Dispositif d'étude des décharges électriques

HAL Id: jpa-00246084

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Submitted on 1 Jan 1989

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597

Dispositif d’étude des décharges électriques

C. Marteau, M. Haidara et A. Denat

Laboratoire d’Electrostatique ^{et de Matériaux} Diélectriques (*), Centre National de la Recherche Scientifique,

25 av. des Martyrs, ^BP 166X, 38042 Grenoble Cedex, ^France

(Reçu ^{le 10} septembre 1988, révisé le 17 janvier 1989, accepté ^{le 20} janvier 1989)

Résumé. ²⁰¹⁴ Nous présentons ^un dispositif pour l’étude du régime impulsionnel ^de décharge ^{dans les} liquides ^et

les gaz, à la fois pour la ^mesure de la charge Qi ^de chaque impulsion ^et pour la détermination de l’intervalle de temps 0394t écoulé entre deux impulsions successives. La valeur de la charge ^{est obtenue en mesurant} la variation 0394V de la tension aux bornes d’une capacité ^{C montée en série avec} la cellule d’étude. Les intervalles de temps 0394t sont mesurés par ^un ensemble comprenant ^une horloge ^{et des} compteurs. Les valeurs mesurées sont transférées et traitées dans un micro-ordinateur. On obtient les histogrammes ^de Qi ^et 0394t, ^{donc la} charge

moyenne des impulsions ^{et leur} fréquence moyenne ainsi que les écarts-types correspondants. ^{La saisie}

simultanée de 4 000 valeurs de Qi ^{et 0394t nous} permet de rechercher une corrélation entre les deux grandeurs.

Abstract. ²⁰¹⁴ We present ^a device for the pulse regime study in electrical discharge ⁱⁿ liquids and gases ; it allows us to measure the pulse charge Qi ^{and to} determine the elapsed time 0394t between two successive pulses.

We obtain the charge Qi by measuring ^the voltage variation 0394V across a known capacitor C in series with the test cell. The measured values are transfered and processed ^{in a} microcomputer. ^We thus obtain histograms ^of Qi ^{and 0394t,} and then the mean pulse charge ^{value, the mean} pulse frequency ^{and the} corresponding ^standard

deviations. Simultaneous seizure of 4 000 values of Qi and 0394t leads us to research a correlation between the two

quantities.

Revue Phys. Appl. ²⁴ (1989) ^{597-606 MAI} 1989, ¹

Classification Physics ^Abstracts

06.70 ^- 52.80

1. Introduction.

Afin de caractériser les phénomènes ^de claquage ^et

de

préclaquage

^{dans les}

liquides

diélectriques, ^nous

étudions la conduction du cyclohexane très pur ^en

champ

électrique

très intense entre une pointe ^{et un} plan. ^Nous observons, ^à partir d’une tension seuil

Vs

l’apparition ^d’un

régime

d’impulsions ^{de courant}

semblable à celui observé dans l’air et les gaz

électronégatifs. ^Des pics ^de courant sont également

observés dans le n-hexane

[1]

^{et dans} les gaz

liquéfiés

^tels que l’argon ^{et le xenon}

[2].

Depuis ^les

travaux de pionnier ^{de Trichel vers la fin des années}

1930

[3],

^les impulsions ^{de courant} dans les gaz ^ont fait

l’objet

de nombreuses études et dès 1948, ^Loeb

en donnait une interprétation

[4].

Signalons ^entre

autres les travaux de Amin

[5] qui

^en 1954, entrepre- nait une première analyse ^des

impulsions

^{de Trichel}

dans l’air en

géométrie

pointe-plan, ^{en étudiant}

l’évolution de leur fréquence ^{en fonction du} courant, (*) Laboratoire associé à l’Université Joseph Fourier, Grenoble I.

de la tension appliquée, ^{de la} pression ^du milieu, ^et

du « conditionnement » de la pointe. En 1974 Lama et Gallo

[6]

^ont publié ^{une étude} systématique ^sur

les impulsions ^{de Trichel,} dans l’air à pression

atmosphérique,

^en fonction de différents paramè-

tres. Si donc beaucoup ^{a été fait} dans les gaz

[7-9],

peu d’études, ^{à notre} connaissance, ^{ont été consa-}

crées au régime

impulsionnel

^{de courant dans les}

liquides

^et les gaz comprimés. ^{Il nous semble} cepen- dant que la compréhension des mécanismes gouver- nant ce régime peut donner des informations fort intéressantes quant ^au processus même de la

décharge ^{dans les}

liquides.

Lorsqu’une ^tension négative ^est appliquée ^{à la} pointe, l’impulsion ^{de courant} observée dans le

cyclohexane présente ^un pic ^{tout à fait} analogue ^à l’impulsion de Trichel dans l’air

(Fig. 1).

^{Pour étu-}

dier les

caractéristiques

^du régime d’impulsions ^de

courant dans le

liquide

^{en fonction de différents} paramètres ^et les comparer ^avec celles obtenues dans l’air nous procédons ^{à des mesures} systémati-

ques de la charge ^{et de la} fréquence ^des

impulsions.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:01989002405059700

Fig. ^{1. -} Oscillogramme ^d’une impulsion ^{de courant dans}

le cyclohexane purifié. Echelles : 20 ns/cm, ¹⁰⁰ fJ-Alcm.

[Current pulse oscillogram ⁱⁿ purified cyclohexane.

Scales : 20 ns/cm ; ¹⁰⁰ 03BCA/cm.]

Pour cela nous avons mis au point ^un dispositif électronique ^nous permettant ^{de déduire de la}

mesure de la variation de tension aux bornes d’une

capacité, ^la charge

Qi

^de

l’impulsion.

^{En outre, il}

nous permet ^{de mesurer} l’intervalle de temps At entre deux pics consécutifs. Des valeurs moyennes de

Qi

^{et At sont} obtenues à partir d’un traitement

statistique

^{d’environ 4 000} valeurs de

chaque

gran- deur saisies simultanément sur un micro-ordinateur.

Une corrélation entre les deux

grandeurs

peut également être recherchée au moyen des courbes de distribution

Qi (At).

^Le

dispositif

permet ^{aussi de}

mesurer, ^en même temps que

Qi

^et At, ^{le courant} total I moyenné ^{dans le} temps. Nous pouvons ainsi tracer la caractéristique

I(F),

^droite passant par

l’origine, ^comme déjà ^{observé dans} l’air, ^{et dont la} pente Q ^est une mesure de charge par impulsion.

Dans les paragraphes suivants, ^nous allons décrire le principe ^de fonctionnement du

dispositif

^de

mesure et présenter

quelques

^{résultats obtenus.}

2. Dispositif expérimental (Fig. 2).

La -chaîne expérimentale ^se compose d’une ^source de tension continue

(Spellman)

^{variable entre 0 et}

40 kV, de la cellule

pointe-plan,

d’un circuit de détection et de mise en forme, ^d’un système ^de

mesure des intervalles de temps ^{et des}

charges

individuelles, ^d’un

oscilloscope

^{et d’un} micro-ordi- nateur. Un ensemble de programmes

d’acquisition

et de traitement des données complète ^le

dispositif.

2.1 CIRCUIT ^DE DÉTECTION ET DE MISE EN FORME.

2.1.1 Mise ^en

forme

^du

signal (Fig. 3).

^{- Le courant}

i(t) (Fig. 4),

^{observé dans le} cyclohexane ^{et dans}

l’air

[11],

^{est constitué}

d’impulsions

^brèves

d’ampli-

tude variable

(quelques

centaines de

microampères)

et d’une composante ^{continue de faible valeur}

Fig. ^{2. - Schéma} général ^du dispositif expérimental.

[Experimental set-up ^block diagram.] ]

dépendant

de la tension

appliquée (de

l’ordre du.

microampère).

^Ce courant traverse un ensemble

composé d’une résistance et d’un condensateur mon-

tés en parallèle. ^{La tension}

v (t ) (Fig. 4)

^{aux bornes}

de cet ensemble est composée

d’impulsions

^{dont les}

fronts de montée sont brefs et dont la descente, ^de forme exponentielle, dépend ^{de la constante de} temps T ⁼ RC. La valeur de la composante ^continue correspond ^{aux minima de}

v (t).

Deux diodes 1N 4148 montées ^« tête bêche » aux bornes de l’ensem- ble de mesure RC

(Fig. 3)

^sont destinées à la

protection ^{des circuits en cas de} claquage ^{dans la}

cellule de mesure et n’interviennent pas dans le fonctionnement normal du montage. Un circuit

composé ^{de deux}

amplificateurs

opérationnels

LF 356 et d’un inverseur permet ^{d’obtenir une} amplification par 5, ^une

adaptation

d’impédance ^et

un signal toujours positif ^en

(A)

quelque ^{soit la} polarité ^des décharges. ^Une ligne ^{à retard délivre un} signal

(B)

retardé de 330 ns

(Figs.

^3,

4).

^{La diffé-}

rence

(C)

^{entre les} signaux

(A)

^et

(B)

^est

appliquée

^à

un

échantillonneur-bloqueur

^AD 585 dont la sortie

amplifiée

^est

disponible

^en

(D).

L’utilisation d’une

ligne ^{à retard suivie d’un}

échantillonneur-bloqueur

permet ^{d’obtenir en}

(D)

^{une tension} proportionnelle

au saut de tension et maintenue constante

pendant

toute la durée de la conversion analogique-numéri-

que.

2.1.2 Détection de

l’impulsion (Fig. 5).

^{- Le}

signal

issu du circuit de mise en forme est dérivé _par une

cellule comportant ^un condensateur de 27 pF ^{et une}

résistance de 10 k03A9, puis

amplifié

^et

appliqué

^à

l’entrée d’un comparateur ^{LM 710} qui ^{délivre une} impulsion ^{de commande aux} monostables LS 221

(1

et

2)

pour ^toute décharge ^{dont le saut de tension à}

l’entrée du circuit de mise en forme

dépasse

0,5 ^mV.

2.2 INTERFACE SYSTÈME DE MESURE/MICRO-ORDI- NATEUR. - Elle comporte quatre parties

principa-

les :

599

Fig. ^{3. -} Circuit de mise en forme.

[Circuit ^{for the} shaping ^{of the} signal ⁱ (t).]

Fig. ^{4. -} Allure des impulsions ^de courant et variation de la tension aux bornes du condensateur de ^mesure. A, B, C, D : mise en forme des signaux.

[Current pulse shape ^and 03BD(t) curve across the measuring capacitor. ^{A, B,} C, ^{D :} shaping ^{of the} signal.]

- le circuit de mesure des intervalles de temps ; - le circuit de mesure des chargez

- la mémoire tampon ;

- le circuit logique de commande.

2.2.1 Circuit de mesure des intervalles de temps

(Fig. 6).

^{- Le} signal de sortie d’un oscillateur 20 MHz est appliqué ^{à un} ensemble de deux

Fig. ^{5. -} Circuit de détection de l’impulsion.

[Detection circuit of the current pulse.]

compteurs ^{LS 93} comportant ^chacun quatre ^bascu- les.

Chaque

^sortie

Qi (i = 0, ..., 7)

^{de ces}

compteurs ^{délivre un} signal ^de période ^{double de}

celle de la sortie

Qi -

1 qui ^la précède. ^On dispose

ainsi à l’entrée du multiplexeur ^{LS 151 de} signaux ^de périodes 50, 100, 200, 400, 800, 1600, ^{3 200 et} 6 400 ns. A l’aide des lignes de commande ABC de

ce circuit on choisit la période convenable de la base du temps ^{servant à la mesure des} intervalles de temps. La commande des lignes ^{ABC est} fournie par le circuit LS 75 utilisé comme mémoire et pro-

grammé par ^les lignes Do ^à D2 du bus de données du micro-ordinateur. Le programme peut ainsi détermi-

ner la

période

appropriée ^à l’expérience ^{en cours et}

programmer celle-ci. Le signal

(H) (Fig. 6)

^{est le} signal ^{de base de} temps sélectionné. Il est

appliqué,

par l’intermédiaire d’une porte

(circuit

^LS

00),

^à

deux compteurs LS 193 montés en cascade. Pour

chaque

décharge, le circuit

logique

de commande

(Fig. 9)

^{délivre un} signal ^de blocage

(BL) qui interrompt

^le comptage. Cette même

logique

^de

commande délivre le signal

(T)

permettant ^le stockage du résultat dans le registre à sorties trois états LS 374, effectue la remise à zéro des compteurs LS 193 par le signal

(RAZ)

^{et autorise de nouveau le}

comptage

jusqu’à

^la prochaine décharge. ^Le résultat, chargé ^{dans le} registre ^LS 374, peut ^{être mis sur le} bus d’entrée de la mémoire tampon par le signal

(OE)

issu de la

logique

de commande.

2.2.2 Circuit de mesure des charges

(Fig. 7).

^{- Le}

circuit de mesure des charges ^{est constitué d’un}

convertisseur AD 7820 de Analog ^{Devices et d’une}

source de référence de tension TIL 431 de Texas

Instrument. La tension d’entrée maximale est de 1 V et le temps

d’acquisition

^de 1,5 03BCs.

2.2.3 Mémoire tampon

(Fig. 8).

^- Pour obtenir une

vitesse de transfert élevée des informations At

(inter-

valles de

temps)

^et

Qi (charges),

^le système ^utilise

l’accès direct mémoire

(D.M.A.).

^De plus, ^{en consi-}

dérant l’aspect ^{variable et non} synchrone des vitesses des flux d’informations, d’entrée des données sur le bus et de sortie des compteurs ^et du convertisseur

analogique-numérique,

^une amélioration sensible de la vitesse a été obtenue _par l’utilisation d’une mémoire tampon ^FIFO

(First

^In-First

Out).

^{Elle se}

compose de deux circuits C 67401J de 64 mots de 4 bits chacun montés en parallèle. Leurs entrées sont connectées aux sorties du convertisseur analogique-

numérique (Fig. 7)

^{et aux} compteurs ^{mesurant les} intervalles de temps par l’intermédiaire du

registre

LS 374

(Fig. 6).

^{Leurs sorties sont}

appliquées

^{au bus}

de données du micro-ordinateur par l’intermédiaire d’un registre à sorties trois états LS 374.

2.2.4 Logique de commande

(Fig. 9).

^{- Un ensem-}

ble de monostables LS 221 et de bascules LS 74 délivre les différents signaux de commandes des circuits composant l’interface. La

figure

^{10 donne les}

différents signaux de commande ainsi _que les temps

caractéristiques.

2.3 CARACTÉRISTIQUES DU SYSTÈME DE MESURE.

- La

fréquence

^{de 20 MHz de} l’oscillateur à quartz

autorise une résolution de 50 ns dans une gamme

pratique qui ^{va de 2} 03BCs à 3 ms. La sensibilité maximale de l’ensemble est déterminée _{par le} circuit

601

Fig. ^{6. -} Circuit de mesure des intervalles de temps.

[Circuit for the time interval measurement.] ]

de détection et par la valeur de la capacité ^de

mesure. Le circuit de détection autorise la prise ^en compte ^{des sauts de tension de} 0,5 ^{mV aux bornes}

de la capacité ^{de mesure} dont la valeur est supérieure

ou égale ^{à 65} pF, soit le déclenchement sur les transferts de charge ^de Q ^{C AV = 65 x} 10-12 . 5 x 10-4 ⁼ 3 x 10- 14 C ou 0,03 pC.

Les mesures de charges ^{et de} temps ^{sont simulta-} nées, ^ce qui permet d’obtenir à la fois la valeur de la

charge ^d’une impulsion, ^le temps de pause qui ^la

précède

^{et celui} qui la suit. Une corrélation _pourra ainsi être recherchée entre la charge ^de l’impulsion

et les temps de relaxation.

2.4 PROGRAMME D’ACQUISITION ET DE TRAITE- MENT. ^- Le transfert des données du système ^de

mesure vers le micro-ordinateur est effectué par ^un programme écrit en ASSEMBLEUR _pour obtenir

un maximum de rapidité. ^Le programme de traite- ment est, par contre, ^{écrit en} TURBO PASCAL. Il permet d’obtenir les histogrammes ^{de la} charge

Qi

^{et des} temps ^{0394t entre} impulsions successives, ^d’où

l’on déduit la

fréquence

moyenne F. Les

graphes Qi(0394t)

permettent ^d’étudier la corrélation entre les deux variables.

3. Résultats expérimentaux.

Pour différentes valeurs de la tension

appliquée

V et de la pression

hydrostatique

P, ^{la saisie}

simultanée et le traitement statistique ^d’environ

4 000 valeurs de

Qi

^{et At donne les} histogrammes ^de

Fig. ^{7. -} Circuit de mesure des charges.

[Circuit ^{for the} pulse charge measurement.]

Fig. ^{8. - Mémoire} tampon.

[Buffer between the measuring ^device

and the microcomputer.] ]

603

Fig. ^{9. - Circuit} logique de commande.

[Logical ^command circuit.]

la figure 11, ainsi que les courbes normales de distribution correspondantes

[12].

Il y apparaît que les histogrammes

(de Qi

^et

At)

^{sont des} gaussiennes,

indiquant

que le phénomène ^{a une}

fréquence

^carac- téristique dépendant de la tension

appliquée

^{et aussi}

une charge

caractéristique (dépendant

du rayon de courbure de la

pointe).

L’utilisation du dispositif ^{dans le cas de l’air}

montre, à la pression

atmosphérique,

^{un histo-}

gramme ^de

Qi

gaussien ^ou composé ^{souvent de la}

juxtaposition

^{de deux ou trois} gaussiens

(Fig. 12) [12].

^Nous

interprétons

^{ce cas} par le fait que la

décharge ^{a alors lieu à} partir ^de différents sites sur la

surface de la pointe. ^A pression ^élevée

(P

^>

1,5 ^x 106

Pa)

l’histogramme ^est gaussien ^{dans tous}

les _cas, comme dans le

liquide.

^{Il est}

remarquable

que lorsque l’histogramme ^{de la} charge comporte plus d’un maximum comme sur la figure 12, ^{il en va} généralement ^{de même} pour At. Ceci

indique

^natu-

rellement qu’il ^{existe une} certaine corrélation entre les deux variables.

D’après ^la figure ^{13a il} apparaît ^nettement qu’il

n’existe pas de relation fonctionnelle ^entre la

charge

Qi

^d’une

impulsion

^{et le} temps ^At

qui

^{suit cette} impulsion. ^La figure 13b, par contre, ^montre la corrélation entre

Qi

^{et le} temps ^At qui précède,

Fig. ^{10. -} Diagramme ^des signaux de commande et temps

caractéristiques.

[Command diagram and characteristic times.] J

c’est-à-dire le temps d’évacuation des charges ^créées

par la décharge précédente. ^{Le même} type ^de corrélation est observé dans l’air aux pressions supérieures ^{à 1,5 x 106 Pa. Nous} l’interprétons ^en

rp ^{de la}

pointe ;

-

histogrammes

^des

Qi

^{et 0394t tout à fait} analogues

dans le cyclohexane ^et dans l’air à

pression

^élevée

(densité élevée) ;

- même corrélation entre

Qi

^{et At} dans les deux milieux

montre

qu’il

^{existe une très} grande similitude entre les

caractéristiques

^{de la} décharge

électrique

^{dans le} liquide ^et dans l’air à densité élevée. Nous pouvons ainsi supposer que le processus de l’impulsion ^dans

le cyclohexane purifié ^est régi par le même méca- nisme que l’impulsion de Trichel dans l’air et les gaz

électronégatifs. ^{Un autre résultat}

remarquable

obtenu est l’inégalité

Qi

Q

(Q

^{est la pente de la}

droite

I(F)

^et exprime ^une charge par

impulsion)

aussi bien dans le

liquide

que dans l’air. Ce résultat

sera étudié en détail dans un prochain ^article.

4. Conclusion.

Avec le dispositif décrit, nous avons accès à la valeur

Qi

^{de la} charge individuelle de l’impulsion, ^{avec une}

bonne approximation, ^{et à} la valeur At du temps ^de

« pause » ^entre deux impulsions successives. L’étude

Fig. ^{11. -} Histogrammes ^{de la} charge Qi (a) ^et de l’intervalle de temps ^At (b) ^{dans le} cyclohexane (P ⁼ 1,1 ^x 106 Pa, ^{V =} 3 000 V).

[Histograms ^of Qi ^{and At} values in cyclohexane (hydrostatic pressure P ⁼ 1.1 x 106 Pa, applied voltage ^{V =}

3 000 V).]

605

Fig. ^{12. -} Histogrammes ^{de la} charge Qi (a) ^et de l’intervalle de temps ^At (b) dans l’air (P ^{= 105 Pa,}

V ⁼ 2 800 V).

[Histograms ^of Qi ^{and At} values in air at atmospheric pressure (applied voltage ^{V = 2 800} V).]

Fig. ^{13. -} Distributions Qi(0394t) ^{dans le} cyclohexane purifié ^avec: (a) ^{At suivant} l’impulsion Qi ; (b) ^At précédant l’impulsion Q;.

[Qi (At) distributions in cyclohexane ^{with :} (a) ^At being ^the following time interval of the pulse ; (b) ^0394t being ^the preceding time interval of the pulse.]

statistique ^{des deux} grandeurs ^a

permis

d’obtenir des

histogrammes dont l’allure

gaussienne,

aussi bien dans le

liquide

que dans l’air,

indique

que le processus mis ^en

jeu

^{a une}

fréquence caractéristique

pour ^une tension donnée, ^et développe ^une charge

caractéristique

pour ^une pointe de rayon donnée.

Les graphes

Qi (ât)

dans les deux milieux ont permis

d’établir qu’il ^{existe une} corrélation entre la

charge

d’une impulsion ^{et le} temps de relaxation de la

charge d’espace créée par la décharge précédente.

Par ^contre aucune relation fonctionnelle n’existe entre la charge ^de

l’impulsion

^et l’intervalle de temps

qui

^la suit. En même temps que les

Qi

^et At, ^nous

mesurons le courant moyen I, correspondant ^au

courant total moyenné ^{dans le} temps, ^{et nous} disposons ^{de la} période moyenne T

d’apparition

^des

impulsions,

égale ^à la moyenne des àt. Ainsi ^nous

pouvons déterminer simultanément I,

Qi

moyen,

T, ^{et leur} variance, ^en fonction de différents paramè-

tres

(V,

P,

rp ),

^et étudier les différentes caractéristi- ques ^en fonction de ces paramètres.

L’ensemble de tous les résultats obtenus avec le

dispositif (histogrammes,

courbes de corrélation,

caractéristiques)

^nous permet d’établir la très

grande

similitude des

caractéristiques

^du régime d’impul-

sions de courant dans le cyclohexane purifié ^{et dans}

l’air à densité élevée. Nous en déduisons que les

régimes d’impulsions ^{de courant dans les deux}

milieux relèvent des mêmes processus, c’est-à-dire le mécanisme décrit par Leob pour rendre compte ^des impulsions ^{de Trichel} dans les gaz électronégatifs.

Cette déduction

implique

l’existence d’avalanches

électroniques ^{dans le}

liquide,

^un

point

que ^nous aborderons dans un prochain ^article.

Press, Berkeley, California) ^1965.

[8] GOLDMAN M. and GOLDMAN A., Gaseous Electron-

[12] ^{HAIDARA M.,} Thèse Doctorat de l’Univ. J. Fourier, Grenoble (1988).