Décharge électrique de surface

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Types de polarisation

La polarisation électronique

La polarisation électronique est présentée dans tous les diélectriques, sans exception. Quand un champ électrique est appliqué, le nuage électronique de chaque atome est déplacé légèrement par rapport au noyau, donnant un dipôle induit. Cette polarisation résulte donc des déplacements des orbites électroniques externes par rapport au noyau de l’atome et elle s’établit en quelques 10-15 s. La déformation de l’orbite qui l’accompagne est élastique, c’est-à-dire que le travail nécessaire à son apparition n’est pas converti en chaleur mais stocké dans le champ électrique. La polarisation élastique électronique ainsi que les dipôles induits disparaissent quand le champ est supprimé.

La polarisation ionique

La polarisation ionique (ou atomique) résulte du déplacement des atomes liés par des liaisons ioniques. Lorsque différents atomes sont présents dans une molécule ne possédant pas de moment dipolaire permanent, les électrons participant aux liaisons de covalence se déplacent préférentiellement vers l’atome le plus électronégatif, créant ainsi, sans contrainte extérieure, un moment de liaison (moment dipolaire induit). Si l’on superpose un champ électrique, les atomes se déplacent les uns par rapport aux autres, donnant naissance à une polarisation ionique qui met en jeu le déplacement d’atomes au sein de la molécule. On rencontre les liaisons ioniques dans la plupart des diélectriques solides non-organiques avec une structure cristalline. Vu l’inertie des ions relativement lourds, ce type de polarisation s’établit aux environs de 10-13s, donc plus lentement que la polarisation électronique. La polarisation ionique, de même que la polarisation électronique, créent des dipôles induits, elle ne provoque pas de pertes d’énergie et disparaît avec la suppression du champ appliqué. C’est donc une polarisation élastique.

La polarisation dipolaire

La polarisation dipolaire (ou d’orientation) consiste en l’orientation, sous l’action du champ électrique, des molécules polaires, c’est-à-dire celles qui possèdent un moment dipolaire permanent. La structure de ces molécules est asymétrique : le centre de gravité résultant de toutes les charges négatives d’une telle molécule ne coïncide pas avec celui de toutes ses charges positives. C’est le cas du polychlorure de vinyle (PVC), qui a un fort moment dipolaire permanent.
Quand un champ électrique constant est appliqué, la polarisation d’orientation n’atteint pas immédiatement sa valeur maximale et de même, à la coupure du champ, la polarisation décroît au bout d’un temps t déterminé. La polarisation s’exprime (en C/m2) généralement par une équation de la forme.
P = P0 exp (− ) (I.11)
Avec P0 : polarisation induite par le champ électrique.
τ : temps de relaxation.
La polarisation d’orientation joue un rôle important dans les matériaux macromoléculaires auxquels elle leurs confère une valeur relativement élevée de la permittivité relative εr, une forte variation de cette constante avec la température et une valeur importante du facteur de pertes diélectriques (10-3 à 10-2) variant rapidement avec la température.

La polarisation interfaciale

La polarisation interfaciale ou de charge d’espace (effet Maxwell-Wagner-Sillars) apparaît dans les matériaux hétérogènes. Elle provient de l’accumulation de charges aux interfaces des différentes phases constituant les matériaux lorsque ces différentes phases ont des permittivités et des conductivités différentes. C’est le cas du polyéthylène contenant une charge de conductivité appréciable tel que le noir de carbone. Dans ce cas, des charges d’espace peuvent alors s’accumuler aux interfaces créant des distorsions macroscopiques du champ appliqué. Ces charges d’espace proviennent du fait que les porteurs de charges qui, habituellement, peuvent migrer jusqu’aux électrodes dans un diélectrique homogène, sont piégés aux interfaces. Le temps d’établissement de la polarisation interfaciale est de quelques 10-2 à 10-1 s [28]. Ce type de polarisation possède aussi un caractère de relaxation ; le temps de relaxation augmente quand la conductivité décroît.

La polarisation macroscopique

La polarisation macroscopique (appelée également polarisation de la charge spaciale) décrit le processus de déplacement limité des charges libres. Elle peut être rencontrée dans les diélectriques ayant surtout une structure non-homogène ou amorphe. La polarisation macroscopique s’établit lentement. Selon le type de matériau et des conditions de mesure (température, hygrométrie), le courant de déplacement qui l’accompagne lorsqu’une tension constante est appliquée, peut être observé durant une période de quelques millisecondes à des centaines d’heures.

Table des matières

Liste des figures
Glossaire
Liste des abréviations
Résumé en arabe
Résumé en français
Résumé en anglais
Introduction générale
Chapitre I : Généralités sur les isolants solides
I.1. Introduction
I.2. Différence entre isolant et diélectrique
I.3. matériaux isolants
I.3.1. Différentes structures d’un matériau solide
I.3.1.1. Structure cristalline
I.3.1.2. Structure amorphe
I.3.1.3. Structure semi- cristalline
I.3.2. Définition et structure d’un polymère
I.3.2.1. Définition
I.3.2.2. Classement des polymères
I.3.2.3. Différents niveaux structuraux
I.4. Notions de bandes d’énergie et définition d’isolants parfait et réel
I.4.1. Rappel sur la théorie des bandes d’énergie
I.4.2. Isolant parfait et isolant réel
I.5. Polarisation dans les diélectriques
I.6. Types de polarisation
I.6.1. La polarisation électronique
I.6.2. La polarisation ionique
I.6.3. La polarisation dipolaire
I.6.4. La polarisation interfaciale
I.6.5. La polarisation macroscopique
I.7. Vieillissement électrique des isolants
I.7.1. Scenario standard de vieillissement
I.7.2. Facteurs essentielles du vieillissement électrique des polymères isolants
I.8. Rigidité diélectrique et mécanismes de claquage
I.8.1. Définition
I.8.2. Mécanisme de claquage
I.8.2.1. Claquage électromécanique
I.8.2.2. Claquage thermique
I.8.2.3. Le claquage électronique
I.8.2.4. Le claquage par arborescence
I.14. Conclusion
Chapitre II : Décharge électrique dans l’interface air-solide
II.1. Introduction
II.2. Électrons primaires
II.3. Ionisation, recombinaison et attachement électronique
II.4. Avalanche électronique
II.5. Décharge de Townsend
II.6. la loi de Paschen
II.7. Théorie des streamers
II.8. Types de streamers
II.8.1. Streamer positifs
II.8.2. Streamers négatifs
II.9. Conclusion
Chapitre III : Décharge électrique de surface
III.1. Introduction
III.1. Décharges partielles
III.1.1. Définition
III.1.2. Classification des décharges partielles
III.2.3. Effets des décharges partielles
III.3. Décharge électrique de surface
III.3.1. Décharges glissantes
III.3.2. Caractérisation optique des décharges glissantes
III.3.3. Les décharges à barrière diélectrique
III.4. Forme des décharges surfaciques
III.5. Dégradation de la surface du solide
III.6. Conclusion
Chapitre IV : Moyens et dispositifs expérimentaux
IV.1. Introduction
IV.2. Préparation des échantillons
IV.2.1. Matériau d’étude
IV.2.2. Mode opératoire
IV.2.3. Dimensionnements des éprouvettes
IV.3. Dispositifs expérimentaux
IV.3.1. Mesure du courant de décharge
IV.3.2.Vieillissement électrique
IV.3.3. Caractérisation diélectrique
IV.3.3.1 Permittivité relative
IV.3.3.2 Facteur de dissipation
IV.3.3.3 Indice de pertes diélectriques
IV.3.3.4 Résistivité transversale
IV.3.4. Analyse microscopique
IV.3.4.1. Constitution d’un microscope électronique à balayage (MEB)
IV.3.4.2. Principe de fonctionnement du MEB
IV.3.4.3. Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier (FTIR)
IV.4. Protocole des essais
IV.4. Conclusion
Chapitre V : Résultats et discussions
V.1. Introduction
V.2. Essais préliminaires
V.3. Courant de décharge de surface
V.3.1. Courant maximum de décharge
V.3.2. Influence de la tension appliquée sur le courant maximum de décharge
V.3.3. Influence de l’épaisseur de la couche d’air sur le courant maximum de décharge
V.3.4. Influence de temps du vieillissement sur le courant de décharge
V.4. Charge associée à la décharge électrique
V.5. Morphologie de la surface du solide isolant soumis aux décharges
V.6. Caractérisation électrique
V.6.1. Variation des propriétés diélectriques en fonction du temps de vieillissement
V.6.1.1. Permittivité relative (Constante diélectrique)
V.6.1.2. Facteur de pertes diélectriques
V.6.1.3. La résistivité transversale
V.6.2. Variation des propriétés diélectriques en fonction de la fréquence
V.6.2.1. Permittivité relative (Constante diélectrique)
V.6.2.2. Facteur de pertes diélectriques
V.6.2.3. La résistivité transversale
V.6.3. Indice de pertes diélectriques
V.7. Observations visuelles des dégradations causées par le vieillissement électrique
V.8. Caractérisation physico-chimique
V.8.1. Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier (FTIR)
V.8.2. Microscopie Électronique à Balayage (MEB)
V.9. Discussions
V.10. Conclusion
Conclusion et perspectives
Annexes
Références bibliographiques