Essai diélectrique

La rigidité diélectrique d'un isolant n'est pas la même en fonction de la fréquence de la durée de la tension qui est appliquée à ses bornes. Pour tester de manière adéquate un appareil électrique, il faut déterminer les tensions et surtensions qui contraignent l'isolation en amplitude, en forme et en durée au moyen d'une analyse de réseau[10].

On différencie les surtensions temporaires, donc longues, et celle transitoire, courtes et généralement amorties[11]. Un certain nombre de formes de tension normalisée sont définies par les normes. Dans le tableau suivant l'abréviation f désigne la fréquence.

À ces signaux spécifiés pour les réseaux électriques en courant alternatif, il convient d'ajouter les formes de tensions pour le test des équipements à courant continu, ainsi que deux types d'essais courants pour les câbles et les transformateurs[15].

Ces essais ont pour but de vérifier la tenue de l'appareil dans le cas où une surtension à fréquence industrielle (50 ou 60 Hz) se produit sur le réseau, par exemple à la suite d'une perte de charge. Ils sont exigés pour toutes les tensions assignées. Selon la norme CEI, une tenue pendant une minute est exigée[12]. En fonction de la tension nominale, le niveau de tension d'essai varie entre environ 1,5 et 3XU_m, la tension maximale entre phases. Au plus la tension nominale est élevée au plus le facteur multiplicatif est faible[15]. Sauf mention contraire cet essai dure 60 s[19]. Pour les enroulements des transformateurs de conversion HVDC, cette durée est notablement augmentée à une heure[20].

Cet essai peut être accompagné de mesures de décharges partielles. Leur absence atteste de la qualité de l'isolation[21].

Pour les appareils électriques extérieurs, l'essai doit être fait à sec et sous pluie. Aucune décharge électrique (ou décharge disruptive) n’est admise pendant l’essai à sec. L’essai sous pluie peut être répété si une décharge se produit, mais aucune autre décharge n’est permise.

Différence entre l'essai de tension induite et appliquée pour les transformateurs

Dans le cas de l'essai de tension induite, l'isolation entre les tours est testés, pas dans le cas l'essai de tension appliquée

À cause de leur caractère fortement capacitif, les câbles électriques doivent être testés à basse fréquence (very low frequency, VLF) typiquement 0,1 Hz. Il s'avère en effet que les essais en tension continue ne reproduisent pas fidèlement les phénomènes de surtension pour les câbles[15], mais un essai à fréquence industrielle impliquerait un équipement de test conséquent afin de fournir la puissance réactive nécessaire à l'alimentation du câble. Avec une fréquence de 0,1 Hz, cette dernière est 500 fois plus faible, l'équipement nettement plus compact. La durée de l'essai est typiquement d'une heure[22].

À l'inverse les transformateurs sont testés à une fréquence plus élevée que la fréquence industrielle, typiquement deux fois cette dernière, afin d'éviter d'entrer en saturation. Le flux magnétique dans le circuit magnétique d'un transformateur est en effet proportionnel à ${\displaystyle {\frac {U}{f}}}$. En cas de surtension à fréquence constante, le flux augmente, le circuit sature. Une augmentation de la fréquence évite le phénomène[15].

En outre, les transformateurs subissent deux types d'essais distincts en tension alternative : en tension induite et en tension appliquée. Dans le premier cas, le transformateur est connecté comme en fonctionnement normal, c'est-à-dire qu'un courant traverse les enroulement, mais la tension à laquelle il est soumis est supérieure à celle nominale. Il permet de tester l'isolation entre les tours et entre les disques en même temps que l'isolation principale. Le transformateur étant connecté normalement, l'alimentation d'un enroulement induit une tension proportionnelle dans les autres enroulements. Dans le second cas, la même tension est appliquée aux deux bornes d'un enroulement simultanément, il n'y a donc pas de chute de tension à l'intérieur de celui-ci, le courant est nul, il n'y a pas d'induction dans les autres enroulements. Il sert à tester l'isolation principale, c'est-à-dire entre les enroulements et la cuve. Chaque enroulement doit être testé tour à tour[23].

Forme normalisée d'un choc de manœuvre.

Lors de l'ouverture d'un disjoncteur alimentant une charge inductive, une surtension transitoire apparaît, on parle de tension transitoire de rétablissement. Le choc de manœuvre est un essai destiné à prouver la tenue de l'isolation à une telle contrainte[15].

Le choc de manœuvre normalisé a un temps de montée, noté T_P, de 250 μs (tolérance ±20 %). Il correspond à la durée entre l'origine réelle et la tension de crête. Le temps de mi-valeur, T₂, vaut quant à lui 2 500 μs (tolérance ±60 %) et correspond à la durée entre l'origine réelle et le moment où la tension repasse en dessous de 50 % de la valeur crête de l'onde. La durée pendant laquelle la tension est supérieure à 90 % de la valeur crête est notée T_d[24].

Pour les transformateurs il faut noter que l'application d'un choc de foudre sur un enroulement induit une tension proportionnelle dans les autres enroulements comme dans le cas des essais en tension induite[25]. Dans certains cas, comme pour les transformateurs de conversion HVDC, des chocs de manœuvre appliqués sont réalisés, c'est-à-dire que le choc est appliqué aux deux bornes de l'enroulement simultanément, il n'y a alors pas de phénomène d'induction. Cela permet de tester un enroulement avec une tension supérieure à celles des autres multipliées par le rapport de transformation[26].

Ces essais sont exigés uniquement pour les tensions assignées supérieures à 245 kV dans les normes CEI.

La durée de montée d'une onde de choc de manœuvre est beaucoup plus lente que celle d'une onde de choc de foudre, de l'ordre de 250 microsecondes. À tension crête égale, la tenue en tension d'une isolation est généralement plus faible avec ce type d'onde de choc[27].

Forme normalisée d'un choc de foudre à onde pleine.

L'essai de choc de foudre permet de démontrer qu'un appareil électrique résiste à la chute de la foudre dans sa proximité. Par ailleurs, des phénomènes de réflexions apparaissent dans les lignes dans ce cas, l'appareil doit également pouvoir y faire face[15].

L'onde de choc de foudre normalisée est caractérisée par un front très rapide, le temps de montée, T₁ est égal à 1,2 μs (tolérance ±30 %). Le temps de mi-valeur, T₂, vaut quant à lui 50 μs (tolérance ±20 %)[28]. Afin de permettre une mesure précise du temps de montée, on fait passer une droite entre le point correspondant à 30 % de la valeur crête de la tension (A sur la figure) et celui correspondant à 90 % (B sur la figure). L'intervalle de temps entre le point A et B est noté T. L'intersection de cette droite avec l'axe des abscisses est l'origine virtuelle, notée O₁, qui généralement diffère de l'origine. Les temps T₁ et T₂ sont mesurés à partir de cette dernière. L'intersection de cette droite avec la valeur de crête permet de déterminer T₁. Autrement dit ${\displaystyle T_{1}={\frac {T}{0.6}}}$. T₁ n'est donc pas le temps de crête. T₂ correspond à la durée entre l'origine virtuelle et le moment où la tension repasse en dessous de 50 % de la valeur crête de l'onde[29].

Forme normalisée d'un choc de foudre hachée

Lors de chute de foudre, il peut arriver qu'un arc électrique se forme entre un élément sous haute tension et la terre. La tension monte alors rapidement sous l'effet de la foudre, puis chute brutalement quand l'arc électrique apparaît. En outre, les parafoudres qui protègent les postes électriques produisent le même phénomène. Le choc de foudre en onde coupée sert à reproduire ce phénomène sur l'installation[7].

Lors de sa phase de montée le choc de foudre en onde coupée est identique au choc de foudre en onde pleine. Lorsque la valeur d'essai est atteinte, un dérivateur est activé et la tension chute. Une droite est tracée entre le point correspondant à 70 % de la valeur crête de la tension lors de la descente (C sur la figure) et celle correspondant à 10 % (D sur la figure). La durée entre l'origine virtuelle et l'intersection de cette dernière droite avec la droite correspondant à la valeur de crête est appelée temps de coupure. Il est compris entre 2 et 5 μs[29].

Idéalement, une isolation aurait une valeur de tension de tenue bien définie en dessous de laquelle aucune décharge disruptive ne se produirait et au-delà de laquelle ces décharges seraient systématiques. À cause du caractère stochastique des phénomènes de décharges électriques, la probabilité d'avoir un arc augmente avec la tension appliquée dessinant une fonction de répartition empirique[4].

La procédure d'essai dépend du caractère autorégénérateur ou non de l'isolation.

Dans le cas où l'isolation testée est autorégénératrice, il faut prendre en compte le fait que le rétablissement de l'isolement après une décharge disruptive est une fonction du temps, il faut donc laisser un intervalle de temps suffisant entre les applications de la tension d'essai pour que l'isolation puisse retrouver sa tenue diélectrique complète[30].

Si l'isolation n'est pas autorégénératrice, tout arc provoque un endommagement de l'équipement. Il faut alors tester selon la procédure A. Le nombre de répétitions est limité : trois pour la polarité spécifié, et une tension au niveau de tenue normalisée. L'essai est réussi si aucune décharge ne se produit. On admet que la tension de tenue est celle testée avec succès[31]^,[32].

À l'inverse, si l'isolation est autorégénératrice, une décharge n'entraîne pas de dommage. On peut donc multiplier les décharges afin de déterminer avec précision la tension de tenue. Pour la procédure CEI B, une série de 15 chocs est appliquée pour chaque configuration d’essai et pour chaque polarité de tension. Les essais de tension aux chocs de foudre sont satisfaisants si le nombre de décharges disruptives ne dépasse pas deux pendant chaque série de 15 chocs[33]^,[34].

La procédure C, inspirée des normes américaines, consistent à appliquer 3 chocs consécutifs. Si aucune décharge ne se produit l'essai est réussi. Si une unique décharge a lieu, neuf chocs supplémentaires sont appliqués. Aucune autre décharge ne doit alors se produire. Si lors des trois premiers chocs plus d'une décharge a lieu l'essai a échoué[33]^,[35].

La procédure D consiste à appliquer un grand nombre de chocs à l'isolation afin de pouvoir tracer sa fonction de répartition empirique. L'essai est considéré comme concluant si la tension correspondant à une probabilité de 10 % d'avoir une décharge est supérieure à la tension de tenue spécifiée[36].

Lors des essais en tension continue, cette dernière est appliquée à l'élément à tester pendant 60 s sauf mention contraire. Aucune décharge ne doit se produire durant l'essai[37].

Dans le cas des transformateurs de conversion HVDC, l'essai dure deux heures, le niveau de tension est de 1,5 fois celui reçu en fonctionnement normal. Le niveau de décharges partielles doit rester sous certaines limites pour que l'essai soit validé[38].

Forme normalisée de l'inversion de polarité

L'essai d'inversion de polarité sert à reproduire le changement de polarité de la tension qu'effectuent les lignes HVDC utilisant la technologie de commutation par les lignes (LCC) à chaque inversion du flux de puissance. L'essai d'inversion de polarité normalisé consiste à appliquer une tension continue négative pendant une durée d'une heure trente, puis à inverser la polarité, donc au même niveau de tension mais en positif, d'attendre une nouvelle fois une heure trente puis à inverser une fois encore la polarité, toujours même niveau de tension, et de la maintenir pendant 45 minutes. Le niveau de tension comprend un facteur 1,25 par rapport aux contraintes réellement appliquées en fonctionnement normal. Le niveau de décharges partielles doit rester sous certaines limites pour que l'essai soit validé[39].

Les résultats des essais dépendent des conditions dans lesquelles ils sont réalisés. Dans le cas des tests visant à valider les distances d'isolement dans l'air, il est important de connaître ses propriétés au moment de l'essai. En effet, son humidité et sa densité influent sur les valeurs de tenue en tension mesurées[40].

La tension de décharge disruptive d'un chemin donné dans l'air augmente avec la densité de l'air[note 1] et diminue avec l'humidité[41]. Pour contourner ce problème, des facteurs de corrections sont appliqués aux valeurs mesurées afin de revenir aux conditions normalisées[42]^,[40].

L'atmosphère normalisée de référence est définie à une température de 20 °C, une pression de 1 013 hPa et une humidité absolue de 11 g/m³[43]. Un facteur de correction K_t est défini de telle sorte que [44]:

${\displaystyle U={\frac {U_{0}}{K_{t}}}}$

Ce facteur est lui-même défini comme : ${\displaystyle K_{t}=k_{1}\cdot k_{2}}$. Où k₁ est le facteur de correction de la densité de l'air et k₂ celui de l'humidité.

Les isolateurs ont leurs capacités diélectriques qui dépendent fortement des conditions d'essai

Les isolations externes doivent être soumises à des essais sous la pluie en plus des essais à sec pour toutes les formes de tension. En effet, la résistance surfacique des isolateurs peut changer fortement diminuer sous l'influence de l'humidité, il convient de vérifier l'absence de conduction. Pour réaliser cet essai l'isolation externe est aspergée d'eau, celle-ci devant avoir une température et une résistivité précise[45]^,[46]^,[6].

Afin de simuler la pollution, par exemple du sel marin ou de la poussière industrielle, s'accumulant sur les isolateurs le long de leur utilisation, des essais en pollution artificielle peuvent être réalisés. Deux méthodes existent : celle du brouillard salin et celle de la couche solide. Dans le premier cas, l'isolateur est placé dans une chambre d'essai dans laquelle une solution aqueuse à la salinité donnée est pulvérisée en fines gouttelettes sur l'isolateur avant de lui appliquer la tension d'essai. Dans le cas de la couche solide, du Kieselguhr ou du Kaolin, non soluble, est mis dans de l'eau, la conductivité du mélange est vérifiée, puis pulvérisée sur l'isolateur jusqu'à obtenir une couche uniforme sur sa surface. La mise sous tension peut avoir lieu avant ou après la pulvérisation selon le choix de la procédure[47].

Ces méthodes ont été développées pour les isolateurs en verre ou en céramique. Elles se montrent par contre peu adaptées pour les isolateurs en polymère, leur grande hydrophobie tend à rendre les résultats des essais non reproductibles (la couche de pollution n'est pas uniforme), la dispersion des mesures est très élevée. Des recherches ont lieu en 2013 pour trouver une procédure d'essai présentant à la fois un coût faible, une bonne reproductibilité et une bonne représentativité[48].