Physique des décharges dans des cavités internes à un diélectrique et implication pour le vieillissement électrique des isolants et son diagnostic – UltimatePD

Les décharges partielles dans les isolants solides (DP -une décharge électrique qui n'affecte pas la totalité de l'espace interélectrode séparant les parties portées à des tensions électriques différentes) et la façon dont elles affectent les propriétés des isolants ont été le sujet de nombreuses recherches depuis les années 1970. Les DP affaiblissent en effet les propriétés fonctionnelles des matériaux isolants sous contraintes (électrique, mais aussi thermique, mécanique, etc.) et conditionnent ainsi la fiabilité des systèmes électriques dont elles constituent une partie essentielle. L'érosion lente du matériau, particulièrement lorsqu'il s'agit de polymères organiques qui sont très sensibles à l'action des DP, peut conduire à la rupture diélectrique avec des conséquences pratiques importantes, telles que, par exemple; l'interruption de la production d'électricité (au cours de l'arrêt des machines de production); effet de "black out" sur une partie du réseau de transport lorsqu'un élément critique (câble de puissance par exemple) est mis hors service; perte d'une partie de la puissance électrique générée par le système dans lequel le composant est intégré. Deux domaines de recherche majeurs du LAPLACE sont la modélisation des phénomènes de décharges et les études en relation avec le vieillissement des isolants. Jusqu'à maintenant, ces activités se sont développées de façon largement indépendante, mais il est clair qu'il y a un intérêt évident à les faire converger. La raison en est que le scénario standard décrivant le vieillissement des isolants fait intervenir des décharges internes à des cavités gazeuses, inévitablement présentes dans les matériaux, et qui, au cours du temps, et après des claquages répétés de la phase gaz, conduisent à des dommages et éventuellement à la rupture de l'isolant. Les derniers développements en modélisation des décharges n'ont jamais été appliqués à de telles situations. Dans la communauté des "diélectriciens", la modélisation du claquage des gaz est traitée de façon très approximative. La communauté des physiciens du gaz est très active dans le domaine des microdécharges - générées dans de petits espaces. Quelques uns des paradigmes qui pourraient être traités par la modélisation des décharges sont (a) une quantification de la multiplication électronique dans les cavités pour des contraintes typiques de fonctionnement des diélectriques dans les systèmes; (b) une évaluation qualitative et quantitative des radicaux et photons générés dans les cavités; (c) la distribution en énergie des électrons et des ions sur les parois. La description de ces phénomènes nécessite la prise en compte du transport de charges dans l'isolant solide, domaine dans lequel les approches restent largement empiriques. Des modèles de transport de charge ont été développés mais ils restent très macroscopiques. Des expériences ciblées sont nécessaires pour les développer de façon plus rigoureuse. L'expérience du LAPLACE dans le domaine des microdécharges dans le contexte des écrans plasma est apportée au projet. De même, les acteurs du laboratoire dans le domaine du vieillissement des isolants apporteront leur contribution en définissant les conditions de référence et les paramètres d'intérêt en relation avec le problème posé. Un jeune CR CNRS, qui a déjà une expérience solide dans la modélisation des radicaux et des UV générés dans les décharges à barrière diélectrique et les claquages de type streamer, pilotera le projet. D'autres jeunes chercheurs impliqués dans le projet sont spécialistes du transport de charge et de la mesure de conductivité des isolants. Bien que le projet proposé ne porte que sur trois années, des objectifs à plus long terme peuvent être identifiés, parmi lesquels l'extension et l'adaptation des modèles au cas de cavités à fort facteur de forme, i.e. les microcanaux d'arborescence de quelques centaines de µm de long pour quelques µm de diamètre; développement d'un modèle de propagation impliquant la multiplication électronique le long des parois; développement d'un modèle de dégradation impliquant la chimie induite par le plasma; recherche des mécanismes de chargement des polymères cellulaires; développement d'outils de diagnostic dédiés aux décharges de faible amplitude.