La décharge couronne, ses pertes et perturbations radioélectriques

La décharge de type couronne désigne l’ensemble des phénomènes liés à l’apparition d’une conductivité d’un gaz dans l’environnement d’un conducteur porté à une haute tension. Cette conductivité est due au phénomène d’ionisation, que l’on explique de la façon suivante : Il existe toujours dans l’air un certain nombre de paires ions positifs – électrons libres, créés par rayonnement cosmique ou par la radioactivité naturelle. Lorsque ces électrons sont soumis à un champ électrique, ils sont accélérés, et si le champ est assez intense, l’énergie qu’ils acquièrent devient suffisante pour provoquer l’ionisation des molécules neutres qu’ils heurtent (ionisation par choc). Il se crée de nouveaux électrons libres, lesquels, soumis au même champ, vont également ioniser des molécules, et ainsi de suite : le processus prend une allure d’avalanche. Pour que celle ci puisse se maintenir, il faut qu’elle atteigne une taille critique, et que le champ électrique ait une valeur suffisante. Le paramètre principal régissant l’amplitude du phénomène couronne est le champ électrique à la surface du conducteur qui dépend du diamètre et l’état de surface du conducteur, la densité de l’air environnant, la pluie, la pollution, l’humidité, etc. [3]

Modes d’émission des charges

Lorsque le diamètre du fil croit, pour atteindre les dimensions des câbles utilisés sur les lignes de transport d’énergie, l’effet couronne perd cet aspect de gaine lumineuse uniforme ; il se discrétise en lueur localisée désignées sous le nom général d’aigrettes. La présence de certaines aspérités sur les conducteurs HT qui provoquent des irrégularités de surface telles que le toronage, les dépôts de poussières végétale, de pollution industrielle et même de petits insectes où il existe un renforcement local du champ. Il se forme donc un système dissymétrique des électrodes pouvant être assimilés à un système pointe plan, et ont pour conséquence une réduction du niveau de la tension d’apparition des aigrettes. On distingue de nombreux types d’émission de courant par une pointe, mais l’étude de l’effet couronne des conducteurs cylindriques se limitent pratiquement aux trois modes suivants

Décharge couronne dans les lignes à courant alternatif II est physiquement possible de voir apparaître, en tension alternative, tous les modes de décharge couronne en tension continue. Les alternances positives et négatives peuvent donner lieu à leurs modes de décharge respectifs. Cependant, il faut considérer le temps d’évacuation des charges d’espace formées pendant une alternance pour prévoir les modes qui seront possibles pendant l’alternance suivante. La distance entre les électrodes ainsi que le gradient de tension déterminent le temps de migration des ions et, par le fait même, leur effet sur les décharges. Si les ions n’ont pas le temps d’être évacués avant le changement de polarité de la tension appliquée, ceux-ci réduiront le champ électrique et l’intensité des décharges pendant l’alternance suivante. Donc, pour une même tension, les décharges sont moins intenses en tension alternative qu’en tension continue. La couronne sur le conducteur commence (s’allume) à l’instant t1 lors de l’intensité du champ critique (Ek) sur le conducteur et de tension égale à : Uph = Uk Après avoir allumé la couronne autour du conducteur, les charges de même polarité que la polarité du conducteur s’accumulent. Ces charges arrêtent l’augmentation de l’intensité du champ sur la surface du conducteur qui reste égale à (Ek).

Donc après allumage de la couronne, les courbes de la tension et de l’intensité sont divergées, la tension continue à changer d’après la sinusoïde, mais l’intensité reste invariable. La différence de tensions :  représentée sur la figure II.5.a, par la partie hachurée, est maintenue par l’accroissement des charges pour atteindre la valeur de: ΔU􀭫􀭟􀭶 et par élévation de la tension. Les charges totales sont données par la somme des charges, sur le conducteur et dans l’espace . Les charges de l’espace environnant sont plus importantes que celles de la surface du conducteur (q 􀵌 U􀭮􀭦. C) lors de la même tension en absence de couronne. Donc la couronne est accompagnée par l’augmentation des charges et des capacités de la ligne par rapport à la valeur usuelle (qu’on nomme d’habitude capacité géométrique) jusqu’à une valeur équivalente donnée par la formule :  Dès que la tension de source atteint sa valeur maximale, les charges totales q􀭲􀭭􀭲 commencent à diminuer, comme les charges d’espace sont lourdes, alors c’est celles du conducteur qui sont réduites, par conséquent on aura la diminution de l’intensité et l’extinction de la couronne. Lors de la période suivante, la couronne s’allume, dès que la valeur absolue de l’intensité du champ électrique sur le conducteur atteint la valeur Ek, à ce moment dans l’espace, il reste encore les charges de la polarité inverse de la demi-période précédente, par conséquent la valeur instantanée de la tension 􁈺U􀬷􁈻 sera considérablement petite que celle de la tension initiale, comme on voit de la figure II.5.a :

A l’allumage de la couronne lors de la demi période négative, on voit bien qu’autour du conducteur se créent des charges négatives qui compensent peu à peu les charges restantes de la demi-période précédente. A l’instant t3 les charges positives sont compensées complètement, dès que la tension atteint sa valeur maximale, les charges négatives deviennent égale aux charges maximales dans la demi période précédente. Puis le processus se répète. Sur la figure I.5.b, on représente la courbe du courant des conducteurs couronnés de la ligne, en existence de couronne, ce courant dépasse la valeur de couronne de capacité  déterminé par la capacité géométrique de la ligne et par la tension de source.

Conclusion générale

Les paramètres des lignes électriques comme ceux des transformateurs sont déterminés par les formules bien définies qu’on a vu précédemment. Mais leurs valeurs différent selon le régime de fonctionnement, (régime normal ou transitoire). Elles dépendent de plusieurs phénomènes, parmi les plus importants est celui de l’effet couronne qui est l’objet simulé. Pour minimiser les effets perturbateurs et les pertes électriques et radioélectriques, on doit inclure leur calcul dans le dimensionnement des conducteurs de lignes et des enroulements de transformateurs électriques. Dans cette optique, la maîtrise des phénomènes néfastes étant depuis toujours le souci majeur des électrotechniciens, et notre étude donne certaines indications sur les capacités et les conductibilités additionnelles causées par l’effet couronne en régime de surtension. Les résultats obtenus par notre travail, nous permettent de conclure que le modèle de trois (3) branches de RC du phénomène couronne dans les lignes de transport d’énergie électrique supposé est satisfaisant pour des tensions impultionnelles, de fréquences allant jusqu’à 5000Hz, au-delà il perd sa précision. D’après les résultats obtenus [15], on trouve que le modèle avec deux (2) branches de RC est praticable pour des fréquences allant jusqu’au 700Hz. En vue d’améliorer cette précision et de prédire le comportement des lignes et des transformateurs pendant les décharges de foudres qui sont caractérisées par des hautes fréquences, (allant de quelques dizaines à quelques centaines de kilohertz), on suggère l’ajout d’autres branches au schéma de la figure III.1.