Représentation des grandeurs caractéristiques de DP sous tension alternativealternative

La Figure 1.11 représente l’évolution du champ électrique Eapp(proportionnel à la tension appliquée) et celle du champ électrique total au niveau de la cavité Etot au cours du temps lors du phénomène de DP dans le cas d’un matériau « sain », c’est à dire n’ayant pas subi une forte activité de DP antérieures. On rappelle que Etot= Eapp+ Eind.

Bien que les mécanismes physiques mis en jeu dans les processus de vieillissement et de dégradation ne soient pas identiques, les termes de « dégradation » et de « vieillissement » seront employés dans la suite de cette thèse pour désigner un matériau ayant subi une forte activité de DP antérieures ou de fortes contraintes électriques.

Ch amp él ectrique au x bo rnes de la cav ité Temps Ecrit Eres Etot = Eapp+Eind Eapp ΔEtot Δtlag tlag t0

Figure 1.11 – Evolution des champs électriques Eappet Etot lors du phénomène de DP sous tension alternative pour un matériau « sain ».

1 La mesure de décharges partielles comme technique de diagnostic des systèmes d’isolation électrique

Ecrit est le champ disruptif ou champ critique et Eres le champ résiduel à la suite d’une décharge. ∆tlag est la variable stochastique dépendant de la disponibilité d’électrons germes. Lors de la période représentée sur la Figure 1.11, trois décharges partielles surviennent (une dans l’alternance positive et deux dans l’alternance négative de la tension appliquée). A chacune de ces décharges est associée une chute du champ électrique Etot (courbe rouge) suite au phénomène de relaxation qui s’opère en très peu de temps. Le champ au niveau de la cavité chute alors d’une quantité ∆Etot = Etot(t_lag) − Eres jusqu’à la valeur de champ résiduel Eres. On notera τup, le temps caractéristique de la chute de champ électrique aux bornes de la cavité. L’évolution de cette grandeur avec l’âge du matériau sera explicitée par la suite. Suite à la décharge partielle, les charges vont se recombiner entres elles ou diffuser dans l’isolant et la valeur de Eind, champ induit par la répartition des charges de part et d’autre de la cavité, va décroître. On notera τdown, le temps caractéristique de cette annihilation de charges. Ce temps évolue avec l’état de dégradation du matériau [27].

Selon la taille de la cavité et le rapport hauteur sur rayon de surface pour une cavité cy-lindrique, deux méthodes de recombinaison existent [27]. Si ce rapport est grand, les charges migreront préférentiellement à travers le gaz. Si ce rapport est en revanche très petit, les charges se recombineront le long de la surface de la cavité. Dans ce cas, le temps caracté-ristique de recombinaison dépend alors principalement de la conductivité de la surface, qui augmente avec l’âge du matériau. Pour un matériau « sain » (n’ayant subit que peu de dé-charges partielles antérieures), ce temps est de l’ordre de la seconde. Pour des matériaux plus « âgés », ce processus s’opère en quelques millisecondes [27].

— Dans le cas d’une recombinaison de charges en volume à travers le gaz, [27] donne une valeur du temps caractéristique de recombinaison de 0.7 ns pour un matériau de polyéthylène « sain ». Ce temps dépend de la taille de la cavité, de la mobilité des ions et de la pression du gaz.

— Dans le cas d’une recombinaison de charges le long de la surface de la cavité, τdown

est proportionnel à la quantité ε0r

2Ks avec Ks la conductivité surfacique du matériau, qui dépend de sa nature et de son état de vieillissement et r le rayon de la cavité. Cette valeur a tendance à augmenter avec le vieillissement du matériau car un nombre plus important de charges se trouvent sur la surface de la cavité, laissées par les DP antérieures. Il en résulte une diminution de la résistivité de surface de la cavité. Cette couche agit comme une cathode depuis laquelle les électrons secondaires sont libérés pour entretenir la décharge. Ainsi, dans le cas d’une cavité « âgée », la conductivité de surface augmente et les charges se recombinent plus rapidement le long de sa surface. Le temps de recombinaison des charges caractéristique d’une cavité âgée s’en trouve réduit. D’après [27], Ksvarie de 10−14à 10−16S pour des polymères n’ayant pas souffert d’une importante activité de DP antérieures et Ksvarie de 10−12à 10−11S pour des polymères caractérisés par un degré de vieillissement plus important. L’ordre de grandeur des temps caractéristiques de recombinaison de charges le long de la surface d’une cavité sphérique de rayon r=0.08 mm, présente au sein d’un échantillon de polyéthylène serait ainsi de 1 à 100 s pour un isolant « vierge », de 0.1 s lorsque ce dernier est « modérément âgé » et de 1 ms pour un échantillon « âgé », selon [27].

Après la première DP présentée sur la Figure 1.11, la courbe rouge n’est pas revenue à sa valeur initiale, soit celle avant l’apparition de la DP (courbe bleue). Les charges n’ont pas eu le temps de se recombiner le temps d’une alternance. Ainsi, il pourrait s’agir d’un processus de recombinaison de charges le long de la surface d’une cavité dont le rapport hauteur sur rayon de surface est faible. Un temps de recombinaison de charges lent est caractéristique d’un matériau pouvant être qualifié de relativement « jeune » en terme de vieillissement électrique.

De plus, un matériau « jeune » est caractérisé par un ∆tlag long car peu d’électrons germes ont été déposés par les décharges partielles antérieures. Lorsqu’aucun électron germe n’est disponible pour déclencher la DP alors que Etotest supérieur à Ecrit, ∆tlaget donc l’amplitude de la DP, proportionnelle à ∆Etot, augmentent.

Les mécanismes à l’origine de l’évolution de la grandeur du champ résiduel Eres avec le vieillissement sont plus complexes et seront explicités dans la deuxième section de cette thèse.

1.3 Caractérisation des décharges partielles

L’allure du champ électrique au sein d’une cavité présente dans un matériau « âgé », c’est à dire ayant subi une activité importante de DP antérieure, est représentée sur la Figure 1.12. La chute ∆Etot du champ total au niveau de la cavité a lieu lorsque Etot atteint la valeur disruptive Ecrit. En effet, ∆tlag tend vers 0, ce qui signifie que de nombreux électrons germes sont disponibles pour amorcer l’avalanche électronique en présence d’un champ élec-trique suffisamment élevé. Ainsi, la fréquence d’apparition des décharges partielles augmente par rapport à un matériau « sain » et l’amplitude des pulses est relativement plus faible. Cependant, au cours du vieillissement, la taille du défaut peut s’accroître, et la valeur de l’amplitude de la DP augmenter. Il n’est donc pas évident d’établir un lien clair entre le niveau d’amplitude d’une DP et le stade de vieillissement du matériau.

Temps Ch amp él ectrique au x bo rnes de la cav ité Ecrit Eres Etot = Eapp+Eind Eapp ΔEtot t0=tlag

Figure 1.12 – Evolution des champs électriques Eappet Etot lors du phénomène de DP sous tension alternative pour un matériau « âgé ».

Nous pouvons finalement établir le lien entre les quantités suivantes décrivant les DP sous tension alternative :

— L’amplitude des DP est reliée à la chute du champ électrique total : ∆Etot = Etot(tlag)− Eres qui dépend de la valeur de Eres et de ∆tlag (plus ∆tlag est faible et/ou Eres est grand, plus ∆Etot est faible) et dépend également des caractéristiques du défaut (taille et nature du défaut). En effet, l’amplitude d’une DP augmente avec la taille du défaut. ∆t_lag dépend de la disponibilité d’électrons germes pour initier la DP.

— Le taux d’occurrence des DP dépend de la disponibilité d’électrons germes et égale-ment du niveau de tension appliqué. En effet, plus la tension appliquée est élevée, plus le champ total au niveau de la cavité atteint Ecrit rapidement. Ainsi, le champ Etot

au niveau de la cavité reste supérieur au champ critique sur une plus longue période de temps au cours de laquelle plusieurs DP peuvent se produire. Lorsque des tensions alternatives sont appliquées, les DP ont le plus souvent lieu dans l’alternance de la tension et il se peut que celles-ci soit plus rapides que le temps nécessaire à la recom-binaison des charges suite à la DP. En effet, Eind s’oppose au champ électrique Eapp

lorsque la décharge survient. Par contre, si Eind subsiste suffisamment longtemps (si le temps de recombinaison de charge est lent), lorsque Eapp change de polarité, ces deux champs électriques s’additionnent. Une décharge partielle peut donc survenir avant que le champ électrique Eappne s’inverse lorsqu’une tension alternative est imposée au ma-tériau. On parle alors « d’effet mémoire » lorsque les décharges partielles anticipent le changement de polarité de la tension [31].

1 La mesure de décharges partielles comme technique de diagnostic des systèmes d’isolation électrique

1.3.5 Représentation des grandeurs caractéristiques de DP sous tension