Courts-circuits statoriques

Les courts-circuits au niveau des enroulements statoriques font partie des défauts électriques les plus fréquemment rencontrés dans les machines. Ces défaillances sont provoquées par une dégradation des matériaux isolants recouvrant les conducteurs et ont pour principales origines [Bon92], [Dev02] :

o Contraintes électriques

Un niveau de tension et/ou des transitoires de tension (dV/dt) trop élevés sont responsables de la dégradation des propriétés diélectriques de l’isolant. Ces contraintes peuvent provoquer des décharges partielles dans le matériau qui ont pour conséquence une érosion de l’isolant conduisant, à terme, à un court-circuit entre les enroulements. L’augmentation de la tension des réseaux électriques (pour palier à une augmentation de la puissance électrique notamment dans le secteur aéronautique), ainsi que l’utilisation croissante de convertisseurs statiques, rendent ces contraintes de plus en plus sévères pour les matériaux isolants.

o Contraintes mécaniques

Un défaut d’excentricité important peut provoquer des contacts rotor-stator et entraîner l’abrasion du matériau isolant et des conducteurs. De plus, les fortes contraintes mécaniques survenant au démarrage des machines sont également susceptibles de détériorer les isolants.

o Contraintes thermiques

Les matériaux isolants sont dimensionnés pour résister à une certaine plage de température de fonctionnement. Cependant, des hausses de température peuvent survenir pour diverses raisons (défaut du circuit de refroidissement, surcharge, transitoire de démarrage, température ambiante …) ce qui, selon le temps d’exposition, peut dégrader fortement la durée de vie des isolants.

o Contraintes environnementales

Les environnements humides ou les réactions chimiques à base d’oxyde d’azote présent dans l’atmosphère, peuvent accélérer la dégradation des matériaux isolants.

Par rapport à la topologie des stators, les défauts pouvant survenir au sein du bobinage statorique sont (Figure 1-14):

o Défaut D1 : court-circuit inter-spires o Défaut D2 : court-circuit inter-phases o Défaut D3 : court-circuit phase-neutre o Défaut D4 : court-circuit phase-masse o Défaut D5 : court-circuit biphasé

Figure 1-14 : Différents types de courts-circuits au sein du bobinage statorique

PMG iGb iGc iGa D1 D2 D5 D3 D4 A B C N

Dans l’aéronautique, tous les défauts mentionnés ci-avant, hormis le court-circuit inter-spires, peuvent être détectés par la protection différentielle DP (Differential Protection). En effet, pour les défauts D2 jusqu’à D5, une différence de courant sera décelée entre les capteurs du générateur situés au niveau du point de neutre, et les capteurs de ligne situés au niveau du POR (Figure 1-15). Dans le cas d’un défaut inter-spires (défaut D1), le courant de court- circuit se reboucle dans les spires concernées, rendant impossible la détection de ce défaut avec la protection différentielle (Figure 1-16). De plus, un défaut d’un faible nombre de spires ne déséquilibre pas suffisamment les tensions et les courants au niveau du générateur pour permettre sa détection avec les autres protections mises en place (under voltage, delta current par exemple).

Figure 1-15 : Détection des défauts D2 à D5 grâce à la DP

Figure 1-16 : Impossibilité de détecter des courts-circuits inter-spires (défaut D1) avec la DP

Les courts-circuits inter-spires sont donc critiques par rapport aux autres types de défaut car ils sont difficilement détectables avec les protections couramment utilisées au sein d’un réseau électrique aéronautique. De plus, tous les courts-circuits (sauf les défauts liés à des

(a) Défaut inter-phases (D2)

EPDC N iLa CVFR PMG ... iGb iGc iGa D1 D2 D5 D3 D4 Feeder iLb iLc GLC Icc Icc EPDC N iLa CVFR PMG ... iGb iGa D1 D2 D5 D3 D4 Feeder iLb iLc GLC iGc (b) Défaut phase-neutre (D3) EPDC N iLa CVFR PMG ... iGb iGc iGa D1 D2 _D5 D3 D4 Feeder iLb iLc GLC Icc (d) Défaut biphasé (D5) Icc EPDC N iLa CVFR PMG ... iGb iGc iGa D1 D2 D5 D3 D4 Feeder iLb iLc GLC (c) Défaut phase-masse (D4) Icc EPDC N iLa CVFR PMG ... iGb iGc iGa D1 D2 D5 D3 D4 Feeder iLb iLc GLC

problèmes de connectique externe au niveau de la boîte à bornes par exemple) commencent généralement par un court-circuit inter-spires (ou inter-phases) qui apparaît fréquemment au niveau des têtes de bobine, ces dernières étant les plus exposées aux efforts électromagnétiques et aux croisements du bobinage. La modélisation des mécanismes qui conduisent aux premières apparitions de ce type de défaut est encore assez difficile. Les phénomènes de décharges partielles sont clairement identifiés comme les principaux phénomènes précurseurs. Ils entraînent une dégradation accélérée de l'isolation, qu'elle soit liquide par oxydation ou solide par érosion. De plus, ce type de défaut conduit à une élévation localisée de la température qui risque de se propager à d’autres spires. Une décharge partielle entraîne donc un vieillissement local qui a de grandes chances d’évoluer en fonction du temps.

Enfin, un court-circuit inter-spires se caractérise par la résistance électrique Rcc entre les

parties en contact, dont la valeur est modifiée au fur et à mesure de l’évolution du défaut. Sa caractérisation et sa modélisation sont elles aussi difficiles, particulièrement au cœur des bobinages d’une machine électrique. Il est cependant facile de montrer qu’un court-circuit inter-spires peut devenir très critique quand il évolue vers un court-circuit franc (résistance de contact Rcc → 0), notamment pour un faible nombre de spires en défaut. En effet, une

machine électrique étant principalement inductive, l’équation (1-8) montre que lors d’un court-circuit franc, le courant sera inversement proportionnel au nombre de spires en court- circuit et atteindra des valeurs très élevées par rapport au courant nominal.

|Icc |= ncc.VS

�ncc.RS + Rcc + j.ncc2.Lp.ω� Rcc → 0

�⎯⎯⎯�_n VS

cc.Lp.ω (1-8)

avec : - Icc : courant dans la boucle de court-circuit

- ncc : pourcentage de spires en court-circuit d’une phase statorique

- VS : tension statorique

- RS et Lp : respectivement résistance et inductance propre d’une phase statorique

- ω : pulsation électrique

Dans les MSAP, ce phénomène est accentué par l’utilisation d’un entrefer important, ce qui amène une diminution de l’inductance statorique. De plus, des études de dimensionnement des PMG ont montré qu’il était préférable de diminuer l'impédance interne de la machine électrique [Ren08] afin de limiter les chutes de tension pour garder un réseau avec un rapport V/f constant. En contrepartie, cela aura tendance à rendre la machine plus vulnérable aux courts-circuits et plus particulièrement aux court-circuit inter-spires. Dans les MSAP, ce type de défaut devient donc très critique puisqu'il peut amener à la destruction du générateur, avec un risque important d'incendie, en raison de la valeur très élevée que peut atteindre le courant de défaut. De plus, rappelons que tant que le PMG est en rotation, un court-circuit inter-spires non détecté est entretenu, ce qui accroît sa criticité en termes de sûreté de fonctionnement. L’objectif est donc de détecter un défaut naissant, caractérisé par une résistance de contact Rcc

non nulle. Le courant de court-circuit sera alors limité et proportionnel au nombre de spires en défaut (1-9). Icc = ncc.VS �ncc.RS + Rcc + j.ncc2.Lp.ω� Rcc≫ncc2.Lp.ω �⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯� ncc_R.VS cc (1-9)

D’un point de vue macroscopique à l’échelle de la machine, la prise en compte de ces phénomènes nécessite l’utilisation de modèles adaptés, point sur lequel nous reviendrons dans le chapitre suivant.