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ET_5 Chapitre 2 : Décharge couronne et phénomène de foudre (cours de réseaux ha

ET_5 Chapitre 2 : Décharge couronne et phénomène de foudre (cours de réseaux hautes tensions) Dr. Onana Essama B.G., PhD en Energie-systèmes Electriques et Electroniques/Dpt de Génie Electrique/ENSET D’EBOLOWA/UYI Page 1 Chapitre II DECHARGE COURONNE ET PHENOMENE DE FOUDRE 1. Aspect physique de la décharge couronne Avec le développement des réseaux électriques et la répartition inégale de l'énergie dans le monde, des lignes de transport de haute tension sont construites pour transporter l'énergie vers le consommateur, et sous l'effet de surtensions dues à la foudre ou aux opérations de manouvre, les défauts dans les lignes de transmission sont souvent accompagnés d'une décharge couronne. Cette dernière se produit autour de la surface des conducteurs est accompagnée avec des perturbations d’énergie électrique le long des lignes de transmission aériennes, production des gaz (Ozone), vibration des conducteur, bruit audibles et interférences radiotélévision. Cependant le phénomène de l’effet couronne possède un effet bénéfique sur la réduction réduire des surtensions transitoires se propageant sur les lignes de transmission. L’aspect physique de développement de la décharge couronne et une description sur les différents types de décharges dans l’air ainsi que ses utilisations dans l’industrie, ses avantages et ses inconvénients sont présentés dans ce chapitre. 1.1. Développement de la décharge couronne pour déférentes polarités de la tension appliquée Selon la polarité de l’électrode et l'intensité du champ électrique, la décharge couronne peut être positive ou négative. On distingue, en effet plusieurs modes de décharges couronnes. Pour une polarité positive, les électrons libres naturels et ceux créés lors des avalanches électroniques se déplacent vers l'anode dans la zone où le champ électrique est le plus intense, ainsi ils sont rapidement captés par l'anode, ce qui a pour effet de laisser dans l'espace entre les électrodes les ions positifs, autre produit des avalanches électroniques, ces ions positifs sont plus lourds et plus lents que les électrons et forment la charge d'espace positive qui se déplace vers la cathode, où le champ électrique est moins intense. Cependant dans le cas d’une polarité négative, les électrons libres naturels et ceux créés lors des avalanches électroniques sont repoussés par la cathode vers la zone de champ électrique plus faible. Ceux-ci se recombinent rapidement avec les molécules neutres et forment des ions négatifs. Pendant ce temps, les ions positifs créés lors des avalanches ET_5 Chapitre 2 : Décharge couronne et phénomène de foudre (cours de réseaux hautes tensions) Dr. Onana Essama B.G., PhD en Energie-systèmes Electriques et Electroniques/Dpt de Génie Electrique/ENSET D’EBOLOWA/UYI Page 2 électroniques s'approchent de la cathode dans la zone de champ intense. Ils sont captés avant que les ions négatifs ne s'éloignent suffisamment de la cathode pour ne plus modifier le champ électrique dans la zone active. Les ions négatifs forment alors la charge d'espace négative. Physiquement en tension alternative, c.à.d dans le cas où y’a les deux polarités de tension : positive et négative, il est possible de voir apparaître 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 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. 1.2. Conditions d’apparition de l’effet couronne Si le potentiel appliqué entre conducteurs d'une ligne de transmission ou entre des cylindres concentriques augmente progressivement, une tension est finalement atteinte à laquelle un bruit de sifflement est entendu et s'il fait sombre, une lumière violette pâle est visualisée autour des conducteurs (Figure 2.1). Cette tension s'appelle le point critique visuel de la couronne. La perte augmente très rapidement lorsque la tension augmente au-dessus de ce point. La lueur ou la panne commence en premier près de la surface du conducteur, car la densité ou le gradient de flux diélectrique est le plus important. Figure 2.1 Effet couronne sur les lignes de transmission. ET_5 Chapitre 2 : Décharge couronne et phénomène de foudre (cours de réseaux hautes tensions) Dr. Onana Essama B.G., PhD en Energie-systèmes Electriques et Electroniques/Dpt de Génie Electrique/ENSET D’EBOLOWA/UYI Page 3 Les premières enquêtes sur la couronne ont été publiées par le pionnier F. W. Peek (1881-1933) en 1911. Parce que l’effet couronne est devenu un sujet important pour l'intérêt de la recherche, des investigations considérables ont été faites pour mieux comprendre ce phénomène. Dans de nombreux pays, des recherches expérimentales ont été réalisées sur l'environnement électromagnétique des lignes HVDC, des recherches ont produit de nombreuses formules empiriques pour le calcul de la perte couronne, du bruit audible et des interférences radio. Un certain nombre d'études expérimentales a été effectuée, utilisant une configuration cylindrique concentrique pour déterminer le gradient de transition couronne de conducteurs cylindriques lisses à l’aide d’un générateur de haute tension et de matériels de mesure et de protection. La Figure 2.2 en présente un exemple. Figure 2.2 Setup : cage couronne et système de mesure numérique Une formule empirique des conducteurs sur un cylindre lisse est en fonction d'un champ superficiel, de rayon du conducteur et de la densité de l'air, a été développée par Peek, donnant le champ électrique critique pour l’apparition couronne où cette formule a été trouvée quand Peek a utilisé le setup de mesure illustré sur la Figure 2.3. Où: Ec : est le champ critique en kV/cm ; Ep : est le champ superficiel, Ep = 31 kV/cm ; K : est égale à 0,308 ; r0 : est le rayon du conducteur, en cm ; δ : est la densité relative de l'air ; δ = 1 pour P=76 cm Hg et T = 25 °C ; T : est la température, en °C ; P : est la pression de l'air, en cm Hg. ET_5 Chapitre 2 : Décharge couronne et phénomène de foudre (cours de réseaux hautes tensions) Dr. Onana Essama B.G., PhD en Energie-systèmes Electriques et Electroniques/Dpt de Génie Electrique/ENSET D’EBOLOWA/UYI Page 4 Figure 2.3 Montage de mesure utilisé par F.W.Peek. Cette formule, reliée à l'effet de couronne, montre un effet non-négligeable de la température ambiante sur le champ critique Ec, ainsi que l'état de surface du conducteur qui est très important dans la détermination du champ électrique. La rugosité superficielle réduit le champ critique, et on rend compte de cet effet en attribuant au conducteur un coefficient expérimental ‘m’inférieur ou égal à 1, appelé coefficient d’état de surface. Le champ critique E0 d'un conducteur imparfaitement poli s'exprime alors sous la forme : 0= D’une manière générale, les surtensions impulsionnelles survenant sur les lignes de transport sont susceptibles de provoquer une décharge couronne dans la plupart des cas, car la tension d’apparition couronne est presque toujours dépassée. Cette tension est un paramètre important tandis que les ingénieurs concepteurs considèrent pour optimiser les dimensions et les configurations des conducteurs de faisceau, et elle est également importante pour les études d'atténuation de surtension. Diverses formules empiriques ont été proposées dans la littérature pour calculer la tension d'amorçage des conducteurs cylindriques. La formule modifiée de Peek est utilisée pour une configuration coaxiale et elle est donnée par la formule suivante: Où : rb et r0 sont respectivement le rayon intérieur et extérieur de l’électrode cylindrique coaxial. Pour une configuration conducteur au-dessus du sol, la formule suivante est utilisée [13]: ET_5 Chapitre 2 : Décharge couronne et phénomène de foudre (cours de réseaux hautes tensions) Dr. Onana Essama B.G., PhD en Energie-systèmes Electriques et Electroniques/Dpt de Génie Electrique/ENSET D’EBOLOWA/UYI Page 5 h : est la hauteur du conducteur par rapport au solen [m]. 1.3. Application et utilisation de l'effet couronne La génération des charges électriques dans le phénomène d'effet de couronne est utilisée dans plusieurs procédés industriels intéressants tels que les précipitateurs électrostatiques, destruction des polluants, la vaporisation électrostatique, la dépollution des gaz, la séparation électrostatique, traitement de surface, charger électriquement des isolants sous forme de plaques ou de granulés, générateur d’ozone, comme elle est utilisée dans l’élimination de l’électricité statique dans les photocopieuses ou les imprimantes à jet d’encre, et dans les neutraliseurs. Le chargement des particules ciblées à l'aide des charges électriques générées par l'effet de couronne, peut recueillir des poussières nuisibles avant leur évacuation dans l'air ou encore expulser de fines particules (ex: peinture) à un débit très précis et régulier. Quant aux cas des lignes électriques, lorsqu'une surtension transitoire survient sur une ligne en raison d'une foudre ou d'une opération de manouvre, elle se propage dans les deux directions et peut devenir néfaste pour l'équipement de la ligne et de station. Des études appropriées de coordination d'isolement doivent être faites pour s'assurer que ces surtensions sont effectivement atténuées avant qu'elles ne touchent les terminaux d'équipement. A cet égard, l’effet couronne uploads/Industriel/ chapitre-ii-reseaux-electriques.pdf