et circuit d'alimentation .... 46

IV.2.2 Modèle expérimentale .... ... 47

IV.2.3 Circuit de mesure de la tension d'amorçage .... ... 48

IV.2.4 Visualisation de l'arc .... ... 49

IV.2.5 Mode opératoire ..... .. 49

IV.2.6 Préparation de la solution polluante ..... .. 49

IV.2.7 Variantes et technique d'application de la pollution ... .... 49

IV.2.8 Procédé d'essai .... ... 50

IV.2.9 Correction des résultats en fonction des conditions atmosphériques ... .... 50

IV.3 Paramètres d'influence de la disruption de l'intervalle d'air 52

IV.3.1Barrière propre et sèche ... .... 52

IV.3.1.1Position et largeur de la barrière ... .... 52

IV.3.1.1.1 Configuration pointe-barrière-plan .... ... 52

IV.3.1.1.2 Configuration pointe-barrière-pointe .......55

IV.3.1.2 Epaisseur de la barrière .... ... 58

IV.3.1.2.1 Configuration pointe-barrière-plan .... ... 58

IV.3.1.2.2 Configuration pointe-barrière-pointe 60

IV.3.2 Barrière isolante polluée 62

IV.3.2.1 Configuration pointe-barrière-plan 62

IV.3.2.2 Configuration pointe-barrière-pointe 65

IV.4 Conclusion 68

Conclusion générale