Essais de rigidité diélectrique

samuelfloucat
25 nov. 2022
9 min de lecture

Dernière mise à jour : 21 sept.

Un matériau est diélectrique s'il ne contient pas de charges électriques susceptibles de se déplacer de façon macroscopique.

Un matériau est diélectrique s'il ne contient pas de charges électriques susceptibles de se déplacer de façon macroscopique. C'est à dire, c'est un milieu qui ne peut pas conduire le courant électrique.

À ce titre, on l'appelle quelquefois isolant électrique.

Exemple:

le vide
le verre
de nombreux plastiques
les câbles électriques sont fréquemment protégés d'un revêtement en plastique pour éviter que le courant électrique puisse en sortir

Malgré l'impossibilité des milieux diélectriques de conduire le courant, ils présentent de nombreuses caractéristiques électriques. En effet les atomes qui forment le matériau peuvent présenter des dipôles électrostatiques qui sont susceptibles d'interagir avec un champ électrique.

Phénomènes physiques dans les milieux diélectriques

Les électrons présents dans un milieu diélectrique ne peuvent pas, par définition, se déplacer sur des longues distances. Il peuvent par contre présenter des mouvements d'amplitude particulièrement petite à notre échelle, mais qui peuvent être à l'origine de nombreux phénomènes. Les diélectriques ne sont cependant pas inertes électriquement. En effet, les constituants du matériau peuvent présenter à l'échelle atomique des dipôles électrostatiques, qui interagiront avec un champ électrique externe appliqué. La séparation de charge dans un condensateur à plaques parallèles génère un champ électrique interne. Le matériau diélectrique (en orange) réduit ce champ et augmente la capacitance Cette interaction se traduit par la création d'une polarisation :

reliée au niveau microscopique à ce champ électrique par la polarisabilité, et au niveau macroscopique, par la susceptibilité électrique :

Grandeurs caractéristiques des milieux diélectriques

Les matériaux diélectriques sont caractérisés surtout par :

leur rigidité diélectrique ;
leur permittivité diélectrique ε, ou constante diélectrique ;
leur angle de perte ou tangente delta, tan (δ).

Quelques milieux diélectriques usuels

Solides

le verre, utilisé pour faire des isolateurs de lignes haute tension ;
la céramique, particulièrement utilisée pour les matériels HTB des postes électriques ;
la plupart des plastiques, surtout polyéthylène sous sa forme réticulée (XLPE) et PVC, tous deux utilisés pour les câbles ;
le Polypropylène, utilisé surtout dans les condensateurs en HTA ou HTB ;
le mica, qui n'est guère plus utilisé aujourd'hui dans l'industrie électrotechnique ;
la bakélite, jadis particulièrement utilisée pour l'appareillage électrique basse tension ;
le téflon, utilisé pour certaines pièces des disjoncteurs à haute tension.
certains matériaux sous forme cristalline perovskyte comme le PZT qui sont aujourd'hui en cours de développement pour être utilisés comme condensateur à capacité variable.

Gazeux

l'air
l'hexafluorure de soufre
l'azote

Liquides

le pyralène, jadis utilisé dans les transformateurs, mais qui tend à disparaître à cause de ses risques
l'huile minérale, qui a remplacé le pyralène dans les transformateurs
l'eau pure. Si l'eau usuelle est conductrice, une eau idéalement pure est un très bon isolant. La difficulté de garder une eau particulièrement pure rend toute utilisation industrielle complexe.
l'huile végétale, innovation récente dans l'isolation diélectrique dans les transformateurs électriques.

Utilisations des diélectriques

Les diélectriques étant de bons isolants électriques et thermiques, et sont par conséquent utilisés pour gainer les câbles électriques afin d'éviter des contacts avec d'autres câbles ou des personnes autant que dans les manches des casseroles.

Les diélectriques sont utiles dans les condensateurs.

Dans le cas, particulièrement simple, du condensateur plan, on peut rapprocher les plaques sans risque de contact ou de claquage.

D'autre part, si on la soumet à un champ électrique suffisamment puissant, toute substance s'ionisera et deviendra conductrice.

Les diélectriques étant plutôt complexes à ioniser, l'air ambiant devient conducteur avant eux : on peut les employer pour des condensateurs à haute tension.

La plupart des diélectriques sont aussi transparents dans de larges gammes de fréquences, et sont quelquefois utilisés pour former une couche anti-reflet, par exemple sur certains modèles de verres de lunette.

Lien utile: Diélectrique — Wikipédia (wikipedia.org)

Qu’est-ce que la rigidité diélectrique ?

On utilise aussi l'expression champ disruptif qui est synonyme mais plus fréquemment utilisée pour qualifier la tenue d'une installation, alors que le terme rigidité diélectrique est plus utilisé pour qualifier un matériau.

La rigidité diélectrique d'un matériau est la mesure de la rigidité électrique d'un isolant. Elle est définie comme la tension maximale requise pour produire une rupture diélectrique à travers le matériau et est exprimée en Volts par unité d'épaisseur.

Plus la rigidité diélectrique d'un matériau est élevée, meilleur est son isolation électrique.

La norme IEC 60243 fait référence pour la méthode d'essai de la rigidité diélectrique d'un matériau. Le test est effectué dans l'air ou dans l'huile et implique de placer le matériau de test entre deux électrodes et d'augmenter la tension entre les électrodes jusqu'à ce qu'une brûlure électrique perce l'échantillon ou que la décomposition se produise.

Le spécimen a généralement une épaisseur comprise entre 0,8 et 3,2 mm.

Les échantillons de plus de 2 mm d'épaisseur sont généralement testés dans l'huile pour éviter les éclats avant la panne.

Pour un condensateur quand cette valeur est dépassée, l’élément est détruit. La valeur maximale de la tension électrique appliquée aux bornes, est appelée tension de claquage du condensateur.

Si le champ électrique dépasse la rigidité diélectrique du matériau, on parle de claquage, et le matériau peut voir ses propriétés physiques modifiées, parfois de façon réversible, et parfois de façon irréversible.

Exemple

Dans le cas d'un disjoncteur à haute tension, c'est la valeur maximum du champ qui peut être supportée après l'extinction de l'arc (l'interruption du courant).

Si la rigidité diélectrique est inférieure au champ imposé par le rétablissement de la tension, un réamorçage de l'arc se produit d'où l'échec de la tentative d'interruption du courant.

La rigidité diélectrique est ensuite calculée en divisant la tension de claquage par l'épaisseur de l'échantillon.

La plupart des plastiques ont une bonne résistance diélectrique,

de l'ordre de 10 à 30 kV / mm.

Exemples:

LDPE polyéthylène basse densité = 27kV / mm

Polypropylène PP = 22kV / mm

Cas particulier d'un isolant gazeux

Le champ disruptif de l'air

À la base, l'air est un fort isolant. Mais sous de fortes tensions, les électrons qui composent les atomes des molécules de l'air sont littéralement arrachés à leur orbite de valence pour participer à la conduction électrique : la foudre traverse alors l'atmosphère. La valeur du champ disruptif de l'air la plus communément admise est :

On peut interpréter de manière très simple cette formule, en disant que dans de l'air sec, il faut une différence de potentiel de 36 000 Volts pour faire une étincelle entre 2 points écartés de 1 centimètre, ou 3600 Volts pour faire une étincelle entre 2 points écartés de 1 millimètre.

Cette interprétation étant plus connue sous le nom de :

" règle des 30 000 V par cm ".

Cela laisse présager en outre de l'ordre de grandeur des tensions mises en jeu dans le phénomène de la foudre.

Pour un air saturé en humidité, cette valeur peut tomber à 10 000 V par cm.

Autres gaz diélectriques

Des gaz autres que l'air sont utilisés dans l'appareillage à haute tension afin de réduire son encombrement.

L'hexafluorure se souffre est largement utilisé en haute tension car son champ disruptif est au moins deux fois supérieur à celui de l'air.

Propriétés particulières

La rigidité diélectrique évoque aussi le diélectrique qui est un isolant, ou une substance qui ne conduit pas l'électricité et, qui est polarisable par un champ électrique.

Dans la plupart des cas, les propriétés du diélectrique sont dues à la polarisation de la substance.

Lorsque un diélectrique, en l'occurrence l'air est placé dans un champ électrique, les électrons et les protons de ses atomes se réorientent et, dans certains cas, à l'échelle moléculaire, une polarisation est induite (un phénomène observé dans les dipôles).
Cette polarisation engendre une différence de potentiel, ou tension, entre les deux bornes du diélectrique ; celui-ci emmagasine alors de l'énergie qui devient disponible lorsque le champ électrique est supprimé.
L'efficacité d'un diélectrique est sa capacité relative à emmagasiner de l'énergie comparée à celle du vide. Elle s'exprime par la permittivité relative (une propriété physique qui décrit la réponse d‘un milieu donné à un champ électrique appliqué), déterminée par rapport à celle du vide.
La force diélectrique est la capacité d'un diélectrique à résister aux champs électriques sans perdre ses propriétés isolantes.
Un diélectrique efficace libère une grande partie de l'énergie qu'il a emmagasinée lorsque le champ électrique est inversé.

Cas des câbles

On peut également parler de champ disruptif dans le cas des câbles électriques, où le cœur (appelé également l'âme) est séparé de la gaine de masse par un isolant.

Ici encore, un champ électrique radial trop élevé conduit au claquage de cet isolant, endommageant irréversiblement le câble.

Valeurs numériques

Rigidité diélectrique de quelques diélectriques usuels

Diélectrimètre

Exemple du câble monopolaire blindé

En prenant l’exemple d’un câble électrique monopolaire, on constate que par construction, il peut se comporter à 50 ou 60 Hz comme un condensateur. L’isolant dont il est constitué contribue à l’effet capacitif parasite crée entre l’âme du câble et son blindage extérieur.

Cette capacité parasite est généralement exprimée par des grandeurs linéiques, l’unité utilisée étant un sous-multiple du Farad par kilomètre.

La valeur du condensateur équivalent dans le cas d’un câble blindé monopolaire est égale à:

Exemple des câbles multipolaires et des faisceaux

Les câbles ou les faisceaux de câbles sont soumis à de nombreuses opérations lors de leur fabrication, par exemple le sertissage de connecteurs, le marquage laser, le pliage, … qui sont susceptibles de détériorer la qualité de leur isolement et doivent subir des tests de rigidité pour valider leur utilisation.

Les faisceaux de câbles utilisés dans des applications ferroviaires et aéronautiques ont des longueurs qui peuvent atteindre plusieurs centaines de mètres et donc aussi présenter un effet capacitif important entre chaque fil et son environnement.

Ceci va éventuellement engendrer des courants capacitifs plus importants que les courants résistifs.

Il est donc essentiel de séparer la mesure des deux courants afin de qualifier correctement la résistance d’isolement du faisceau de câbles.

Conséquences de l’effet capacitif lors d’une mesure de rigidité diélectrique AC:

Dans un essai de claquage, le but est de mesurer le courant de fuite résistif qui traverse un isolant.

Or, nous venons de voir qu’un effet capacitif parasite peut apparaître, engendrant un courant de fuite qui ne doit pas être considéré pour caractériser la qualité diélectrique de l’équipement testé.

Le courant total mesuré est le résultat de la somme vectorielle de deux courants :

Le courant résistif, appelé courant réel
Le courant capacitif, appelé courant réactif L’application d’une tension d’essai de rigidité diélectrique AC sur un élément capacitif tel qu’un câble engendre un courant réactif qui est déphasé de 90° par rapport à la tension appliquée.

Le courant de fuite résistif est quant à lui en phase avec la tension.

Le courant de fuite qui est mesuré par la plupart des appareils d’essai de rigidité diélectrique correspondons à la somme vectorielle (racine carrée de la somme des carrés) du courant réactif (courant capacitif) et du courant réel (courant résistif).

Le courant résistif est lié à la résistance d’isolement et à la tension appliquée sur l’élément testé.

Quand les courants capacitifs sont plus importants que les courants résistifs, il devient essentiel de séparer la mesure des deux courants afin de qualifier correctement la résistance d’isolement de l’équipement testé, un faisceau de câbles par exemple.

Du fait du déséquilibre entre les valeurs de courant capacitif (élevé) et résistif (faible), le doublement du courant résistif peut ne provoquer qu’une augmentation de 1% du courant total et donc ne pas être mis en évidence si on ne mesure pas séparément chaque courant.

Essais de rigidité en AC ou en DC

Pour éviter d’avoir à faire la distinction entre les courants réactif et réel il est possible de réaliser les essais de rigidité diélectrique avec une tension DC.

L’avantage de cette méthode est que l’influence du courant réactif intervient uniquement pendant la phase de charge mais qu’une fois la tension atteinte seul le courant résistif lié à la résistance d’isolement du câble circule.

Cependant il y a quelques désavantages à faire les essais de rigidité diélectriques en tension DC dont voici quelques exemples:

• les normes ne les autorisent pas toujours une tension d’essai en DC.

• les tensions DC doivent être plus élevées qu’en AC (rapport 1,414).

• les essais se font avec une seule polarité et sont donc moins stressants qu’en AC.

• les appareils de mesure doivent faire la différence entre le courant de charge et le courant en tension établie.

• il faut décharger le câble ou l’équipement à l’issue du test. Donc l’intérêt des essais de rigidité diélectrique en AC reste important si les appareils de mesure sont capables de différencier les courants résistifs et capacitifs.

EXEMPLE D'ESSAI EN SECURITE

Source Schneider: Comment réaliser un test diélectrique sur un tableau pour être conforme à la norme IEC 61439? | Schneider Electric France

Source Chauvin Arnoux: