CORONA :
l'EFFET sur les réseaux électriques
Corona, un terme qui est devenu très populaire avec la crise sanitaire que connait le monde actuellement, mais avant de désigner une famille de virus, ce terme était longtemps utilisé par les électriciens pour désigner un phénomène physique qui affecte la santé des réseaux électriques.
Dans le domaine électrique, corona ou l’effet couronne désigne un phénomène physique crée au voisinage des conducteurs électriques caractérisé par l’apparition autour de ceux-ci d’une faible lueur violette ou bleuâtre similaire visuellement à la couronne observée autour du soleil lors d’une éclipse totale. Ce phénomène est accompagné également par la production d’ozone, une perte d’énergie, des bruits audibles et l’émission de fréquences radio.
Origine du phénomène
Dans les conditions normales, l’air autour des conducteurs électriques contient toujours des particules ionisées (à cause de radiations cosmiques, rayons UV, radioactivité terrestre etc..). Lorsqu’un conducteur électrique est mis sous tension alternative, un gradient de potentiel se crée aussitôt autour de sa surface. Les électrons libres initialement présents dans cette région de l’espace se trouvent accélérée sous l’effet du champ électrique : les électrons sont accélérés vers la surface du conducteur dans la demi-période positive et loin de la surface du conducteur dans la demi-période négative. Plus le potentiel est grand, plus l’accélération de ces électrons est grande.
Lorsque le gradient de potentiel à la surface du conducteur atteint environ 29.8 kV/cm (valeur max.) ou 21.1 kV/cm (valeur efficace) (pour un air sec à pression atmosphérique 1.013bar et température 25°C), La vitesse acquise par les électrons libres est suffisante pour frapper une molécule neutre avec suffisamment de force pour en déloger un ou plusieurs électrons. Cela produit un autre ion et un ou plusieurs électrons libres, qui sont à leur tour accélérés jusqu’à ce qu’ils entrent en collision avec d’autres molécules neutres, produisant ainsi d’autres ions. Ainsi, le processus d’ionisation est cumulatif.
Le résultat de cette ionisation est la formation d’une couronne de lumière bleuâtre ou violacée autour du conducteur
Facteurs d’influence
L’effet de couronne peut être influencé par divers facteurs liés aux conditions météorologiques, à la construction et l’état de la ligne électrique :
- Dimension et forme des conducteurs : L’irrégularité de la surface du conducteur en termes de rayures, de brins en relief et de particules de poussière et de saleté qui couvrent le conducteur peut augmenter considérablement la perte par effet corona.
- Plus la surface d’un conducteur cylindrique est lisse, plus la tension de rupture est élevée. Ainsi pour un même diamètre, un conducteur toronné est généralement satisfaisant pour environ 80 à 85% de la tension d’un conducteur lisse. La dimension des conducteurs et leurs espacements ont également un effet considérable sur la perte par effet corona. Plus le diamètre est grand, moins il y a de corona. Ainsi, l’utilisation de conducteurs de grands diamètres, ou l’utilisation de conducteurs creux, ou l’utilisation de conducteurs groupés augmentent le diamètre effectif en réduisant la contrainte électrique aux surfaces des conducteurs.
- Conditions atmosphériques : l’effet corona est directement lié à la présence de particules ionisés dans l’air, donc il est tout à fait compréhensible que lors des temps orageux (présence accrue de particules ionisées), le phénomène peut avoir lieu pour des niveaux de tension largement inferieurs par rapport aux temps secs. Le calcul te tension de claquage (tension d’apparition de l’effet corona) est des pertes corona est réalisé pour des conditions atmosphériques normales, puis des facteurs de dépréciation sont introduits afin de tenir compte des contraintes atmosphériques (pression, altitude, température, pluie, neige…)
- Espacement entre conducteurs : en règle générale, si le rapport de l’espacement entre les conducteurs sur le rayon du conducteur est inférieur à 15, un contournement aura lieu entre les conducteurs avant que le phénomène corona ne se produise. Etant donné que pour les lignes aériennes ce rapport est bien supérieur à 15, le contournement peut être considéré comme impossible dans des circonstances normales.
Impacts de l’effet corona
L’effet de couronne peut avoir un impact sérieux sur le rendement et la pérennité des installations électriques où il a lieu, mais pas seulement, cet effet est connu aussi pour son influence sur les réseaux de télécommunication distants.
- Perte d’énergie : le phénomène est accompagné par une perte d’énergie ce qui influence sur le rendement global d’une ligne électrique.
- Si les pertes corona sont généralement négligeables pour un temps sec, elles sont considérables pour un temps humide, et doivent être tenues en compte lors de dimensionnement des lignes électriques haute tension.
Les pertes par phase, dues à l’effet corona à temps sec peuvent être évaluées en utilisant la formule de Peek :
Où :
- f : fréquence en Hz ;
- r : Rayon du conducteur en cm ;
- D : Distance entre deux conducteurs en cm ;
- V : Tension simple du conducteur en KV (valeur efficace)
- V0: Tension critique de claquage en KV (valeur efficace)
- : Facteur de densité de l’air donné par l’équation:
Le facteur peut être déterminé par la relation suivante :
Où :
- P : Pression atmosphérique en bar ;
- T : Température en °C
La tension critique peut être déterminée par la formule suivante :
Où :
- m0 : facteur d’irrégularité du conducteur
- = 1 pour conducteurs lisses, polis, pleins et cylindriques ;
- = 0,93 – 0,98 pour les conducteurs cylindriques solides, érodés ;
- = 0,87 – 0,90 pour les conducteurs érodés de plus de sept brins ;
- = 0,80 – 0,87 pour 2 conducteurs altérés avec jusqu’à sept brins.
Les pertes corona peuvent en temps humide peuvent évaluées en multipliant V0 par un facteur 0.8.
Il est à noter que la formule de Peek reste valable pour des fréquences allant de 25 à 120Hz, des valeurs de V/V0 supérieures à 1,8 et des conducteurs de rayon supérieur à 0,25cm.
- Vieillissement des installations : le phénomène est accompagné de production d’ozone qui finit par se déposer sur la surface des conducteurs et provoquer une corrosion accrue.
- Le processus de décharges corona est également accompagné de vibrations qui contribuent au vieillissement prématuré des installations et au relâchement des liaisons au niveau des lignes électriques.
- Bruit Radio : l’effet de couronne produit des impulsions de courant et de tension sur les conducteurs de ligne. Le spectre de fréquences de telles impulsions est si grand qu’il peut inclure une partie importante de la bande de fréquences radio, qui s’étend de 3 kHz à 30 000 MHz.
- Ces impulsions sont accrues en temps humides et peuvent causer des interférences avec systèmes de télécommunication.
- Bruit audible : Avec l’augmentation des tensions électriques, le bruit audible produit par l’effet corona sur les conducteurs de la ligne de transmission est devenu un facteur de conception important. Le bruit audible provenant des lignes de transport se produit principalement par mauvais temps. En effet, par temps humide, les gouttes d’eau qui heurtent ou s’accumulent sur les conducteurs produisent un grand nombre de décharges corona, chacune d’elles créant une explosion de bruit. Par conséquent, le bruit audible augmente à un point tel qu’il représente l’une des limitations les plus sérieuses à l’utilisation de l’ultra haute tension.
- Le bruit se manifeste par un grésillement, un crépitement ou un sifflement. De plus, la couronne crée des tonalités pures à basse fréquence (bourdonnement), essentiellement 120 et 240 Hz, qui sont causées par le mouvement de la charge d’espace entourant le conducteur.
Diminuer les pertes corona
A partir de l’équation (1) de Peek, nous pouvons constater que les pertes dues à l’effet de couronne sont proportionnelles à (r/D)1/2.
Plus l’espacement entre les conducteurs est grand plus on réduit les pertes corona.
De même nous pouvons constater que les pertes corona sont proportionnelles à (V-V0). Pour réduire donc les pertes, la valeur de V0 doit être le plus élevée. Or d’après la formule (3) ceci revient à augmenter le diamètre des conducteurs, et choisir le plus possible des conducteurs de formes lisses et régulières.
Bibliographie :
- Carroll, I. S., and M. M. Rockwell. 1937. Empirical method of calculating corona loss from high-voltage transmission lines. American Institute of Electrical Engineers 56:558–65.
- Loeb, L. B. 1965. Electrical coronas, their basic physical mechanisms. Berkeley, CA: University of California Press.
- Turan Gönen. Electric Power Transmission System Engineering Analysis and Design – 2nd ed. ISBN -13: 978-1-4398-0254-0.
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