Caractérisation des décharges électriques se propageant aux interfaces gaz/solide (Relation entre propriétés des matériaux et dimension fractale)

Ce travail porte sur l étude de la morphologie et de la longueur finale Lf des décharges se propageant sur divers types de diélectriques solides (PTFE avec différentes charges, résine Epoxy et verre) en présence des gaz SF6, N2 et CO2 ainsi que des mélanges SF6 - N2 et SF6 - CO2, sous tension de foudre (1,2/50 s), en géométrie pointe - plan. Les matériaux considérés ont été choisis pour leur grande utilisation dans les applications haute et moyenne tensions (disjoncteurs en particulier). Les caractéristiques de la décharge sont analysées en fonction de l amplitude et de la polarité de la tension, de la nature et de l épaisseur de l isolant solide, du type et de la pression du gaz (ou mélange) ainsi que de la concentration des gaz constituant le mélange. Il ressort des résultats obtenus que l aspect morphologique des décharges varie selon les constituants de l interface gaz/solide, l amplitude et la polarité de la tension ainsi que la pression du gaz. En présence d un gaz ou mélange donné, Lf augmente quasi-linéairement avec la tension et décroît lorsque la pression, l épaisseur du solide diélectrique et/ou le taux de SF6 dans le mélange augmentent. Aussi, pour une tension et une pression données, Lf est plus élevé en polarité positive alors que la tension d apparition des décharges est plus élevée en polarité négative. Les résultats obtenus avec l azote et le mélange SF6 - N2 sont très aléatoires. Le calcul du champ par éléments finis (Flux 2D/3D) montre que le renforcement du champ au voisinage de la pointe est d autant plus important que la différence entre la constante diélectrique du matériau solide et celle du gaz est grande. Les enregistrements de courants associés aux décharges ont révélé l existence d une décharge secondaire de signe opposé à la tension appliquée. Ce phénomène est dû à l accumulation de charges sur la surface de l isolant solide ; certains matériaux accumulent moins de charges surfaciques et la longueur finale des décharges qui s y développent est plus courte. Une relation entre le type de gaz (mélange) et sa pression, la nature du diélectrique solide et son épaisseur, et la dimension fractale D des décharges a été établie. D diminue lorsque l épaisseur e du solide et/ou la pression du gaz augmente et/ou la permittivité diélectrique du solide diminue.This work deals with the study of morphology and final length Lf of creeping discharges propagating over different kinds of solid dielectrics (PTFE with various fillers, Epoxy resin and glass) in presence of SF6, N2 and CO2 gases as well as SF6 - N2 and SF6 - CO2 mixtures, under lightning impulse voltage (1.2/50 s) using a point - plane electrode arrangement. The materials we considered were selected for their wide use in high voltage apparatus such as GIS and circuit breakers. The characteristics of creeping discharges are analyzed in function of the amplitude and polarity of voltage, the kind and thickness of solid insulator, the type of gas (or mixtures) and pressure as well as the concentration of constituents of mixtures. It s shown that the morphological of creeping discharges depends on the components of solid/gas interface, the amplitude and polarity of voltage as well as the gas pressure. In presence of a given gas (mixture), Lf increases quasi-linearly with the voltage and decreases when the pressure and/or the thickness of insulator and/or the rate of SF6 in a given mixture increase. And for given voltage and pressure, Lf is higher when the point electrode is positive whereas the initiation threshold voltage of discharges is higher with a negative point. The results obtained with nitrogen and SF6 - N2 gas mixture are very scattered. The computation of electric field using the finite elements method (Flux 2D/3D codes) shows that the electric field is enhanced in the vicinity of the point; it s more important as the difference between the dielectric constants of gas and solid material is high. The recordings of currents associated to discharges revealed the existence of a secondary discharge of opposed sign to the applied voltage. This phenomenon is due to the accumulation of charges at the surface of solid insulator; some materials accumulate less surface charges and the final length of the discharges which develop over them is shorter. A relation between the type of gas (mixture) and its pressure, the kind of dielectric solid and its thickness, and the fractal dimension D of discharges was established. D decreases when the thickness e of solid and/or the pressure ofgas increase and/or the dielectric constant of insulator decreases.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF