Le dispositif expérimental utilisé est constitué d’une cellule d’essais comportant un système d’électrodes pointe-plan, un générateur de tension continu, un diviseur de tension, des systèmes de visualisation, de détection des phénomènes générés dans l’intervalle inter électrodes et de mesures de signaux électriques qui leurs sont associés.
4.2.1 Cellule d’essai
La cellule d’essai est construite dans un corps en Téflon avec une contenance d’environ 2 cm3. Elle est conçue de manière à tenir des pressions d’une trentaine de bars (3 MPa). La figure 4.1 donne une vue schématique de la cellule. Le système d’électrodes utilisé est le système pointe – plan. L’électrode pointe est en tungstène thorié à 2%. Le tungstène avec son point de fusion élevé (environ 3460 °C), nous permet d’effectuer un grand nombre d’essais en érodant le moins possible la pointe et d’avoir par conséquent un champ local à la pointe le plus constant possible. Les pointes usinées sont régulières et leur rayon de courbure est de 35
95 avec la succession des essais (usure de la pointe). Un contrôle régulier au microscope de type Nikon éclipse LV150 permet de vérifier le rayon de courbure de la pointe. Celle-ci est remplacée dès que son profil devient différent de celui de départ. L’électrode plane est en acier inoxydable, son diamètre est de 14 mm. Deux hublots en quartz de 5 mm d’épaisseur et de 15 mm de diamètre, disposés de chaque côté de la cellule, permettent de visualiser les phénomènes générés entre les deux électrodes. Deux orifices, situés en haut et en bas de la cellule, permettent le remplissage et la vidange de la cellule. L’intervalle inter électrodes est pris égal à 2 mm.
La cellule en pièces détachées, est soigneusement nettoyée et rincée sous une hotte à l’abri des poussières. Tous ces éléments sont ensuite étuvés à 80°C pendant plusieurs heures afin d’éliminer toute trace d’humidité.
Figure 4.1 : Vue schématique de la cellule d’essai.
4.2.2 Générateur de tension Résitance µA de protection Tiroir de commande Génératrice Haute tension 200kV Vers la cellule HT polarité positive Diviseur de tension
96 La source de tension est une génératrice à courant continu (SPELLMAN High Voltage DC Supply, Input : 220 VAC, Output : 0 – 200 kV/ 2 mA) délivrant une tension réglable de 0 à 200 kV. La mesure de la tension s’effectue au moyen d’un diviseur. Dans la plupart de nos essais, nous nous sommes servis du diviseur comme une résistance pure (non inductive), la tension est mesurée au travers de cette résistance (2 GΩ, 100 µA correspondent donc à 220 kV) en utilisant un microampèremètre (µA) connecté en série (Figure 4.2).
4.2.3 Mesure du courant
La mesure des courants s’effectue à travers la mesure de la tension aux bornes d’une résistance non inductive de 50 Ω connectée en série avec la cellule et placée du côté basse tension, grâce à un oscilloscope numérique à mémoire, de haute solution temporelle de type Agilent MSO 6104A (1GHz, 4G échantillons/s). Deux diodes Zener, montées tête bêche en parallèle avec la résistance, ainsi qu’un éclateur protègent l’entrée de l’oscilloscope contre les surtensions ou les surintensités (Figure 4.3).
. Umersuré Résistance de mesure Haute tension Cellule
Figure 4.3 : Schéma électrique destiné à la mesure du courant.
4.2.4 Détection des bulles
Le principe de la détection des bulles générées (région de faible densité par rapport à celle du diélectrique liquide environnant) dans le voisinage de la pointe (Figure 4.4) est basé sur la variation de l’indice de réfraction du milieu, accompagnant toute perturbation.
Un signal lumineux émis par un faisceau (environ 20 µm de diamètre) laser (He – Ne, 3mW Max output, 670 nm, Class 3A LASER Product) éclaire la pointe et son voisinage. Toute variation d’indice de réfraction du milieu se traduit par une atténuation du signal
97 lumineux que détecte une photodiode (Photodiode PIN BPX65 CENTRONIC) alimentée par une source indépendante (batterie de ± 12 V).
Haute tension
Bulle
Huile
Figure 4.4 : Schéma d’une bulle immergée dans l’huile en champ électrique divergent (géométrie pointe – plan).
HT Photodiode Oscilloscope Faisceau laser Laser Résistance de mesure Cellule d'eassai
Figure 4.5 : Schéma de principe du dispositif de détection des bulles.
L’ensemble du dispositif est installé sur un banc optique (Figure 4.5). La détection s’effectue selon le schéma de la figure 4.6. En l’absence de tout signal lumineux, la photodiode voit le noir total. Lorsqu’elle est illuminée, la photodiode capte le maximum du signal émis par le laser, tant qu’aucune perturbation n’est générée dans la zone éclairée. À chaque fois qu’une perturbation (bulle) est générée, le faisceau laser est atténué. Le signal de la photodiode ∆I est proportionnel à la section de la bulle : ∆I =αR2 (R : rayon de la bulle,
α : coefficient déterminé à partir de la visualisation) [27]. Le signal laser est simultanément mesuré avec celui du courant. La Figure 4.7 donne une vue générale du dispositif expérimental.
98 -V
+V
(a) Noir total
(b) Faisceau laser maximum (c) Pertubation détectée Signal de la Photodiode (V) temps (µs)
Figure 4.6 : Principe de détection de la génération de bulle.
Figure 4.7 : Vue générale du dispositif expérimental avec la cellule et le générateur en arrière plan.
4.2.5 Liquides utilisés
Les liquides testés sont des huiles minérales, synthétiques et végétales, fournis par un industriel, ceux-ci sont en cours de développement. Ils sont référenciés par des numéros de code :
99 - Huiles végétales (ou esters naturels) : VO1, VO2 et VO3.
- Esters synthétiques : SE1, SE2.
Tous les liquides considérés sont des huiles neuves ; elles sont traitées (passage sous vide avec filtration) et leurs teneurs en eau mesurées avant chaque essai par la méthode de Karl Fisher au moyen d’un Coulomètre type METLER TOLEDO KF DL32. Avant de tester, les teneurs en eau relative à 200C étaient de ~ 9% dans les huiles minérales et de ~ 5% dans huiles esters.