Effet Couronne Sur Réseaux HTB EDF

Page de garde

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PROJET HEI4 ESEA

Anne Universitaire 2009/2010

Projet N 2010/ Sujet N20 COMMANDITAIRE

RTE

SUJET

Utilisation de leffet Corona dans le cadre de la surveillance et de la maintenance prventive des Rseaux HTB (Transport dElectricit).

RESUME

Ralisation dun document de rfrence

- Dcrivant de manire prcise les caractristiques physiques et lectriques de leffet Corona et ses effets sur des installations dimensionnes pour le transport dElectricit.

- Faisant un tat de lart (rfrentiel documentaire, retour dexprience sur les pratiques des oprateurs de Rseaux HTB dans le monde) sur la mise en uvre doutils de mesure/surveillance et les mthodes de maintenance des installations HTB bass sur leffet Corona.

- Proposant une mthodologie, les moyens techniques et un plan daction de maintenance prventive des rseaux de Transport en France, utilisant ce phnomne.

ELEVES INGENIEURS HEI

Sbastien DUFOUR (ESEA) ; Marc-Antoine DUFOUR (ESEA)

SUIVI

Superviseur(s) : Bernard HURBIN (RTE) ; Stphane BOIS (RTE)

Projet technique ESEA

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HAUTES ETUDES DINGENIEUR

Domaine Energies, Systmes Electriques et Automatiss

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Lobjet de ce travail de recherche tait dtudier lutilisation de leffet couronne dans le cadre de la surveillance et de la maintenance prventive des rseaux de transport HTB.

Il regroupe un travail dune dure de cinq mois ralisant une description et une analyse approfondie de leffet couronne et de ses consquences technologiques et environnementales sur les ouvrages ariens des rseaux HTB.

Il effectue galement un tat de lart des moyens utiliss dans dautres pays pour raliser une maintenance conditionnelle sur le rseau lectrique en utilisant leffet couronne. Puis ce projet propose diffrentes solutions applicables en France afin de mettre en place un systme de maintenance similaire.

Leffet couronne est un phnomne dionisation de lair situ autour dun objet port

un fort potentiel cela provoque lapparition de diffrentes manifestations telles quune gaine bleutre autour de lobjet, lapparition dun grsillement ou le dgagement de composs polluants.

Ce phnomne capacitif permet galement une visualisation de dfauts ntant pas lis aux pertes par effet joule. Cest pourquoi une utilisation de celui-ci peut se rvler intressante afin de rendre compte de ltat dusure des composants du rseau.

Nous avons donc rpertori les diffrentes techniques employes dans les autres pays afin dutiliser les pertes par effet couronne dans le but de prvenir dventuelles dfaillances sur le rseau. Ceci nous a ensuite conduit justifier le bien fond de la mise en place dun systme similaire en France puis la proposition de diffrentes solutions afin de permettre limplantation dun moyen de maintenance semblable dans notre pays.


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Abstract

HAUTES ETUDES DINGENIEUR

Domaine Energies, Systmes Electriques et Automatiss

Abstract

Our project of studies and research is untitled: using of the corona effect under the surveillance and preventive maintenance of ultra high voltage transport network.

It includes a five months work conducting a description and analysis of corona

effect and its technological and environmental effects on ultra high voltage air network. It also carries a state of the art of methods used in other countries to conduct a

preventive maintenance using the corona effect on the grid. Then, this project offers different solutions for France in order to implement a similar maintenance system.

The corona effect is a phenomenon of ionization of the air located around an object

raised to a potential that causes the emergence of different phenomena such as a blue sheath around the object, the appearance of crackling or the release of polluting compounds.

This also allows a display of capacitive defects which are not related to losses by Joule effect.

Therefore, using of this display may be interesting to account for the wear of

network components. We conducted a state of the art of techniques used in other countries to use the losses

by corona effect in order to prevent possible failures in the network. This then leads us to the proposal of different solutions and to develop an action plan

to help the implement of a similar means of maintaining in our country.


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Projet HEI4 ESEA

RTE Nord-Est Anne Universitaire

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Utilisation de leffet Corona dans le cadre de la surveillance et de la maintenance prventive des Rseaux HTB (Transport dElectricit)

Contexte de ltude

Travail ralis en binme sur une dure de 5 mois et supervis par un intervenant de RTE et un professeur de lcole.

Objectifs viss

La finalit est de faire un tat des lieux des mthodes de maintenance prventive et des outils de surveillance, mis en uvre par les oprateurs de Rseaux de Transport dElectricit, dans le monde et sappuyant sur lobservation de leffet Couronne (Corona) particulirement prsent sur les ouvrages ariens des rseaux HTB.

Travail ralis

Ralisation dun document de rfrence :

Dcrivant de manire prcise les caractristiques physiques et lectriques de leffet Corona et ses effets sur des installations dimensionnes pour le transport dElectricit.

Faisant un tat de lart (rfrentiel documentaire, retour dexprience sur les pratiques des oprateurs de Rseaux HTB dans le monde) sur la mise en uvre doutils de mesure/surveillance et les mthodes de maintenance des installations HTB bass sur leffet Corona.

Proposant une mthodologie, les moyens techniques et un plan daction de maintenance prventive des rseaux de Transport en France, utilisant ce phnomne.

Points particuliers exemples Droulement, Mthodologie utilise, Techniques ou Technologies employes.

Une particularit apprciable de ce sujet a t sa compltude. Nous avons du effectuer un long travail de recherche et de comprhension du phnomne deffet couronne, pour en suite nous intresser lintrt quil peut avoir dans la maintenance prventive. Et ce nest quaprs ces phases dtude que nous avons pu nous plonger dans les parties concrtes et commerciales de notre projet qui ont t ltude du march des dtecteurs deffet couronne et la comparaison de leur rentabilit et de leur fiabilit, ainsi que la prise de contact avec les fournisseurs et leur mise en relation avec RTE.

Bilan pour lentreprise

Bilan pour les tudiants

Ce projet fut trs enrichissant sur diffrents points. Nous avons acquis des connaissances et des comptences techniques dans le domaine de la haute et trs haute tension. Nous avons dcouvert le principe de RTE, qui est dutiliser les technologies les plus performantes, afin de garantir la sret de ses installations. Ce projet a galement t pour nous loccasion de nous intresser un march sur le plan international, et de ce fait de rentrer en contact avec des entreprises du monde entier.

Etude ralise par Etude supervise HEI par Etude suivie en entreprise par

Sbastien DUFOUR

Marc-Antoine DUFOUR

Arnaud DAVIGNY Bernard HURBIN

Stphane BOIS


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Remerciements

Nous souhaitons remercier Messieurs Bernard HURBIN et Stphane BOIS nos

matres de stage et correspondants chez RTE pour laide quils nous ont apporte et les

conseils quils nous ont donns pendant la priode durant laquelle ils nous ont superviss.

Notre gratitude va galement Monsieur Arnaud DAVIGNY notre professeur

responsable et responsable de domaine pour le temps quil a bien voulu nous consacrer.

Nous dsirons remercier particulirement Monsieur Jean-Christophe ERNOUX pour

laide prcieuse quil a su nous apporter notamment pour nous avoir permis daccder la

proposition dune solution concrte au problme qui tait pos.

Nos remerciements sont galement adresss Messieurs Pierre CAMPAGNA et

Adam CRICK, nos interlocuteurs respectifs des entreprises OFIL et SYMBION POWER, pour

lintrt quils ont ports notre projet.

Finalement, nous remercions le personnel de lcole des Hautes Etudes dIngnieur

et galement toutes les personnes ayant contribues lavancement de ce travail dtude

et de recherche.


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APPLICATION DE LEFFET COURONNE DANS LA

MAINTENANCE PREVENTIVE DES LIGNES HAUTE TENSION

Table des matires

Page de garde .................................................................................................................... 1 Rsum............................................................................................................................... 2 Abstract .............................................................................................................................. 3 Poster ................................................................................................................................. 4 Remerciements .................................................................................................................. 5 Table des matires ............................................................................................................. 6 INTRODUCTION. ................................................................................................................. 9

A) Notions lmentaires dlectricit. ........................................................................... 9 B) Le transport de lnergie lectrique. ....................................................................... 11

I. PRESENTATION DU PHENOMENE DEFFET COURONNE. ....................................... 16 1) LES DIFFERENTS TYPES DE DECHARGES. ............................................................ 16

A) Linfluence du champs lectrique. .................................................................................... 16 B) Le rgime de dcharges non autonomes. ......................................................................... 17 C) Le rgime de dcharges autonomes. ................................................................................ 18

2) LIONISATION DE LAIR, PRINCIPE EXPLIQUANT LEFFET COURONNE. .............. 19 A) Observation lmentaire. ................................................................................................. 19 B) Origine de lionisation gazeuse aux abords dun conducteur. .......................................... 19 C) Les diffrents processus entranant lionisation gazeuse. ................................................ 20 D) Lavalanche de Townsend. ................................................................................................ 23 E) Les diffrents moyens de crer un effet couronne autour dun conducteur lectrique. . 23

3) LETABLISSEMENT DE LEFFET COURONNE AUTOUR DUN CONDUCTEUR ELECTRIQUE SOUS DIFFERENTES POLARITES. .................................................................... 25

A) Les causes dune irrgularit du champ lectromagntique. ........................................... 25 B) Ltablissement deffet couronne en polarit ngative. .................................................. 26 C) Ltablissement deffet couronne en polarit positive. .................................................... 27 D) Ltablissement deffet couronne en polarit alternative. ............................................... 30 E) Les causes de ltablissement de leffet couronne autour dun conducteur lectrique

rel. ................................................................................................................................... 32


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II. LES CONSEQUENCES ENGENDREES PAR LEFFET COURONNE. .............................. 36 1) PERTES ENGENDREES PAR EFFET COURONNE. .................................................. 36

A) Gnralits. ....................................................................................................................... 36 B) Calcul et estimation des pertes. ........................................................................................ 37

2) CONSEQUENCES DE LEFFET COURONNE. ......................................................... 42 A) Perturbations radiolectriques. ........................................................................................ 42 B) Bruits acoustiques. ............................................................................................................ 43 C) Vibrations mcaniques. ..................................................................................................... 44 D) Dgagements gazeux. ....................................................................................................... 45

III. LE FONCTIONNEMENT DES DISPOSITIFS UTILISANT LEFFET COURONNE POUR UNE MAINTENANCE PREVENTIVE. ......................................................................................... 48

1) LA MAINTENANCE PREVENTIVE. ........................................................................ 48 A) En quoi consiste la maintenance prventive. ................................................................... 48 B) Prsentation des dfauts rendant une telle maintenance ncessaire. ............................ 49 C) Protection environnementale. .......................................................................................... 53

2) PRESENTATION DES DIFFERENTES TECHNOLOGIES UTILISEES AFIN DE REPERER CES PERTES. ........................................................................................................................ 54

A) Le reprage via camra infrarouge. .................................................................................. 54 B) La dtection ultrasonore. .................................................................................................. 56 C) La localisation par vision ultra-violette. ............................................................................ 59

3) ETAT DE LART DE LUTILISATION DES CAMERAS UV. ........................................ 63 A) Lutilisation de camra UV chez Bonneville Power Administration.................................. 63 B) Lutilisation de camera UV chez Symbion Power. ............................................................. 65

IV. SOLUTION RETENUE ET PROPOSITION COMMERCIALE ADAPTEE. ........................ 67 1) LA CAMERA UV, SOLUTION RETENUE. ............................................................... 67

A) Les raisons pour lesquelles ce choix a t retenu. ............................................................ 67 B) Mode opratoire dune inspection au sol. ........................................................................ 71 C) Mode opratoire dune inspection bord dun hlicoptre. ........................................... 72

2) RENTABILITE DE CE CHOIX. ................................................................................ 73 A) Les dpenses matrielles que peuvent engendrer une mauvaise maintenance

prventive. ........................................................................................................................ 73 B) Les risques quune telle ngligence peut entraner. ......................................................... 74 C) La camra UV, un investissement dactualit pour RTE. .................................................. 75

3) LES ENTREPRISES CONTACTEES. ........................................................................ 77

A) Lentreprise Ofil : ................................................................. 77

B) Synergys Technologies : ............................................. 78

C) Lentreprise Symbion Power : ............ 78 CONCLUSION. ................................................................................................................... 80 PERSPECTIVES. ................................................................................................................. 82 BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................ 84 ANNEXES .......................................................................................................................... 86


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Il se montre des toiles dans la mer et sur la terre. J'ai vu, la nuit, pendant les factions des sentinelles devant les retranchements, briller la pointe des javelots des lueurs la forme toile. Les toiles se posent sur les antennes et sur d'autres parties des vaisseaux avec une espce de son vocal, comme des oiseaux allant de place en place. Cette espce d'toile est dangereuse quand il n'en vient qu'une seule ; elle cause la submersion du btiment ; et si elle tombe dans la partie infrieure de la carne, elle y met le feu. Mais sil en vient deux, l'augure en est favorable; elles annoncent une heureuse navigation : l'on prtend mme que, survenant, elles mettent en fuite Hlne, c'est le nom de cette toile funeste et menaante. Aussi attribue-t-on cette apparition divine Castor et Pollux, et on les invoque comme les dieux de la mer. La tte de l'homme est quelquefois, pendant le soir, entoure de ces lueurs, et c'est un prsage de grandes choses. La raison de tout cela est un mystre cach derrire la majest de la nature.

Pline lAncien (23 aprs J.-C., 79 aprs J.-C.), Naturalis historia, livre II.


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INTRODUCTION.

Leffet Corona ou effet couronne se manifeste sous une forme connue depuis bien

longtemps quest le Feu de Saint-Elme, un phnomne qui est visible sous forme de lueurs apparaissant aux extrmits des mts des navires dans des conditions orageuses. Ce phnomne bien souvent rattach au mystique a pourtant une explication bien rationnelle.

Tout dabord notons que ces phnomnes ncessitent un champ lectrique non

uniforme pour se produire. Cest cette variation du champ qui permet lexistence de dcharges couronnes, au

contraire dans un champ uniforme les tensions dapparition de leffet Corona conduiraient un claquage complet de lisolant sparant les deux conducteurs ports des potentiels diffrents.

Pour bien comprendre ce phnomne deffet Corona nous allons dans un premier

temps rappeler certaines notions dlectricit lmentaire. Il sera, ensuite intressant de bien diffrencier les modes de transport de llectricit

haute tension. A) Notions lmentaires dlectricit. Tous mouvements dlectrons (lectricit) dans un conducteur (fil ou ligne par

exemple) donnent naissance un champ magntique perpendiculaire au fil, formant des cercles concentriques proportionnels lintensit (lAmprage) du courant qui traverse le conducteur.

Le courant qui circule dans les fils de lignes HT et THT est un courant alternatif. Cest--dire, que pour une frquence de 50 Hertz le courant change de signe 50 fois par

seconde. Etant donn que le champ magntique est directement li au courant lectrique, nous avons affaire galement un champ magntique alternatif de frquence 50 Hz (un champ magntique puls).

Par consquent, sous une ligne THT nous pourrions dtecter un champ magntique puls de frquence 50Hz en France et Europe et 60 Hz aux Etats-Unis.

Dans un cble ou une ligne lectrique le passage dun courant engendre

indubitablement un champ magntique. Avec les courants continus, il se forme un champ magntique statique linaire, semblable au champ magntique terrestre ; au voisinage des


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lignes de transport de courant lectrique alternatif par contre, les champs magntiques forms sont alternatifs ou pulss.

Nous savons que, place dans un champ magntique, une aiguille aimante soriente suivant une direction et un sens particulier. Par exemple si nous dposons une boussole sur une table loin dun aimant ou dun objet de fer, laiguille va sorienter dans le sens nord sud qui correspond aux lignes du champ magntique terrestre. Dautre part, si nous approchons un aimant de laiguille de la boussole, laiguille sorientera de faon diffrente et subira une action dautant plus brutale quelle sera proche de laimant. Nous pouvons en dduire que le champ magntique est plus intense prs de laimant.

Pour dcrire le champ magntique, il nous faut donc une grandeur indiquant une direction, un sens et une intensit : ce sera une grandeur vectorielle de symbole ||B||. Le champ magntique sexprime dans le systme international dunits en Tesla (T) en hommage au physicien serbe Nicolas TESLA (1856-1943).

Le vecteur champ magntique dcrot au fur et mesure que lon sloigne du cble qui le produit lors du passage dun courant. En un point A une distance X dun fil parcouru par un courant lectrique il est possible de calculer le champ magntique selon lquation :

0 : constante de permabilit du vide.

I : intensit du courant qui circule dans le fil.

d : distance du point A du fil.

Comme nous venons de le voir un courant lectrique produit un champ magntique

autour des lignes THT, mais il produit galement un champ lectrique proportionnel la tension lectrique (exprim en volts) et perpendiculaire au champ magntique nous pouvons maintenant parler de champ lectromagntique.

En effet, entre le sol et une ligne THT apparat un champ lectrique exprim en volt par mtre. Le champ lectrique est aussi une grandeur vectorielle de symbole ||E|| pour calculer sa valeur nous pouvons crire :

: charge linique

en C.m-1 Q tant la charge

d'un portion (lment de

longueur) du fil et L est la longueur de cette portion.


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Le champ lectrique, comme le champ magntique est galement un champ qui vibre la frquence de la tension de la ligne lectrique qui lengendre. Le champ lectrique et le champ magntique se propagent perpendiculairement entre eux et la direction de propagation. A des frquences trs basses ces deux champs sont considrs sparment, haute frquence ils sont indissociables et sont appels champ lectromagntique.

Ondes lectromagntiques B) Le transport de lnergie lectrique. Les lignes haute tension sont utilises pour transporter l'lectricit de la centrale

lectrique jusquaux consommateurs. Ces lignes peuvent tre ariennes, souterraines ou sous-marines, nous nous intresserons plus particulirement aux liaisons ariennes.

La haute tension est utilise depuis 1882 Munich mais quels sont ses avantages?

La haute tension devient avantageuse pour transporter de lnergie lectrique dans le sens o elle permet de rduire les chutes de tension en ligne, les pertes en ligne et le volume de mtal conducteur utilis.

Les pertes en ligne sont dues l'effet Joule, aux pertes par effet couronne, et aux

pertes dans les postes de transformation. Les pertes joules (P), reprsentant la plus grande partie de ces pertes quand on

considre tous les domaines de tension, elles dpendent de la rsistance (R) et du courant transit (I), selon la relation :

P = R.I2

A puissance transporte quivalente (P = U.I), la haute tension permet daugmenter

la tension (U) et ainsi de diminuer le courant et donc les pertes. Dautre part, la rsistance, dpend de la rsistivit, qui est fonction du matriau

utilis et de la section du cble. Linfluence sur la quantit de mtal conducteur utilis est aussi trs importante

puisquen faisant passer moins de courant on a besoin dune section de conducteur moins importante pour transporter la mme puissance.

Par consquent laugmentation de la puissance ou de la longueur de la ligne conduira une augmentation de la tension U si on veut garder la section de la ligne dans des valeurs ralistes et mcaniquement supportables.


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Les causes des pertes par effet couronne sont la nature de la ligne, la tension laquelle elle est porte, les conditions climatiques environnantes et ltat surfacique de la ligne.

Les pertes dans les postes de transformation (pertes en charge et pertes vide des transformateurs, consommation des auxiliaires) sont presque constantes.

Les lignes haute tension sont classes dans le domaine haute tension B, trs haute tension et ultra haute tension. Ces domaines stendent de 50 kV plus de 800 kV.

Ces diffrentes tensions sont utilises des fins spcifiques, ainsi les tensions allant de 63 90 kV sont utilises pour de la distribution urbaine ou rgionale, celles de l'ordre de 110 220 kV pour les changes entre rgions, et celles comprises entre 345 et 500 kV sont rserves aux grandes distances savoir les principales interconnexions nationales et internationales. Dans des pays ayant un territoire plus vaste et donc des distances plus grandes parcourir pour les lignes, des tensions plus hautes sont utilises. Par exemple au Canada, on utilise du 735 kV, ou en Chine du1 100 kV.

Intressons nous dans un second temps aux diffrents composants utiliss dans le transport de llectricit.

Les lignes ariennes reposent sur des pylnes fabriqus en treillis d'acier. Ils supportent et maintiennent les conducteurs une distance suffisante du sol et des obstacles, dune part pour des raisons de scurit et dautre part pour l'isolement par rapport la terre. Les inconvnients de ceux-ci sont la pollution visuelle quils engendrent, les consquences sur lavifaune en migration et leur exposition aux intempries pouvant les endommager.

Llectricit est transporte en triphase, en HTB pour une phase, les simples

conducteurs sont remplacs par des faisceaux de conducteurs (de deux quatre), cela permet de limiter les pertes et d'augmenter la puissance transite.

Les cbles conducteurs des lignes ariennes haute tension sont constitus dun alliage daluminium, de magnsium et de silicium appel Almlec. La rsistivit de cet alliage est denviron 32,5.10-9 /m, soit le double de celle du cuivre, mais dautres caractristiques lui sont plus favorables comme sa rsistance mcanique, son poids ou encore son cot.

Lisolation entre chaque cble est ralise par lair dont la permabilit est proche de

celle du vide (0). L'isolation entre les conducteurs et les pylnes se fait par le biais disolateurs en verre,

en cramique, ou en matriaux synthtiques. Ces isolateurs en forme dassiette sont associs entre eux pour supporter des tensions importantes, ils forment ainsi des chanes disolateurs.

Plus la tension de la ligne est leve, plus le nombre d'isolateurs dans la chane est important. Un isolateur en verre supporte une tension denviron 20 kV, laddition dassiettes fait augmenter la tension supportable de faon linaire.

Lune des causes les plus frquentes de court-circuit sur les lignes haute tension est la

rupture disolation due une surtension cause par la foudre. Afin dviter que la foudre


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ne sabatte sur les lignes, des cbles de garde ne transportant pas de courant, situs au-dessus des conducteurs, jouent un rle de paratonnerre.

Ces cbles sont galement raliss en Almlec. Cependant le cot de cet quipement fait quil nest pas prsent sur lensemble du rseau haute tension.

Une ligne lectrique parfaite est assimilable un fil d'impdance nulle. En ralit la

ligne lectrique est soumise diffrents phnomnes, comme leffet de peau (le courant circule uniquement en priphrie du conducteur en alternatif), lhystrsis magntique, les courants de Foucault, lhystrsis dilectrique et leffet couronne. On peut, en ngligeant ces paramtres, reprsenter une ligne lectrique ainsi :

Ce modle constitue une approximation utilisable pour ltude de lignes dont la

longueur nexcde pas 300 km. Pour ltude de lignes plus longues il suffira dadditionner ces lments de ligne.

La rsistance effective d'un conducteur est dfinie par :

R= Pp/I avec Pp la puissance perdue lorsque le courant I circule dans la ligne. R> Rcc avec Rcc = * /S

Avec la longueur de la ligne, la rsistivit du matriau conducteur et sa section.

La rsistance dpend de la temprature : R(T)=R(T0)*(1+(T- T0)) avec le

coefficient de variation de la rsistance avec la temprature.

Comme prcis prcdemment, le matriau utilis pour transporter llectricit haute tension est lAlmlec, un alliage aluminium, magnsium et silicium, dune rsistivit de lordre de 32,5.10-9 /m.

On peut penser, premire vue, que la rsistance linique est inversement

proportionnelle la section du cble, cependant cette relation nest plus exacte si on prend en compte leffet de peau.

En effet le courant nemprunte quune paisseur rduite du conducteur situe sa priphrie lorsquil le traverse. Par consquent, la frquence de 50 Hz, il est avantageux


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d'utiliser deux conducteurs de 500 mm2 en remplacement d'un de section 1000 mm2 cause de l'effet pelliculaire ou effet de peau.

La section d'une ligne haute tension est de l'ordre de 500 mm2 : il nest pas avantageux dutiliser une section de conducteurs plus grande.

Dautre part, les lignes de tension suprieure ou gale 345 kV, sont portes une

tension linique suprieure 30kV/cm, un tel niveau de tension les pertes par effet couronne deviennent assez importantes et la rponse technologique visant rduire ces pertes est dutiliser, non plus un conducteur par phase, mais des faisceaux de conducteurs, de section plus petite diminuant ainsi la quantit de matriau inutilis dans le transport de lnergie, et divisant par le nombre de faisceaux la tension linique laquelle aurait t port un conducteur simple.

Pour les lignes haute tension, les valeurs des rsistances liniques sont comprises

entre 0,01 /km (ligne 735 kV d'Hydro-Qubec dune section de 570 mm) et 0,060 /km (ligne 230 kV dune section de 570 mm). La norme amricaine IEEE C37.06-1997 indique des valeurs allant de 0,012 /km (800 kV) 0,031 /km (362 kV).

Linductance linique de la ligne dpend de la prsence du sol, de sa conductivit,

de la disposition des conducteurs entre eux et de leffet de peau dans les conducteurs et dans le sol.

Linductance dpend de leffet mutuel entre les conducteurs des diffrentes phases, pour des lignes longues, dans le but dquilibrer limpdance des trois phases, les conducteurs permutent leur emplacement un tiers et deux tiers de la ligne, cela quilibre linfluence de la terre.

La ractance linique due linduction est comprises entre 0,418 /km (ligne 230

kV dune section de 570 mm) et 0,270 /km (ligne 400 kV dune section de 570 mm), donc nettement suprieure aux rsistances liniques.

La capacitance linique dpend de la prsence du sol et de la disposition des

conducteurs entre eux. Elle est proche de 229 000 /km pour une ligne 400 kV dune section de 570 mm et de

368 000 /km pour une ligne 230 kV dune section de 570 mm.

Le champ lectrique produit autour dun conducteur est une des causes de leffet

couronne. La seule solution pour diminuer cet effet a t de diminuer ce champ lectrique. Celui-ci sexprime avec la formule de Gauss vue prcdemment :

Es=q/ (2***d) Il est donc inversement proportionnel au diamtre du conducteur.

Cependant la rduction de la section du conducteur entranerait une rduction de la tension laquelle llectricit serait transporte, ce qui est inenvisageable.


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La solution adopte est lutilisation de faisceaux de conducteurs, une ligne dun

conducteur est remplace par plusieurs faisceaux de diamtre bien infrieur. Cela a de multiples avantages :

Diminuer le champ lectrique est donc leffet couronne.

Diminuer la section des conducteurs et donc la contrainte mcanique supporter par les pylnes.

Diminuer la section et donc la quantit de matire de conducteur pour transporter lnergie.

Diminuer les pertes et donc transporter plus de puissance.

Augmenter le rapport primtre sur section des conducteurs et diminuer ainsi grandement leffet de peau.


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I. PRESENTATION DU PHENOMENE DEFFET COURONNE.

1) LES DIFFERENTS TYPES DE DECHARGES.

Lisolation par gaz est largement utilise dans les quipements haute tension. La

rigidit dilectrique de cette structure dpend des proprits du gaz isolant, de sa pression, de sa temprature, de ltat de surface des conducteurs et des conditions mtorologiques.

Le comportement de ce gaz isolant, face aux diffrentes contraintes auxquelles il est expos et plus particulirement aux dcharges qui peuvent se dvelopper linterface solide/gaz, au niveau de la surface des conducteurs, constitue lun des principaux critres de dimensionnement des installations haute tension.

Par consquent, la comprhension des mcanismes responsables de linitiation et du dveloppement des dcharges, et plus particulirement des dcharges couronnes, linterface conducteur gaz isolant est primordiale.

A) Linfluence du champ lectrique.

Sous leffet d'agents ionisants naturels ou artificiels, les gaz peuvent perdre leurs proprits dilectriques et devenir plus ou moins conducteurs. Cette perte de proprits appele ionisation se traduit par la dissociation de molcules neutres en lectrons et en ions.

Les diffrents principes dionisation de lair, y compris la collision lectron-molcule neutre dont le chapitre suivant fait rfrence, seront abords plus loin.

En labsence de champ lectrique, il existe un quilibre dans lequel le taux de

production dlectrons et dions positifs est compens. En prsence dun champ lectrique entre deux conducteurs ports un potentiel

diffrent, le nombre de porteurs de charges augmente et leur mouvement donne naissance un courant ionique.

La variation de ce courant en fonction de la tension (caractristique courant - tension) a t tudie pour la premire fois par Townsend.

La variation du courant dionisation en fonction de la tension applique un intervalle de gaz comporte diffrentes zones correspondant chacune un rgime de dcharges donn.


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Caractristiques courant tension pour diffrents rgimes de la dcharge sous tension

continue

Il convient toutefois de noter que la prsence dun champ lectrique peut donner lieu, une dcharge de type non-autonome ou autonome selon la valeur du potentiel laquelle est port le conducteur.

B) Le rgime de dcharges non-autonomes.

Le rgime de dcharges non-autonomes, sans multiplication lectronique est

caractris par l'absence de tout phnomne lumineux et des courants extrmement faibles.

Le champ lectrique est trop faible pour provoquer une ionisation par collisions. Lair ne peut devenir conducteur qu'en prsence d'une source extrieure assurant cette ionisation (rayons cosmiques, sources radioactives, mission photolectrique).

La dcharge ne pouvant s'entretenir d'elle-mme, est dite " non-autonome ".

En augmentant progressivement la tension V, et donc le champ lectrique dans lair, le courant ionique crot linairement jusqu' une certaine valeur I0 dite de saturation. Nous entrons dans la partie o les dcharges sont encore non-autonomes mais o il y a multiplication lectronique.

I0 se maintiendra cette valeur tant que V reste infrieur la tension d'ionisation V2 du gaz considr. A ce stade, la dcharge dpend encore des sources extrieures d'ionisation.

Le nombre de collisions est d'autant plus important que le champ lectrique est intense. Il est caractris par un coefficient (ou pouvoir) d'ionisation appel "premier coefficient d'ionisation de Townsend".

Celui-ci reprsente le nombre moyen de chocs ionisants qu'un lectron produit par unit de longueur dans la direction du champ.

Le coefficient d'ionisation dpend de l'tat dans lequel se trouve le gaz ainsi que de l'nergie des lectrons. En dautres termes, dpend de l'intensit du champ lectrique E, l'tat du gaz est dtermin par sa pression et sa temprature. Or la temprature reste pratiquement constante lors de l'ionisation par les lectrons car le transfert d'nergie vers lair est trop faible. ne dpendra finalement que de E et p.

La formule propose par Townsend reliant le courant par unit de temps (I), le courant

rgnant dans lair sous leffet de la photoionisation (I0), la distance entre le conducteur


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considr et un autre conducteur port un potentiel diffrent (a) et le premier coefficient dionisation de Townsend est :

Ln (I) = ln(I0) + *a Les courbes logarithmiques du courant en fonction de la distance sparant ce

conducteur et un autre sont des droites de pentes .

Log (I0) Variation du courant en fonction de la distance inter lectrode

C) Le rgime de dcharges autonomes.

Ds que V dpasse V2, le courant se remet crotre de faon trs rapide, la

dcharge dans ce cas devient autonome. Si (e*a) est le nombre d'lectrons libres produits par un lectron dans une avalanche de

longueur a, (e*a - 1) est le nombre d'ions positifs produits simultanment. Le nombre d'lectrons prsent dans lair sparant notre conducteur dun autre est

not (Nc). Ils donnent naissance Nc*(e*a - 1) ions positifs, qui entranent leur tour la

libration dlectrons bombardant leur tour la cathode, cela librent Nc*(e*a - 1)*

lectrons supplmentaires en faisant intervenir un nouveau coefficient dionisation , le "deuxime coefficient d'ionisation de Townsend".

La condition de dcharges autonomes pour un gaz donn temprature constante est:

Les dcharges couronnes visibles sont autonomes, cest donc de ce type de dcharges quil sera question par la suite.


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2) LIONISATION DE LAIR, PRINCIPE EXPLIQUANT LEFFET COURONNE.

A) Observation lmentaire.

Leffet Corona, proprement parler, est lionisation de lair proximit dun

conducteur lectrique quand celui-ci est port une tension suprieure une valeur critique. Ce phnomne est visible sous forme dun halo lumineux de couleur bleutre apparaissant la priphrie du conducteur dans le cas idal :

Effet couronne sur une bobine porte haut potentiel.

Cette ionisation peut se produire dans des conditions naturelles sous forme de Feux

de Saint-Elme, comme rappel prcdemment. Dans ce cas lionisation de lair est due au champ lectrique gnr par les charges lectriques dun nuage orageux alli un principe dtaill par la suite, appel le pouvoir des pointes. Il se forme alors, au sommet de toutes les pointes ou asprits, tels que les mts des navires, des dcharges lectriques communment appeles aigrettes ou effluves.

Dessin reprsentant des Feux de Saint-Elme aux sommets des mats dun navire.

Intressons nous alors lorigine de cette ionisation gazeuse rendant lair

conducteur et entranant ce halo de lumire.

B) Origine de lionisation gazeuse aux abords dun conducteur.

Du fait de la radioactivit naturelle et du rayonnement cosmique lair comporte des

ions positifs ainsi que des lectrons libres. Les radiations naturelles librent entre 7 et 20 lectrons libres par cm3 par seconde la surface du sol.


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Ces lectrons sont, en partie, lorigine de lionisation de lair responsable de leffet Corona.

Il existe cependant diffrents moyens dioniser lair avoisinant un conducteur.

Un conducteur lectrique parcouru par un courant cre un champ lectromagntique, dans lequel lair qui lentoure est immerg. Ce champ confre lair une certaine quantit dnergie, proportionnelle lintensit du champ lectromagntique, et donc la tension laquelle le conducteur est port.

Latome dair ayant absorb cette nergie voit :

Soit son nergie cintique augmenter.

Soit un ou plusieurs de ses lectrons migrer vers un niveau nergtique suprieur, il devient excit.

Soit son tat de gaz neutre devenir gaz ionis.

Soit cette nergie tre change avec dautres atomes sous forme dlectrons. Nous nous intresserons aux diffrents processus conduisant lionisation des

particules dair neutres. Ces diffrents processus sont la collision lectron-molcule neutre, la

photoionisation, la collision ion positif-molcule neutre et la formation dion ngatif. Nous dvelopperons ces diffrentes mthodes dans cet ordre.

C) Les diffrents processus entranant lionisation gazeuse.

La collision entre lectrons et molcules neutres. Lnergie quabsorbent les particules de lair quand elles sont dans le champ

lectromagntique peut devenir de lnergie cintique. Lorsque cette particule est un lectron, cette augmentation de son nergie cintique lui donne une vitesse assez grande tant donn sa faible masse.

Cet lectron va donc se dplacer rapidement et indubitablement entrer en collision avec dautres lectrons, leur donnant leur tour une grande nergie cintique et donc plus de vitesse.

Llectron va galement rencontrer des molcules. Etant donn la grande diffrence de masse entre ces deux particules, la plupart de ces chocs sont de nature lastique et ne font quaugmenter lnergie cintique de llectron. Mais quand celui-ci acquis une assez grande vitesse, aprs plusieurs chocs lastiques, un choc avec une molcule neutre va ioniser ou exciter cette molcule.

La capacit quont les lectrons accumuler de lnergie cintique rsultant de plusieurs chocs lastiques conscutifs, fait quune ionisation par collisions entre lectron et molcule peut se raliser sous un champ lectromagntique relativement faible.

Daprs Loeb, dans des conditions normales de pression et de temprature la tension critique, valeur laquelle dmarre lionisation de lair par collision lectron-molcules, est de 15 kV/cm.


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La photoionisation. Cette thorie, mise par L. B. Loeb et J. M. Meek, repose sur le fait que les

molcules neutres de lair captent de lnergie mise sous forme de radiations par le soleil. Cette nergie radiante est proportionnelle la frquence des photons mis par la source de lumire, dans notre cas le soleil. En captant lnergie solaire mise par radiation les molcules dazote, entre autre, vont passer un tat excit.

Dans lair, une molcule dazote excite met des photons ayant une nergie suprieure 13 eV et le potentiel dionisation de loxygne est de 12,2 eV.

Aux vues des niveaux dnergie nous pouvons en conclure quil existe une photoionisation dans lair.

Ce phnomne nest pas responsable lui seul de la cration deffet couronne mais lnergie quil fournit aux molcules favorise leur ionisation lorsquelles sont soumises un champ lectromagntique. Dautre part, seul ce phnomne explique la propagation daigrettes assez loin du conducteur, o lintensit du champ lectromagntique est plus faible.

La collision entre ions positifs et molcules neutres. Lnergie cintique, engendre par un champ lectromagntique, se transmet

galement aux ions positifs baignant dans ce champ, leur confrant ainsi une certaine vitesse. Etant donn que leur masse est comparable celle des molcules neutres de lair, une collision avec celles-ci ne sera pas lastique, mais aboutira directement lionisation de ces molcules.

Lnergie cintique que va transmettre cet ion positif une molcule neutre sera acquise sur une distance dun libre parcours uniquement, contrairement un lectron pouvant accumuler lnergie cintique de plusieurs libres parcours conscutifs avant dioniser une molcule. Cette impossibilit deffectuer des chocs lastiques fait que la tension critique dun conducteur, entranant lionisation par collision entre ions positifs et molcules neutres dans lair avoisinant, est de 1000 kV/cm selon Loeb.

La formation dions ngatifs. Lair est un gaz lectrongatif, les ions ngatifs y constituent une forme stable de

transporteurs de charges ngatives. Il y a deux ionisations diffrentes possibles :

Lionisation molculaire : (attachement direct) O2 + O2 + e + (0,3 eV) O2- + O2 Lionisation atomique : (dissociation) O2 + e +3,67 eV O- + O Ce phnomne nest pas responsable dune ionisation proprement parler, mais il

fournit un grand nombre dlectrons qui vont ensuite entrer en jeu dans ces diffrentes ionisations.


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Les phnomnes de surface. Des lectrons peuvent tre mis de la surface dun conducteur mtallique et

participer la conduction du gaz avoisinant. Lextraction de ces lectrons se fait sous leffet dun saut de potentiel, celui-ci peut tre caus par un champ lectrique.

Lionisation de lair avoisinant un conducteur lectrique, est donc en partie ralise par le passage dlectrons mtalliques dans lair sous leffet du champ lectrique engendr par la circulation du courant.

Ce phnomne de surface peut tre accentu par un principe appel le pouvoir des pointes.

Afin de bien comprendre ce principe il est important dintroduire le terme de rayon

de courbure. Le rayon de courbure est linverse de la courbure, une mesure quantitative du

caractre plus ou moins courb dun objet. Le rayon de courbure dune droite est infini (les portions de cercles de rayon se rapprochant de l'infini ressemblent de plus en plus des droites).

Le pouvoir des pointes, ou effet de pointes, est un principe selon lequel, en considrant

une pointe comme une boule de diamtre infiniment petit, donc faible rayon de courbure, le champ lectromagntique cr au voisinage de cette pointe a une valeur qui tend vers linfini.

Pour illustrer le pouvoir des pointes nous pouvons prendre lexemple de deux

boules de rayon respectif r et 2r. Nous allons porter ces deux boules la mme tension. La charge de chaque boule est donne par cette relation :

Nous remarquons donc que la boule de rayon 2r (q2) est deux fois plus grande que celle de la boule de rayon r (q1). Le champ lectrique de chaque boule est donn par cette relation :

q1 est deux fois plus petite que q2 donc E1 est deux fois plus petit quE2. Cependant r1 tant deux fois infrieur r2 la distance d1 entrant en compte dans la formule de E est deux fois plus petit que d2. Finalement nous avons donc un champ lectrique autour de la petite boule E1 deux fois plus grand que celui de la grosse boule E2.

Ce champ lectrique dcupl cause de ce principe va contribuer lionisation de lair par contact lectron-molcule neutre.


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Cette ionisation de lair est initialise par ces diffrents processus et se propage par effet davalanche dit avalanche de Townsend.

D) Lavalanche de Townsend.

Lavalanche de Townsend est le fait que lionisation des molcules neutres de lair

provoque la cration de nouveaux lectrons libres. Ceux-ci, soumis au mme champ, vont galement ioniser des molcules, et ainsi de suite.

Avalanche de Townsend entre deux lectrodes.

La propagation dune telle avalanche ncessite deux choses :

Quelle ait atteint une taille critique.

Que la valeur du champ lectromagntique soit suffisante. Dans des conditions normales de pression et de temprature cette valeur du champ

est de 30 kV/cm. Ce champ est appel champ critique, le calcul de ce champ sera dtaill ultrieurement, par le biais de la formule de Peek.

E) Les diffrents moyens de crer un effet couronne autour dun conducteur lectrique.

Il existe donc de multiples moyens dioniser lair, dans le cas de leffet couronne les

processus les plus actifs sont :

limpact lectron-molcule : sous leffet dun champ lectrique des lectrons de lair acclrent et acquirent ainsi de lnergie cintique quils cdent aux molcules quils heurtent, provoquant ainsi leur ionisation.

la photoionisation : ionisation des molcules doxygne par les photons mis par des molcules excites dazote.

les phnomnes de surface : transfert dlectrons mtalliques lair avoisinant avec une certaine vitesse, provoquant ainsi une ionisation par impact lectron-molcule.


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Un conducteur produit un champ lectromagntique qui diminue au fur et mesure que lon sloigne de celui-ci, ce champ est donc non-uniforme. Il se produit donc une ionisation l o le champ est port une intensit suprieure 30 kV/cm.

Nous avons vue prcdemment que le rayon de courbure directement li ltat de la surface du conducteur influait grandement sur la valeur de ce champ par le pouvoir des pointes.

Cest pour ces deux raisons que leffet couronne apparat sous cette forme la

priphrie dun conducteur :

Dcharges couronne produites sur des conducteurs non lisses


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3) LETABLISSEMENT DE LEFFET COURONNE AUTOUR DUN CONDUCTEUR ELECTRIQUE SOUS DIFFERENTES POLARITES.

A) Les causes dune irrgularit du champ lectromagntique.

Leffet couronne tient son nom de la couronne lumineuse bleutre qui apparat

autour dun fil de faible diamtre lorsquil est port une tension suprieure sa tension critique.

Ce phnomne sloigne un peu du nom que lon lui a attribu lorsque ltude se porte non plus sur des fils mais sur des lignes lectriques. Cette gaine lumineuse uniforme nest plus retrouve. Leffet couronne se manifeste sous la forme de pics lumineux localiss appels aigrettes.

Cette irrgularit et discontinuit de leffet couronne sur une ligne lectrique a de

multiples raisons. La cause principale est bien sr la tension qui est alternative et donc entrane une

variation constante du champ lectrique entourant le conducteur. Il existe galement dautres causes de cette irrgularit de leffet couronne. Nous avons

vu prcdemment que lionisation de lair avoisinant un conducteur tait fonction du champ lectromagntique dgag par celui-ci et que ce champ variait grandement selon ltat de surface du conducteur par leffet de pointes.

Les lignes lectriques voient leur surface devenir irrgulires cause de diffrentes raisons, celles-ci diminuent plus ou moins leur rayon de courbure et donc plus ou moins leffet couronne. Parmi ces causes figurent :

Un dtoronnage de certains brins de la ligne.

Une modification de la pression ou de lhumidit de lair environnant.

De mauvaises conditions mtorologiques.

Des raflures dues au transport ou la pose.

Le dpt de poussire vgtale, de pollution industrielle et de petits insectes. Nous reviendrons plus tard sur ces causes qui bien que secondaires restent trs

importantes et peuvent diminuer considrablement la valeur de la tension critique, partir de laquelle apparaissent des aigrettes.

La discontinuit de leffet couronne est bien due au fait que le niveau de tension

varie frquence rgulire lors du transport du courant dans les conducteurs. Il sera donc intressant dans un premier temps de dtailler lapparition de leffet Corona pour ces deux polarits diffrentes.


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B) Ltablissement deffet couronne en polarit ngative.

Nous allons tout dabord nous intresser la nature du courant qui va susciter cet effet

couronne alors que le conducteur autour duquel il va se crer est port une tension ngative.

Les lectrons vont engendrer lionisation de lair, ou du gaz lectrongatif, qui lentoure, selon les principes dvelopps prcdemment, ds lors que le conducteur est port une tension suprieure la tension critique. Ainsi le courant lectrique devient dans lair un courant ionique, provoquant une avalanche de Townsend.

Cette avalanche se dveloppe depuis le conducteur vers lextrieur et se stoppe une distance limite, o le champ lectromagntique et leffet de photoionisation ne sont plus suffisants pour assurer leffet multiplicateur.

Expliquons succinctement la notion de charge despace. Dans une avalanche, les lectrons forment un nuage ngatif qui sloigne rapidement du conducteur, repouss par sa polarit alors que les ions positifs restent pratiquement immobiles en raison de leur faible mobilit. La pression environnante influe directement sur la charge despace (Ec), celle-ci soppose au champ lectromagntique appliqu (Eapp) en polarit ngative, cest pourquoi leffet couronne (Er) se droule dans un champ dcroissant.

Ionisation au niveau dune asprit dun conducteur en polarit ngative

Champ de leffet couronne.

Laspect lumineux se limite donc une couronne dune paisseur propre quand le

conducteur est port une tension suprieure la tension critique, et si on considre un conducteur ayant une surface de rayon de courbure infini.

Dans le cas o la tension est infrieure cette valeur et que les asprits en surface

du conducteur augmentent la valeur du champ lectrique, par effet de pointe. Ceci jusqu ce quil provoque lionisation de lair soumis ce champ, alors laspect lumineux cr prend la forme de points lumineux au niveau de ces asprits ou, sous plus forte intensit, de cnes lumineux dont le sommet est pos sur lirrgularit.


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Ces aigrettes en polarit ngative ont une amplitude relativement faible, de lordre du milliampre et des frquences de relaxation grandes et rgulires, comprises entre 2 et 50 MHz. Ces impulsions sont dautant plus petites et rapproches que le rayon de courbure du conducteur lendroit de leffet est faible. Ces aigrettes sont appeles impulsions de Trichel, elles sont caractrises par des fronts de monte trs raides, dune dure de lordre de la dizaine de nanosecondes.

Impulsions de Trichel

(aigrettes ngatives)

train d'impulsions (vitesse de balayage : 0,2

ms/carreau)

dtail d'une impulsion (vitesse de balayage : 50

ns/carreau)

Quand le conducteur est lev une tension plus forte en polarit ngative, les

charges despace saccumulent et les impulsions de Trichel, effet couronne partiel et intermittent, sont remplaces par un effet couronne continu. On observe ainsi un autre mode deffet Corona : la lueur ngative. Si la tension est encore plus leve il peut y avoir lapparition deffluves ngatives mais cest peu probable sur des lignes haute tension.

C) Ltablissement deffet couronne en polarit positive.

En polarit positive, une tension faible, des impulsions de courant faible se

manifestent au niveau des irrgularits. A ces impulsions sajoutent des streamers prliminaires stendant loin de la pointe.

Dans le cas o le conducteur lectrique est port une tension positive suprieure, en valeur absolue, la tension critique, ce sont les ions positifs traversant le conducteur qui crent un courant ionique. En polarit positive le champ de la charge despace mme sens que le champ lectromagntique. Par consquent le processus dionisation stend bien plus loin que les avalanches sous une tension ngative autour du conducteur. Ce prolongement de lionisation est d au fait que lavalanche de Townsend dbute dans lair, o le gaz lectrongatif, avoisinant le conducteur et non plus dans le conducteur lui-mme. Cette avalanche se dveloppe ensuite vers le conducteur puisque sa charge positive attire les lectrons de lair aux endroits o le champ lectromagntique est le plus fort, c'est--dire au niveau des asprits et dfauts de surface du conducteur. Les lectrons sont donc absorbs par le conducteur ce qui laisse dans lair, la verticale de ces dfauts de surface un nuage dions positifs trs peu mobile. Ce phnomne sapparente une prolongation radiale du conducteur par un pic de polarit positive crant ensuite une nouvelle avalanche sa priphrie, leffet couronne se dveloppe dans un champ croissant. Cette succession davalanches explique la prolongation du processus dionisation des distances plus importantes que pour une tension ngative.


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ionisation au niveau dune asprit dun conducteur en polarit positive

Champ de leffet couronne.

Ces pics de polarit positive peuvent se dvelopper intervalles rguliers autour du

conducteur lorsque celui-ci est port une tension suprieure la tension critique. Ces pics ont lapparence de longs filaments et forment dans ce cas une dcharge-brosse ou dcharge-plume.

Dveloppement

schmatique dun effluve

positive

Avalanche : lectrons et ions positifs

photon Electron produit par photoionisation

Quand la tension laquelle est port le conducteur est encore augmente il

apparat la lueur dHermstein. Cette lueur stable est obtenue pour un intervalle de tension assez grand et est la principale responsable des pertes dues leffet couronne. Cette lueur apparat lors dun rgime parfaitement stabilis dans lequel subsiste un courant continu, sans impulsion ; cette rgion est appele zone de conductivit dHermstein ;

Cette zone dHermstein apparat comme une couronne lumineuse entourant le conducteur.


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La lueur dHermstein est le principal responsable de leffet couronne.

Lorsque le conducteur est soumis une tension encore suprieure des pics de

polarit positive se forment, ils sont appels streamers. Ces effluves positives ne sont pas trs diffrentes de celles apparues une tension plus basse hormis quelles sont beaucoup plus longues et plus puissantes.

Streamers (aigrettes

positives) la surface d'un conducteur toronn

train d'impulsions (vitesse de balayage : 0,2

ms/carreau)

dtail d'une impulsion (vitesse de balayage :

200 ns/carreau)

Ces streamers sont des aigrettes trs lumineuses, se propageant comme une

arborescence en partant dune asprit jusqu plusieurs centimtres. Lhumidit entrane une augmentation de la tension disruptive, la tension lectrique

minimale qui rend conducteur un isolant.

Frquence dapparition des streamers dans lair en fonction de la tension applique V en

polarit positive


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D) Ltablissement deffet couronne en polarit alternative.

Intressons nous dsormais leffet couronne en tension alternative, il peut tre

considr comme la synthse des deux polarits prcdentes premire vue puisque le passage dune polarit lautre nentrane pas une augmentation de la tension en valeur absolue mais il existe en ralit quelques diffrences. Loscillation de la tension entrane un mouvement oscillatoire de la charge despace dvelopp par leffet couronne mais celui-ci une frquence plus petite.

La grande diffrence avec laddition successive des deux polarits est quil ny a pas dimpulsions au dbut de la demi-alternance positive, la zone dHermstein dbute ds le passage en polarit positive. Cela est due au fait que les ions positifs accumuls pendant la polarit ngative prs du conducteur nont pas le temps dtre vacus pendant lalternance positive. Leur prsence augmente la valeur du champ lectrique existant, le faisant passer directement aux valeurs de la lueur dHermstein.

Les impulsions de Trichel se comportent en courant alternatif comme en courant

continu.

La forme dmission de leffet couronne ayant le plus de consquences est le streamer, en provoquant des perturbations radiolectriques et acoustiques. Elles saccompagnent dun claquement sec dont la rptition grande frquence engendre le bruit dabeilles bien connu au voisinage des lignes haute tension.

Expliquons donc plus prcisment ce phnomne. Nous avons prcis dans la partie traitant de lionisation que lmission dlectrons par

effet de surface au niveau du conducteur joue un rle fondamental dans l'amorage de la dcharge autonome. Mais que cette thorie ne peut expliquer les temps de dveloppement de la dcharge mesurs (10-9 10-7s). Ces temps sont beaucoup plus faibles que ceux ncessaires l'apparition d'effets secondaires la cathode conditionnant le passage des dcharges non-autonomes en autonomes (10-5 10-4 s). Nous avons vu que seule la photoionisation, rsultant des phnomnes d'excitation et de recombinaison dans lair entourant le conducteur et la charge d'espace peuvent expliquer ce dveloppement de la dcharge.

Selon ce modle, la dcharge se dveloppe sous forme d'un canal trs conducteur appel streamer (canal de plasma).

Schma de dveloppement de la dcharge par avalanches photo ionisantes.

Linitiation de ce streamer correspond la cration d'une avalanche de Townsend.

Celle-ci prend naissance, suite des collisions lectrons-molcules neutres ou cations-molcules neutres prsents dans lair suite la photoionisation, alors quils sont soumis une valeur critique du champ lectrique.


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Cette avalanche est accompagne de la cration d'une charge d'espace. Les lectrons forment un nuage ngatif qui progresse rapidement vers le conducteur et les ions positifs restent immobiles. Le champ devient alors htrogne et plus intense prs du conducteur et surtout au voisinage des asprits qui jouent le rle de pointes conductrices. Le champ sur les flancs de l'avalanche diminue. Quand la charge d'espace de l'avalanche de Townsend atteint une taille critique (soit environ 108 lectrons), elle va contribuer intensifier les collisions ionisantes sur le front et la queue de l'avalanche.

Dans l'avalanche, les lectrons et les ions se recombinent en partie, ils se rassemblent pour reformer une molcule neutre. L'nergie rayonne peut provoquer la photoionisation dautres atomes de lair, se trouvant l'intrieur et l'extrieur de l'avalanche, par le principe vu prcdemment. Les lectrons nouvellement crs peuvent, si le champ lectromagntique auquel ils sont soumis est suffisamment intense, conduire par chocs lectrons-molcules neutres, la naissance de nouvelles avalanches, dites secondaires qui leurs tours creront une charge d'espace positive en avant de la charge de la premire avalanche.

Ces avalanches successives entretiennent leffet couronne, qui devient ainsi autonome et augmente galement le nombre de porteurs de charges libres. Cette amplification va s'effectuer surtout dans l'axe du champ et de l'avalanche prcdente. Chaque avalanche continue se dvelopper delle-mme et de faon trs rapide. La premire n'a pas fini de crotre que dj toute une chane se cre. Les avalanches se transplantent par rayonnement lumineux et non par migration d'lectrons et d'ions par consquent lvolution de cette ionisation, cration dun streamer, est trs rapide.

Le champ extrieur ncessaire son entretien est infrieur celui conditionnant l'ionisation par collisions. Le champ moyen du streamer dans lair est d'environ 15 kV/cm et peut descendre jusqu 5 kV/cm alors que le champ critique est d'environ 30 kV/cm dans les conditions normales de pression et de temprature.

Etapes successives de dveloppement dun streamer lors de la demi-alternance positive.


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Etapes successives de dveloppement dun streamer lors de la demi-alternance

ngative.

Ce champ critique, champ dapparition de leffet couronne, dans des conditions

normales de temprature et de pression, se calcul grce la formule de Peek.

E) Les causes de ltablissement de leffet couronne autour dun conducteur lectrique rel.

Formule de Peek. J.W Peek fut un chercheur amricain, il rvlt le principe de leffet couronne en 1915,

et travaillt sur une formule permettant de calculer la valeur du champ lectromagntique partir de laquelle leffet couronne apparat autour dun conducteur cylindrique parfaitement lisse en fonction de son rayon (r en cm) et de la densit relative de lair (d), sachant que d=1 une pression de 1013 hPa et une temprature de 25C.

Cette formule a pour expression :

La relation prcdente nest vrifie que pour des surfaces parfaitement lisses, or

ltat de surface du conducteur est trs important.

Influence des asprits en surface dun conducteur. Les asprits superficielles du conducteur diminuent la valeur du champ critique.

Cette influence de la rugosit surfacique est prise en compte en attribuant au conducteur


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un coefficient exprimental, appel coefficient dtat de surface (m). Le champ critique E0 dun conducteur non poli sexprime alors sous la forme :

E0 = m*Ec

Ainsi, le toronnage dun conducteur de ligne arienne introduit un coefficient dtat

de surface de lordre de 0,9. Nous avons numr prcdemment les diffrents facteurs qui peuvent influer sur

ce champ critique. Ceux-ci sont des critres environnementaux, mtorologiques et humains alatoires dont il est difficile destimer un coefficient du leur influence.

Il est important de rappeler comment ces diffrents phnomnes arrivent modifier ltat de surface dun conducteur et ainsi augmenter leffet couronne sur celui-ci.

Premirement il arrive que, par usure, un brin dune ligne toronne casse, sous les

forces mcaniques de traction et de son poids auxquelles il est soumis, et se dtoronne. Il reste alors sur la priphrie du conducteur et cre ainsi une irrgularit importante la surface de celui-ci.

Une seconde cause influenant la valeur du champ critique est une modification de la valeur de la pression de lair. Une diminution de celle-ci saccompagne en gnral dune diminution de la tension dapparition de leffet couronne.

La temprature de lair est galement trs influente sur la valeur du champ critique.

La densit relative de lair est inversement proportionnelle sa temprature et donc selon la formule de Peek pression constante on obtient une variation du champ critique de 5,26 kV/cm pour une variation de 50C. Ainsi leffet couronne apparat une tension plus faible lorsque la temprature augmente.

Les impurets de lair sont une autre cause. Dans le terme impurets on entend

vapeur deau, oxygne, particules solides, etc. Celles-ci participent la cration dions ngatifs lourds qui peuvent trs facilement librer leur lectrons supplmentaires lintrieur de la zone soumise un champ critique et contribuer ainsi de manire sensible labaissement de la tension disruptive. Lhumidit (ou vapeur deau) est considre comme limpuret du gaz la plus pnalisante pour une isolation lair. Sous tension alternative, elle privilgie lapparition de couronne stabilise o couronne dHermstein.

Au niveau des isolateurs et des lments de chane, leur rupture entrane une forte

modification de la linarit de la ligne et donc une grande augmentation du champ


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lectromagntique ses abords. Cette dtrioration peut avoir des causes diverses (usures naturelles, foudre, projectiles en tous genres, etc).

Dautre part, la graisse du conducteur qui suinte temprature leve et la faible

pression atmosphrique allie lattraction du champ magntique favorisent le dpt de poussires, de particules vgtales et dinsectes. Les pluies dautomne ont tendance laver les conducteurs, par consquent leffet couronne est en gnral un peu plus lev sur une ligne pendant lt que pendant lhiver, par temps sec.

Il est important de noter que quand un conducteur est neuf sa surface porte de

multiples petites asprits diffrentes, des traces de graisse, des petites raflures laisses aprs la pose. Aprs avoir t mis sous tension le conducteur se recouvre rapidement dune fine couche de poussire vgtale et industrielle qui masque ces diffrentes asprits dorigine.

Cette couche noirtre est forme par des arosols attirs lectrostatiquement et ayant carbonis la surface du conducteur. Ce vieillissement qui ne dure que quelques mois, entrane une augmentation de la valeur du champ critique du conducteur, il diminue donc leffet couronne.

A titre dexemple un conducteur ayant des pertes par effet couronne de lordre de 2 kW par kilomtre peut, sous leffet de fortes chaleurs lt voir ces pertes monter jusqu plus de 20 kW/km. Nous voyons bien que la pollution atmosphrique, les particules vgtales, des insectes pouvant se dposer sur le conducteur, modifient considrablement ltat de surface du conducteur et donc leffet couronne.

Le brouillard, la pluie ou la neige laffectent encore davantage en raison des asprits que crent des gouttelettes suspendues en-dessous de la ligne.

Les coefficients dtat de surface reprsentatifs de la pluie peuvent descendre jusqu 0,4 cela signifie que la valeur du champ critique diminue de 60%.

Les gouttes deau suspendues la gnratrice infrieure des lignes sont des sources

privilgies deffet couronne compte tenu de lintensit du champ lectrique rgnant laplomb de celle-ci. Nous expliciterons lors de la prsentation des consquences de leffet couronne dautres problmes engendrs par la suspension de gouttes deau en-dessous dune ligne soumise une tension alternative.

Elment de chaine fl Isolateur rigide cass


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Modification de la gomtrie de la goutte par le champ lectrique.

Lui donnant un trs faible rayon de courbure.

Aspect de leffet couronne pendant une averse de pluie simule de 1,2 cm/h en

fonction de lintensit du champ lectrique de gauche droite 12,4 ; 16,6 et 21,1 kV/cm.

On se rend bien compte que ltat de surface dun conducteur est une notion essentielle pour lestimation du champ critique et donc de la tension maximale laquelle nous allons pouvoir porter ce conducteur tout en vitant la cration de trop deffet couronne.

Lenjeu conomique est trs important car cette estimation conditionne le dimensionnement des lignes et ne pas prendre en compte de tels facteurs peut avoir de lourdes consquences.

Ligne lectrique prsentant un tat de surface inattendu en Cote dIvoire.

Les pertes couronnes de cette ligne sont exceptionnellement leves.


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II. LES CONSEQUENCES ENGENDREES PAR LEFFET COURONNE.

Introduction.

Lionisation de lair provoque par leffet couronne entrane dune part une

dissipation dnergie et est galement lorigine de perturbations radiolectriques et de la cration de polluants.

Nous allons revenir sur ces diffrentes perturbations en abordant premirement les pertes puis les perturbations radiolectriques et enfin les consquences sur lenvironnement que ce phnomne gnre.

1) PERTES ENGENDREES PAR EFFET COURONNE.

A) Gnralits.

Lestimation des pertes par effet couronne dpend des diffrentes conditions

climatiques et de qualit des cbles, cependant on peut estimer les pertes sur le rseau lectrique via le diagramme suivant :

Rpartition des pertes lectriques dans le

rseau de transport

Pertes Joule

80%

Pertes

Corona 6% Pertes Fer

7%

Pertes Shunt

4%

Pertes par

induction 1%

Pertes de

fuite 2%

On voit travers ce document que les pertes par effet couronne reprsentent autour

de 6% des pertes globales lors du transport dnergies. Ces pertes se manifestent sous la forme dune gaine lumineuse bleue qui apparat autour dun fil lorsquil est port un potentiel suffisamment lev (autour de 30 kV/cm dans des conditions normales et uniformes de lair).


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Comme expliqu prcdemment, le mcanisme de formation des pertes par effet couronne provient dune dissociation des atomes en lectrons et en ions positifs. Le mouvement de ces ions dans le champ lectrique est la cause physique des pertes.

Les pertes dpendent donc principalement de la quantit de charges lectroniques produites, en valeur moyenne annuelle ce pourcentage est relativement faible mais lorsque les conditions climatiques sont dfavorables, on peut atteindre une valeur maximale plus de vingt fois plus grande que la valeur moyenne. Ces fluctuations peuvent avoir une influence sur le transport dnergie surtout durant les priodes de pointe (qui concident souvent avec les priodes de mauvais temps). Pour cette raison le dimensionnement des lignes tient compte du champ critique dapparition de leffet couronne.

Rappelons que dans les trois modes dmission principaux de pertes et de perturbations, la zone de conductivit dHermstein est le mode principal dmission de pertes couronnes et le mode provoquant de grandes aigrettes positives (streamers) est quant lui responsable des perturbations radiolectriques et acoustiques.

B) Calcul et estimation des pertes.

Rgime de pertes localises

Lorsque le nombre de points gnrateurs dions, donc le nombre dasprits, est faible, le champ principal nest quasiment pas perturb. On est alors dans un rgime dit de pertes localises. Ce rgime apparat des tensions trs infrieures la tension critique, un calcul des pertes est alors trs difficile car les variations dtat de surface du cble masquent fortement les paramtres lectriques et gomtriques des conducteurs.

Nanmoins, il est possible de calculer la trajectoire dune charge dans la priphrie proche du conducteur et de trouver lnergie quelle dissipe au cours de ce mouvement. Le calcul de trajectoire montre que le rayon travers lequel peuvent se dplacer des charges despace est de quelques dizaines de centimtres pour un conducteur simple et peut atteindre lordre du mtre pour de plus gros faisceaux de lignes soumises de trs hautes tensions.


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Trajectoire dune charge en champ non modifi autour dun conducteur simple

Le calcul de lnergie dissipe montre une relation de proportionnalit entre rayons des

conducteurs et quantit de charges mises par alternance (q= q0*r). Ce qui aboutie la formule suivante :

P0 = w q0 r 2 f avec : f : frquence de la tension alternative w : nergie dissipe par une charge q pour une alternance de tension

r : rayon du conducteur Suite des ajustements aprs mesures, cette formule conduit la suivante :

P = P0 [r

1,8 ( n + 6 )] avec : n : nombre de conducteurs lmentaires


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La combinaison des diverses relations obtenues et des rsultats exprimentaux permet dtablir labaque en coordonnes rduites suivant :

Abaque de prdtermination des pertes de conducteurs secs


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Rgime de pertes gnralises. Lorsque la tension applique saccroit ou que les conditions climatiques ou de propret

du cble augmentent le nombre dasprits le long du conducteur, le nombre daigrettes va augmenter on va alors passer dans le rgime de pertes gnralises.

Dans ce rgime, la quantit de charges despace mise ne dpend plus de la caractristique de la ligne mais du champ superficiel cr. Ce champ superficiel ne peux dpasser une certaine valeur critique, toute tendance au dpassement pour consquence la gnration de nouveaux ions qui vont tendre le limiter (cest par ailleurs cette proprit qui explique le fait que leffet Corona attnue les surtensions de lignes, notamment celles lies la foudre). De plus les charges despace sont mises en quantit suffisantes pour considrer que le conducteur met des charges de faon uniforme sur toute sa longueur. Un calcul des pertes est alors possible. Pour ce faire, on utilise un modle de calcul labor chez EDF : le modle EF COR.

Ce programme simule le mouvement des charges en prenant comme hypothse une limitation du champ superficiel sa valeur critique E0. Il effectue alors une itration afin de dterminer la valeur du champ superficiel du conducteur en observant le dplacement des coques de charges positives et ngatives.

Mouvement des coques de charges autour dun conducteur de 1 cm de rayon lorsquon est 25% au dessus de la tension critique.


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Ce modle de calcul permet de

dterminer avec prcision les pertes sous pluie, il se fait via les abaques suivants.

Il faut ajouter que pour des conducteurs neufs ou gras, la prcision de la mesure baisse car la dtermination du coefficient dtat de surface reprsentatif de la pluie sera plus difficile trouver.

Abaque de prdtermination des pertes sous pluie.


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2) CONSEQUENCES DE LEFFET COURONNE.

La consquence la plus gnante engendre par les pertes par effet couronne est la gnration de perturbations radiolectriques. Nous nous intresserons donc dans un premier temps ces perturbations. Dans le but de limiter ces dernires, on a spar les cbles en faisceaux de conducteurs. Cependant, multiplier le nombre de conducteurs permet dune part dassurer un niveau de perturbations acceptable mais cre dautre part des niveaux sonores de plus en plus levs. Ce deuxime problme sera abord ensuite. Enfin nous verrons comment leffet couronne est lorigine de gaz nfastes pour lenvironnement et capables de dtriorer les conducteurs plus ou moyen terme.

A) Perturbations radiolectriques.

Les pertes par effet couronne sont produites sous forme de dcharges qui sont

lorigine de parasites pouvant tre capts par les antennes se trouvant aux alentours des lignes, cela cre des interfrences lectromagntiques.

Les charges cres par ionisation de lair autour du conducteur sont brusquement mises en mouvement par le champ superficiel. Les ions et lectrons se dplaant rapidement, cela va provoquer une modification de la distribution des potentiels lectrostatiques, et donc un courant qui va ensuite entraner lmission dune onde lectromagntique. La tension tant alternative, le courant produit aura une frquence leve et les perturbations sur les ondes radio seront une combinaison dimpulsions positives (qui ont une intensit plus leve) et ngatives (qui ont un spectre frquentiel plus tendu).

Courant haute frquence (environ 1MHz) dlivr pendant les intervalles de temps t

Le champ lectromagntique variable cr va se propager dans lair dans la bande de

frquence [150 kHz ; 30 MHz]. Cette bande couvre la bande des missions grandes ondes (bande des 200 kHz, ex :

France Inter : 162 kHz) et la superposition du bruit radiolectrique cr par leffet couronne avec londe porteuse du signal utile gnre la nuisance sur la qualit de rception du signal


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Le niveau des

perturbations se calcul via un rcepteur radio fonctionnant en voltmtre, on tudie alors le rapport signal sur bruit. Le niveau de perturbation peut alors tre valu avec le tableau suivant :

Une mthode approximative est possible afin de calculer le champ perturbateur

maximum. Elle consiste relever les champs utiles des principaux metteurs nationaux et en priphrie tablir le diagramme des frquences cumules des champs. On dtermine alors un champ minimum E0 (dpass par 80% des champs par exemple).

Le niveau perturbateur admissible par temps sec sera alors : E = E0 30 ou 24 dB

Ceci dpendant de la position dmographique de la

ligne (la limite ne sera pas la mme pour une ligne traversant une rgion peuple et une rgion loigne des centres urbains)

B) Bruits acoustiques.

Leffet couronne est lorigine dune onde sonore produite par une variation locale de

la pression qui se propage dans lair environnant. Il existe deux composantes acoustiques principales dans ce bruit, la premire est

frquence leve et ressemble un bruit de friture ou un sifflement, la seconde est un bourdonnement plus basse frquence.

Lorsque les conditions climatiques sont humides ou pluvieuses, le niveau sonore produit par le rseau devient audible. En effet, ce niveau est lui aussi li aux gouttes deau qui pendent sous le conducteur, mais dautres facteurs sont galement responsables de lamplification de ce bruit : lintensit du champ lectrique (mais cette composante est saturation dans la plupart des cas), le diamtre des conducteurs et leur nombre (un faisceau de quatre conducteurs sera plus gnant quun faisceau de deux)

Le calcul de la gne acoustique dun faisceau est donc trs difficile faire car mme dans le cas dune tude de cbles secs les valeurs de pertes et de perturbations changent fortement au cours du temps. Cest pour cela quil est prfrable de comparer les


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conducteurs entre eux. Un calcul peut donc seffectuer par comparaison avec la gne produite par un faisceau connu (pour des conditions climatiques similaires).

On calcule:

= E1 n10,3 d1

0,6 E2 n20,3 d2

0,6

Avec : E : intensit maximale du champ lectrique n : nombre de conducteurs du faisceau d : diamtre des conducteurs La valeur renseignera sur ltat acoustique du faisceau 2 par rapport au faisceau 1. La gne acoustique apparat comme un des principaux obstacles limplantation dun

rseau de transport plus forte tension que celui actuellement en place.

C) Vibrations mcaniques.

Ce phnomne intervient lorsquune pellicule deau se dpose sur le conducteur. La

pluie, en prsence dun champ lectrique va engendrer une vibration des conducteurs de lordre de 10 cm avec une frquence de 1 10 Hz. Celle-ci est due au comportement des gouttes deau en prsence dun champ magntique.

Les gouttes deau vont crer des asprits, il va y avoir une intensification du champ

superficiel leurs pointes, l

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Effet Couronne Sur Réseaux HTB EDF