Etude bibliographique des décharges électriques sur les isolants gazeux

Dans un certain nombre de situations en Electrotechnique, par exemple dans les dépoussiéreurs électrostatiques, une électrode injecte des charges dans un isolant fluide, gaz ou liquide et la charge d’espace qui en résulte modifie la distribution du champ électrique. Par ailleurs, plusieurs formes d’électrodes sont utilisées dans les divers dispositifs pour étudier les propriétés des matériaux isolants gazeux, liquides ou solides soumis à un champ électrique intense continu ou lentement variable ; souvent ces électrodes sont le siège de décharges localisées ou le point de départ de streamers.

Ces applications électrostatiques, et notamment les dépoussiéreurs électrostatiques, dépendent du phénomène de décharge électrique dans les gaz. Notre objectif est de déterminer par une méthode numérique la distribution du champ et potentiel électriques dans une configuration pointe plan.

La détermination de la distribution du champ et du potentiel électrique entre les deux électrodes est délicate à cause de plusieurs facteurs. Par exemple, la géométrie des électrodes « pointe-plan » est relativement complexe. Pour cette configuration, le rayon de courbure de la pointe peut être plusieurs centaines de fois plus petit que la distance séparant la pointe du plan.

Les progrès de l’informatique ont permis de développer des méthodes numériques de calcul afin de déterminer de façon précise la distribution du champ et du potentiel électrique. Les méthodes numériques les plus connues et les plus utilisées dans ce type de problème sont la Méthode des Différences Finies (M.D.F), la Méthode des Éléments Finis (M.E.F) .

Les phénomènes de décharge électrique, étudiés pourtant depuis prés de deux siècles [3], font toujours l’objet de recherches actives auprès des scientifiques. On pourrait s’étonner de cet état de fait mais on comprendrait vite que cela n’est dû qu’à la très grande complexité du phénomène et des mécanismes qui le constituent. Cependant de grandes avancées ont été faites ces dernières décennies dans l’amélioration des moyens de diagnostic des premiers instants de la décharge et donc dans l’étude des mécanismes d’initiation [3-5]. Cela a permis d’accroître les connaissances sur le phénomène.

Définitions

Isolant :
Un isolant est une substance ayant une conductivité électrique suffisamment faible pour être utilisé pour séparer des pièces conductrices portées à des potentiels différents. On peut considérer comme isolant, tous les matériaux dont la résistivité est supérieure à 10¹⁰Ω.cm[3].

Diélectrique :
Un diélectrique est défini comme un milieu matériel dans lequel les bandes de conduction et de valence sont séparées par une énergie supérieure à 5 eV et ayant une résistivité très élevée (10⁸ à 10¹⁵ Ω.m). On le définit aussi comme un milieu dans lequel tout volume de la substance possède un moment dipolaire (polarisation permanente) ou susceptible d’en acquérir sous l’action d’un champ électrique (polarisation induite) [4].

Types d’isolant

Les isolants sont groupés dans deux grandes classes :

Les isolants organiques et les isolants inorganiques :
En général, les isolants organiques tels que le caoutchouc, le papier l’huile, le coton, les matériaux thermoplastiques, etc.……..sont composés de longues chaines moléculaires de carbone et d’hydrogène. Ils ne peuvent pas supporter des températures élevées sans se décomposer. Par ailleurs, les isolants inorganiques tels que le mica, la porcelaine, l’air, peuvent tolérer des températures dépassant parfois 1000°C.

Le nombre d’isolants disponibles est impressionnant, de sorte qu’il est difficile aujourd’hui d’en dresser une liste complète.

Cette diversité est due à l’arrivée sur le marché des isolants synthétique (parfois appelés plastiques) inventés et développées par les chimistes. Possédant des propriétés thermiques, électriques et mécaniques bien supérieures à celles des isolants naturels, ces isolants synthétiques ont grandement modifié la fabrication des fils, des câbles et des appareils électriques de toutes sortes.

d’après leurs états, on distingue les isolants liquides, solides et gazeux et dans notre travail on s’intéresse aux isolants gazeux ainsi que leur interface.

Isolants gazeux

Le gaz le plus abondant et le plus utilisé dans l’isolation électrique (postes classiques, lignes aériennes, électrostatiques,…) est l’air. Cependant, d’autres gaz tels que l’azote ( ܰN₂ ) le dioxyde de carbone (CO₂) et surtout l’hexafluorure de soufre (ܵSF₆) connaissent un succès grandissant dans le domaine des systèmes haute tension (postes blindés, câbles à isolation gazeuse, etc.). Leurs utilisation a permis d’améliorer la fiabilité des systèmes et d’en réduire leurs poids et dimensions [2].

Critères de sélection des gaz :
Compte tenu des enjeux écologiques et de certaines contraintes liées à l’utilisation des gaz isolants, on va déterminer certains critères de sélection de gaz, qui respectent l’environnement d’une part et les exigences diélectriques et sanitaires d’autre part. Ces critères peuvent être classés en deux groupes à savoir les critères primaires de sélection (indépendants des propriétés diélectriques) et les critères diélectriques (par comparaison au SF6) [2].