II.1 Introduction
L'étude des décharges électriques
présente de l'intérêt d'un point de vue industriel pour les
problèmes lies à l'isolement et à la protection des
réseaux de transport et de distribution d'énergie (ligne à
haute tension, transformateurs, générateurs....) ainsi plusieurs
études et ouvrages se sont intéressés à leur
compréhension.
Très vite, les chercheurs ont tenté de faire le
lien avec la décharge de foudre afin de mieux comprendre ses
mécanismes et de mieux s'en protéger. En effet celle-ci est
responsable d'un grand nombre de destruction d'équipements
électrique et électronique (de plus en plus sophistiqués
et donc de plus en plus fragiles) tant sur les installations industrielles que
domestiques. D'ailleurs, leurs études ont démontré une
similarité entre la foudre et les décharges superficielles.
Une décharge électrique (ou étincelle)
est instantanée pour l'oeil humain et s'accompagne d'un claquement sec
et violant. Mais en réalité, cette étincelle, qui
correspond au passage de l'état isolant à l'état
conducteur de l'air, ne se produit pas de façon instantané mais
avec un retard qui dépend essentiellement de la valeur de la
distribution et de l'évolution
temporelle du champ électrique ainsi que d'autres
facteurs qui sont liés à l'environnement oüelle
se produit.
Les décharges superficielles (ou glissantes), qui
feront l'objet de la présente étude, sont des décharges
électriques qui apparaissent à la surface d'un isolant solide
placé dans un gaz ou liquide isolant.
II.2 Types de décharges
Les caractéristiques électriques des
décharges dépendent fortement de la géométrie des
électrodes. On classe celle-ci en trois familles qui induisent des
comportements électriques et des applications différentes.
II.2.1 Décharges pointe-pointe
L'utilisation de pointes métalliques pour l'étude
des décharges est assez courante. Cela est dû à l'effet de
pointe, qui permet d'obtenir localement un champ intense (au niveau des pointes
et des angles métalliques). Ce champ intense favorise le claquage
électrique des gaz. C'est pour cela que l'on utilise des pointes comme
paratonnerre et que la machine de Watson était équipée
d'une pointe.
L'utilisation de pointes a l'avantage de stabiliser le lieu de
la décharge puisqu'on est sûr du
point de départ et du
point d'arrivé de celle-ci (mais rien n'impose que le trajet entre ces
deux
point s oit une lign e droite).
C
on n'utilise que rarement
cette
e sont souvent des dé
charges entre deux
électrodes mé talliques,
configuration avec des décharge
s à barrière diélectrique
.
[13]
le chemin
nnaît de
stable ; c'
est à dire q
'on ne peu t pas prédi
re
n peut dis tinguer troi s
sférés et l
peut être in
c mais qu
parcouru. O
s non tra n
ointe-pla n
arcs dont
point de départ de l'
ar
n ni même
a le chemin
cs transfé
elles différ
es arcs gli s
transférés s
à de très hautes temp ).
cs transfé rés ou non
ue l'on c o
quel sera
types de d sants, qui
ont utilisé s
le point écharge ont des tous les courants
l'aide de
ératures, à
transféré est un arc
l'électrode
utilisée p
rés, les arc
entes. Les ar
pour obtenir des gaz s
centaine s d'Ampère s
ré : un arc
pointe est
der (Fig. I I
zone de s
.1). Il arrive qu'on utilise un gaz
oudage (protection contre les
oxydation s
fondament alement le trajet de
l'arc qui va
naturellement
II.2.2 Décharges p
e sont de
C s manièr e certaine
l e
d'arrivée sur le pl
pointe- plan : les ar
utilisati ons industri deux
e n sidérurgi e
important (plusieur
> Arc transfé
oudure. L
s a
étal à so
m u
pointe-pl an utilisé c
ouramment pour la ar le soud eur et le pl
an est la p laque de
sous press ion pour pr
otéger la ) mais c ela ne cha
nge pas d'une élec trode à l'au
tre.
|
Fig. II
|
.1 : Arc tra nsféré
|
et arc est le
centre du
plus sou vent). La di
dispositif et le plan e st le
tube
fférence e ssentielle avec
l'arc
> Arc non tr
ansféré : la pointe de c ui entour
q e la pointe (cathode l e
qui crée
récédent
p est que celu i-ci est sou
fflé par un flux de ga z (gaz plas
magène), ce
n arc proj
u eté (jet de plasma) ;
c 'est une to rche à plas
ma. La plu part du tem ps,
on se
ert de ce
s type de dispositif
pour réalis er des dép
ôts de mé taux sur
différents
atériaux
m (figure II.2) .
|
Fig. II.2
|
: Arc non
|
t ransféré
|
des électro
lan (figure
par un co ur
du soufflag
cas, on ch erche à fair
e glisser l' arc en le so
ufflant le
ne configu
u ration géo
métrique de décharge
plan-plan
sont des dispositifs à arc gli ssant,
géné ralement
ble intensi
té ; l'allon gement de
la longueur de l'arc
tensions él evées relat
ivement à c elles qui
uire à des
> Décharge
glissante : d ong d'une l
ou pointe-
p
aractérisé
c s
qui résulte
seraient obtenues sans
a ns certain s des, dans II.3). C e
ant de fa i e peut con d
soufflage.
|
Fig. II.3 :
|
Décharges
|
glissantes
|
II.2.3 Décharge plan-plan [1
3]
es décha
L rges plan-pl
an sont ra r
(figure connaît sur ces
II.4). En e ni le point
électrodes
ffet, dans l
de départ
d
, on n'obt
électrodes : on ob
s
plusieurs arcs app ar
erve un ar
aissant et d
e cas d'u ne e la déchar g
ient pas
c unique s e isparaissa
nt
entre élec trodes mé talliques
s, on ne
parfois,
ement de s décharge s
utilisatio n d'électro des
métalli ques plane e, ni le po int d'arrivé e
et, sans t raitement p articulier
un arc ho mogène, ré
parti sur t oute la sur face
des déplaçan t dans l'es pace
interél ectrode, ou dans ce même
espace.
Dans l a plupart de
diélectr ique côté
dé une dé charge ho m
import antes (dizai n
qui sont
itif, il est b
e de déch ar
ement fai b
s décharg e
an. Ce typ
d'une c o
lus facile d
n jeu des
es centaine
s cas, on charge. Av ogène sur e(s) de
kV )
pour de s sections de
autre, p
our la prod u
l'ordre d e ction d'oz o
utilise des
ec ce type
tout le pl
et des co ura 10 cm2).
O
ne.
électrode s de dispo
s
nts relativ n utilise ce
recouverte s eaucoup p ge
met e les (quelqu s à barrièr
e
uche de
'obtenir
tensions
s de
mA
diélectrique, entre
seuil, le g az
par col lision entr e
phéno mène lié à l
a déchar ge électriqu e
Les
Les
Mais c e n'est pas le cas
dans la prés ence des ra yonnement
s
contien nent toujou rs une
cert aine quantit é de charge
s
L'a pplication d'un cha
mp électriq ue entraîne
l'appar ition d'un courant
do nt la valeur
que le champ app
liqué est f aible, le ga
z
électriques
sont in fluencés p ar
différent interpr étation se fa
it à base de
> Théorie de > Théorie d
u
certain
gaz sont de bons isola nts s'ils so nt mis
hors
la réalité p uisque cet i
cosmique s et solaires
décharges
Townsend
libres.
le déplacement de ces
charges, donc
dépend de celle du champ
électrique. En e ffet, tant
garde ses qualités d '
une condu ctivité
supérieure due à
les parti cules, les électrons et les
photons qui y s ont créés.
C transition d'un gaz de l'état
isolant à celui de conducteur que l'o
n
.
streamer.
présente
.
présentent plusieurs régimes
différents des un
s paramètres (électri
ques, géométriques et deux
modèles qui sont :
d'atteinte des agents
ionisants e xtérieurs. solement e
st impossible à faire,
de fait de ainsi que de la radio
activité naturelle. Ils
isolant, mais en dépassant un
une ionis
ation qui s'
extérieurs)
s des autres et qui
et leur
effectue
'est ce appelle
23
Fig. II.4 : E lectrode d e décharge
|
à barrière diélectrique
|
|
II.3 Not ions éléme ntaires sur les
déchar ges dans l
|
es gaz
|
II.3.1 Théorie de Townsend
n
consid
O ère un gaz
[14, 15, 16 ]
entre
deux
ue E, la d
présence d'un champ électri
q
suivant : Un électron soumis une
accélération, acquiert une
électrodes planes,
distantes de d (figure II.5). En
écharge de Townsend apparaît
selon le mécanisme à la force
du champ électrique (F= q .E)
qui lui communique énergie. C elle-ci
est suffisante à partir d'un e
certaine valeur du collision une particule
neutre du gaz, les nouveaux électrons
tour au mé canisme d'ionisation des
autres molécules neutres e avalanche électroni
q ue. Pour exprimer l'ac
champ électrique,
produis
sur une distance
crées vont particip
nt ainsi u a n
à ioniser par
er à leur
coeffici ent de Townsend) qui dépend de gaz.
croissement des électrons dNX
premier (
ssion du
dx, Towns end a intr oduit le
coefficient de multipl ication á la nature du gaz, du
champ local et de la pre
|
Fig. I
|
I.5 : Effet de Townsend
|
(II-1)
En tenant compte qu'à x=0, N X=N0
Où : N 0 N est le Si d est
est le taux de production
d'électrons primaires par seconde.
nombre d' électrons
produit par avalanche.
est donné p ar l'express ion :
la distance interélectrode, le
courant mesuré
(II-3)
25
L'étude expérimentale menée par Townsend
montre que le courant i augmente plus rapidement que prévu par la
relation (II-3). A partir d'une certaine distance (d=dC), et en
raison du phénomène d'ionisation secondaire, à la cathode
il se produit une émission d'électrons supplémentaires dus
aux ions positifs laissée par l'avalanche primaire. Ces ions bombardent
la cathode et produisent d'autres électrons, ce phénomène
est traduit par le deuxième coefficient de Townsend y.
Ce coefficient dépend de la nature du gaz
interélectrode et particulièrement de la nature du
matériau constituant la cathode, le nombre total d'électrons
atteignant l'anode est donnée par l'équation suivante :
~~~ ~~~~
~ ~ ~~ ~~~·~~~~~~~~~~~ (II-4)
Le courant collecté à l'anode est donné par
l'expression suivante :
exp (ad)
i = i0~~~·~~~~~~~~~~~ (II-5)
y: Le 2ème coefficient de Townsend
dépend de rapport de(E /P), aussi du matériau dont
est
faite la cathode et la nature du gaz.
La distance (dC) d'amorçage (de claquage oil rupture
diélectrique) du gaz ressort de la condition :
ã · (exp(ádC) -- 1) = 1 (II-6)
Or: exp(ad) >> 1 ce qui permet d'écrire
l'équation (I-6) de la façon suivante :
y · (exP(adc)) = 1 (II-7)
Pour chaque valeur de(E/P), on trouve une valeur (dc)
et donc une tension de rupture diélectrique est :
VC = EdC (II-8)
Si (E), n'est pas uniforme entre les électrodes, (a) varie
et le critère de claquage s'exprime :
y
· [exp (f o dc oc d ) -- 1] = 1 (II-9)
Le phénomène d'attachement sera pris en compte
dans les zones à faible champ, il est caractérisé par le
coefficient (ì) qui est définit comme étant le nombre
d'électrons qui sont captés par des molécules neutres par
unité de longueur.
Le coefficient d'ionisation apparent est dans ce cas ar = a --
kt.
Un autre phénomène peut être
considéré, c'est le phénomène de détachement
des molécules par collisions qui s'ajoute au processus a. Il est
caractérisé par un autre coefficient æ (coefficient
d'attachement collisionnel).
Le coefficient net effectif d'ionisation est:
ar = a -- kt + ~ (II-10)
| 
