Isolateur

Isolateur électrique en céramique destiné aux lignes électriques.

Isolateur d'antenne long-fil.

Un isolateur est un composant électrotechnique destiné à fixer, maintenir ou soutenir les conducteurs électriques nus. On trouve des isolateurs en particulier sur les lignes à haute tension, mais aussi sur les lignes télégraphiques ou dans les postes électriques. Ils assurent l'isolation entre les conducteurs et les pylônes.

Il ne faut pas confondre isolant et isolateur : le premier désigne la propriété d'un matériau qui consiste à ne pas conduire l'électricité ; le second désigne le composant fait de matériau isolant.

Présentation

Isolateurs en silicone sur une ligne haute tension à 110 kV

Isolateur verre de caténaire

Isolateur synthétique de caténaire

Historiquement les isolateurs étaient réalisés en verre, ou céramique (dérivés de stéatite par exemple), on en trouve maintenant en matériau synthétique.

Les isolateurs verre ou céramique des lignes à haute tension ont en général la forme d'une assiette. On les associe entre eux pour former des chaînes d'isolateurs. On trouve aussi des isolateurs sous forme de colonne, avec toujours un profil en ailettes pour allonger la ligne de fuite, c'est-à-dire la distance aux bornes de l'isolateur, mesurée en suivant le profil de l'isolateur.

Depuis la fin du XX^e siècle, les matériaux composites sont de plus en plus utilisés pour fabriquer des isolateurs : en réalisant un axe central en fibre de verre et en surmoulant par dessus une matière silicone ou EPDM. Les isolateurs composites sont plus légers, en général moins chers et présentent une excellente hydrophobicité. Ils sont en particulier prisés pour les zones fortement polluées et dans les zones urbaines où ils résistent mieux au vandalisme.

Vieillissement

Deux phénomènes entraînent le vieillissement des isolateurs et conduisent à deux phénomènes différents ; la perforation de l'isolateur par un arc électrique dans son volume et le contournement de l'isolateur à sa surface par un arc électrique :

• pour la perforation, des décharges partielles se produisent au voisinage des imperfections des isolateurs (vide, inclusion, inhomogénéité), et vont progressivement ronger l'isolateur, jusqu'à l'apparition d'une décharge complète détruisant par explosion l'isolateur (décharge intrinsèque-perforation) ;
• quant au contournement, il faut distinguer deux cas :
  • le premier est dû à une surtension (foudre par exemple) qui provoquera une décharge électrique à la surface de l'isolateur suivant des mécanismes à peu près similaires aux décharges dans les intervalles d'air (streamer et/ou leader),
  • le second est dû à la pollution atmosphérique et représente une des causes principales des interruptions de l’alimentation en énergie des réseaux électriques. La maîtrise des conditions optimales du fonctionnement de ces réseaux, vis-à-vis de ce type de défaut d’isolement commence par le choix d’isolateurs qui présentent les meilleures performances sous pollution. À ce titre, plusieurs solutions comme l’allongement de la ligne de fuite des isolateurs, le graissage, le lavage sous tension, ont été envisagées. Une autre approche du problème consiste à jouer sur la nature du matériau isolant et qui conférerait à ce dernier des meilleures performances isolantes. Nous citerons à titre d’exemple les matériaux à base d’EPDM, de silicone ou encore des isolateurs en céramique dopés avec des semi-conducteurs. Toutefois, ces solutions ne sont pas définitives et présentent elles aussi des inconvénients dont les plus connus sont la sensibilité des matériaux synthétiques aux rayonnements UV et aux attaques acides ou la tendance à l’érosion des isolateurs dopés avec des semi-conducteurs ainsi que les isolateurs en matériaux synthétiques.

La chronologie du processus qui mène au contournement est constituée essentiellement de quatre grandes phases :

• dépôt d'une couche solide constituée de sels et de matériaux insolubles, sauf dans le cas d’une pollution marine où la pollution est sous la forme d’embruns marins ;
• humidification de la couche de pollution et circulation d'un courant dû à la dissolution des sels contenus dans le dépôt (formation d’un électrolyte) ;
• apparition de bandes sèches dues à l'échauffement par effet Joule résultant de la circulation du courant et conduisant à l'amorçage de décharges locales ;
• élongation des décharges jusqu'à court-circuiter l'isolateur : contournement.

Le dépôt de la couche de pollution résulte de la concomitance de plusieurs facteurs tels que les conditions climatiques, le champ électrique, la force et la direction du vent, la position d’accrochage des isolateurs, leurs formes et le type de matériaux qui les constitue (verre, porcelaine, silicone composite, élastomère et polymère). Après la formation de la couche de pollution, un processus d'humidification de la surface polluée de l'isolateur intervient graduellement en présence de brouillard, de rosée et de petite pluie fine. Dans les régions à faibles pluviométrie, il existe deux types d’accumulation de pollution et d’humidification ; la première est progressive et dynamique avec le temps et la seconde est brutale comme c’est le cas des siroccos accompagnés de pluies à fort degré de poussière. Les sels contenus dans le dépôt se dissolvent créant ainsi un électrolyte rendant de ce fait la couche polluante conductrice. Il s’établit alors un courant de fuite dont l'amplitude dépend du temps, de la nature et de la quantité des sels et des produits insolubles contenus dans le dépôt polluant ainsi que du degré d’humidification. La circulation du courant de fuite va chauffer le film de pollution qui recouvre la surface de l'isolateur. Cet échauffement va donner suite à une évaporation de l'humidité contenue dans la couche de pollution. La puissance dissipée par effet Joule se fera par convection du dépôt vers l'air ambiant et par conduction thermique à travers la couche de pollution. Cette évaporation va continuer jusqu'à l'assèchement de certaines zones. La densité du courant de fuite devient très importante aux extrémités des zones sèches, favorisant ainsi l'extension de ces dernières jusqu'à la création de bandes sèches. À partir de ce moment, le courant s'annule et la résistance de la couche de pollution prend une valeur très grande. La répartition du potentiel sur l'isolateur est modifiée par la présence de ces bandes sèches et la plupart des lignes de champ électrique se concentrent en ces bandes. Par conséquent, la tension est essentiellement appliquée aux bornes de ces bandes. Des décharges locales apparaissent par rupture diélectrique dans l'air et le courant se remet à circuler. Deux scénarios sont possibles : soit la décharge s'éteint, soit elle évolue jusqu'au contournement. Dans le premier cas le courant de fuite est inférieur à une certaine valeur et la situation reste stable ; la résistance en série avec la décharge limite le courant et la longueur de cette dernière. Par contre, si le courant de fuite atteint un seuil dit « critique », et que certaines conditions sont remplies, alors le contournement se produira.

Selon les normes CEI, IEEE et le CIGRE, il est possible d’identifier la pollution selon sa nature et l’environnement proche auxquels les isolateurs sont soumis. Ainsi, on classe la pollution en trois catégories : naturelle (marine, agricole et désertique), industrielle (proximité des industries) et mixte (naturelle et industrielle). Les essais en grandeur réelle et sur site de tenue au contournement des isolateurs en fonction de la pollution et de son degré sont lents et coûteux. Aussi des méthodes d’essais sous pollution artificielle ont été proposées en vue de reproduire les conditions environnementales auxquelles sont soumis les isolateurs en céramique. Deux méthodes sont proposées suivant les normes CEI et ANSI/IEEE : la méthode du brouillard salin où une solution saline pure (NaCl + H₂O) est pulvérisée sur l’isolateur et la méthode de la couche solide où la pollution est constituée d’une couche solide préparée à base de sel (NaCl) et des matières insolubles inertes que l’on humidifie progressivement par pulvérisation ou par condensation.

Une autre approche du phénomène est de remplacer l’isolateur par un modèle simplifié de laboratoire ; le mode de contamination varie selon les auteurs. Cette approche permet de maîtriser les différentes grandeurs susceptibles d’intervenir dans le phénomène puisqu’il est admis que le point crucial du phénomène est la formation et l’élongation d’une décharge électrique sur la surface polluée de l’isolateur. La compréhension des phénomènes d’initiation et de propagation de ces décharges est fondamentale car elle permet de quantifier et de modéliser les grandeurs électriques et physiques qui conditionnent et gouvernent la décharge jusqu’au contournement total de l’isolateur.

Une part importante des travaux traitant du contournement des isolateurs pollués a été consacrée à l’estimation des grandeurs critiques et des conditions de propagation de la décharge. Plusieurs modèles empiriques et semi-empiriques, fondés la plupart sur le modèle d’Obenaus, ont été proposés. Tous ces modèles ont pour objectif la détermination des caractéristiques critiques : la tension critique, le courant critique et la longueur critique. Ils sont fondés sur un formalisme semi-empirique et utilisent pour la plupart comme modèle de décharge, l’équation d’Ayrton, modifiée par Nottingham. Dans ce dernier modèle, le gradient de champ électrique dans la décharge est défini par une relation empirique dont les constantes sont fonction des conditions expérimentales.

• Modèles électriques

Dans un travail de pionnier, Obenaus a fait une analyse quantitative des phénomènes de décharge se produisant sur une surface contaminée [38]. Son modèle, dont le concept est illustré dans la figure I.1, se présente sous la forme d'une décharge cylindrique de longueur X en série avec une résistance Rp(X) caractérisant la couche polluante. L’équation électrique du modèle est :

V=NI^-nX + r_p(L-X)

avec :

• X, la longueur de la décharge ;
• I, le courant de fuite ;
• r_p, la résistance linéique de la pollution ;
• L, la longueur totale de la ligne de fuite de l’isolateur ;
• n et N, des constantes caractéristiques de la décharge. Les différences observées sur les valeurs de N et n seraient liées à la nature du milieu dans lequel brûle la décharge et les spécificités des conditions expérimentales. Toutefois, il a été récemment démontré que ces constantes sont des paramètres dynamiques et sont fonction des éléments du circuit électrique équivalent et des propriétés thermiques de la décharge.

D’un autre côté, plusieurs études ont été menées en vue de la description physique de la propagation des décharges sur des surfaces polluées. Cependant, plusieurs points de divergences doivent être soulevés. Il s’agit de la dynamique de propagation et de la nature physique de la décharge, sa morphologie ainsi que sa surface et son point de contact avec la couche de pollution. D’un autre côté de nombreux chercheurs ont établi, grâce à des mesures optiques et électriques, des relations entre la variation de la vitesse de la décharge et les paramètres physiques qui peuvent la caractériser. Ainsi, certains aspects de la dynamique de propagation de la décharge, ont été mis en évidence de façon quantitative et qualitative.

De nombreuses études ont été menées en vue de déterminer l’influence de la constitution de la pollution sur la tenue au contournement des isolateurs. Elles ont montré que la tension de contournement est étroitement liée à la constitution de la pollution. Les investigations portant sur l’effet des matières insolubles montrent que la tension de contournement varie avec la quantité de matières insolubles (DDNS, Densité de Dépôt Non Solubles). Aussi, plusieurs chercheurs ont étudié l’influence de différents sels sur les tensions de contournement. Les résultats de leurs investigations sont plus ou moins contradictoires. Pour certains auteurs, la tension de contournement la plus défavorable est celle spécifique à une pollution à base de chlorure de sodium (NaCl) alors que tel n’est pas le cas pour d’autres.

En général, la distribution de la pollution à la surface des isolateurs n’est pas répartie de façon uniforme. En effet, les conditions électrogéométriques et climatiques jouent un rôle important dans l'accumulation et la distribution de la pollution sur la surface d’un isolateur. Cependant, certaines contradictions quant à la tenue au contournement des isolateurs couverts d’une couche de pollution non uniforme, ont été rapportées. D’après certains résultats rapportés dans la littérature, l’écart entre les tensions de contournement des isolateurs uniformément et non uniformément pollués est négligeable ou que la tension de tenue avec une pollution non uniforme est supérieure à celle mesurée avec une pollution uniforme. Des résultats contraires ont été également obtenus, à savoir que la tension de contournement d’une surface non uniformément polluée est inférieure à celle d’une surface uniformément polluée. .

Pour conclure, la forme de l'isolateur est généralement conçue pour obtenir une ligne de fuite maximale entre les deux conducteurs, d'où son profil caractéristique en forme de "vagues" dites nervures. Il peut également être recouvert de graisse ou lavé régulièrement. Il existe plusieurs solutions anti-pollution. Elles se fondent sur le choix du type de matériau utilisé comme isolant (EPDM, silicone, etc.) ou le dopage des isolateurs en céramique par une couche semi-conductrice. Cependant aucune solution radicale n'est proposée à ce jour.

Voir aussi

• Ligne à haute tension : les isolateurs
• Appareillage électrique
• Isolant électrique