I.4 Champ seuil d'apparition de l'effet de couronne
Lorsqu'un conducteur est soumis à une tension
croissante, le champ critique de l'effet de couronne est défini par
l'apparition brusque d'une importante conductivité de l'air dans son
voisinage immédiat. [1]
Selon F.W. Peek [14], pour une configuration cylindrique,
l'apparition de l'effet de couronne est fonction du champ superficiel, du rayon
du conducteur r, et de la densité de l'air selon la relation suivante
:
K
(I-12)
ä . r
Ec E
= 0 . . 1
ä +
ä : densité relative de l'air. è
ä +
= 273
3 921 ;
. .Ñ
Ec : champ électrique critique en
kV/cm; K = 0.308 ;
E0 : Le champ superficiel du conducteur ;
P : Pression de l'air en cm Hg; è :
température en °C ;
Il est à noter que l'état de surface du
conducteur est très important dans la détermination du champ
électrique. La relation précédente ne se vérifie
que pour des surfaces parfaitement polies. La rugosité superficielle
diminue le champ critique, et on tient compte de cet effet en attribuant au
conducteur un coefficient expérimental m = 1, appelé coefficient
de surface. Le champ électrique sera multiplié par un facteur
correctif, on obtiendra un autre champ critique. [10]
*
Ec = m.Ec
(I-13)
On peut adopter pour le champ critique et la tension critique
correspondante respectivement, pour les configurations ci-dessous de la figure
(I.4) [1,9], les expressions suivantes:
ö
a)E
= ä + 0 436
31 1 .
. m . V 2 (I-14)
= d
E ln c c c
äö ö
= ä + 0 426
b) 30 1 .
. m . V 4
= h
ö
E E 2 (I.15)
ln
c c c
äö ö
c) E
= ä + 0 426
3 1 1 . ö
. m . = . S
V 2
E 2 (I.16)
ln
c äö c c ö
m : coefficient d'état de surface; .
ö : diamètre de conducteur en cm;
E c : champ électrique critique;
Vc : tension critique;
ä : densité relative de l'air.
ö ö
ö
s
h
ö
ö
d
a) b) c)
Figure I.8 Différentes configurations de
disposition des conducteurs
Pour les conducteurs non lisses (m< 1), Miller [1,9] a
déterminé pour m les valeurs suivantes :
· m=1 conducteur parfaitement cylindrique;
· 0.88= m = 0.96 conducteur toronné, neuf, propre et
sec;
· 0.53= m = 0.73 conducteur toronné, neuf, sec,
mesuré après traînage sur le sol;
· 0.68= m = 0.82 conducteur toronné, vieilli et
patiné;
· 0.16= m = 0.45 conducteur toronné, et
mouillé;
I.5 Utilisation et conséquences négatives
de l'effet de couronne
L'effet de couronne peut être utilisé à des
fins industrielles intéressantes. Par contre, il peut apparaître
de façon indésirable sur les composantes des lignes à
haute tension.
I.5.1 Utilisation de l'effet de couronne
[2,11]
La génération de charges électriques dans le
phénomène d'effet de couronne est utilisée dans plusieurs
procédures industrielles tel que :
Parafoudre
L'effet couronne augmente la conductivité de l'air autour
de la pointe; le canal de la foudre qui opte pour le chemin le moins
résistant est capté par le paratonnerre.
Neutralisation
La surface de l'avion se charge par frottement avec l'air. Les
charges créées par effet couronne produit par des flèches
disposées sur les ailes de l'avion éliminent par neutralisation
les charges surfaciques.
Précipitateur de poussières
Le fil central produit par effet couronne des charges
électriques négatives. Les grains de poussière qui se
chargent négativement sont attirés et captés par le
cylindre qui les empêche de ressortir. Le cylindre joue le rôle
d'un filtre de poussières, lequel une fois saturé il sera
remplacé par un nouveau filtre.
Séparation électrostatique
Un mélange de particules granuleuses acquière
des charges électriques créés par effet de couronne
grâce à une électrode à pointe reliée
à une source de haute tension négative. Ces particules se
comportent différemment selon qu'elles sont isolantes ou
métalliques et tombent dans des endroits différents.
Régulation de tension
Quand le champ superficiel dépasse le seuil critique,
les charges électrique créées par effet de couronne
éliminent par neutralisation une partie des charges du conducteur. Ceci
provoque la diminution du champ superficiel et du potentiel du conducteur. On
dit que l'effet couronne est un régulateur de tension. Au niveau des
lignes électriques, l'effet de couronne autour des conducteurs a pour
effet de réduire l'amplitude et de ralentir la propagation des
surtensions (ex : manoeuvre, foudre...).
I.5.2 Conséquences négatives de l'effet de
couronne
Pertes
Dans une décharge couronne, une grande partie de
l'énergie électrique est perdue dans les collisions entre les
molécules neutres du gaz. Ainsi les pertes dépendent
principalement de la quantité de charges produite. De plus elles sont
fortement influencées par l'état de surface du conducteur et par
les conditions climatiques. En effet, la valeur moyenne annuelle des pertes par
effet de couronne est relativement faible soit de l'ordre de quelques kW. Mais
par mauvais temps on peut atteindre une valeur maximum de pertes par effet de
couronne plus de vingt fois plus grande que la valeur moyenne. Ces
augmentations ont une influence sur la livraison d'énergie
surtout pendant les périodes de pointe. Pour ces
raisons les concepteurs de ligne déterminent le diamètre et le
nombre de conducteurs par phase en considérant le champ critique
d'apparition de l'effet de couronne et de l'intensité de
précipitation. [4 ,6]
Interférences radio
télévision
La nature impulsionnelle de la décharge couronne est
à l'origine des parasites ou interférences radio
télévision qui peuvent être captées par les antennes
des récepteurs qui se trouvent proches des lignes de transport
d'énergie (moins de 100 m). Outre l'effet de couronne, les
étincelles ou les petits arcs électriques sont également
responsables de perturbations. [4 ,6]
Bruit audible
L'effet de couronne est à l'origine d'une onde sonore
produite par une variation locale de la pression qui se propage dans l'air
environnant. La principale source de bruit audible provient des gouttes
suspendues ou des gouttes passant à proximité des conducteurs. Il
a été observé aussi que le givre est un
générateur de bruit audible. De plus, en présence de la
vibration induite par effet de couronne sous pluie, les bruits
irréguliers sont parfois modulés à la fréquence de
vibration mécanique des conducteurs. [4 ,6]
Vent ionique
Les ions créés lors de la décharge
tendent à migrer vers le sol, mais au cours de leur déplacement,
ils entrent en collision avec des molécules de gaz. L'énergie
transmise aux molécules d'air se transforme non seulement en chaleur
mais aussi en énergie cinétique. De cette énergie
cinétique découle un flux d'air en quelque sorte
entraîné visqueusement par les ions. C'est le vent
électrique. Le vent électrique, ainsi créé, peut
exercer une certaine force sur la surface des électrodes. [5, 8,15]
Vibrations mécaniques
Lors de la pluie et en présence d'un champ
électrique, les conducteurs des lignes de transport d'énergie
électrique se mettent à vibrer à la fréquence
naturelle de la portée. Ce type de vibration est associé à
la décharge par effet de couronne des gouttes d'eau suspendues en
dessous des conducteurs. [4, 6]
I.6 Calcul du champ électrique superficiel des
conducteurs
Le paramètre caractéristique le plus évident
auquel on a coutume de rattacher l'intensité de l'effet couronne est le
champ électrique à la surface du conducteur ou gradient
superficiel.
En raison de la grande sensibilité du
phénomène couronne à la valeur de ce champ, il est
nécessaire d'employer une méthode pour calculer le champ
superficiel des conducteurs.
La méthode générale utilisée pour
déterminer les champs électriques et les potentiels d'un
système de conducteurs parallèles placés au-dessus d'un
sol plan est une application directe de la théorie des images
électriques. On remplace le sol, considéré comme un plan
de potentiel nul, par l'image des conducteurs par rapport à ce plan
(figure I.9). [1, 9,10]
De la façon la plus générale, le champ
superficiel se calcule par le théorème de Gauss :
E0
q 0
= (I-17)
2 . . . r
ð å 0 0
q0 : charge superficielle par unité de
longueur (C /m), r0 : rayon du conducteur (cm),
1
å = la permittivité du vide (ou de l'air),
en F/m.
0 36 10 9
ð
+q
y
P(x , y)
x
d
h
-q
Figure I.9 Schéma utilisé pour le
calcul du champ électrique
En se conformant aux notations de la figure I.9,
le potentiel du conducteur :
V 0
2
ln
q h
0
= (I-18)
2.ð.å0 0
r
On divise l'équation (I-17) par
l'équation (I-18), on obtient le champ superficiel
E0 :
E
0 2h
r0.ln
V
0 (I-19)
r 0
Si on se place dans le cas d'un conducteur cylindrique de rayon
r0 placé dans l'axe d'une cage cylindrique de rayon R, on
obtient d'une manière analogue :
r0
La solution pour remédier contre l'effet de couronne est
de diminuer le champ superficiel du conducteur par l'augmentation du rayon et
le choix convenable de la hauteur des pylônes.
Les lignes à très hautes tensions
supérieures à 300 kV, sont équipées presque
exclusivement de faisceaux de plusieurs conducteurs par phases, cette
disposition permet d'augmenter le rayon des conducteurs et par
conséquent, maintenir les champs superficiels à des valeurs
admissibles. [10,11]
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