efelec · LA RUPTURE DIELECTRIQUE ... Ce phénomène est dû à l'accumulation d'énergie (thermique, cinétique, élastique) que le matériau ne peut compenser. L'étude de la rupture

DIELECTRIQUES-E1.doc

NOTES

D'INFORMATIONS

TECHNIQUES

____________________________

LES TESTS DIELECTRIQUES

ETUDE DES FACTEURS D'INFLUENCE

SUR LES ESSAIS DE

RIGIDITE __________________________________________________________________

efelec

Parc d'Activités du Mandinet - 19, rue des Campanules 77185 -LOGNES - MARNE LA VALLEE Téléphone : 16 (1) 60.17.54.62 Télécopie : 16 (1) 60.17.35.01

SEFELEC LES TESTS DIELECTRIQUES


NOTES D’INFORMATIONS TECHNIQUES édition 2002

SOMMAIRE PAGE

INTRODUCTION ......................................................................... 1

CHAPITRE I 1- PRESENTATION ....................................................................................... 2

1-1- LES FACTEURS D'INFLUENCE SUR LES TESTS DIELECTRIQUES 2 1-2- FACTEURS DETERMINANTS en TESTS INDUSTRIELS ................... 3

CHAPITRE II 2- LES ESSAIS DE RIGIDITE DIELECTRIQUE ...................... 4

2-1- FACTEURS D'INFLUENCE -GENERALITES ..................... 4 2-2- INFLUENCE DU MILIEU ..................................................... 7 2-3- INFLUENCE DE LA TEMPERATURE ................................ 8 2-4- INFLUENCE DE LA PRESSION ........................................... 13 2-5- INFLUENCE DE L'HYGROMETRIE ................................... 16

édition 2002



NOTES D’INFORMATIONS TECHNIQUES édition 2002 Page 1

INTRODUCTION Les tests diélectriques sont mis en œuvre dans l'industrie pour le contrôle de produits, appareils ou équipements d'une très grande diversité. Ils ont pour but soit l'étude des propriétés de tenue aux tensions élevées et d'isolement de matériaux isolants, soit la vérification de la conformité aux normes de sécurité des composants ou équipements électromécaniques et électroniques. En milieu industriel et dans une moindre mesure en laboratoire, il est parfois difficile d'interpréter les résultats et principalement lorsque ceux-ci sont en dehors des limites souhaitées ou incohérents et conduisent à un refus du produit testé par un service vérificateur. Lorsque le défaut n'est pas répétitif ou que les résultats sont très proches des valeurs limites autorisées cela entraîne généralement des litiges. Les tests diélectriques représentés par les essais de rigidité et les mesures de résistance d'isolement nécessitent un mode opératoire et des conditions parfaitement définies pour être valables, répétitives et non contestables. En milieu industriel, ces conditions de test sont souvent négligées et les phénomènes qui s'y rattachent mal connus ou interprétés. Ce document a pour but de sensibiliser les personnes concernées par les essais de rigidité diélectriques sur certains facteurs d'influence agissant d'une façon non négligeable sur les résultats de ces essais.




CHAPITRE I 1- PRESENTATION

1-1- LES FACTEURS D'INFLUENCE SUR LES TESTS DIELECTRIQUES

De très nombreux phénomènes physiques, électriques et chimiques déterminent les propriétés diélectriques des isolants et des composants ou équipements qui les utilisent. On appelle facteurs d'influence sur les essais de rigidité et d'isolement, tous les éléments qui peuvent modifier ces propriétés. Parmi les facteurs d'influence on peut citer : a) les facteurs physiques : - température, - humidité, - contraintes mécaniques : vibrations, chocs, déformations, pression... b) les facteurs électriques : - tensions, - courant continu : polarité, - courant alternatif: fréquence, - chocs électriques : impulsions, c) les facteurs chimiques : - impuretés, - oxydation, - etc.. Il est important de noter qu'en pratique ses facteurs n'agissent jamais seuls (sauf en laboratoire au cours d'expériences spécialement mises en œuvre pour étudier un facteur particulier), bien souvent ils interagissent en modifiant les lois qui les caractérisent et rendent ainsi plus complexes leurs analyses.




1-2- FACTEURS DETERMINANTS EN TESTS INDUSTRIELS

Ce document traite d'une façon succincte et non exhaustive les facteurs d'influence

TEMPERATURE

PRESSION HYGROMETRIE car dans les tests industriels classiques, ces facteurs sont parmi les plus variables et les plus importants pour l'interprétation des tests. La TEMPERATURE est un élément non négligeable dans les conditions d'essais de rigidité et de mesure d'isolement. Si des températures assez constantes et connues sont respectées dans la plupart des laboratoires d'études et de recherches (+15°C à +35°C) ou dans les salles de métrologie (+20°C ou +23°C), il n'en est pas de même dans les lieux de production généralement non climatisés soumis à de grandes variations (exemple: +5°C à +55°C). La température ambiante n'est pas la seule à prendre en considération car un équipement testé en fonctionnement peut présenter, sur des parties soumises aux contraintes, des "points chauds" qui modifient localement les propriétés diélectriques des isolants. La PRESSION a une influence très variable suivant la nature du milieu isolant. Il faut également, pour ce facteur, distinguer l'influence autour de la pression atmosphérique, aux basses pressions (allant vers le vide) et aux hautes pressions (normales ou accidentelles). L'HYGROMETRIE est un troisième facteur important et parfois déterminant sur les résultats des tests diélectriques. C'est le plus difficile à quantifier et celui dont l'influence est la plus délicate à interpréter. Ces effets peuvent être rapides (effet de surface, condensation) ou lents et pernicieux (imprégnation, réaction avec le milieu isolant).




CHAPITRE II 2- LES ESSAIS DE RIGIDITE DIELECTRIQUE

Il faut distinguer les essais effectués afin de déterminer la tension de rupture (ou claquage) d'un milieu isolant, des essais normatifs qui sont utilisés pour détecter d'éventuels défauts sur un produit. Au cours de ces essais normatifs les isolants sont soumis à des tensions généralement très en dessous de leurs limites de rupture: le rapport entre les deux tensions représente en quelque sorte le coefficient de sécurité demandé pour la conception du matériel. Il existe plusieurs types d'essais de rigidité diélectrique. Ils se distinguent principalement par la nature des tensions d'épreuves et des conditions d'applications (durée, vitesse d'évolution, forme, etc..). 2-1- FACTEURS D'INFLUENCE - GENERALITES

Pour comprendre les rôles respectifs de la température, de la pression et de l'hygrométrie sur la tenue en tension des isolants il est nécessaire de faire un rappel sur le mécanisme du claquage diélectrique. LA RUPTURE DIELECTRIQUE Un claquage n'est jamais la conséquence directe du champ électrique appliqué au milieu isolant (contrairement à l'extraction des électrons par exemple ). Ce phénomène est dû à l'accumulation d'énergie (thermique, cinétique, élastique) que le matériau ne peut compenser. L'étude de la rupture diélectrique étant très complexe puisqu'elle fait appel à des lois fondamentales sur la matière, on ne regarde dans ce qui suit que les phénomènes disruptifs en tension continue (certains comportements aux fréquences industrielles pouvant être très proches). On distingue généralement le CLAQUAGE ELECTRONIQUE et le CLAQUAGE THERMIQUE tout en notant que la distinction n'est pas forcement évidente car un claquage électronique conduit toujours à une destruction locale du matériau par fusion thermique et inversement un claquage thermique est principalement la conséquence d'un phénomène d'injection et / ou de conduction de nature électronique.




LE CLAQUAGE ELECTRONIQUE La condition nécessaire mais non suffisante pour que ce type de claquage se produise est la présence dans la matière isolante d'électrons de conduction pouvant être accélérés pour atteindre l'énergie d'ionisation des atomes (soit 5 à 10 eV). Le critère de claquage par avalanche Pour produire une avalanche il faut qu'un nombre suffisant d'électrons soit produit. Chaque ionisation produit 2 électrons, une avalanche de m générations donne 2m électrons. F. SEITZ a montré que la destruction du matériau par avalanche électronique nécessite 40 générations soit 240 électrons (≈1012). Pour un champ supérieur au seuil, une collision ionisante est précédée de n(E) collisions avec les phonons. Si on appelle λλλλph (= Wph /eE) la distance moyenne parcourue par l'électron dans la direction du champ, entre 2 interactions avec des phonons, le critère des 40 générations donne la relation : L= 40 [ λλλλI + n(E) λλλλph ] avec λλλλI : distance moyenne pour acquérir l'énergie ionisante. ou L= 40 [ I + n(E) Wph] avec L : épaisseur de l'échantillon eE E : champ électrique I : énergie ionisante Expérimentalement on montre que le champ diminue quand l'épaisseur de l'échantillon augmente et que l'on peut utiliser la relation simplifiée suivante : E ≈≈≈≈ 3 / Log10 (104 L) avec E : champ électrique en MV/cm L : épaisseur de l'échantillon en cm pour L> 10-4 cm .




LE CLAQUAGE THERMIQUE Un matériau isolant présente toujours une légère conduction, le courant engendré par l'application d'une tension entraîne donc un échauffement par effet joule. La conductivité augmente avec la température et le phénomène d'échauffement tend vers un emballement thermique si l'évacuation de la chaleur n'est pas suffisante : on atteint la destruction du matériau par "claquage thermique". Pour simplifier le problème, en considérant un échantillon isotherme et en utilisant l'approximation de Wagner pour exprimer les bilans énergétiques, il est possible de déduire la relation suivante :

Vc = (2 Γ θ Γ θ Γ θ Γ θ L / σσσσοοοο e )1/2 avec Vc : tension critique

e : 2,7182818...... θθθθ : température Γθ Γθ Γθ Γθ : "puissance" calorique L : épaisseur du matériau σσσσοοοο : constante de conductibilité électrique Dans la réalité un échantillon est rarement isotherme et la relation donnant la tension critique dans un échantillon non isotherme est plus complexe. La tension est fonction de la température T par l'intermédiaire de la profondeur ce qui conduit à une expression du type : V

2(T) = (2 K / σσσσοοοο ) { e

[ (T0-T) / θ θ θ θ ] -e[ (T0-Tm) / θθθθ ] }

Le potentiel critique Vc est une fonction du coefficient γ γ γ γ = Γ Γ Γ Γ L / 4 K . On note que Vc dépend de L0,5 pour γ << 1 (cas isotherme) à ( 4 K θθθθ / σσσσοοοο )

0,5 pour γ � ∞ ( conductibilité thermique élevée ).




2-2- INFLUENCE DU MILIEU SUR LA TENSION DE RUPTURE

L'étude entreprise dans ce document, dans un souci de simplification, prend en considération séparément les 3 états dans lesquels sont utilisés couramment les isolants :

- gazeux,

- liquides,

- solides.

Le comportement d'un milieu hétérogène ou du passage d'un état à un autre n'est pas traité. Un isolant gazeux est assez fortement influencé par les 3 facteurs avec une prédominance pour la température et la pression qui en modifiant la densité ont un rôle direct et antagoniste: le champ électrique de rupture augmente avec la pression et diminue avec la température. L'hygrométrie a une influence sur le seuil du claquage et sur la tension d'apparition de la décharge couronne. Son influence exacte est difficile à apprécier: Si dans une atmosphère contrôlée en laboratoire on peut parfaitement lier par exemple l'humidité absolue de l'air et le seuil de la tension de rupture il est plus difficile de le faire en pratique dans un milieu industriel ou les impuretés (taux et nature) jouent un rôle important. Un isolant liquide est peu perturbé par les variations de la pression atmosphérique mais peut l'être pour des écarts importants de l'ordre de quelques dizaines de Bars. La température, en modifiant la viscosité des liquides, a une influence très variable selon leurs natures: Elle peut-être de l'ordre de 10 % pour -20 °C < t < + 60 °C. Un isolant solide peut être influencé par les températures qui s'écartent sensiblement de l'ambiance, assez peu par la pression (sauf pour les hautes pressions) et de façon très variable par l'hygrométrie suivant la nature de l'isolant et la durée d'application de ce facteur.




2-3- INFLUENCE DE LA TEMPERATURE

La température est un facteur qui a une importance non négligeable pour tous les types de matériaux et un de ceux qui changent le plus dans les phases de contrôles industriels. 2-3-1- INFLUENCE DANS LES MILIEUX GAZEUX La tension de claquage d'un gaz varie avec la densité qui dépend elle-même de la température. Un certain nombre de relations ont été proposées par différents auteurs sur la base de résultats expérimentaux. L'une d'elle est la relation de RITZ valable pour l'air :

Vc = 24,55 ρ ρ ρ ρ d + 6,66 ( ρρρρ d )0,5 avec Vc : tension de claquage dans l'air en kV d : distance entre électrodes en cm

ρρρρ : densité relative par rapport à l'air à 20°C et 760 mm Hg variant avec la température � ρ = 273 + to . P_ 273 + t 760

avec t en °C et P en mmHg. D'autres expressions valables également dans l'air conduisent à une relation plus directe de la forme : Vc = Ec0 . d . k avec Ec0 représentant le champ de rupture

(Ec0 = 31 kV/cm dans l'air) et k un facteur de correction dépendant de la

densité de l'air. En prenant en référence la norme C.E.I. 60-1 (1989) sur les "Techniques des essais à haute tension ", le facteur de correction k peut être défini par la fonction k = ( ρ ρ ρ ρ )m ou m est un exposant généralement égal à 1 mais pouvant prendre dans certains cas des valeurs inférieures (exemple : 0,5 < m < 1 ).

_______________________________________ courbe de Vc = f (t)

RIGIDITE DIELECTRIQUE

Facteur de correction de densité

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

t (°C)

k1

k1 (m=1)




2-3-2- INFLUENCE DANS LES MILIEUX LIQUIDES Le claquage aux champs électriques élevés dans les liquides peut s'expliquer par plusieurs théories, les théories électroniques très voisines des mécanismes de décharges électriques dans les gaz, les théories des bulles et la théorie des particules. L'expérience a montré que la rigidité diélectrique varie peu en fonction de la température. Elle agit indirectement par la modification de la permittivité, de la résistivité et du facteur de dissipation diélectrique entraînant très probablement un phénomène du type claquage thermique. Sur un liquide diélectrique pur, si on utilise une onde de choc de courte durée (1 < t < 50 µs) pour éviter le claquage thermique, on observe que l'augmentation de la température provoque en général une diminution de la valeur du champ de claquage (avec une chute brutale au voisinage de la température d'ébullition). Ce phénomène s'explique entre autre par la diminution de la densité et de la viscosité du liquide qui augmente la mobilité des ions et des électrons. La plupart des alcanes suivent approximativement une loi du type:

log E ≈≈≈≈ T-1

On peut citer, à titre d'exemple, l'hexane dont le champ de claquage est de 900 kV/cm à 5°C et de 500 kV/cm à 60°C . D'après la théorie de I. ADAMCZEWSKI, les phénomènes de ralentissement des électrons dans les liquides sont différents de ceux observés dans les gaz (densité x 1000). La structure moléculaire du liquide devient un facteur important pour la valeur du champ de claquage. Une bonne corrélation entre les résultats expérimentaux et cette théorie a permis d'établir (pour les alcanes) des relations entre Ec (champ de claquage), m (nombre de ramifications latérales C-C ) et, n (nombre d'atomes de carbone) du type : Ec (MV/cm) = 1,60 10

6 ( 2,45 + 0,35 m ) ( n - m - 1 )

n + 2,27

� avec n = 5 et m = 0 pour le pentane Ec=1,44 MV/cm ou pour les hydrocarbures, Ec (MV/cm) = 1,06 10

6 ( 4,24 + 0,35 m ) ( n - m - 4 )

n + 0,427




Sur les mêmes bases il a établi des relations du type : Ec (MV/cm) = K1 10

6 ( n - 1 ) 1 avec K1 et K2

( n + 2,27 ) (1+ K2 T ) des constantes n + 8 dépendantes du liquide . qui permettent une évaluation théorique de l'influence de la température sur des liquides diélectriques.

CHAMPS DE RUPTUREdans les liquides (Adamczewski)

-20,00%

-10,00%

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

T(°C)

Delta Ec%

Les principaux isolants liquides utilisés dans l'industrie sont des huiles minérales, mélanges d'hydrocarbures paraffiniques, naphténiques et aromatiques. Ses huiles ne sont jamais pures, mais contiennent des résidus de distillation ou des additifs utilisés pour stabiliser ou améliorer leurs caractéristiques. La quantité de gaz dissous augmente avec la température provoquant des décharges partielles et des réactions chimiques avec le milieu. Les gaz le plus souvent rencontrés sont : l'hydrogène, le méthane, l'éthane, l'éthylène, l'acétylène, etc.. La concentration d'un gaz dans l'huile et sa pression dans la phase gazeuse satisfont la loi de HENRY dépendante de la température : Ci = ki pi avec ki = Ai e

(Bi / T)

Ci : concentration du gaz (en µg/g) Ai : constante (µ moles/g/atm) pi : pression (en mm Hg) Bi : constante (en Kelvin) T : température (en Kelvin) On peut aussi noter que la température peut accélérer des réactions chimiques avec le milieu ambiant (oxygène de l'air) ou avec des impuretés présentes dans le liquide et ainsi diminuer la durée de vie (performance pour un critère donné, exemple: tenue en tension).




2-3-3-INFLUENCE DANS LES MILIEUX SOLIDES La grande diversité des matériaux utilisés comme isolants solides ne permet pas de dégager une loi générale sur leurs comportements en température. Pour les polymères, les rigidités diélectriques en courant continu sont de l'ordre de 1 à 9 MV/cm à 20°C. C'est aux basses températures que l'on trouve les valeurs maximales, de l'ordre de 10 MV/cm pour les composées polaires. Aux températures élevées, elles décroissent rapidement.

Rigidité diélectrique du polyéthylène en fonction de la température

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

-150 -50 50 150

T(°C)

MV/cm

- Variation de la rigidité diélectrique de - Rigidité diélectrique du polyéthylène polymères polaires (- - - ) et non polaires ( ). en fonction de la température. en fonction de la température. courbe moyenne selon plusieurs auteurs

a) PPMA b) alcool polyvinylique c) Acétate de polychlorure de vinyle d) P.E. chloré à 55 % e) polystyrène atactique f) P.E. basse densité g) polyisobutylène h) polybutadiène. (J. K. Nelson, 1983).

Pour certains isolants tel que les polyéthylènes la présence de charges d'espace modifie sensiblement la rigidité diélectrique: Cela peut s'expliquer par le fait que la formation des charges d'espace dépend fortement de la température (Perret, Jocteur, Fallou 1972).




La température agit également sur les conditions d'apparition du claquage thermique. Dans ce cas on peut prendre la relation suivante pour une bonne approximation du phénomène: Voc

2 ≈≈≈≈ ( 8 χχχχ0 k T0

2 / σσσσ0 W )

0,5 e

( W / 2 k T0) pour W >> k T et une

avec température critique au Voc : tension critique, centre Tmc > T0 T0 : température ambiante, χχχχ0 : conductivité thermique, σσσσ0 : constante de conductivité électrique, W : énergie d'activation, k : constante de Boltzmann. En simplifiant l'expression on peut mettre Voc = f(T) sous la forme : Voc ≈≈≈≈ [ A T e( B/T ) ] 1/2 avec Voc en MV et T en °C en posant A=0,00025 et B= 2100 on obtient une bonne simulation du PPMA (polymère polaire) pour 20°C <T<100°C

CLAQUAGE PAR RUPTURE THERMIQUE

POLYMERES POLAIRE (INFLUENCE DE T)

0

2

4

6

8

10

12

20 30 40 50 60 70 80 90 100

T (°C)

MV /cm

(PMMA)

La rigidité diélectrique dans les milieux cristallins est spécifique. Généralement elle augmente en fonction de la température depuis les basses températures jusqu'à l'ambiance (ou légèrement au-dessus ) et redescend rapidement pour les températures élevées. Dans ces milieux cristallins il semble que l'interaction électrons /phonons soit prépondérante: dans une phase cristalline parfaite, la délocalisation des électrons leur donne une mobilité élevée (accroissement d'énergie ). Un isolant soumis à des températures > ambiante pendant un temps relativement long subit un vieillissement thermique que l'on peut exprimer par une diminution de la durée de vie (et de ses caractéristiques diélectriques) suivant la loi: L = C e

(-b/T) avec L : durée de vie (h) et T : température (°C)




2-4-INFLUENCE DE LA PRESSION 2-4-1-INFLUENCE DANS LES MILIEUX GAZEUX La tenue en tension dans les gaz change en fonction de la pression suivant la loi de Paschen. Cette loi n'est valable que pour une température constante et pour des champs électriques inférieurs à 100 kV/cm. Si on considère un gaz soumis à un champ électrique entre 2 électrodes planes métalliques, on obtient pour la tension de claquage Vc une relation qui est une fonction du produit ( p d ) de la forme : Vc =f (p d) = _ B p d __ avec p : pression du gaz, C + ln( p d ) d : distance entre les électrodes, B et C sont des constantes dépendantes entre

autre de la nature du gaz, de la matière des électrodes (cathode).

- Courbe de PASCHEN pour l'air à 20°C

La courbe présente un minimum de la tension de claquage pour une valeur particulière du produit p d. Cette tension Vc(min) est comprise entre 100 V et 500 V pour la plupart des gaz purs : Elle correspond à la valeur de E / p où la capacité d'ionisation des électrons est maximum (correspond au point de Stoletov) avec ( E / p )min = B, E étant le champ électrique auquel le gaz est soumis entre les 2 électrodes.




2-4-2- INFLUENCE DANS LES MILIEUX LIQUIDES Les liquides utilisés comme isolants diélectriques tels que les huiles minérales sont peu influencés par la pression. La rigidité augmente de façon régulière et dans d'assez fortes proportions avec la pression. La rigidité diélectrique de certains liquides diélectriques tel que l'hexane, l'heptane, le benzène, dépend de la pression hydrostatique. On constate par exemple que leur rigidité diélectrique peut augmenter de 30 % entre 0 et 25 Bars au cours d'essais en tension de choc ayant une largeur d'impulsion de 4,5 s environ. Pour les huiles minérales elle peut être multipliée par 4 pour une variation de 40 Bars et une tension alternative à 50 Hz (KOCK). Pour expliquer le comportement diélectrique en fonction de la pression on fait communément appel à la théorie des bulles. Cette théorie énoncée par KAO (1961) et développée par KRASUCKI (1966) donne la relation suivante: E(V.m

-1) = 3,37 10

-1 [ 1 ( ph + 2 σσσσ ) ]1/2

ε ε ε ε R avec ph : pression hydrostatique en Bar σσσσ : tension de surface (force en N.m-1) εεεε : permittivité absolue en F.m-1 R : rayon des particules ( de 100 à 300 Å )

CHAMP DE RUPTURE DANS LES LIQUIDES

LOI DE KRASUCKI

0

50

100

150

200

250

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

pression (Bars)

E (MV.m-1)

R= 100 Angstroms R= 250 Angstroms

R=100

R=250

Il est à noter également que dans le cas d'une pression relativement élevée et permanente exercée par un gaz, le phénomène de dissolution de celui-ci peut être favorisé modifiant légèrement les propriétés diélectriques du liquide.




2-4-3- INFLUENCE DANS LES MILIEUX SOLIDES Les isolants solides sont en théorie peu influencés par la pression dans la mesure ou celle-ci ne modifie pas sensiblement leur épaisseur (ou leur forme) et leur composition interne (exemple: inclusions gazeuses dans la matière isolante). Les matériaux isolants tel que les polymères sont légèrement déformables (en épaisseur) si on applique une pression entre leurs faces opposées. On peut évaluer simplement la variation d'épaisseur en posant : ∆ ∆ ∆ ∆ L = P . L0 / Y avec L0 : épaisseur initiale de l'échantillon Y : module d'élasticité ou module de Young P : pression exercée Si on définit par Ec (kV/cm) le champ de rupture on peut supposer que la tension de rupture Vc = Ec . L0 va être modifiée par l'application d'une pression suivant une relation de la forme :

Vc = Ec . L0 ∆∆∆∆ P / Y Pour la plupart des matériaux isolants solides le module de Young est compris entre 150 et 30 000 N/cm2 ce qui rend négligeable l'influence de la pression sur la tension de rupture diélectrique ( 0,02% à 0,6% pour ∆ P = 1 Bar ). Il faut signaler également que la force réellement exercée sur l'isolant est la somme de la force due à la pression externe et de la force électrostatique donnée par la relation: F = 1 . εεεε0.εεεεr . S . V2

2 L2 Cette force n'est pas à négliger car elle peut sur un isolant polymère par exemple engendrer une pression de l'ordre de 8 kg/cm2 pour un champ de 1 MV/cm !




2-5- INFLUENCE DE L'HYGROMETRIE 2-5-1-INFLUENCE DANS LES MILIEUX GAZEUX La tenue en tension dans les gaz change en fonction de l'hygrométrie. Pour l'air par exemple et pour des valeurs d'Humidité Relative < 80% on constate que la rigidité augmente un peu avec l'accroissement de l'humidité. Sans entrer dans des détails trop théoriques, on peut dire que la présence de molécules d'eau plus denses que le gaz "freine" le phénomène d'avalanche. En reprenant les travaux de RITZ, on peut estimer l'influence de l'humidité sur la tension de rupture dans l'air par la relation: Vc = [24,55 + 0,41( e - 1 ) ] d + 6,66 ( ρρρρ d )0,5 avec, 10 Vc : tension de claquage dans l'air en kV d : distance entre les électrodes en cm ρρρρ : densité relative par rapport à l'air à 20°C et 760 mm Hg e : humidité absolue en g/m3 On obtient également une bonne estimation de l'influence de l'humidité dans l'air ambiant en prenant comme référence Ha =11 g/m3 (correspondant à l'atmosphère normale de référence) et en appliquant la relation: Vc = Vco . kh Vco : tension de rupture pour Ha=11 g/m3 kh étant le facteur de correction lié à Ha par une relation du type kh = f( √√√√Ha) et défini également par les courbes suivantes:


Facteur de correction d'humidité

0,70,750,8

0,850,9

0,95

11,051,1

1,151,2

0 5 10 15 20 25 30

h/d (g/m3)

k2

tension alternative tension continue

tension continue

tension alternative

K2=1+0,012(h/d -11) K2=1+0,088(V h/d -V 11)

- Facteur de correction k selon NORME CEI 60-1 (NFC 41 101)




2-5-2- INFLUENCE DANS LES MILIEUX LIQUIDES L'eau ne réduit sensiblement les caractéristiques d'une huile minérale qu'au-delà du point de saturation (Schöber, 1968) ou d'une manière continue (Zaky et Hamley, 1973) en remarquant que la quantité dissoute augmente avec le degré d'oxydation (Fallou 1963). Au-delà de 3% d'eau la dégradation de la tenue diélectrique est accélérée par l'action combinée de la température ( > 55°C) et du champ électrique. Il y a électrolyse de l'eau avec formation de gaz produisant des décharges partielles conduisant au claquage. Les variations de la tenue diélectrique sont d'autant plus sensibles que le liquide est pur et qu'il a une valeur élevée pour son champ de rupture. On peut citer par exemple les expériences sur de l'huile dégazée très pure à laquelle on ajoute 200 ppm d'eau: Son champ de rupture peut passer de 700 à 100 kV/cm (Zein, El Dine et Tropper). La rigidité diélectrique en champ alternatif uniforme peut-être divisée par un facteur > 3 quand un liquide est fortement hydraté: le paramètre important n'est pas la teneur absolue en eau, mais sa valeur relative par rapport à la saturation (voir fig.). L'eau peut faciliter l'injection, les mouvements électrohydrodynamiques, la cavitation (Tobazéon).

RUPTURE DIELECTRIQUEinfluence de la teneur en eau

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 80 90 100

teneur en eau (% saturation)

Vr (%)

Huile minérale

- Influence de la teneur relative en eau sur la rigidité diélectrique

mesurée en tension alternative, entre électrodes planes et parallèles.




2-5-3- INFLUENCE DANS LES MILIEUX SOLIDES Sous l'effet combiné de l'humidité (>95%) et de la température (>100°C) la plupart des polymères (polyesters, polyuréthane, etc..) se dégradent. La solubilité de l'eau augmente avec la température. L'eau peut occasionner des gonflements dans des isolants à structures hétérogènes et créer (ou aggraver l'état ) des fissures, ce qui favorise le cheminement d'un arc électrique. L'humidité accélère le développement d'arborescences électrochimiques. La vitesse de développement est proportionnelle à la capacité d'absorption (exemple: de l'ordre de 200 µm / 1000 ppm d'eau à 90°C après 500 heures pour les polymères réticulés).

SOLUBILITE de l'eau dans le PEBD

en fonction de la température

0

50

100

150

200

250

300

20 30 40 50 60 70 80 90 100

T(°C)

EAU(ppm)

ARBORESCENCES ELECTROCHIMIQUES

observées dans un câble ( isolant polyéthylène )



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BIBLIOGRAPHIE ____________________________________

THEORIES, GENERALITES

R. COELHO - Les diélectriques : propriétés diélectriques des matériaux isolants B. ALADENIZE • Hermès (1993). R. FOURNIE - Les isolants en électrotechnique tome I : Concepts et théories. • Eyrolles (1986). R. FOURNIE - Les isolants en électrotechnique tome II : Essais, Mécanismes de dégradation Applications industrielles. • Eyrolles (1990). ISOLANTS GAZEUX

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G. HARTMANN - Theoritical evaluation of the threshold field for a D.C. positive corona discharge in SF6.

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décharge couronne positive en géométrie cylindrique. • Thèse de Doctorat de l'université Paris 6 (1988). R. PAPOULAR - Phénomènes électriques dans les gaz • Dunod (1963). YURI P. RAIZER - Gas discharge physics • Spinger-Verlag J. M. MEEK and - Electrical Breakdown of gazes (1953) J. D. GRAGGS • International serie of Monographs on Physics N. F. MOTT & Sir Edward BULLARD.



NOTES D’INFORMATIONS TECHNIQUES édition 2002 Page B 2

ISOLANTS LIQUIDES

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GLOSSAIRE

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ARBORESCENCE ELECTROCHIMIQUE

Forme que prend l’ensemble des cheminements d’arcs électriques (ou de canaux conducteurs), au sein d’isolants solides. Cette forme est due à des réactions chimiques prenant naissance sous l’action prolongée d’un champ électrique. Ce phénomène nécessite la présence, dans l’isolant, d’un électrolyte (dissous dans l’eau) se dissociant en ions sous l’action d’un courant électrique.

CAVITATION

Formation de cavités, remplies de vapeur ou de gaz, au sein d’un liquide en mouvement.

CHARGES D'ESPACE

Charges électriques, dans une région de l’espace, dues à la présence d’électrons ou d’ions.

DECHARGE DISRUPTIVE (ou CLAQUAGE)

Phénomène correspondant à la défaillance de l'isolation sous une contrainte électrique pendant lequel la décharge court-circuite complètement l'isolation en essais.

ENERGIE D'ACTIVATION (ou d'IONISATION)

Energie nécessaire pour extraire un électron d'un atome, d'un ion ou d'une molécule sans lui communiquer d'énergie cinétique ( on la mesure généralement en électronvolts eV).




HUMIDITE ABSOLUE (Ha)

Masse de vapeur d'eau dans l'air par unité de volume généralement exprimée en g/m3 .

HUMIDITE RELATIVE (Hr)

pourcentage en vapeur d'eau de la quantité maximale dite de saturation que peut contenir l'air: cette valeur dépend de la température.

IONISATION

Processus au terme duquel un atome ou une molécule neutre devient porteur d'une charge électrique positive ou négative (par perte ou acquisition d'un ou plusieurs électrons).

PHONON

Quantum d'oscillation associé aux vibrations collectives des atomes ("barrière vibrationnelle")

POLAIRE (molécules)

Molécules dont les barycentres statistiques des charges électriques des deux signes ne coïncident pas l'un avec l'autre.


Quotient de la tension à laquelle se produit le claquage par la distance entre les électrodes sur lesquelles elle est appliquée.

Elle s'exprime généralement en kV/cm .

TENSION DE RUPTURE (OU DE CLAQUAGE)

Tension à laquelle le milieu diélectrique perd ses propriétés isolantes et permet le passage d’un courant entre les deux points d’application de la tension d’essais.

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Documents

efelec · LA RUPTURE DIELECTRIQUE ... Ce phénomène est dû à l'accumulation d'énergie (thermique, cinétique, élastique) que le matériau ne peut compenser. L'étude de la rupture