Recherche de nouveaux gaz diélectriques - matpost 2003

Recherche de nouveaux gaz diélectriques
pour les matériels électriques
Éric SANDRÉ, Antoine ASLANIDES
EDF – R&D
Pascale PRIEUR
RTE - CNER
François GENTILS, Christian FIÉVET
Schneider Electric
EDF R&D

Recherche de nouveaux gaz diélectriques
SF6 qui isole certains matériels électriques présente le plus
élevé des potentiels d’effet de serre recensé : 24 000 / CO2.
Existe-t-il un gaz diélectrique pouvant remplacer SF6 et
présentant un potentiel d’effet de serre moindre tout en
préservant la compacité des appareils ?
But : Effectuer une recherche extensive sur tous les gaz
présentant une forte rigidité diélectrique.
Recherche ne pouvant s’effectuer que si la mesure de la rigidité
est simplifiée:
Estimation théorique simple : on va faire des maths
élémentaires.
EDF R&D

Y-a-t-il une correspondance entre la structure
moléculaire et la rigidité diélectrique des gaz ?
Lien entre rigidité diélectrique (RD) et électroaffinité :
Electroaffinité
Relative RD
Corrélation
pas évidente !
EDF R&D

Peut-on construire un modèle simple
de la rigidité diélectrique ?
Molécules et électrons sont modélisés par des sphères rigides
Hypothèse : la décharge se produit lorsque le courant induit une
ionisation massive du gaz ! Création d’un courant par avalanche en
champ homogène.
eE.
U i
k
B
P
T
2
2
. r
e
r
mol
Travail = Énergie d’ionisation
Libre parcours des sphères
Modèle de sphères rigides
e = charge de l’électron, E = le champ électrique, Ui = énergie d’ionisation de la molécule, = libre
parcours moyen de la molécule, r e
= rayon de la sphère électron, r mol
= rayon de la sphère moléculaire, P =
EDF R&D pression du gaz, T = température, k B
est la constante de Boltzmann

Tension de claquage normalisée = RD
U
i
P.
d 2
RD E. d . d Ui
. r
e
kBT
2e
Question : comment peut-on estimer le rayon des électrons r e
?
e
r
mol
T
r
e
U
i
2
e
8
0,09
Plasma T est déterminé par
EDF R&D
la formule de Saha ->
k B
T ~ 0, 09Ui

Corrélation théorie/expérience
RD
P.
d
k T
B
2
2e
.
r
mol
RD
Volume Critique (rmol)
EDF R&D

Comparaison des modèles
La taille des molécules paraît être un critère plus adapté
que l’électroaffinité pour juger de la RD des gaz (mais non
de leur stabilité et d’autres paramètres).
Electroaffinité
RD
Relative RD
Volume Critique (rmol)
EDF R&D

Conclusions:
Il est possible d’estimer rapidement la rigidité diélectrique
de tout gaz imaginable à l’aide des paramètres critiques
mesurés ou d’un calcul de volume moléculaire.
Ces estimations concordent avec une 50 de valeurs de RD
de la littérature.
Ces estimations sont précises avec une erreur de 20%.
Elle permettent de visualiser immédiatement ce qui fait un
gaz diélectrique rigide : une grosse molécule !
Hélas, plus la molécule est grosse et plus le gaz a
tendance à se liquéfier rapidement: d’où impossibilité
d’utilisation.
Il apparaît difficile avec un autre gaz de conserver la
EDF compacité R&D des appareillages SF6 en haute tension.

Remerciements
G. Rizzi et M. Denigris (CESI)
N. Meurice et D. Vercauteren (Univ Namur)
A. Sabot (EDF R&D)
EDF R&D