6- Effets de l’eau sur les propriétés électriques de la résine époxyde chargée silice . 46

chargée silice

III-6-1 Principaux phénomènes de claquage

La rupture de l’isolation, dénommée claquage, peut être due à différents mécanismes tels que le claquage électro-mécanique, le claquage thermique ou par décharges [GUI-04].

Le claquage électro-mécanique est causé par la pression électrostatique exercée par les électrodes sur l’isolant. Une pression trop importante entraîne une diminution de l’épaisseur de l’isolant et ainsi une augmentation du champ électrique. Cet effet est amplifié pour des

Chapitre I : Etude bibliographique

47 températures élevées ou lors d’un échauffement du matériau mais reste cependant très rare dans les systèmes électriques.

Le claquage thermique est du à une forte conductivité électrique du matériau. Cet effet est généralement observé pour de fortes températures. La densité de courant occasionne ainsi plus de pertes et crée ainsi un échauffement par effet joule. La conductivité augmente ainsi créant un emballement thermique. Ce phénomène peut être, par exemple, observé en présence de points chauds dans un système.

Le claquage par décharges est entraîné par la propagation d’une arborescence électrique. Les défauts dans l’isolant ou à l’interface isolant/électrode génèrent une cavité ou un renforcement du champ local. Des courants impulsionnels sont observés et correspondent aux décharges partielles dans les cavités. Cet effet dégrade le matériau et une structure filamentaire ramifiée constituée de micro-canaux se forme : l’arborescence électrique (Figure 9). La propagation des arborescences électriques ainsi que leur modélisation ont fait l’objet de nombreux travaux [DIS-02], [CHA-01].

Figure 9 : Exemple d'arborescence [GUI-07]

III-6-2 Origine des cavités

L’analyse de décharges partielles est une méthode non destructive qui peut donner des informations sur l’état de vieillissement du matériau.

Chapitre I : Etude bibliographique

Les décharges partielles sont dues à un claquage intervenant sur une épaisseur limitée de l’isolant. Dans le cas des solides, elles sont générées dans une cavité, qui peut être soit un défaut initial soit créé au cours de la vie du matériau. Le champ dans la vacuole est suffisant pour qu’un électron accéléré par le champ puisse provoquer l’ionisation de molécules du gaz et provoquer un phénomène d’avalanche électrique. L’érosion causée par l’impact des charges sur la paroi contribue à la croissance du défaut.

L’apparition des décharges correspond cependant déjà à un stade avancé de dégradation du matériau. Afin de déterminer les mécanismes de vieillissement ainsi que l’influence de paramètres tels que la température et l’humidité, il est nécessaire de comprendre la formation ainsi que la croissance de la cavité.

D’après la Figure 10 des réactions de dégradation à l’échelle moléculaires telles que des reconfigurations moléculaires ou des déplacements des atomes semblent à l’origine de la cavité. Antoon et al. [ANT-81a] montrent une dégradation hydrolytique de la résine à haute température. Cette dégradation peut engendrer des fissures [KAS-85] et est accélérée en présence de charge [MUR-70].

D’autres travaux [KUM-97] ont étudié la décohésion soit des interfaces charge/matrice dues à de fortes contraintes mécaniques, soit des interfaces électrodes/isolant causées par des dilatations différentielles. Ces interfaces peuvent ainsi être des zones privilégiées où les cavités sont générées.

III-6-3 Les décharges partielles dans les cavités

Les décharges partielles sont couramment générées dans une cavité gazeuse. La tension d’apparition des décharges partielles (TADP) dépend du champ électrique présent dans la cavité ainsi que de la rigidité diélectrique de la cavité.

La contrainte dans la cavité peut être dans certain cas calculée. Elle dépend de la forme de la cavité (plate ou sphérique) et de la constante diélectrique ε du matériau isolant. Elle est proportionnelle à la contrainte dans le diélectrique.

La rigidité diélectrique de la cavité dépend de ses dimensions, du type de gaz ainsi que de la pression de celui-ci dans la cavité. Les courbes de Paschen permettent dans certaines conditions d’estimer à partir de la TADP et de la pression dans la cavité, la taille de cette dernière.

Chapitre I : Etude bibliographique

49 Figure 10 : représentation de la vie d'un isolant électrique [LAU-03]

Chapitre I : Etude bibliographique

III-6-4 Evolution de la tenue électrique

Kärner et al [KAR-82], [KAR-91] démontrent l’influence des interfaces microscopiques sur la tension de claquage. Les effets aux interfaces peuvent être considérablement renforcées par l’attaque de l’eau.

D’après Kumazawa et al. [KUM-97], la tension de claquage en AC/DC diminue de façon significative entre 0.3 et 1% d’eau absorbée. En effet, la tension de claquage AC dépend de façon significative de la décohésion de l’interface matrice/renfort. La tension de claquage DC semble cependant être plus influencée par la résistivité volumique que par l’adhésion de l’interface. L’eau confinée dans les microcavités et qui entraîne la décohésion des interfaces, augmente les pertes locales ou microscopiques et accroît l’énergie thermique pour le claquage AC.

La forme de la charge étudiée influence la tension de claquage. En effet, la tension de claquage de la silice arrondie est supérieure à celle de la silice cubique [EZO-97].

CHAPITRE II :

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Chapitre II : Matériaux et dispositifs

53 La résine époxyde est un isolant utilisé depuis plusieurs dizaines d’années en électrotechnique. Elle est renforcée par des charges minérales telles que de la silice pour diminuer la dilatation thermique, améliorer la conductivité thermique, augmenter la tenue mécanique et diminuer le coût du matériau.

L’étude du vieillissement hygrothermique de ces résines nécessite une bonne connaissance des composés du matériau, de son mode de réticulation ainsi que de ses principales propriétés.

La préparation des échantillons est exposée dans une seconde partie. Pour comprendre les phénomènes aux interfaces époxyde/silice, des échantillons chargés et non chargés sont étudiés. Différentes géométries sont utilisées lors de cette étude pour observer les phénomènes. Leurs protocoles de moulage sont ainsi décrits. Le conditionnement en température et humidité est aussi exposé dans ce paragraphe.

Enfin, les différents moyens techniques ainsi que les principes de mesure sont détaillés dans une dernière partie.