1. La cause de la décharge partielle
La « décharge partielle » dite ainsi désigne une décharge dans laquelle seule une zone partielle du système d’isolation est soumise à une décharge sous l’action d’un champ électrique, sans qu’un canal de décharge traversant ne se forme. La principale cause de la décharge partielle réside dans le fait que, lorsque le diélectrique n’est pas homogène, l’intensité du champ électrique varie d’une zone à l’autre de l’isolant. Dans certaines zones, l’intensité du champ électrique atteint la valeur seuil de claquage, ce qui provoque une décharge, tandis que les autres zones conservent leurs propriétés isolantes. La structure d’isolation des grands équipements électriques est relativement complexe, les matériaux utilisés sont variés, et la répartition du champ électrique au sein de l’ensemble du système d’isolation est très inhomogène. En raison d’un design ou d’un procédé de fabrication imparfait, le système d’isolation peut contenir des vides d’air, ou encore, au cours d’un fonctionnement prolongé, l’isolation peut s’humidifier, ce qui entraîne la décomposition de l’eau sous l’action du champ électrique, la production de gaz et la formation de bulles. Comme la permittivité relative de l’air est inférieure à celle du matériau isolant, même si ce dernier est soumis à un champ électrique modéré, l’intensité du champ électrique dans le vide d’air ou la bulle sera très élevée, et une décharge partielle se produira dès que cette intensité atteindra une certaine valeur. En outre, la présence de défauts dans l’isolation ou de diverses impuretés mélangées, ou encore des connexions électriques imparfaites au sein de la structure d’isolation, peuvent provoquer une concentration locale du champ électrique, entraînant ainsi une décharge à la surface de l’isolant solide ou un potentiel flottant dans les zones où le champ électrique est concentré.
2. Types de décharges partielles
Du point de vue de l’emplacement, du processus de décharge et du phénomène de décharge partielle, celle-ci peut être divisée en trois types : décharge interne, décharge superficielle et décharge en couronne :
① Décharge interne
La cause courante des décharges partielles internes est l’existence de vides d’air dans les isolants solides ou de bulles d’air dans les isolants liquides. Le mécanisme de la décharge dans le vide d’air interne de l’isolant varie en fonction de la pression du gaz et du système d’électrodes. Du point de vue du processus de décharge, on distingue deux types : la décharge par ionisation sous l’effet des électrons et la décharge en forme de filament (« streamer ») ; quant à la forme de la décharge, on distingue deux formes fondamentales : la décharge impulsionnelle (de type étincelle) et la décharge non impulsionnelle (de type luminescence). En général, les décharges partielles sont des décharges impulsionnelles, et une impulsion de décharge isolée peut être observée à une certaine phase de la tension sinusoïdale à fréquence industrielle appliquée extérieurement. Théoriquement, le motif de décharge interne est symétrique sur les demi-périodes positive et négative de la tension à fréquence industrielle, mais, dans des conditions idéales, la résistance d’isolement du matériau isolant entourant le vide d’air ou la bulle n’est pas infinie, et la décharge peut se produire le long du vide d’air ou, en raison de la décharge superficielle sur la paroi de la bulle, les motifs réels de décharge aux périodes positive et négative de la fréquence industrielle ne sont pas parfaitement symétriques, ce qui dépend fortement de la configuration du système d’électrodes : plus la structure du système d’électrodes est symétrique, plus les motifs de décharge aux périodes positive et négative de la fréquence industrielle sont symétriques.
② Décharge en surface
À l’extrémité haute tension des équipements électriques, en raison de la concentration du champ électrique et de la résistance relativement faible à la décharge de surface, des décharges partielles de surface se produisent fréquemment ; le processus et le mécanisme des décharges de surface sur les isolants sont similaires à ceux des décharges dans les interstices d’air internes ou les bulles présentes dans l’isolant, mais ils en diffèrent. Une extrémité de l’espace de décharge est constituée d’un milieu isolant, tandis que l’autre extrémité est un électrode. Si le système d’électrodes est asymétrique, les motifs de décharge apparaissant pendant les demi-cycles positif et négatif de la fréquence du réseau sont également asymétriques. Lorsqu’une extrémité de la décharge correspond à une électrode haute tension et que l’électrode non soumise à décharge est reliée à la terre, la décharge du demi-cycle positif est importante, mais son nombre d’occurrences est faible, tandis que le nombre de décharges du demi-cycle négatif est élevé, mais leur amplitude est faible. Si le système d’électrodes est inversé, le motif de décharge s’inverse également.
③ Décharge corona
La décharge corona se produit généralement lorsque le conducteur à haute tension est entièrement entouré de gaz. Comme les molécules du gaz se déplacent librement, les particules chargées générées par la décharge ne restent pas fixes à une position donnée dans l’espace. Dans un système d’électrodes pointe-plaque, l’intensité du champ électrique est maximale au voisinage de la pointe de l’aiguille, ce qui provoque la décharge. Comme la polarité négative favorise facilement l’émission d’électrons et que les ions positifs entrent en collision avec la cathode, entraînant une émission secondaire d’électrons, la décharge apparaît d’abord sous polarité négative. Lorsque la tension appliquée est faible, les impulsions de décharge corona apparaissent près de la phase 90° du demi-cycle négatif de la tension appliquée et sont presque symétriques par rapport à 90° ; lorsque la tension augmente, un petit nombre d’impulsions de décharge, de grande amplitude mais peu nombreuses, apparaissent dans le demi-cycle positif.
Les formes ci-dessus constituent les trois formes les plus fondamentales de décharge partielle. En outre, la présence de gouttelettes d’eau dans l’isolant, d’impuretés conductrices et de corps à potentiel flottant dans les équipements électriques peut également provoquer des décharges partielles ; des décharges partielles à la surface des solides et des décharges coronaires peuvent également se produire à l’intérieur des isolants liquides.
3. Les dommages causés par les décharges partielles
La décharge partielle a un effet corrosif sur la structure d’isolation, et son mécanisme de dommage sur l’isolation comprend les aspects suivants :
① Les particules chargées (électrons, ions, etc.) heurtent l’isolant, détruisant sa structure moléculaire, par exemple en fragmentant les fibres, et l’isolant est ainsi endommagé ;
② En raison de l’impact des ions chargés, l’isolation subira une augmentation locale de température, ce qui provoquera facilement une surchauffe de l’isolation, et une carbonisation se produira dans les cas graves ;
③ L’ozone (O₃) et les oxydes d’azote (NO, NO₂) produits par les décharges partielles corroderont l’isolation ; en présence d’humidité, ils produisent de l’acide nitrique, qui érodera l’isolation de façon encore plus sévère ;
④ Lors d’une décharge partielle, l’huile se décompose sous l’effet de l’électrolyse et de l’effet de rayonnement Schottky de l’électrode, et comme elle contient certaines impuretés, il est facile que les boues issues de la polymérisation s’agglomèrent au niveau de la couche de papier (principalement dans l’isolation des enroulements ou dans d’autres coins isolants remplis d’huile). La formation de ces boues entraîne une augmentation brutale de l’angle de perte diélectrique tgδ de l’isolation, réduit la capacité de dissipation thermique et peut même provoquer une rupture thermique. Le développement continu de la décharge partielle étend progressivement la détérioration et les dommages subis par l’isolation, ce qui raccourcit finalement la durée de vie normale de l’isolation, diminue la résistance à court terme de l’isolation et peut même conduire à une rupture complète de l’isolation.