I.1 Introduction
Dès la naissance de l'électrotechnique des
hautes tensions, l'attention des ingénieurs et des chercheurs, fut
attirée par le curieux phénomène désigné par
« effet de couronne ». Aujourd'hui ce
phénomène est bien connu, et se manifeste sous forme d'une gaine
lumineuse bleuâtre qui apparaît autour d'un fil mince lorsque
celui-ci est porté à une tension suffisante. Si cette tension
croit encore, il est possible d'observer une couronne très lumineuse
autour du fil (figure I.1), d'où le nom donné
à l'effet de couronne.
Figure I.1 Effet couronne sur une ligne à
haute tension en côte d'ivoire
Effet visible la nuit
Du point de vue physique et électrique, ce
phénomène est dû à l'ionisation de l'air, dès
que le champ électrique régnant au voisinage immédiat du
conducteur devient suffisant. Lorsque l'on utilise des conducteurs de plus gros
diamètres, comme ceux qui équipent les lignes aériennes,
on constate que la gaine lumineuse évolue en décharges
discrètes que les spécialistes ont coutume d'appeler «
aigrettes » ou « effluves ». [3, 9, 10]
L'objectif de ce chapitre est d'introduire les définitions
de base de la décharge couronne, lesquelles donnent une facilité
de compréhension des chapitres suivants.
I.2 Phénomènes d'ionisation dans les
gaz
Pour comprendre le mécanisme de la décharge
couronne, il est nécessaire de bien comprendre les
phénomènes d'ionisation dans les gaz.
I.2.1 Notions générales sur les gaz
[11]
* Tous les gaz sont isolants
* Ont la même constante diélectrique å =
å0 = 8,85 10-12 F/m
* L'air est l'isolant le plus disponible, le plus utilisé
et par dessus le marché il est gratuit. * Le mouvement des particules
dans les gaz est libre.
* Quand un gaz est porté à une certaine
température (même la température ambiante), il acquiert
1
une énergie thermique Wth 2 kT
= (I-1)
k 3 J K T
: constante de Boltzman 1,38 . 1 0 / ; : températu re
(degrés Kelvin)
-
=
* L'énergie thermique qui se transforme en vibrations de
translation et de rotation aux particules, devient une énergie
cinétique 2
1
Wc = mv (I-2)
2
* Toutes les particules (atomes et molécules) sont en
mouvement continu :
kT (I-3)
m
1 1
W th W c kT mv v
2
= = = 3
2 2
* Les particules légères sont les plus rapides.
L'électron est donc le plus rapide des particules. * La pression P du
gaz est proportionnelle à la densité atomique ä.
I.2.2 Processus d'ionisation [3, 9, 11,12]
Il existe différents processus conduisant à
l'ionisation des particules neutres par libération d'un ou plusieurs
électrons, d'un atome ou à l'échange des charges entre les
particules, on peut citer essentiellement :
I.2.2.1 Ionisation par collision
Sous l'action du champ électrique les électrons
libres qui se déplacent avec une énergie cinétique
Wc , entrent en collision avec l'atome, si cette
énergie est au moins égale à l'énergie
d'ionisation, l'atome libère un électron et devient
ionisé;
|
Si W c = Wi
|
ionisation de l'atome;
|
A + W c ? A + + 1e - +
Äw (I-4)
|
avec Äw = W c - W i
énergie supplémentaire cédée
|
à l'électron libéré
|
sous forme d'énergie cinétique.
|
C'est le processus d'ionisation le plus fréquent dans les
gaz.
I.2.2.2 Photo-ionisation
Pour qu'un processus d'ionisation puisse se produire par
l'action d'un photon sur le gaz, il faut que l'énergie du photon
incident soit au moins égale à l'énergie d'ionisation de
la particule considérée ;
|
Si W c = Wi
|
ionisation de l'atome;
|
A+W p ?A + +1e -
+Äw (I-5)
avec iXw = WP - Wi énergie
supplémentaire cédée à l'électron
libéré sous forme d'énergie cinétique. (WP
= hv; h : constante de Planck = 6,625. 10-34 J.s;
v : fréquence du photon).
I.2.2.3 Ionisation thermique
Si la température d'un gaz est supérieure à
1 500°K, l'atome absorbe l'énergie thermique Wth du milieu
et devient par conséquent ionisé ;
Si Wth = Wi ionisation de
l'atome;
A+W th?A + +1e -
+Äw (I-6)
|
avec Äw = Wth -
Wi énergie supplémentaire
cédée
|
à l'électron libéré
|
sous forme d'énergie cinétique.
|
I.2.3 Attachement
L'attachement consiste à la fixation d'un électron
par une molécule ou un atome neutre, d'où la formation d'un ion
négatif.
A +e - ?A - +hv
(I-7)
Ce processus se produit dans des champs assez faibles, c'est
grâce à ce phénomène que le nombre des
électrons libres diminue dans les gaz.
I.2.4 Détachement
C'est le processus suivant lequel un ion négatif
cède son électron supplémentaire, cette action se
déroule pour E/p = 90 V/cm/mm Hg.
E : champ électrique en V/cm ;
P : pression en mm Hg
A ? e - + A + W
- 1 (I-8)
p
I.2.5 Recombinaison
La recombinaison est la neutralisation d'un ion positif par
capture d'un électron ou d'ion
négatif.
e - A A h (I-9)
+ +? + í
A + + B - ? AB + h
í (I-10)
Le taux des recombinaisons ion - ion est
généralement beaucoup plus élevé que celui des
recombinaisons électron - ion, ce qui est dû à la faible
mobilité des ions positifs.
Note : la recombinaison et l'attachement
électronique peuvent jouer un rôle très important. Ils
peuvent d'une part retarder l'initiation de la décharge car favorisant
la formation d'états intermédiaires et d'autre part l'inhiber
tout simplement. Il est certain que sous n'importe quelles conditions, une
multiplication électronique ne peut s'initier que dans une région
où les phénomènes d'ionisation sont plus importants que
ceux de recombinaison et d'attachement. Dans l'air, cette condition est fournie
par un champ réduit égal à : E/p
=34V.cm-1 .torr-1, soit 26 kV/cm à la pression
atmosphérique. [12]
I.2.6 Avalanche électronique
La décharge couronne se produit entre deux
électrodes où l'une présente l'anode et l'autre la cathode
où un électron primaire situé près de ce dernier
créé par ionisation grâce à des agents naturels tels
que les rayonnements cosmiques et la radioactivité de la terre.
L'électron primaire e0 accéléré par le champ
électrique ?E? (figure I-2) entre en collision
avec un atome A1 et l'ionise ; A1 libère un électron e1 et
devient lui même un ion positif. Les électrons e0 et e1 ionisent
par collision deux autres atomes A2 et A3 qui libèrent deux autres
électrons e2 et e3. Ces quatre électrons entrent on collision
avec quatre autres atomes qu'ils ionisent. La multiplication des
électrons se poursuit suivant ce processus jusqu'à ce que
l'avalanche arrive à l'anode. [9,10]
Champ Électrique
e0
e1
A1
e2
e4
A2
e5
A3
A4
e3
A7
e6
e7
A5
A6
Atome
Ion Positif
Électron
Anode
Cathode
Figure I.2 Déroulement de l'avalanche
électronique [9]
Les électrons plus rapides sont absorbés par
l'anode tandis que les ions positifs lourds et plus lents forment entre les
électrodes un ensemble de charges qu'on appelle «charge
d'espace». Comme l'avalanche débute près de la
cathode et finit sur l'anode, la charge d'espace présente la forme d'un
cône (figure I-3). Elle progresse dans le sens
opposé à E. [11]
Champ électrique E
Anode Cathode
Figure I.3 Forme de la charge
d'espace [11]
On verra plus loin l'important rôle de la charge d'espace
dans le mécanisme de vibrations induites par effet couronne qui est
l'objectif de ce présent travail.
Le nombre total de paires électrons-ions positifs
crées dans une avalanche peut être calculé
par :
á S
n n e
= 0 (I-11)
Où n0 : nombre d'électrons émis de
la cathode.
S : distance entre l'anode et la cathode.
á : 1er coefficient de Townsend, c'est une constante qui
ne dépend pas du nombre d'électrons.
Tous les électrons sont donc ionisant et chaque
électron primaire est à l'origine d'une avalanche
électronique à multiplication exponentielle [9]. L'avalanche
électronique est le phénomène fondamental qui
génère l'effet de couronne [13].
I.2.7 Processus cathodique [9, 11]
a. Emission par bombardement d'ions positifs
Après que l'avalanche électronique soit
produite, les électrons sont absorbés par l'anode, tandis que les
ions positifs bombardent la cathode afin d'extraire des électrons
secondaires de cette dernière. La cathode libère un ou plusieurs
électrons si l'énergie cinétique des ions positifs
Wc est
supérieure ou égale à l'énergie
d'extraction Wexct qui caractérise chaque type de
matériau avec lequel ce dernier est fabriqué. Ce processus joue
un rôle très important dans la décharge couronne en
polarité négative.
b. Emission par photon La cathode absorbe un
photon d'énergie Wp=hv ; si
Wp= Wext il y a extraction d'un ou
de
plusieurs électrons, c'est le processus par lequel la
décharge couronne en polarité positive est effectué.
c. Emission thermique
Si la cathode est portée à une grande
température (entre 1500 et 2500°K), l'agitation thermique provoque
l'extraction d'un ou plusieurs électrons situés à la
surface du métal.
d. Emission par champ
Si le champ à la surface est très
élevé, des électrons peuvent être extraits de la
cathode par force électrique.
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