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Phénomènes pré-disruptifs dans les liquides
(“streamers”)
Olivier LESAINT
Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble (G2E lab)CNRS Grenoble INP / Université Joseph Fourier
� Domaine beaucoup moins avancé que dans les gaz !
� Plus récent1954Liao & Anderson / rotating film -1966Stekol'nikov / streak camera -1961Farazmand Strioscopie
� Peu (pas) de modèles prédictifs, beaucoup de caractérisation
� physique de base mal connue, conditions locales « extrêmes »� Champs locaux >> MV/cm : porteurs de charges ? injection ? …
� dynamique du changement de phase? (vitesses > 100 x Vson)
� Domaines d’applications essentiels:• Isolation électrique
• Imprégnation d’isolants solides (câbles, condensateurs)
• Isolation très haute tension (transformateurs – 800kV)
• Dépollution ?• Décharges dans l’eau
Phénomènes précurseurs du claquage des liquides
• I - Phénoménologie phénomènes prédisruptifs� caractères « génériques »
• II - Nature gazeuse des canaux
• III - Propriétés électriques « macroscopiques » des canaux
• IV – Applications (dépollution)
Objectifs présentation
I - une très large variété de phénomènes …
� Terme générique “streamer” (inapproprié …)
� “Modes”: typologie descriptive (vitesse, … )
0.1km/s« 1er mode »
2 km/s« 2nd mode »
2 km/s« 2nd mode »
> 100 km/s« 4ème mode »
304 kV 424 kV 160 kV
30 kV 14 kV 8 kV
100 µm
10 km/s« 3rd
mode »
Inception voltage (kV)
Tip radius (µm)0
4
8
12
16
20
0 2 4 6 8 10
Vs
Vp
ro rc
2d mode streamers
1st mode streamers
I - exemple: transition 1er / 2èmemode (pentane)
100 m/s
2 km/s
� Transition brutale ⇔⇔⇔⇔ seuil de tension Vp
0,1
1
10
100
1000
0 100 200 300 400 500
Ester naturelEster synthétiqueHuile minérale
Vitesse moyenne de propagation (km/s)
Tension (kV)
Va
2ème mode (continu) 4ème mode
3ème mode
(discontinu)
I – transition 3/4èmemodes:
ester naturel(Tran Duy et al. IEEE TDEI 2010)
Premier saut
type II
Tension appliquée (kV)
Vitesse moyenne (km/s)
types III + II
I - autre exemple: eau
0.1 mm
0.4 cm
- 23kV
t
V
0 0.2µs
20kV/div Applied voltage.
200mA/div Current.
200ns/div Time.
Liquide très spécifique:ε = 80σσσσ = 0,1 – 1000 µS/cm
“modes” comparables, mais à des tensions <<
� géométrie pointe-plan(rp ≈≈≈≈ 0.5 - 10 µm)� hydrocarbures ultra purs, pointe négative�impulsions de courant indépendantes de la pression
( 0 – 250 bars)
II - Nature gazeuse. Processus élémentaire: génération d’unecavité par une avalanche électronique(Denat et al. IEEE EI 88)
Cyclohexane100µA 50 ns /div.rp = 4 µm, 8 kV, 40bars
5 nJ, 5 kV
E > 7MV /cm
Avalanche électronique en phase liquide
génération d’une cavité gazeuse
Photodiode Laser
HT
Courant
II - nature gazeuse: dynamique cavité
Diamètrecavité
Expansion R max. Implosion
80
100
120
140 Pressure wavesShock wave
Am
plit
ud
e (
mV
)
Onde de chocOndes de pression
0 200 400 600 800 1000 12000
200
400
600
800 P = 0.5MPa
Rm
∆t
Bubble in cyclohexane (Wi = 7.26nJ)
Integrated current pulse
Time (ns)
� Dynamique≈ bulle de cavitation
0,1 1 10
0,01
0,1
1
Pc
∆t [µ
s]
P∞ [MPa]
∆t1 (first rebound)
∆t2 (second rebound)
theoretical curves ∆t ∝ P∞-5/6
∞
∞=∆P
Rt ray
ρ**91468,0
Modèle de Rayleigh(incompressible, non visqueux, bulle vide)
Bilan énergétique(volume de liquide vaporisé) Wi – énergie injectée
* dynamique → inertie du liquide* forces électriques → effet négligeable* cavité →→→→ essentiellement constituée de vapeur
3/1
=
∞P
WkR i
W
II - cavité: modèle hydrodynamique
0 200 400 600 800 10000
1
2
3
4
5
6R(µµµµm) P∞∞∞∞=0.5MPa
P∞∞∞∞=1.2MPa
temps(ns)
filament lifetime
maximum diameter
II - nature gazeuse: canaux “2èmemode”
Laser beam
Photodiode
10 µm
200 µm
(pentane, 17 kV, 1.1MPa)
(Gournay et al. J Phys D 94)
“streamer”= canal vapeuren expansion
Coupure filaments
10
100
1000
104
105
0 2 4 6 8 10
Measured filament lifetime (ns)Calculated Rayleigh lifetime (ns)
Filament lifetime (ns)
Hydrostatic pressure (MPa)
CH, 2.5mm, 17 kV
II - nature gazeuse: influence pression hydrostatique
P ↑↑↑↑ : large réduction - durée de vie des canaux(���� arrêt propagation)
- diamètre canaux
1
10
100
0 2 4 6 8 10
Filament diameter (µm)
Hydrostatic pressure (MPa)
CH, 2.5mm, 17.5 kV
(Gournay et al. J Phys D 94)
0
1
2
3
4
5
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Vitesse de propagation (km/s)
Pression hydrostatique (MPa)
P ↑↑↑↑ : vitesse inchangée
II - nature gazeuse: influence de la pression
(pentane, 17 kV)
(Gournay et al. J Phys D 94)
0.2µs
1µs
10µs
40µs
60µs
1 mm
24kV / 300ns
Creation
Expansion Implosion
Collapse
dm
tm
II - Autre exemple: eau
εεεε + conductivité élevés� Dissipation d’énergie >>
� diamètre canaux >>
II - mécanismes de propagation ? 100 µm
strioscopie, pentane
�Changement de phase (10W)
� onde de choc
� champ très fort ( ≈≈≈≈ 10MV/cm)
� influence additifs (aromatiques)
* Mécanismes injection de charge ?ionisation de champmultiplication electroniquedissociation renforcée (Onsager)
•Vitesse propagation ?
•Phénomènes électro-mécaniques ?P Electrostatique ≈ 100 Bars
•ramification ?•…
Onde de choc(cône de Mach)
Canal (vapeur) en expansion
����nécessairement gazeux pour assurer la propagation
(pas de porteurs de charge rapides en phase liquide)
�hors équilibre pression (spatial, temporel)
�Siège de “décharges”
* Mécanismes de conduction ?
II - Corrélation vitesse⇔⇔⇔⇔ pression interne
filament lifetime
maximum diameter
1er mode
100 m/s 1 – 10 bars
2èmemode
2 km/s10 – 100 bars
100 - 1000 Bar ?3/4èmemode
30 km/s
0
2
4
6
8
10
0 50 100 150 200
Stopping length of2d mode streamers (cm)
Applied voltage (kV)
point-plane, d= 10 cm
⇒ arrêt dû à la chute de tension V sdans le streamer
V V - Vs
E = Vs / ls
Epropa.
Epropa < Ecritique (≈≈≈≈ 10MV/cm) ⇒⇒⇒⇒ arrêt de la propagation
III - propriétés électriques : chute de tension dans le canal(Massala et al. IEEE EI 98)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 100 200 300 400 500
Stopping length (cm)
Applied voltage (kV)
d=35 cm
20 cm
10 cm
5 cm
III - propriétés électriques : chute de tension dans le canal
⇒ huile minérale (2ème mode, 2km/s)
E ≈ 5 to 30 kV/cm
∆V
∆ls
⇒ eau (3ème mode, 30 km/s)
E≈ ∆V / ∆ls = 12 kV/cm
⇒⇒⇒⇒ E ↓↓↓↓ quand i ↑↑↑↑ (# arc électrique)
* quand la tension V ↑↑↑↑* quand la vitesse v ↑↑↑↑* quand la capacité linéique dC/dx↑↑↑↑
⇒⇒⇒⇒ E ↑↑↑↑ quand Pression↑↑↑↑ (# décharge dans un gaz)
Liquides isolants:
i ~ V (dC/dx) v
III - chute de tension: paramètres sensibles
V
V - Vs
i
C
dC
5
6
789
10
20
30
40
10 100
E (kV/cm)
C(pF/m)
Mineral oil
Creeping streamers
0
5
10
15
20
0 50 100 150 200 250 300 350
El (kV/cm)
Applied voltage (kV)
Vb
influence tension appliquée / vitesse(2 & 3ème modes)
III - chute de tension dans le streamer (huile minérale)
⇒ influence “capacité linéique” dC/dx(streamer rampant P. Atten & A. Saker IEEE EI 96)
dépend ε, épaisseur
(Massala et al. IEEE EI 98)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
5 10 15 20 25 30
Longueur d'arrêt (mm)
0.1 MPa 0.5 MPa1.5 MPa
Tension appliquée (kV)
2.5 MPa
4.5 MPa
6.5 MPa
III - chute de tension dans le streamer (pentane, 2èmemode)
influence pression hydrostatique
7kV /mm (P atm)
75 kV / mm (65 bars)
Tension seuil propagation inchangée
(Gournay et al. J Phys D 94)
Ouverture
Courant (8A)
Lumière
Tension (20kV)
0,7 µµµµS/cm 102 µµµµS/cm
Tension(50kV)
OuvertureCourant
(20A)
Lumière
528µµµµS/cm
Ouverture
Courant (40A)
Lumière
Tension (50kV)
Forte influence conductivité sur courant & lumière
Aucune influence sur la vitesse de propagation
III - Un cas particulier: l’eau
(Thèse Dang, Grenoble 2010)
0.01
0.1
1
10
100
10 100Tension appliquée (kV)
Cha
rge
des
stre
amer
s (C
)
Applied voltage (kV)
Streamer charge (µC)
0.1µS/cm1µS/cm
10µS/cm
100µS/cm
500µS/cm
0.00001
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
10
100
10 100
Tension appliquée (kV)
Lum
ière
inté
grée
(nC
)
Applied voltage (kV)
Integrated light (arb)
courant, énergie dissipée, émission de lumière augmentent fortement au-delà de ≈≈≈≈ 10µS/cm
III - Un cas particulier: l’eau
R
C
0.1
1
10
100
0.1 1 10 100 1000Conductivity (µS/cm)
Str
eam
er c
harg
e (
C)
ττττ = 0.7µµµµs
ta >> ττττ
ta << ττττ
Streamer charge (µC)
Conductivity (µS/cm)
tstreamer <<ρερερερε
Courant de déplacementseul (C)
Courant de déplacement+ conduction (C + R)
large pertes Joules autour du streamer (R)
III - Un cas particulier: l’eau ε = 80σ= 0,1 – 1000 µS/cmTemps de relaxation εσεσεσεσ = 70µs – 7 ns
tstreamer >>ρερερερε
Distance: 20 cm V: 256 kV 10 µs
Current (0.5 A/div.)
Emitted light
10 µs
Voltage
III - émission de lumière et courants transitoires …
⇒ conduction généralement“intermittente”
streamer joignant les électrodes sans claquage
* Mécanismes de conductiondans les filaments gazeux ?
- "tube liquide" très fin (10-100µm)
- pression élevée, non homogène, température ?
* différents mécanismes existent(≡différents modes de propagation)
* spectroscopie ≅≅≅≅ inutilisable dans les hydrocarbures !
* Azote liquide (3 & 4èmemodes, Frayssines 2001)
- densité électronique 1018 cm-3 (Stark broadening of H-Balmer lines)
- Tr (kinetic temperature) 3000 K
* Eau (3 & 4èmemodes, Bonifaci 2007)
- densité électronique 5-8 1018 cm-3 (Stark broadening of H-Balmer lines)
- Tr (kinetic temperature) 3600 – 4000 K (Simulation bande OH band avec Tr comme parametre ajustable)
•
III - caractérisation spectroscopique …?
LN2
T=77K
LN2
T=77K
N and N2
central
region
T=350K
N2
Peripheral region
3000KLN2
T=77K
LN2T=77
K
≅ 100-250µm
Ne~0,6-11024m-3
Ng~1-7 1026 m-3
III - caractérisation spectroscopique, azote liquide (3&4èmemodes)
IV – application: dégradation de polluants organiques
�(très) mauvaise efficacité énergétique !
• décharge haute pression ⇒⇒⇒⇒ recombinaison OH⇒⇒⇒⇒ H2O2 essentiellement• pertes par effet Joule …
5 mm
527µS/cm
Streamers « 3 & 4ème modes » dans l’eau �UV, OH, H2O2, ondes de chocs …
Dégradation de polluants organiques(Thèse T.H. Dang 2010)
(Thèse Dang, Grenoble 2010)
-5
-4
-3
-2
-1
0
0 1 109 2 109 3 109 4 109 5 109 6 109
ln(C/Co)
Wrel
(J/mol ClPh)
Streamer K = 0.2x10-9 (mol/J)
Corona K = 21x10-9 (mol/J)
Spark K = 10x10-9 (mol/J)
sans FeCl2
IV – exemple: dégradation 4 - chlorophenol
Ln[C/Co] ≈≈≈≈ -kWrel
Chemical yield K(µmol/kJ)
Streamer
(eau) Arc
(eau) Pulsed Corona
(air)
without FeCl2 0.2 10.1 21 4-CP
with FeCl2 5.0 15.3 36
without FeCl2 0.03 1 32 4-NP
with FeCl2 2.7 6.8 51
(Thèse Dang, Grenoble 2010)
� mécanismes de décharge dans les liquides- large variété de phénomènes- changement de phase = étape indispensable- difficulté: conditions extremes (P, T, E), physique ?- pas de modèles
� applications - isolation électrique- dépollution
���� oxydation de polluants: efficacité faible
Conclusions …
� collègues G2Elab (R. Tobazéon, A. Denat, N. Bonifaci…)� partenaires (EDF, Schneider Electric, Alstom, AREVA, IREQ, …)� étudiants (P. Gournay, G. Massala, T.V. Top, P.E. Frayssines, T.D. Chau.…)
Remerciements …
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