Phénomènes pré-disruptifs dans les liquides

(“streamers”)

Olivier LESAINT

Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble (G2E lab)CNRS Grenoble INP / Université Joseph Fourier

� Domaine beaucoup moins avancé que dans les gaz !

� Plus récent1954Liao & Anderson / rotating film -1966Stekol'nikov / streak camera -1961Farazmand Strioscopie

� Peu (pas) de modèles prédictifs, beaucoup de caractérisation

� physique de base mal connue, conditions locales « extrêmes »� Champs locaux >> MV/cm : porteurs de charges ? injection ? …

� dynamique du changement de phase? (vitesses > 100 x Vson)

� Domaines d’applications essentiels:• Isolation électrique

• Imprégnation d’isolants solides (câbles, condensateurs)

• Isolation très haute tension (transformateurs – 800kV)

• Dépollution ?• Décharges dans l’eau

Phénomènes précurseurs du claquage des liquides

• I - Phénoménologie phénomènes prédisruptifs� caractères « génériques »

• II - Nature gazeuse des canaux

• III - Propriétés électriques « macroscopiques » des canaux

• IV – Applications (dépollution)

Objectifs présentation

I - une très large variété de phénomènes …

� Terme générique “streamer” (inapproprié …)

� “Modes”: typologie descriptive (vitesse, … )

0.1km/s« 1er mode »

2 km/s« 2nd mode »

2 km/s« 2nd mode »

> 100 km/s« 4ème mode »

304 kV 424 kV 160 kV

30 kV 14 kV 8 kV

100 µm

10 km/s« 3rd

mode »

Inception voltage (kV)

Tip radius (µm)0

4

8

12

16

20

0 2 4 6 8 10

Vs

Vp

ro rc

2d mode streamers

1st mode streamers

I - exemple: transition 1er / 2èmemode (pentane)

100 m/s

2 km/s

� Transition brutale ⇔⇔⇔⇔ seuil de tension Vp

0,1

1

10

100

1000

0 100 200 300 400 500

Ester naturelEster synthétiqueHuile minérale

Vitesse moyenne de propagation (km/s)

Tension (kV)

Va

2ème mode (continu) 4ème mode

3ème mode

(discontinu)

I – transition 3/4èmemodes:

ester naturel(Tran Duy et al. IEEE TDEI 2010)

Premier saut

type II

Tension appliquée (kV)

Vitesse moyenne (km/s)

types III + II

I - autre exemple: eau

0.1 mm

0.4 cm

- 23kV

t

V

0 0.2µs

20kV/div Applied voltage.

200mA/div Current.

200ns/div Time.

Liquide très spécifique:ε = 80σσσσ = 0,1 – 1000 µS/cm

“modes” comparables, mais à des tensions <<

� géométrie pointe-plan(rp ≈≈≈≈ 0.5 - 10 µm)� hydrocarbures ultra purs, pointe négative�impulsions de courant indépendantes de la pression

( 0 – 250 bars)

II - Nature gazeuse. Processus élémentaire: génération d’unecavité par une avalanche électronique(Denat et al. IEEE EI 88)

Cyclohexane100µA 50 ns /div.rp = 4 µm, 8 kV, 40bars

5 nJ, 5 kV

E > 7MV /cm

Avalanche électronique en phase liquide

génération d’une cavité gazeuse

Photodiode Laser

HT

Courant

II - nature gazeuse: dynamique cavité

Diamètrecavité

Expansion R max. Implosion

80

100

120

140 Pressure wavesShock wave

Am

plit

ud

e (

mV

)

Onde de chocOndes de pression

0 200 400 600 800 1000 12000

200

400

600

800 P = 0.5MPa

Rm

∆t

Bubble in cyclohexane (Wi = 7.26nJ)

Integrated current pulse

Time (ns)

� Dynamique≈ bulle de cavitation

0,1 1 10

0,01

0,1

1

Pc

∆t [µ

s]

P∞ [MPa]

∆t1 (first rebound)

∆t2 (second rebound)

theoretical curves ∆t ∝ P∞-5/6

∞

∞=∆P

Rt ray

ρ**91468,0

Modèle de Rayleigh(incompressible, non visqueux, bulle vide)

Bilan énergétique(volume de liquide vaporisé) Wi – énergie injectée

* dynamique → inertie du liquide* forces électriques → effet négligeable* cavité →→→→ essentiellement constituée de vapeur

3/1

=

∞P

WkR i

W

II - cavité: modèle hydrodynamique

0 200 400 600 800 10000

1

2

3

4

5

6R(µµµµm) P∞∞∞∞=0.5MPa

P∞∞∞∞=1.2MPa

temps(ns)

filament lifetime

maximum diameter

II - nature gazeuse: canaux “2èmemode”

Laser beam

Photodiode

10 µm

200 µm

(pentane, 17 kV, 1.1MPa)

(Gournay et al. J Phys D 94)

“streamer”= canal vapeuren expansion

Coupure filaments

10

100

1000

104

105

0 2 4 6 8 10

Measured filament lifetime (ns)Calculated Rayleigh lifetime (ns)

Filament lifetime (ns)

Hydrostatic pressure (MPa)

CH, 2.5mm, 17 kV

II - nature gazeuse: influence pression hydrostatique

P ↑↑↑↑ : large réduction - durée de vie des canaux(���� arrêt propagation)

- diamètre canaux

1

10

100

0 2 4 6 8 10

Filament diameter (µm)

Hydrostatic pressure (MPa)

CH, 2.5mm, 17.5 kV

(Gournay et al. J Phys D 94)

0

1

2

3

4

5

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Vitesse de propagation (km/s)

Pression hydrostatique (MPa)

P ↑↑↑↑ : vitesse inchangée

II - nature gazeuse: influence de la pression

(pentane, 17 kV)

(Gournay et al. J Phys D 94)

0.2µs

1µs

10µs

40µs

60µs

1 mm

24kV / 300ns

Creation

Expansion Implosion

Collapse

dm

tm

II - Autre exemple: eau

εεεε + conductivité élevés� Dissipation d’énergie >>

� diamètre canaux >>

II - mécanismes de propagation ? 100 µm

strioscopie, pentane

�Changement de phase (10W)

� onde de choc

� champ très fort ( ≈≈≈≈ 10MV/cm)

� influence additifs (aromatiques)

* Mécanismes injection de charge ?ionisation de champmultiplication electroniquedissociation renforcée (Onsager)

•Vitesse propagation ?

•Phénomènes électro-mécaniques ?P Electrostatique ≈ 100 Bars

•ramification ?•…

Onde de choc(cône de Mach)

Canal (vapeur) en expansion

����nécessairement gazeux pour assurer la propagation

(pas de porteurs de charge rapides en phase liquide)

�hors équilibre pression (spatial, temporel)

�Siège de “décharges”

* Mécanismes de conduction ?

II - Corrélation vitesse⇔⇔⇔⇔ pression interne

filament lifetime

maximum diameter

1er mode

100 m/s 1 – 10 bars

2èmemode

2 km/s10 – 100 bars

100 - 1000 Bar ?3/4èmemode

30 km/s

0

2

4

6

8

10

0 50 100 150 200

Stopping length of2d mode streamers (cm)

Applied voltage (kV)

point-plane, d= 10 cm

⇒ arrêt dû à la chute de tension V sdans le streamer

V V - Vs

E = Vs / ls

Epropa.

Epropa < Ecritique (≈≈≈≈ 10MV/cm) ⇒⇒⇒⇒ arrêt de la propagation

III - propriétés électriques : chute de tension dans le canal(Massala et al. IEEE EI 98)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 100 200 300 400 500

Stopping length (cm)

Applied voltage (kV)

d=35 cm

20 cm

10 cm

5 cm

III - propriétés électriques : chute de tension dans le canal

⇒ huile minérale (2ème mode, 2km/s)

E ≈ 5 to 30 kV/cm

∆V

∆ls

⇒ eau (3ème mode, 30 km/s)

E≈ ∆V / ∆ls = 12 kV/cm

⇒⇒⇒⇒ E ↓↓↓↓ quand i ↑↑↑↑ (# arc électrique)

* quand la tension V ↑↑↑↑* quand la vitesse v ↑↑↑↑* quand la capacité linéique dC/dx↑↑↑↑

⇒⇒⇒⇒ E ↑↑↑↑ quand Pression↑↑↑↑ (# décharge dans un gaz)

Liquides isolants:

i ~ V (dC/dx) v

III - chute de tension: paramètres sensibles

V

V - Vs

i

C

dC

5

6

789

10

20

30

40

10 100

E (kV/cm)

C(pF/m)

Mineral oil

Creeping streamers

0

5

10

15

20

0 50 100 150 200 250 300 350

El (kV/cm)

Applied voltage (kV)

Vb

influence tension appliquée / vitesse(2 & 3ème modes)

III - chute de tension dans le streamer (huile minérale)

⇒ influence “capacité linéique” dC/dx(streamer rampant P. Atten & A. Saker IEEE EI 96)

dépend ε, épaisseur

(Massala et al. IEEE EI 98)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

5 10 15 20 25 30

Longueur d'arrêt (mm)

0.1 MPa 0.5 MPa1.5 MPa

Tension appliquée (kV)

2.5 MPa

4.5 MPa

6.5 MPa

III - chute de tension dans le streamer (pentane, 2èmemode)

influence pression hydrostatique

7kV /mm (P atm)

75 kV / mm (65 bars)

Tension seuil propagation inchangée

(Gournay et al. J Phys D 94)

Ouverture

Courant (8A)

Lumière

Tension (20kV)

0,7 µµµµS/cm 102 µµµµS/cm

Tension(50kV)

OuvertureCourant

(20A)

Lumière

528µµµµS/cm

Ouverture

Courant (40A)

Lumière

Tension (50kV)

Forte influence conductivité sur courant & lumière

Aucune influence sur la vitesse de propagation

III - Un cas particulier: l’eau

(Thèse Dang, Grenoble 2010)

0.01

0.1

1

10

100

10 100Tension appliquée (kV)

Cha

rge

des

stre

amer

s (C

)

Applied voltage (kV)

Streamer charge (µC)

0.1µS/cm1µS/cm

10µS/cm

100µS/cm

500µS/cm

0.00001

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

10 100

Tension appliquée (kV)

Lum

ière

inté

grée

(nC

)

Applied voltage (kV)

Integrated light (arb)

courant, énergie dissipée, émission de lumière augmentent fortement au-delà de ≈≈≈≈ 10µS/cm

III - Un cas particulier: l’eau

R

C

0.1

1

10

100

0.1 1 10 100 1000Conductivity (µS/cm)

Str

eam

er c

harg

e (

C)

ττττ = 0.7µµµµs

ta >> ττττ

ta << ττττ

Streamer charge (µC)

Conductivity (µS/cm)

tstreamer <<ρερερερε

Courant de déplacementseul (C)

Courant de déplacement+ conduction (C + R)

large pertes Joules autour du streamer (R)

III - Un cas particulier: l’eau ε = 80σ= 0,1 – 1000 µS/cmTemps de relaxation εσεσεσεσ = 70µs – 7 ns

tstreamer >>ρερερερε

Distance: 20 cm V: 256 kV 10 µs

Current (0.5 A/div.)

Emitted light

10 µs

Voltage

III - émission de lumière et courants transitoires …

⇒ conduction généralement“intermittente”

streamer joignant les électrodes sans claquage

* Mécanismes de conductiondans les filaments gazeux ?

- "tube liquide" très fin (10-100µm)

- pression élevée, non homogène, température ?

* différents mécanismes existent(≡différents modes de propagation)

* spectroscopie ≅≅≅≅ inutilisable dans les hydrocarbures !

* Azote liquide (3 & 4èmemodes, Frayssines 2001)

- densité électronique 1018 cm-3 (Stark broadening of H-Balmer lines)

- Tr (kinetic temperature) 3000 K

* Eau (3 & 4èmemodes, Bonifaci 2007)

- densité électronique 5-8 1018 cm-3 (Stark broadening of H-Balmer lines)

- Tr (kinetic temperature) 3600 – 4000 K (Simulation bande OH band avec Tr comme parametre ajustable)

•

III - caractérisation spectroscopique …?

LN2

T=77K

LN2

T=77K

N and N2

central

region

T=350K

N2

Peripheral region

3000KLN2

T=77K

LN2T=77

K

≅ 100-250µm

Ne~0,6-11024m-3

Ng~1-7 1026 m-3

III - caractérisation spectroscopique, azote liquide (3&4èmemodes)

IV – application: dégradation de polluants organiques

�(très) mauvaise efficacité énergétique !

• décharge haute pression ⇒⇒⇒⇒ recombinaison OH⇒⇒⇒⇒ H2O2 essentiellement• pertes par effet Joule …

5 mm

527µS/cm

Streamers « 3 & 4ème modes » dans l’eau �UV, OH, H2O2, ondes de chocs …

Dégradation de polluants organiques(Thèse T.H. Dang 2010)

(Thèse Dang, Grenoble 2010)

-5

-4

-3

-2

-1

0

0 1 109 2 109 3 109 4 109 5 109 6 109

ln(C/Co)

Wrel

(J/mol ClPh)

Streamer K = 0.2x10-9 (mol/J)

Corona K = 21x10-9 (mol/J)

Spark K = 10x10-9 (mol/J)

sans FeCl2

IV – exemple: dégradation 4 - chlorophenol

Ln[C/Co] ≈≈≈≈ -kWrel

Chemical yield K(µmol/kJ)

Streamer

(eau) Arc

(eau) Pulsed Corona

(air)

without FeCl2 0.2 10.1 21 4-CP

with FeCl2 5.0 15.3 36

without FeCl2 0.03 1 32 4-NP

with FeCl2 2.7 6.8 51

(Thèse Dang, Grenoble 2010)

� mécanismes de décharge dans les liquides- large variété de phénomènes- changement de phase = étape indispensable- difficulté: conditions extremes (P, T, E), physique ?- pas de modèles

� applications - isolation électrique- dépollution

���� oxydation de polluants: efficacité faible

Conclusions …

� collègues G2Elab (R. Tobazéon, A. Denat, N. Bonifaci…)� partenaires (EDF, Schneider Electric, Alstom, AREVA, IREQ, …)� étudiants (P. Gournay, G. Massala, T.V. Top, P.E. Frayssines, T.D. Chau.…)

Remerciements …