c Techniques d’analyse des DP

La mesure des DP représente un outil de diagnostic de la qualité du système d’isolation électrique et par conséquent de l’état de l’ensemble d’un équipement électrique (transformateur, stators, câble, convertisseur,...) [Bre, Cav, Ema, Kau, Le1,Sc2]

La mesure et la caractérisation des DP peuvent permettre l’identification des défauts susceptibles d’apparaître dans un appareil (défaut d’isolation comme par exemple la présence des cavités dans une isolation solide, le renforcement de champ au niveau des pointes métalliques,...) La reconnaissance de ces défauts permet d’améliorer le dimensionnement du système et le renforcement du matériau isolant afin de garantir la fiabilité du système. Ces tests doivent être non destructifs.

c2- Procédures

L’exploitation des résultats de mesures des DP est délicate et nécessite le choix judicieux des techniques de reconnaissance. Elle se fait à l’aide de diagrammes de décharges tels que la distribution dans la phase du nombre de décharges, de la charge moyenne ou les distributions n(q). Elle peut également se baser sur la forme des impulsions du courant car il existe une relation directe entre les phénomènes physiques impliqués et la forme de l’impulsion [Kre].

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Mais cette méthode présente l’inconvénient que les signaux peuvent être modifiés selon la géométrie de l’équipement sous test.

La procédure de reconnaissance englobe les étapes suivantes : - La mesure du niveau de tension PDIV

- L’acquisition des diagrammes de décharges (signatures ds DP)

- La comparaison des signatures obtenues à ceux relatives à des défauts connus ( utilisation de la base de données)

- La classification.

Un exemple type de signature est la représentation de la signature de DP sur une base de temps alternatif qui permet d’identifier et/ou de localiser la décharge [Annexe 4].

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c3- Reconnaissance par observation directe

La méthode élaborée par le CIGRE [CIG] est fondée sur l’observation directe des impulsions liées aux décharges par un observateur expérimenté à l’aide d’un oscilloscope. L’observation doit se faire au moment de l’essai et non ultérieurement. L’environnement des essais devra être pris en compte pour distinguer des éventuelles impulsions dues aux parasites ou aux décharges issues du dispositif de test. En plus des diagrammes de l’acquisition, on peut examiner l’évolution des DP en fonction de la tension appliquée et de la durée d’application de cette tension.

L’article de la CIGRE dresse une liste de contrôle contenant 16 catégories. Cette liste se présente sous forme d’un tableau. Pour chaque cas, sont décrits : la variabilité des réponses, l’amplitude relative des DP sur les alternances positive et négative et enfin l’évolution de la charge en fonction de la tension d’essai et de la durée d’application de la tension.

Un cas peut correspondre à plusieurs types de défauts.

c4- Reconnaissance par utilisation de coefficients statistiques : skewness & kurtosis

Une des méthodes d’analyse des DP utilise des paramètres statistiques. Il s’agit du calcul des coefficients statistiques permettant de décrire la forme de la distribution des décharges. Elle a été introduite par Tanaka & Al en 1978 [Ta1]. Ces auteurs introduisent les moments d’ordre 3 et 4 (Skewness et Kurtosis) des distributions des décharges. Ils étudient la variation de ces

coefficients en fonction de la tension appliquée et de la configuration des électrodes pour divers types de cavités. Ils obtiennent une corrélation entre la nature du défaut et l’évolution de ces coefficients [Ta2]

- Moment d’ordre 3 ou Skewness (symétrie)

Ce coefficient caractérise le degré d’asymétrie d’une distribution par rapport à sa moyenne. Il est positif lorsque la queue de la distribution s’étend vers la droite et négatif lorsqu’elle s’étend vers la gauche. Le skewness d’une distribution gaussienne normale est nul [Pre].

II- Phénoménologie & Mesures des Décharges Partielles ___________________________________________________________________________ - Moment d’ordre 4 ou Kurtosis (aplatissement)

Ce paramètre caractérise l’aplatissement de la distribution par rapport à une distribution normale. Un Kurtosis négatif signifie que la distribution est plus "aplatie" qu’une gaussienne normale. Un Kurtosis positif signifie que la distribution est plus "pointue" qu’une gaussienne.

Figure 2.18. Exemple typique de profil de distribution des DP et les valeurs de Skewness et Kurtosis

- Applications aux analyses de la signature des DP

En 1985, Tatsuki et Tanaka [Tat] étudient les DP lors du développement d’arborescences dans des isolants solides. Ils examinent l’évolution de la charge maximale par polarité en fonction du temps, de la longueur de l’arborescence ainsi que le skewness de la distribution q(ф). Ils adoptent une méthode de suivi des skewness avec une représentation dans le plan où l’axe des abscisses représente les skewness des distributions positives et l’axe des ordonnées représente les Skewness des distributions négatives. Les auteurs concluent que, contrairement à la charge maximum, la représentation dans ce plan est un paramètre approprié pour le suivi du développement des décharges. Okamoto et Al arrivent aux mêmes conclusions en 1986 [Oka]

Gulski et Al proposent en 1992 une méthode automatique de reconnaissance des DP appliquée à des cavités cylindriques dans différents matériaux isolants [Gu1]. Leur étude est complétée en 1993 par une classification des DP générées dans des modèles de défauts standards élaborés en laboratoire ou sur des maquettes contenant des défauts connus ou encore sur des appareils électriques [Kre, We1]. Ils utilisent les distributions n(ф) et q(ф). Ces

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___________________________________________________________________________ 73 de similitude (contour score) entre l’empreinte à reconnaître et celles contenues dans la base

de donnée. Les résultats qu’ils obtiennent varient avec la morphologie de l’objet sous test. En effet, un défaut standard est bien reconnu (auto-reconnaissance) alors que dans les appareils électriques, leur méthode ne permet pas, à partir des acquisitions des DP, de remonter de manière fiable au défaut qui les provoque.

c5- Méthodes diverses

D’autres méthodes concourent à l’amélioration de l’analyse des acquisitions de DP pour la reconnaissance des types de défauts. Basées par exemple sur l’énergie des décharges

[Kra92]ou encore sur l’utilisation des réseaux neurones [Gu2]. Des travaux récents combinent la mesure de spectroscopie diélectrique et les DP pour localiser les zones de défauts susceptibles d'être le siège de DP dans les câbles [Sc2, Rah].

II-2.3 - Effets des paramètres de fonctionnement électriques sur les DP

Dans l’hypothèse que la tension aux bornes du système est suffisante pour amorcer les DP, l’occurrence des DP se manifeste différemment selon la nature de la tension appliquée. Dans une modélisation dite a, b, c ; un matériau isolant qui contient une occlusion gazeuse est

représenté par un schéma électrique (figure II.19). La partie saine du diélectrique en parallèle sur le défaut est modélisée par un réseau (Ra, Ca). La partie saine du diélectrique en série avec le défaut est modélisée par un réseau (Rb, Cb). Le défaut est modélisé par le réseau (Rc, Cc) dont les caractéristiques dépendent du gaz occlus dans le défaut et par un éclateur en parallèle. La tension se répartit alors suivant le rapport entre les permittivités, les résistivités et les dimensions géométriques respectives. Sous une tension alternative, ce modèle a un comportement capacitif alors que sous tension continu il est plutôt résistif.

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Figure II.19 Représentation schématique et représentation équivalente de type circuit de l’existence d’une décharge dans un isolant solide

Sous une tension alternative, la tension aux bornes de la cavité suit pratiquement la sinusoïde

[Ba2]. Le nombre de décharges par cycles de fonctionnement est élevé. Il est donné par la relation suivante :       − − = Vdev Vdiv Vdiv V f N 4 (2.21) Avec f la fréquence.

Pendant la phase d’inversion de la polarité, la tension aux bornes de la cavité s’inverse et passe par zéro (figure II.20).

Le temps entre deux décharges successives est défini tel que :

dt dV Vdev Vdiv t

α

− = ∆ (2.22) avec dt dV gradient de la tension et Ca Cb Cb + = α

Notons aussi que les fréquences prévues pour la nouvelle génération d’avions « plus électriques » (fréquence variable de 400-800Hz), bien que n’ayant a priori pas d’influence sur le seuil d’apparition des DPs, auront des conséquences sur le nombre de décharges par seconde et par suite sur la durée de vie du système dans le cas où les systèmes utilisés présentent des seuils inférieurs à la contrainte électrique.

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Figure II.20 Evolution de la tension aux bornes d’un défaut sous tension alternative

Quand une tension continu est appliquée, les décharges se produisent lors de son augmentation. Après que la tension soit devenue constante, les décharges se produisent rarement [Ba2]. La tension aux bornes de la cavité est définie par :

      + − − − = ) ( exp ) ( c b b c C C R t Vdev Vdiv V V (2.23)

Elle croit pour atteindre la tension appliquée Va (que l’on attendrait si aucune décharge n’intervenait) suivant une loi exponentielle dans laquelle la constante de temps Rb (Cb + Cc) est élevée car Rb est la résistance d’isolement de la partie saine de l’isolant.

En général, lors de l’application entre deux électrodes d’une tension suffisante pour amorcer la décharge électrique, celle-ci n’apparaît pas instantanément, mais avec un certain retard. Le temps qui s’écoule entre l’application de la tension V≥Vi et l’apparition de décharge se compose de deux parties [Ba2]:

- Le temps correspondant à la probabilité de l’apparition, durant l’application de la tension, d’un électron provoquant l’amorçage (temps de retard

statistique).

- Le temps correspondant au temps nécessaire pour que la décharge une fois commencée se développe dans tout l’espace entre les électrodes.

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Le temps de retard statistique est défini par :

1 ) ( − = qp s

τ

(2.24) Où q et p désignent respectivement le nombre d’électrons primaires formés en une seconde entre les électrodes, par l’émission de la cathode ou par l’agent ionisant extérieur et la probabilité pour qu’un électron primaire engendre une avalanche suffisamment importante pour satisfaire à la condition d’amorçage.

Le taux de répétition des décharges partielles sous une tension continu est de plusieurs ordres inférieurs à celui obtenu sous tension sinusoïdale. La durée de vie de l’isolant est dépendante de plusieurs critères et notamment du nombre de décharge et de leur énergie. Par conséquent, nous pouvons considérer qu’à tension crête identique, le régime de tension continu est moins contraignant que le régime de tension alternative.

Dans le document Contribution à l'étude de l'existence des décharges dans les systèmes de l'avionique (Page 77-84)