Décharges dans les systèmes électriques

Dans les systèmes d’énergie électrique, la perte d’isolation peut se traduire par divers phénomènes tels que l’émission de champ sous vide poussé et ultravide (< 10-4 mbar), l’ionisation du gaz pour des pressions proches de la pression atmosphériques (10 mbar-10 bar) qui peuvent conduire à l’amorçage de décharges électriques, voire à l’établissement d’arcs électriques. De nombreux secteurs industriels sont concernés par ces phénomènes : production, transport et distribution d’énergie électrique, transports terrestres et aériens (réseau de bord, actionneurs électriques), production manufacturière (actionneurs moyenne tension).

D’un point de vue expérimental, l’approche choisie est multi physique, associant des moyens de diagnostic optiques (spectroscopie d’émission et imagerie rapide), de mesure électrique (intensités moyennes de quelques dizaines de pA au kA, acquisition de signaux impulsionnels rapides, analyse de décharges partielles), de mesures thermiques (cartographie infrarouge de surface), de caractérisation de surface (profilométrie et mesures d’angle de contact), et de mesures chimiques (spectroscopie d’absorption UV-visible et FTIR).

Ces mesures expérimentales sont complétées par l’utilisation de modélisations physiques et de simulations numériques (calculs électrostatiques et fluides) qui permettent une meilleure compréhension des phénomènes.

Travaux récents et en cours

Dans tous les réseaux électriques ou système électrique des défauts peuvent conduire à l’apparition d’arcs électriques et avoir des conséquences graves. Ceux-ci peuvent causer des dommages dans l’environnement immédiat du défaut mais aussi se propager le long des faisceaux de câbles (phénomène dit d’arc tracking). Les conséquences sont multiples, depuis la perte de fonctionnalité, jusqu’au départ d’incendie.

Distribution et utilisation en moyenne tension (HTA) de l’énergie électrique.

Des travaux portant sur la recherche d’une information complémentaire aux analyses de décharges partielles ont conduit à proposer une méthode reposant sur l’analyse des produits gazeux émis en atmosphère confinée par les décharges électriques. Ces mesures peuvent permettre une évaluation du risque d’amorçage d’un arc (destruction de l’équipement) et permettent une aide à la décision dans le cadre d’une maintenance prédictive. Ces travaux ont fait l’objet de collaborations avec Schneider Electric et Air Liquide.

Domaine des transports.

Dans le cas de la traction électrique terrestre, une source majeure de défauts d'une machine électrique réside dans les phénomènes de décharges partielles qui peuvent potentiellement apparaître dans ses bobinages. L’apparition de défauts dépend notamment de l’architecture de bobinage et du mode d'alimentation électrique. Dans le cadre d’une collaboration avec l’ITE Vedecom, le fonctionnement sous tension et fréquence de découpage élevées (MLI) est examiné.

  • Thèse Loucif Benmamas (2014-2017) : « Influence des paramètres de conception des bobinages de machines électriques et de leur mode d'alimentation sur la robustesse vis-à-vis des décharges partielles : application à la traction automobile. » Vedecom-GeePs

Dans un objectif d’avion « plus électrique », un grand nombre d’actionneurs actuellement hydrauliques seront remplacé par des actionneurs électriques. Cette augmentation des charges (actionneurs et électronique de puissance associée) va nécessiter une augmentation de la puissance embarquée, se traduisant par une évolution des tensions d’alimentation : ainsi est-il envisagé d’avoir à bord des tensions de l’ordre de +/- 270 V DC (soit 540 V DC entre phases) et 230 V AC (fréquence variable entre 360 et 1000 Hz). Ceci représente un changement technologique drastique par rapport aux systèmes actuels (28 V DC et 115 V AC 400 Hz). Si les niveaux de tension sont bien inférieurs à ceux de la HTA, la chute de pression résultant de l’altitude conduit à l’apparition de phénomènes physiques jusqu’alors quasiment absents. Il s’agit des décharges partielles, qui constitueront des phénomènes supplémentaires de risque d’apparition d’arc. Des travaux sont actuellement en cours, portant d’une part sur les câbles de puissance et d’autre part sur les connecteurs.

  • Thèse Redouane Boukadoum (2015-2018) « Etude des décharges partielles et de leur transition à l’arc dans la connectique aéronautique du futur » Amphenol/Socapex-GeePs
  • Thèse Marine Karadjian (2015-2018) « Endurance et tenue diélectrique de l’isolation de câbles électriques pour l’aéronautique » AGI-GeePs

Domaine nucléaire.

Le Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA) a en charge la conception d’un réacteur à neutrons rapides de quatrième génération. L’instrumentation neutronique de ce futur réacteur s’appuiera sur des chambres à fission placées en cuve. Ces chambres à fission à haute température (CFHT) devront fonctionner à pleine puissance à une température comprise entre 400°C et 600°C. Un bilan récent de la technologie CFHT a révélé que certains points sont à améliorer afin d’en garantir une plus grande fiabilité. En particulier, on recherche une meilleure compréhension du phénomène de décharges partielles. Celles-ci engendrent des impulsions non discernables de celles produites par les fragments de fission du dépôt fissile. Par ailleurs, elles pourraient accélérer le vieillissement des isolants minéraux. Des études antérieures du GeePs portant sur l’étude de décharges électriques en surface d’isolants dans une atmosphère d’argon à pression atmosphérique ont montré le comportement singulier de ces décharges, non prévu par la loi de Paschen. En s’appuyant sur une double démarche expérimentale et théorique, l’objectif des travaux engagés est d’apporter une explication à ce phénomène appliqué aux CFHT.

  • Thèse Giacomo Galli (2015-2018) : « Etude des décharges partielles dans une chambre à fission haute température » CEA-GeePs

Le projet HVIV (High Voltage Insulation in Vacuum - projet ANR 2013-2016 IRFM, LCAR, LPGP, GeePs) s’inscrit dans le cadre de la recherche sur la production d’énergie par fusion thermonucléaire contrôlée par confinement magnétique. Les systèmes d’injection de neutres permettent de chauffer le plasma afin d’initier les réactions nucléaires. Ce sont des accélérateurs électrostatiques de puissance avec des composants à haute tension (1MV pour ITER). La tenue de la haute tension en continu entre électrodes de grandes surfaces constitue un des défis technologiques à résoudre pour l’obtention de systèmes fiables, ce qui nécessite des travaux de recherche fondamentale en amont en vue de comprendre et maîtriser les phénomènes élémentaires à l’origine d’émission d’électrons par effet de champ (dit courant noir) ou la génération d’arcs entre électrodes.

  • Thèse Khaled Almaksour (2011-2014) « Etude de l’émission cathodique sous vide en présence d'un champ électrique intense et des paramètres physiques gouvernant son intensité »

Etude de l’émission cathodique sous vide en présence d'un champ électrique intense et des paramètres physiques gouvernant son intensité

Figure 1 : Etude de l’émission cathodique sous vide en présence d'un champ électrique intense et des paramètres physiques gouvernant son intensité

  • Thèse Benjamin Seznec (2015-2018) « Modélisation des phénomènes physiques intervenant lors de l'émission électronique sous haute tension sous vide » LPGP-GeePs

Production scientifique (2010-2015)