Cours haute tension claquage des gaz + vide

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HAUTE TENSIONProduction, Métrologie et

Applications

Dr Mohammed El Amine SLAMA

Université des Sciences et de la Technologie d’OranMohamed Boudiaf

Faculté de Génie ElectriqueDépartement d’Electrotechnique

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3. Claquage des gaz

1. Phénomènes physiques fondamentaux.

2. L’avalanche électronique et le mécanisme de Townsend.

3. Loi des similitude. Courbe de Paschen.

4. Le mécanisme des streamers.

5. Influence des paramètres atmosphériques, de la géométrie, la nature du gaz et de la

nature des électrodes.

6. Influence de la forme de la tension appliquée et sa polarité. Temps de retard au

claquage.

7. Les différents isolants gazeux.

8. Classification des décharges dans les gaz (Glow, Couronne-Spark, Arc).

9. Décharge dans les grands intervalles d’air – Leader.

10. La foudre.

11. Claquage dans le vide.

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3. Claquage des gaz

3.1 Phénomènes physiques fondamentaux

Un gaz est en principe isolant puisqu’il ne contient que des atomes ou desmolécules neutres.

Pour qu’il puisse passer à l’état conducteur, il est donc nécessairequ’apparaisse, à l’intérieur, un certain nombre de particules chargées.

En pratique, un gaz contient toujours un certain nombre de particules chargées.

Elles proviennent principalement des processus d’ionisation résultant :

• du rayonnement cosmique,

• ou bien de la désintégration des gaz radioactifs émis par le sol.

Nous nous intéresserons aux gaz isolants soumis à un champ électrique

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3.1 Phénomènes physiques fondamentaux (suite)

Gaz soumis à un champ électrique

Apparition d’une conductivité électrique

Charges électriques qui apparaissent et disparaissent

Ionisation Désionisation

Interaction entre particules.

Interaction avec la cathode.

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3.1.1 Processus de collisions


Collision = Choc

Elastique Inélastique

Section efficace de collision σ(V)

dn

P n Vdt

Probabilité de collision

Libre parcours moyen 1 1

P n V

Vitesse de dérive

Où µ est la mobilité et dépend de la fréquence de collision.

v µE

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Variations, en fonction de l’énergie cinétique, de plusieurs sections efficaces de collisions électron-atome et électron-molécule pour quelques gaz usuels.

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3.1.1 Processus d’ionisation et d’excitation


a. Ionisation par choc

A + e → A+ + e + e

A + B → A+ + e +B

A + B+ → A+ + e +B+

A + hυ → A+ + e

A* + B → A + B* + e

A + WT → A+ + e

b. Détachement

A- + hυ → A + e

A- + A → 2A + e

A- + B → AB + e

A-2 + B* → A*

2 + B + e

A- + B+ → AB+ + e

Degré d’ionisation

0

i

nd

n n

Où n est la densité particules chargées et n0 est la densité de particules neutres. p étant lapression et E le champ électrique appliquée. A et B dépendent du gaz.

Coefficient d’ionisationexp

E B pp p A

p E

c. Excitation

A + e → A*

A + B → A* +B

A* + B → A +B*

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3.1.2 Processus de désionisation et de désexcitation

a. Recombinaison

A- + B+ → AB + hυ (ou Wc)A+ + e → A + hυ

dn dnan n

dt dt

Taux de recombinaison

0

0

1 n na

t n n

Coefficient de recombinaison

Avec n = n0 à t = 0

• aion/ion > ae/ion : faible mobilité des ions.

• a augmente avec la pression jusqu’à un maximumcar la vitesse moyenne des ions décroit avec λ.

a(m3/s)

p(kPa)

Deux particules de polarité opposés échangent leurscharges pour revenir à l’état neutre.

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d. Diffusion

c. Désexcitation A* + e → A + e

b. Attachement

A + e → A- + hυ (ou Wc)

A + B +e → A- + B + Wc

AB + e → A- + B

3.1.2 Processus de désionisation et de désexcitation (suite)

Consiste à la fixation d’un électron par un atome ou unemolécule pour la formation d’un ion négatif.

Il agit comme un frein à la croissance électroniquenotamment dans les gaz électronégatif (O2, SF6, etc.)

ce c

dnn n

dt

Taux d’attachement

η coefficient d’attachement

Apparait lorsque les différences de concentration des particules d’une région del’espace à l’autre créent un déplacement de ces particules des régions de hauteconcentration vers les régions de basse concentration.

DK n

Où KD est le coefficient de diffusion.

0n

t

La diffusion des électrons est plus importante que celle des ions.Elle est fortement dépendante de la température (exp arc).

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11


12


13

La conduction du courant électrique dans les gaz est liée au déplacement de ionspositifs et des électrons à l'intérieur de celui-ci sous l'effet du champ électrique E.

Eapp

3.2 Multiplication (avalanche) électronique et mécanisme de Townsend.

J = J0 exp(αd)

Lorsque l’attachement est pris en compte : J = J0 exp[(α - η)d]

La multiplication électronique s’arrête lorsque l’attachement équilibre l’ionisation.

DECHARGE NON AUTONOME

3.2.1 Multiplication (avalanche) électronique.

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3.2.1 Multiplication (avalanche) électronique (suite).

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Effet de la cathode (émission secondaire)

Collision d’ions ou d’atomes avec la cathode

01 1

d

d

eJ J

e

Emission secondaire d’électrons

DECHARGE AUTONOME

Cathode

γ est le coefficient d’émission secondaire

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3.2.2 Le mécanisme de Townsend.

01 1

d

d

eJ J

e

α : 1er coef. de Townsend

γ : 2éme coef. de Townsend

Si γeαd < 1 → Décharge non autonome

Si γeαd = 1 → Décharge autonome → Critère de claquage de Townsend

Si γeαd > 1 → Le processus d’avalanche est cumulatif, le courant croit

rapidement et n’est limité que par la résistance du circuit.

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3.3 Loi des similitudes. Courbe de Paschen

D’après le critère de Townsend, le claquage se produit lorsque : 1 1de

expB p

p AE

Nous savons également que :

On en déduit que :1

exp ln 1B p

d p AE

En champ uniforme, E = V / d, on aura :

ln1

ln 1

cla

B d pV F d p

A d p

La tension de claquage est fonction du produit dxp.

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3.3 Loi des similitudes. Courbe de Paschen (suite)

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24

(dxp)min

(Vcla)min


25

D’après Sohst and Schröder, pour un champ uniforme et une pression variant de 10-2 à5.102 bar.cm :

6,72 . 24,36 .claV d p d p

D’après Townsend, pour un champ uniforme le champ de rupture ou de claquage est :

1,3530claE

d


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27


28

3.4 Mécanisme des streamers (canaux ou dards)

• Le mécanisme de Townsend n’est valable que pour dxp<1 torr.m (bassespressions BP).

• pour dxp>1 torr.m, la structure de la décharge est modifiée et le rôle joué par lacathode devient secondaire.

• En régime de surtension, le temps de formation de la décharge est beaucoup pluscourt que prévu par la théorie de Townsend.

Ce régime de décharge a été découvert et expliqué par Loeb, Meek et Reather.D’autre auteurs ont ajouté des ajouts comme Nasser, Hartmann et Pedersen.

L’explication des mécanismes de propagation des streamers fait intervenir :

1. La multiplication électronique de Townsend.

2. La modification du champ électrique par la charge d’espace laissée par la 1ereavalanche.

3. La photoionisation du gaz en tête d’avalanche.

4. Transition avalanche-streamer lorsque l’intensité du champ électrique de lacharge d’espace atteint la valeur critique.

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3.4 Mécanisme des streamers (suite)

3.4.1 Streamers en champ uniforme

Le premier stade d'évolution de la décharge encanal correspond à la création d'une avalanchedite primaire. Cette avalanche est accompagnéede la création d'une charge d'espace.

Le champ devient alors hétérogène et plusintense près des pôles de l'avalanche et surtoutau voisinage du pôle positif (constitué par les ionspositifs) qui joue le rôle d'une pointe conductrice.

Le champ sur les flancs de l'avalanche diminue.Dès que la charge d'espace de l'avalancheprimaire atteint une taille critique (soit environ 108

électrons), elle va contribuer à intensifier lescollisions ionisantes sur le front et la queue del'avalanche.

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Dans l'avalanche, les électrons et les ions se recombinent en partie. L'énergierayonnée peut provoquer la photoionisation des particules de gaz, se trouvant àl'intérieur et à l'extérieur de l'avalanche.

Les électrons nouvellement créés peuvent, si le champ local est suffisammentintense, conduire par chocs ionisants, à la naissance de nouvelles avalanches, ditessecondaires qui à leurs tours créeront une charge d'espace positive en avant de lapremière. Ces avalanches secondaires jouent le rôle de facteur d'entretien de ladécharge et d'amplification du nombre de porteurs de charges libres. Cetteamplification va s'effectuer surtout dans l'axe du champ et de l'avalancheprécédente.

3.4.1 Streamers en champ uniforme (suite)

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Chaque avalanche continue à se développer pour sonpropre compte et de façon très rapide. La première n'apas fini de croître que déjà toute une chaîne se crée.Alors que les électrons se déplacent vers l'anode, lachaîne progresse rapidement vers la cathode sansintervention de cette dernière.

La décharge prend alors la forme d'un canal dans ladirection de l'axe des électrodes ; son développementdépend de la répartition du champ.

D'autre part, lors de collisions élastiques avec lesparticules de gaz, les charges leurs transmettent unepartie de leurs Wc. Il en résulte une augmentation de latempérature du gaz. Tant que celle-ci est inférieure à cellenécessaire à l'ionisation thermique, elle n'aura aucuneinfluence sur le développement de la décharge. Ce stadede la décharge est appelé streamer.


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Le champ extérieur nécessaire à l’entretien de la décharge est inférieur à celuiconditionnant l'ionisation par collisions. Pour l'air par exemple, le champ moyen dustreamer se développant à partir de l'anode est d'environ 5 kV/cm et de 15 kV/cmlorsque celui -ci se développe à partir de la cathode alors que le champ critique estd'environ 30 kV/cm (dans les conditions normales de pression et de température).

Il est a noté que parfois la photoionisation a lieu radialement par rapport à E, ce quiexplique l’apparition de ramifications pendant le processus.


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3.4.2 Streamers en champ non uniforme

Dans ce cas, les phénomèneslumineux et électriques sont localisésautour de l’électrode présentant la plusforte courbure.

Les phénomènes vont dépendre de lapolarité et de la forme de la tensionappliquée.

Cependant, les streamers seront lesmêmes que ceux obtenus en champuniforme et leur mode de propagationreste identique.

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3.4.2 Les critères de propagation des Streamers.

a. Critère de Raether

Rappelons que les mécanismes de propagation des streamers font intervenir :

1. La multiplication électronique de Townsend.

2. La modification du champ électrique par la charge d’espace laissée par la 1ereavalanche.

3. La photoionisation du gaz en tête d’avalanche qui est la principale source desélectrons secondaires.

4. Transition avalanche-streamer lorsque l’intensité du champ électrique de lacharge d’espace atteint la valeur critique.

Basé sur la condition (2). Le streamer ne se développe que si l’avalanche atteint unetaille critique et à partir de là, le champ local devient égal au champ critique.

0

ln 17,7 ln lncrix

cri rade cri cri

app

Edx n x x

E

La condition de transition est lorsque :

Erad = Eapp

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3.4.2 Les critères de propagation des Streamers (suite).

b. Critère de Loeb et Meek.

07

exp

5,3.10

x

rad

dx

Ex

p

c. Critère de Nasser.

phocri

dnN

dt

Si le nombre de charges d’espace de la 1ére avalanche n1 est égal au nombre de charges d’espace de la 2éme avalanche n2, le streamer se propage.

d. Critère de Pedersen (pour le SF6).

Si le nombre de photons créés dépasse le seuil critique, le streamer se propage.

Le coefficient d’ionisation n’est plus constant

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3.4.3 Influence de la polarité des électrodes

L’expérience a montré que le claquage en polarité positive est plus facile qu’enpolarité négative.

Cependant, ce fait n’est pas applicable aux gaz électronégatifs à partir d’unecertaine pression et dans le cas des interfaces polluées en c.c.

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3.4.3 Influence de la polarité des électrodes (suite)

a. Streamer positif

Pour une pointe électrode positive, les électronsse déplacent en avant et les ions restant réduisentle champ électrique prés de l’extrémité de lapointe électrode.

En conséquence le champ électrique dans ladirection du plan augmente, ceci favorisel’augmentation des canaux de la décharge.

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b. Streamer négatif

Quand l’électrode pointe est négative, les électrons sedéplacent vers l’électrode plan.

Les ions restent et provoquent un fort champ électriqueprés de l’extrémité de l’électrode pointe, tandis que pourle reste de la région, le champ électrique monteseulement une faible différence de potentiel.

Ceci empêche le développement de la décharge dans ladirection du plan.

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Eρmin = 5,4 kV/cm en polarité (+)

Eρmin = 11 kV/cm en polarité (-)

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3.5 Influence des paramètres atmosphériques, de la géométrie et lanature des électrodes.

Les paramètres jouant une grande influence sur la rigidité diélectriques desgaz sont :

1. La pression.

2. La température.

3. L’humidité.

4. La nature des électrodes.

5. La géométrie des électrodes.

6. La nature du gaz.

Densité du gaz

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3.5 Influence des paramètres atmosphériques, de la géométrie et lanature des électrodes (suite).

3.5.1 Influence de la densité

La densité est une grandeur proportionnelle à la pression et inversementproportionnelle à la température.

Avec l’augmentation de la densité, la probabilité de collisions ionisantes diminue.

293

760 273

p

Pour l’air, et un intervalle d < 15 cm,la tension de claquage est :

24,41 6,61airclaV d d

D’une manière plus générale, la tension de claquage est corrigée en la multipliant par un facteur correction de la densité de l’air pour une distance inter-électrodes donnée ;

Vcorr = δ.Vcla

La densité peut être aussi exprimée en fonction de l’altitude H ;

0,1333 293

760 273

H

42

3.5.1 Influence de la densité (suite)

43


3.5.1 Influence de l’humidité

L’humidité tient son influence du fait quela vapeur d’eau possède lacaractéristique d’un gaz électronégatif.

Les molécules d’eau se trouvant dansl’air captent les électrons.

Plus l’humidité augmente, et plus latension de claquage diminue.

Il est a noté que ce phénomène estvalable pour des champs non uniformes.

Dans le cas des champs uniformes,l’effet de l’humidité h est négligeable.

50 1 0,012 11HzclaV h

normalisée mesuréecla h claV k V

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3.5.1 Influence de l’humidité (suite)

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3.5.2 Influence de la forme des électrodes.

La géométrie des électrodes joue un rôle déterminant sur la tension de claquagepuisqu’elle conditionne la distribution et la géométrie du champ électrique.

HT(+)HT(-)

Région

d’ionisation

X

E(X)

0 Xcri

Ecri

L’ionisation apparaît au de la pointe (électrode de faible courbure).

Effet couronne ou décharge couronne –corona discharge.

Pour l’air :

Plan-plan : ER = 30 kV/cm

Pointe-plan : ER = 26 kV/cm

46


47


3.5.3 Influence de la nature du gaz. Electronégativité.

Dans les gaz électronégatifs tel que le SF6, il faut tenir compte du fait que lesmolécules peuvent soit s’attacher un électron, soit le capter puis se dissocier :

SF6 + e → SF6- et SF6 + e → SF5

- + F-

Si l’on tient compte du coefficient d’attachement, on aura :

0

exp

1 exp ¨ 1

d

J J

d

La condition de claquage de Townsend, lorsque d est suffisamment grand,deviendra :

1

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Si γ << 1 → α = η. Cette condition dépend du champ réduit E/p seulement et

établit une limite pour ce dernier appelée champ réduit limite (E/p)lim au-dessousduquel le claquage n’est pas possible.

Pour le SF6, (E/p)lim = 89 kV/cm.atm à 20°C.

D’une manière générale, les caractéristiques des courants et de tension declaquage des gaz électronégatifs sont semblables à celles des autres gaz, mais lesdécharges se produisent pour des champs électriques plus élevés à des pressionsidentiques.

3.5.3 Influence de la nature du gaz. Electronégativité. (suite)

88,527,7

mkE

p d p

66,588,5 ; 18 ; 1m

Ek p bar

p d

Le coefficient km dépend du mécanisme declaquage ; km = 8 à 10 en régime de Townsend etkm = 18 à 20 en régime de streamer.

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50


51


3.5.4 Influence de la nature des électrodes.

Le métal joue un rôle par le biais du coefficient γ.

Cette influence devient sensible à des pressions, d’environ 10 atmosphères et croitavec la pression.

Au dessus de 10 atmosphères, les gradients contribuent au courant inter-électrodeen favorisant l’émission électronique de la cathode, et en augmentant l’émissionphotoélectrique et l’émission électronique secondaire produite par lebombardement des ions positifs.

Une cathode dont le métal exige une forte énergie d’extraction et dont l’émissionélectronique secondaire est faible aura donc des qualités supérieurs dans le cas degradients élevés.

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3.5.4 Influence de la nature des électrodes (suite).

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3.6 Influence de la forme de la tension appliquée et sa polarité. Temps deretard statistique.

En champ uniforme, la tension disruptive d’un gaz est pratiquement indépendante dela forme de la tension appliquée.Le cas d’une tension continue et de la polarité des électrodes ont été étudiés dans laprésentation de la théorie des streamers.

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3.6 Influence de la forme de la tension appliquée et sa polarité. Temps deretard statistique.

Sous tension alternative, les mécanismes conduisant au claquage sont pluscomplexes qu’en décharge continue par suite de l’influence pendant chaquealternance des charges d’espace créées pendant l’alternance précédente.

La tension disruptive (claquage) dans ce cas suivra les mêmes lois que ladécharge (en polarité positive ou négative) possédant la plus faible tension declaquage.

On sait qu’en général, aux pressions intermédiaires, la décharge possédant latension disruptive la plus basse est la décharge en polarité positive ; dans ce cas,le claquage sous tension alternative se fait donc pendant l’alternance positive.

3.6.1 Tension alternative

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3.6.2 Tension impulsionnelle de choc. Temps de retard au claquage.

Par tension de choc, nous désignerons des tension sous forme d’impulsion avec destemps de montée et de descente court. Ce type de tension représente les contraintesrencontrés dans les réseaux électriques ; choc de foudre et choc de manœuvre.

Ces régimes de choc se présentent sous la forme d’une surtension appliquée àl’intervalle de gaz à étudier.

Si une tension supérieure ou égale à la tension de claquage est brutalementappliquée aux bornes de deux électrodes à l’instant t = 0, la décharge ne sedéclenche pas de manière systématique.

Deux conditions doivent être satisfaites pour que la décharge puisse se développer :• il faut que la tension appliquée soit suffisante en amplitude et en durée ;• il faut qu’un électron au moins existe à l’intérieur de l’espace inter-électrodes, àune position telle qu’il puisse engendrer un claquage.

Si ces deux conditions sont remplies, la décharge apparaît, mais au bout d’uncertain temps appelé temps de retard au claquage.

3.6 Influence de la forme de la tension appliquée et sa polarité. Temps deretard statistique (suite).

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Le temps de retard se décompose en trois parties :

• le temps t0 nécessaire pour que l’impulsion atteigne la valeur seuil de claquageVcla ;• le temps de retard statistique ts, qui est le temps écoulé avant l’apparition del’électron germe qui donnera naissance à l’avalanche débutant le processus dedisruption ;• le temps de retard formatif tf , qui est le temps écoulé entre l’apparition del’électron germe et le claquage.

3.6.2 Tension impulsionnelle de choc. Temps de retard au claquage (suite).

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3.6.2 Tension impulsionnelle de choc. Temps de retard au claquage (suite).

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3.7 Les différents isolants gazeux.

Pour qu’un gaz puisse être choisi comme isolant, il qu’il présente :

• une bonne rigidité diélectrique ;

• de bonnes propriétés physico-chimiques : inerte au contact des matériaux, bontransfert thermique, non corrosif, non inflammable et non toxique ;

• une stabilité du gaz au vieillissement ; la rigidité diélectrique du gaz ne doit pasdiminuer avec le temps;

• et son coût doivent être également pris en considération. Il est, de plus, évidentque le choix du gaz dépend étroitement de l’application spécifique à laquelle il estdestiné.

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3.7 Les différents isolants gazeux (suite).

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3.7 Classification des décharges dans les gaz (Glow, Couronne, Spark, Arc).

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3.7 Classification des décharges dans les gaz (suite).

3.7.1 Décharge luminescente – Glow discharge.

Après l’amorçage, pour la valeur VD du potentiel, la décharge se fixe en un point defonctionnement stable, caractérisé par un potentiel inférieur à VD (quelques 100 V),et un courant I, variable sur toute la plage d’un palier correspondant à la région V =(de 10-4 A à 10-1 A environ). C’est la décharge luminescente normale, quiconstitue un régime familier puisqu’il est utilisé notamment dans les tubesd’éclairage. Les deux régions de transition IV et VI, qui l’entourent sur lacaractéristique, sont respectivement appelées décharges luminescentessubnormale et anormale.

Le régime des décharges glow se distinguepar un certain nombre de propriétésnouvelles :• existence d’une charge d’espace et non-uniformité du champ électrique axial;• luminosité visible à l’oeil nu;• non-homogénéité de la décharge, mise enévidence par la répartition de cetteluminosité en zones séparées.

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3.7.1 Décharge luminescente – Glow discharge (suite).

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a. Espace cathodique

La chute de potentiel se répartit principalement dans l’espace cathodique(région I), d’épaisseur dC. Celui-ci apparaît donc comme un domaine essentielde la décharge.

Le fonctionnement de l’espace cathodique est presque semblable à celui d’unedécharge de Townsend dont l’anode coïnciderait avec la lueur négative. Tout sepasse donc comme si la décharge s’ajustait de façon à satisfaire les conditionsoptimales d’ionisation dans l’espace cathodique. Cela explique en particulier quela tension de fonctionnement soit plus faible que la tension d’amorçage.

La chute de tension cathodique ne dépend que de la nature du gaz et de cellede la cathode et elle est proportionnelle au travail d'extraction des électrons dela cathode.

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La lueur négative (région II) est caractérisée par une très faible valeur du champélectrique. De ce fait, les électrons, freinés par les collisions, voient leur énergiedécroître en passant par une valeur pour laquelle la probabilité d’excitation estmaximale et qui correspond à la région la plus lumineuse.


b. Lueur négative

c. Espace sombre cathodique de Faraday

L’existence de l'espace sombre cathodique de Faraday s'explique par le fait que lesélectrons commencent à entrer en collision avec les atomes gazeux non pas tout desuite mais seulement à une certaine distance de la cathode.

La largeur de l'espace sombre cathodique est approximativement égale à la longueurde libre parcours moyen des électrons ; elle augmente lorsque la pression du gazdiminue. Cela signifie que dans l'espace sombre cathodique les électrons sedéplacent pratiquement sans subir de collisions.

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d. Colonne positive

La colonne positive (région IV) est une région assez fortement lumineuse,quoique moins brillante que la lueur négative et de couleur différente. Elle secaractérise par un champ électrique faible (>>1 V/cm).Les concentrations en ions positifs et en électrons sont sensiblement identiques desorte qu'aucune charge d'espace n'y apparaît. Grâce à une haute concentrationélectronique, la colonne positive présente une bonne conductibilité électrique et lachute de tension qui s'y produit est très faible.Puisqu'en plus des électrons, la colonne positive contient encore des ions positifs,elle est le siège de leur intense recombinaison, ce qui explique sa luminescence(lumière de recombinaison).

L’anode, qui attire les électrons et repousse les ions de la décharge, agit à lamanière d’une sonde électrostatique. Il se forme, en son voisinage, une gaine decharge d’espace négative correspondant à une chute de potentiel importante, ditechute anodique, dans laquelle les densités des électrons et des ions s’ajustent àdes valeurs permettant d’assurer le transport du courant de la décharge. La zoneanodique (région V) comporte donc, en général, un espace sombre et une lueuranodique.

e. Zone anodique

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3.7.2 La décharge couronne.

L’effet couronne désigne l’ensemble desphénomènes liés à l’apparition d’une conductivité(due au phénomène d’ionisation) d’un gaz dansl’environnement d’un conducteur porté à unehaute tension.

La décharge couronne (corona discharge) semanifeste sous aux hautes pressions dans unchamp électrique qui est fortement non uniforme(au niveau d’une pointe par exemple).

Elle constitue un régime disruptif partiel d’un gazqui précède (ou pas) le claquage.

Ce type de décharge est accompagné d’unelumière (bleuâtre visible), d’un bruit acoustique(bruit d’abeilles), d’interférences radioélectriques,d’une pertes d’énergie, de vibrations mécaniques,et de réactions chimiques par exp. Productiond’ozone dans l’air).

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3.7.2 La décharge couronne (suite).

Décharge couronne

Mécanismes Physique

Théorie des streamers

Streamer positif Streamer négatif

Tension continue

Tension alternatif BF

Tension HF

Tension de choc

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a. Zone de conductivité d’Hermstein :C’est un mode d’émission en polarité positive qui a la propriété d’être continu. Saparticipation est importante dans la formation des pertes couronne maisnégligeable dans la formation des perturbations radioélectriques. Le mécanismequi gouverne ce type d’émission est celui de Townsend.

b. Grandes aigrettes (streamers) positives :Le mode d’émission impulsionnel apparaît au-delà de la zone continued’Hermstein, pour des champs positifs un peu supérieurs. Le courant d’émissionprend la forme d’une série irrégulière d’impulsions de grande amplitude.Visuellement, elles se présentent comme des aigrettes très lumineuses, dont labase est attachée à une aspérité de l’électrode HT, et qui se propagent de façonarborescente à des distances de plusieurs centimètres. Leur mécanisme deformation est du type streamer. Ces de décharges sont responsables desperturbations radioélectriques et du bruit acoustique.

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c. Petites aigrettes négatives (impulsions de Trichel) :En général, le champ critique est légèrement plus faible en polarité négative qu’enpolarité positive. Lorsque ce champ critique négatif est atteint, on observel’apparition de trains d’impulsions, avec des fréquences de relaxation pouvantaller de 1 kHz à 100 kHz.

Les impulsions sont d’autant plus petites et plus serrées que la pointe est fine ;leur amplitude est relativement faible (de l’ordre du milliampère) mais elles sontcaractérisées par des fronts de montée très raides, de l’ordre de la dizaine denanosecondes. A ces impulsions, dites impulsions de Trichel, correspondvisuellement un cône lumineux dont le sommet plus brillant est posé sur la pointe.Le mécanisme de ces impulsions est du type avalanches négatives.

73


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d. Effet couronne en tension alternative :

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e. Seuil critique – loi de Peek :

Le seuil d’apparition de l’effet couronne est calculé par la formule empirique dePeek pour une configuration fil-cylindre :

0

0,3011sE E m

a

où a est le rayon du fil, E0 est une constante et m représente l’état de surface del’électrode.

293

760 273

p

f. Pertes couronnes :

Le rapport kp/kh peut être remplacé par la densité de l’air

Ueffsimple la tension efficace simple du réseau triphasé symétrique ( Kv )Uceffsimple la tension efficace d’apparition de l’effet de couronne ( Kv )Cette expression est valable à condition que ( Ueffsimple - Uceff simple ) 0.

g. La décharge en étincelle ou filamentaire – spark discharge :

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3.7.3 La décharge arc.

L’arc électrique représente l’état final du claquage diélectrique.

Il apparaît quelque soit la pression (BP ou HP)

L’amorçage d’un arc peut être réalisé par trois méthodes dont les principes sont trèsdifférents :

1. Transition continue.2. Amorçage par contact.3. Amorçage par surtension.

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3.7.3 La décharge arc (suite).

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a. Phénomènes cathodiques :

3.7.3 La décharge arc (suite).

Le courant électronique est émis, en totalité, à la cathode, à partir d’une surface detrès petite dimension appelée spot cathodique ou tache cathodique. Ce spotreprésente la surface à l’intérieur de laquelle se trouvent les sites émissifs quiinjectent les électrons dans la décharge.

On distingue généralement deux types d’émission :• l’émission par effet thermique ou thermoélectronique Et;• l’émission par effet de champ Ec;• ou la combinaison des deux.

Les processus d’émission dépendent de l’état de surface de la cathode ou desimpuretés qui la recouvrent.

La nature de l’émission thermoélectronique est étroitement liée au comportementde la tache cathodique. D’une manière générale, on peut admettre que, sil’émission est de nature Et, la tache tend à rester fixe ; si, au contraire, l’émissionest de type Ec, cette tache possède une grande mobilité.

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a. Phénomènes cathodiques (suite) :

Bilan d’énergie à la cathode

b. Phénomènes anodiques

Lorsque la pression de fonctionnement est suffisante pour que la décharge seprésente sous forme d’une colonne à forte densité d’électrons, il se forme unetache anodique.

Le courant anodique est dû à plus de 98 % aux électrons collectés. Pour les arcs àhaute pression (p >105 Pa), la densité de courant est très irrégulièrement distribuéeà la surface de l’anode.

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Bilan d’énergie à l’anode

b. Phénomènes anodiques (suite) :

c. Érosion des électrodes :

La densité d’énergie dans les zones de connexion entre la colonne et les électrodesprend donc des valeurs suffisantes pour provoquer une dégradation des surfaces.Ces phénomènes d’érosion et d’usure sont la principale cause de la limitation de ladurée de vie de l’appareillage.L’érosion dépend d’un nombre élevé de paramètres : nature du matériau d’électrode,état de la surface, mobilité du pied d’arc, intensité du courant, pression defonctionnement, refroidissement des électrodes, nature du gaz ambiant.

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c. Érosion des électrodes (suite) :

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d. Colonne d’arc :

La colonne positive est un plasma macroscopiquement neutre, c’est-à-dire danslequel les charges positives équilibrent exactement les charges négatives. Ceplasma se compose d’atomes neutres et éventuellement de molécules, d’ionspositifs, d’électrons et d’ions négatifs si le gaz plasmagène est électronégatif. Auvoisinage des électrodes, les vapeurs métalliques s’ajoutent au gaz plasmagène.

En raison de leur grande mobilité, les électrons puisent leur énergie dans le champélectrique et la communiquent aux particules lourdes par collisions.Les électrons cèdent cette puissance volumique (en W · m–3) de plusieursmanières :• par collision élastique avec les particules lourdes :

• par conduction thermique (loi de Fourier) :

• par diffusion ambipolaire :

• par rayonnement due aux collisions inélastiques :

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d. Colonne d’arc (suite) :

Transferts thermiques. Profils de températureDans une décharge d’arc soumise à des gradients de température et deconcentration, on rencontre principalement :• un flux de particules dû aux gradients de concentration (diffusion des particules) ;• un flux d’énergie dû au gradient de température (conduction thermique) ;

Le transfert thermique s’effectue suivant la loi de Fourier :

λtr , conductivité thermique de translation, correspond à celle d’un mélange de particules neréagissant pas entre elles ; les collisions élastiques assurent le transfert de l’énergie cinétique ;λint , conductivité interne lorsqu’on tient compte des degrés internes de liberté des particules,traduit les échanges d’énergie entre ces degrés de liberté qui peuvent être la vibration et larotation des molécules ;λreac , conductivité thermique réactionnelle, joue un très grand rôle dans le transfert d’énergiepour les décharges amorcées dans des gaz moléculaires ou réagissant entre eux, par exemple,lors de la dissociation d’une molécule.

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Transferts radiatifsLe rayonnement d’un plasma est dû à l’émission de raies et de bandes et deplusieurs types de fonds continus (rayonnement de freinage, attachement etrecombinaison). La puissance émise par ce rayonnement peut constituer une parttrès importante (> à 50 %) de la puissance électrique injectée, mais il estextrêmement difficile de calculer (ou de mesurer) sa valeur avec une bonneprécision.


e. Caractérisation électrique :

Point de fonctionnement stable

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e. Caractérisation électrique (suite) :

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3.8 Les grands intervalles d’air – Leader

On considère un intervalle d’air comme étant grand à partir de 1 mètre.

Le claquage de ce type d’intervalle obéit à d’autres mécanismes physiques.

L’étude et la compréhension du claquage des grands intervalles d’air sontindispensables pour le dimensionnement des lignes aériennes HT et THT.

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3.8 Les grands intervalles d’air – Leader (suite)

a. Leader positif :

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3.8 Les grands intervalles d’air – Leader (suite)

a. Leader positif (suite)

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a. Leader positif (suite)

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a. Leader négatif :

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a. Leader négatif (suite):

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3.9 La foudre

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3.9 La foudre (suite)

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3.9 La foudre (suite)

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3.10 Le claquage dans le vide

La partie II de la courbe correspond àl’ionisation du gaz de l’enceinte. Vd obéit à laloi de Paschen. Aux deux extrémités I et III,la courbe s’écarte de cette loi. En effet, lestensions y sont suffisamment élevées pourque le champ électrique à la surface desélectrodes y arrache des électrons.

La partie III correspond aux pressionsélevées, supérieures à la pressionatmosphérique.

La partie I correspond au vide. La rupture del’isolation ne peut plus provenir de l’ionisationdu gaz résiduel, mais de charges issues desélectrodes.

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3.10 Le claquage dans le vide (suite)

Trois processus initiateurs de la décharge dans le vide sont clairementidentifiés :— une émission électronique dépendant fortement du champ électrique ;— un échange d’ions aux électrodes, conduisant à des décharges auto-limitativesou micro-décharges de durée variable (quelques microsecondes à quelquesmillisecondes) ;— un arrachage, par le champ électrique, de débris particulaires à la surface desélectrodes, les microparticules.

L’émission électronique précède fréquemment tous les autres et peut conduiredirectement à la disruption par échauffement local soit du site émissif, soit du pointd’impact des électrons à l’anode.

L’échange d’ions aux électrodes concerne essentiellement des enceintes où lapression est supérieure à 10-4Pa et des électrodes de grandes dimensions(quelques cm2) contaminées (gaz divers, huiles de pompage, etc.). Les micro-décharges peuvent parfois conduire directement à la disruption.

Les microparticules arrachées, puis accélérées par le champ électrique, peuventcauser d’importants dégâts à leur impact sur l’électrode opposée, pouvant allerjusqu’au claquage, dont elles sont une des principales causes aux grandesdistances inter-électrodes (d > 1 cm).

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Après l’initiation, on peut distinguer cinq phases dans l’évolution de la déchargedans le vide :

— le régime pré-disruptif, caractérisé par une tension inter-électrodes élevée etune faible conductivité du vide pratiquement indépendante des caractéristiques ducircuit extérieur ;

— l’amorçage de la disruption par production d’une petite quantité de plasma auvoisinage de l’une des électrodes ;

— la commutation ou le passage de l’état d’isolation à l’état conducteur (arc) ;

— l’arc, milieu conducteur formé de vapeurs métalliques, dans lequel le courantn’est limité que par les caractéristiques du circuit extérieur ;

— le recouvrement éventuel des qualités d’isolation après une disruption.

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Education

Cours haute tension claquage des gaz + vide