Approche physique du développement de streamers positifs sur une surface de glace = Développement of positive streamers along an ice surface : a physical approach

Dans les réseaux d'énergie électriques, une décharge apparaît généralement comme une défaillance du système d'isolation. Les isolateurs qui en sont les principaux éléments en sont aussi les plus vulnérables car étant très sensibles aux facteurs environnementaux. Même s'ils sont conçus pour opérer dans les conditions climatiques les plus sévères, dans un contexte de givrage atmosphérique, l'accumulation de glace sur leur surface réduit grandement leur performance. Ils deviennent alors, le siège de décharges partielles et d'arcs de contournement à des niveaux de tension plus bas qu'en absence de glace. Leur relative vulnérabilité en présence de glace sous-tend un besoin croissant d'amélioration des connaissances sur les mécanismes physiques impliqués dans le développement d'une décharge sur une surface de glace. C'est dans ce contexte que la Chaire Industrielle CRSNG/Hydro- Québec/UQAC sur le givrage des équipements des réseaux électriques (CIGELE) a élaboré un vaste programme de recherche basé sur l'étude et l'observation des décharges visibles se propageant sur une surface de glace. \n \nLes investigations entreprises dans ce projet se situent dans la continuité des travaux déjà amorcés à la CIGELE. Elles visaient à explorer davantage les caractéristiques des couronnes de streamers en présence de surface de glace et à interpréter les mécanismes physiques fondamentaux impliqués dans leur développement. La compréhension de ces mécanismes est l'ultime phase pour l'élaboration d'outils fiables de prédiction du contournement des isolateurs recouverts de glace. Elle facilitera en outre la conception d'isolateurs mieux adaptés au climat des régions froides, ce qui améliorera la fiabilité des réseaux de transport d'énergie dans des conditions de givrage atmosphérique. \n \nDes techniques sophistiquées de détection et de photographie, impliquant notamment un photomultiplicateur et une caméra ultra rapide fonctionnant en mode image par image, ont été appliquées afin d'observer et d'étudier le développement des streamers. La forme des isolateurs réels étant très complexe, un modèle physique de géométrie simple (tige-plan), avec différentes valeurs d'intervalle d'air et de rayon de courbure de l'électrode HT, a été utilisé. Les investigations ont été limitées aux faibles intervalles pour lesquels, il n'y a aucune tendance de formation de leaders. Pour analyser l'influence du niveau de pollution de la glace, différentes valeurs de conductivité d'eau de congélation ont été utilisées. L'effet de la présence d'une couche quasi-liquide sur la surface de glace a été aussi étudié en faisant varier la température. Des paramètres tels la tension et le champ d'apparition des streamers, la durée de la décharge et la vitesse de propagation des streamers ont été analysés. Les courants associés aux streamers ont été mesurés pour étudier l'effet de la présence de charges surfaciques sur le développement de la décharge. Les investigations ont été aussi parallèlement effectuées en absence de glace (cas de l'air) pour comparer les caractéristiques des streamers dans ces conditions avec celles en présence de surface de glace. \n \nLes résultats obtenus ont montré que la présence d'une surface de glace dans l'intervalle des électrodes modifiait considérablement les caractéristiques d'amorçage et de propagation des streamers. Il a été noté que l'augmentation de la conductivité de l'eau de congélation ou de la température induisait une réduction du champ d'apparition des streamers et accentuait leur vitesse de propagation. Ces observations ont été attaches à l'existence sur la surface de glace d'une couche quasi-liquide, dont les propriétés physiques et électriques sont très favorables au développement rapide des streamers. Cependant pour une glace faiblement polluée, les caractéristiques des streamers étaient comparables à celles dans l'air. Dans ce cas la décharge pouvait d'ailleurs se propager entièrement ou partiellement dans l'air, loin de la surface de glace. D'autre part, en présence de glace, les enregistrements de la caméra ont montré que la taille des couronnes était plus faible que dans l'air. De plus, contrairement au cas de l'air, la décharge pouvait s'amorcer dans la zone centrale de l'intervalle, loin des électrodes, et se compléter avec l'apparition d'un streamer indépendant dans la région de la cathode. Les charges déposées sur la surface de glace avant le début de la propagation ont justifié l'existence de tels phénomènes. En évaluant leur influence sur la distorsion du champ tangentiel, il a été établi qu'elles contribuaient à l'augmentation de la vitesse des streamers plus largement que la permittivité de la glace. L'analyse des mécanismes physiques intervenant dans le développement des streamers a permis de montrer aussi qu'en présence de surface de glace, les ionisations dues au champ du tangentiel intense en tête du streamer sont plus abondantes que les photo-ionisations dans l'air. Cette analyse a permis largement d'expliquer les niveaux de vitesses mesurées en présence de surface de glace ainsi que les observations sur l'aspect physique des streamers.

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