Pre-breakdown and breakdown phenomena in air along insulating solids

par Laure Tremas

Thèse de doctorat en Genie electrique

Sous la direction de Olivier Lesaint et de Nelly Bonifaci.

Le président du jury était Serge Agnel.

Le jury était composé de Brigitte Ohl.

Les rapporteurs étaient Éric Moreau, Emmanuel Odic.

  • Titre traduit

    Phénomènes de pré-claquage et claquage dans l'air le long d'isolants solides


  • Résumé

    Compréhension et maîtrise des phénomènes intervenant sous haute tension à l'interface entre un gaz et un isolant solide.Dans le cadre du remplacement du SF6 dans les appareils moyenne tension, une étude de l’isolation électrique mixte (gaz (air) / solide isolant) a été réalisée. L’objectif étant de déterminer l’influence de la nature du solide sur la tenue au claquage. Pour cela plusieurs matériaux ont été sélectionnés tel que l’époxy / silice (matériau de référence chez Schneider Electric), le PA6T/66.GF50 (nouveau matériau pour cette application) ainsi que plusieurs autre matériaux permettant une meilleure compréhension du phénomène (PTFE, PC, PP, …). Les caractérisations diélectriques ont permis de mesurer des déclins de potentiel, des courants volumiques ainsi que des permittivités en fonction de la nature des matériaux. A partir de ces données, des mesures de claquage ont été effectuées. Deux configurations de champ électrique ont été testées (parallèle et perpendiculaire au solide). La géométrie « pointe-plan » a été sélectionnée, permettant l’observation de décharges partielles avant le claquage et donc une étude de la propagation de la décharge et non de l’initiation de celle-ci. Ces mesures ont permis de déterminer l’influence du solide sur la tension de claquage, avec une influence indirecte de la nature du matériau et sa teneur en eau. Dans notre configuration, la présence d’un isolant solide dégrade la tenue diélectrique. La permittivité est le paramètre influençant la tension de claquage, avec une réduction de celle-ci en présence de matériaux à forte permittivité (comme l’alumine). Aucun lien n’a pu être mis en évidence entre les mesures de déclin de potentiel et les tensions de claquage. Pour caractériser le développement de la décharge électrique le long de l’isolant solide, des visualisations et des mesures de courant ont été réalisés. Les visualisations ont permis d’observer deux types de décharges menant avant le claquage. Dans un premier temps le développement d’une décharge en surface « streamer de surface », puis celui d’une décharge dans le gaz « streamer de volume ». Ces observations ont permis de conclure que le streamer menant au claquage se développe majoritairement dans l’air en configuration de champ parallèle. Les mesures de courant ont apporté des informations sur l’initiation de la décharge, en montrant une réduction de la tension et du temps d’initiation de la décharge en présence d’un solide. Des résultats semblables ont été obtenus pour une large gamme de matériaux. Cependant certains matériaux de faible permittivité (PP, PTFE) se distinguent avec des tensions et des temps d’initiation retardés et aléatoires, semblables à ceux obtenus dans l’air sans solide. Il a été montré que l’initiation et la propagation n’influencent pas la tension de claquage en géométrie pointe-plan. Celle-ci est déterminée par la transition au claquage.Mots-clés : appareillages moyenne tension, tension de claquage, caractérisation diélectriques, streamers, courant transitoires, visualisations.


  • Résumé

    Comprehension and control of phenomena occurring under high voltage at the interface between a gas and a solid insulator.In the context of SF6 replacement in medium-voltage apparatus, a study of mixed electrical insulation (gas (air) / insulating solid) was carried out. The aim is to determine the influence of the nature of the solid on breakdown voltage. For this purpose several materials have been selected such as epoxy / silica (reference material of Schneider Electric), PA6T / 66.GF50 (new material for this application) and several other materials allowing a better understanding of the phenomenon (PTFE, PC, PP, ...). The dielectric characterizations allowed us to measure potential decay, currents and permittivities according to the nature of the materials. From this data, breakdown measurements have been carried out. Two configurations of electric field were tested (parallel and perpendicular to the solid). The "point-to-plane" geometry was selected, allowing the observation of partial discharges before breakdown and therefore a study of the propagation of the discharge and not of the initiation. These measurements show the influence of the solid on the breakdown voltage, with an indirect influence of the nature of the material and its water content. In our configuration, the presence of a solid insulator lowers the dielectric strength. The relative permittivity is the main parameter influencing the breakdown voltage, with a reduction of it in the presence of materials with high permittivity (alumina). It was not possible to establish a link between surface potential decay measurements and breakdown voltages. In order to characterize the development of the electric discharge along the solid insulation, visualizations and transient current measurements were achieved. The visualizations allowed the observation two types of discharges before the breakdown. First, the development of a surface discharge "surface streamer", followed by a discharge in the gas "volume streamer". These observations lead us concluding that streamers leading to breakdown develop predominantly in air above the surface in the parallel field configuration. Current measurements provide information on the initiation of the discharge. There exists a reduction of voltage and initiation time of the discharge in the presence of a solid. Similar results have been obtained for a wide range of materials. However, several low permittivity materials (PTFE, PP) show a different behaviour, with higher and scattered time delay and initiation voltage, similar to those obtain in air without solid. It has been shown that initiation and propagation do not influence the breakdown voltage in poi nt-plane geometry. The transition to breakdown mainly determines the breakdown voltage.Key words: medium voltage apparatus, breakdown voltage, dielectric characterization, streamers, transient currents, visualizations.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 22-10-2022

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