Décharge de couronne, également appelée effet de couronne, est un phénomène de décharge électrique qui se produit lorsqu'un conducteur transportant une tension élevée ionise le fluide environnant, souvent l'air. L'effet de couronne se produira dans les systèmes à haute tension, sauf si des précautions suffisantes sont prises pour limiter l'intensité du champ électrique environnant.
Comme la décharge de couronne implique une perte d'énergie, les ingénieurs cherchent à réduire la décharge de couronne afin de minimiser la perte de puissance électrique, la production de gaz ozone et les interférences radio.
La décharge de couronne peut provoquer un sifflement ou un craquement audible en ionisant l'air autour des conducteurs. Cela est courant sur les lignes de transmission électrique à haute tension. L'effet de couronne peut également produire une lueur violette, la production de gaz ozone autour du conducteur, des interférences radio et une perte de puissance électrique.
L'effet de couronne se produit naturellement car l'air n'est pas un isolant parfait—il contient de nombreux électrons libres et ions sous des conditions normales. Lorsqu'un champ électrique est établi dans l'air entre deux conducteurs, les ions et électrons libres dans l'air subiront une force. En raison de cet effet, les ions et les électrons libres sont accélérés et se déplacent dans des directions opposées.
Les particules chargées, lors de leur mouvement, entrent en collision les unes avec les autres ainsi qu'avec des molécules non chargées se déplaçant lentement. Ainsi, le nombre de particules chargées augmente rapidement. Si le champ électrique est suffisamment fort, une rupture diélectrique de l'air se produira et un arc se formera entre les conducteurs.
Le transport d'électricité concerne le transfert en masse d'énergie électrique, depuis des centrales situées à plusieurs kilomètres des principaux centres de consommation ou des villes. Pour cette raison, les conducteurs de transmission à longue distance sont nécessaires pour un transfert efficace de l'énergie—ce qui entraîne inévitablement de grandes pertes dans le système.
Minimiser ces pertes d'énergie a été un défi majeur pour les ingénieurs en électricité. La décharge de couronne peut considérablement réduire l'efficacité des lignes EHV (Extra High Voltage) dans les systèmes de puissance.
Deux facteurs sont importants pour que la décharge de couronne se produise :
Des différences de potentiel électriques alternatif doivent être fournies sur la ligne.
L'espacement des conducteurs doit être suffisamment grand par rapport au diamètre de la ligne.
Lorsqu'un courant alternatif est fait circuler à travers deux conducteurs d'une ligne de transmission dont l'espacement est grand par rapport à leurs diamètres, l'air entourant les conducteurs (composé d'ions) est soumis à un stress diélectrique.
À faibles valeurs de la tension d'alimentation, rien ne se passe car le stress est trop faible pour ioniser l'air extérieur. Mais lorsque la différence de potentiel augmente au-delà d'une certaine valeur seuil (connue sous le nom de tension critique de rupture), l'intensité du champ devient suffisante pour que l'air entourant les conducteurs se dissocie en ions—le rendant conducteur. Cette tension critique de rupture se produit approximativement à 30 kV.
L'air ionisé entraîne une décharge électrique autour des conducteurs (en raison du flux de ces ions). Cela donne lieu à une lueur luminescente légère, accompagnée d'un sifflement et de la libération d'ozone.
Ce phénomène de décharge électrique se produisant sur les lignes de transmission à haute tension est connu sous le nom d'effet de couronne. Si la tension sur les lignes continue d'augmenter, la lueur et le sifflement deviennent de plus en plus intenses—induisant une forte perte de puissance dans le système.
La tension de la ligne de conducteur est le principal facteur déterminant de la décharge de couronne sur les lignes de transmission. À des valeurs basses de tension (inférieures à la tension critique de rupture), le stress sur l'air n'est pas assez élevé pour causer une rupture diélectrique—et donc aucune décharge électrique ne se produit.
Avec l'augmentation de la tension, l'effet de couronne sur une ligne de transmission se produit en raison de l'ionisation de l'air atmosphérique entourant les conducteurs—il est principalement affecté par les conditions du câble ainsi que par l'état physique de l'atmosphère. Les principaux facteurs influençant la décharge de couronne sont :
Conditions atmosphériques
État des conducteurs
Espacement entre les conducteurs
Examinons ces facteurs en détail :
Le gradient de tension pour la rupture diélectrique de l'air est directement proportionnel à la densité de l'air. Par conséquent, les jours de tempête, le nombre d'ions autour du conducteur augmente en raison du flux d'air continu, rendant la décharge électrique plus probable que les jours de beau temps.
Le système de tension doit être conçu pour tenir compte de ces conditions extrêmes.
L'impact de la couronne dépend fortement des conducteurs et de leur état physique. Le phénomène est inversement proportionnel au diamètre des conducteurs, ce qui signifie qu'une augmentation du diamètre réduit considérablement l'effet de couronne.
De plus, la présence de saleté ou de rugosité sur le conducteur réduit la tension de rupture critique, rendant les conducteurs plus susceptibles aux pertes de couronne. Ce facteur est particulièrement significatif dans les villes et les zones industrielles à forte pollution, où des stratégies de mitigation sont essentielles pour contrer ses effets négatifs sur le système.
L'espacement entre les conducteurs est un élément crucial pour la décharge de couronne. Pour que la décharge de couronne se produise, l'espacement entre les lignes doit être beaucoup plus grand que son diamètre.
Cependant, si l'espacement est excessivement grand, le stress diélectrique sur l'air diminue, réduisant l'effet de couronne. Si l'espacement est trop grand, la décharge de couronne ne se produira peut-être pas du tout dans cette région de la ligne de transmission.
Étant donné que la décharge de couronne conduit inévitablement à une perte de puissance sous forme de lumière, de son, de chaleur et de réactions chimiques, il est crucial d'employer des stratégies pour minimiser son occurrence dans les réseaux à haute tension.
La décharge de couronne peut être réduite par :
Augmentation de la taille du conducteur : Un diamètre de conducteur plus grand entraîne une diminution de l'effet de couronne.
Augmentation de la distance entre les conducteurs : L'augmentation de l'espacement entre les conducteurs réduit l'effet de couronne.
Utilisation de conducteurs groupés : Les conducteurs groupés augmentent le diamètre effectif du conducteur—réduisant ainsi l'effet de couronne.
Utilisation de couronnes de corona: Les champs électriques sont plus forts aux points de courbure aigüe du conducteur, c'est pourquoi la décharge de couronne se produit d'abord aux points, bords et coins aigus. Les couronnes de corona, qui sont électriquement connectées au conducteur à haute tension, encerclent les points où l'effet de couronne est le plus susceptible de se produire. Elles "arrondissent" effectivement les conducteurs, réduisant la finesse de la surface du conducteur et distribuant la charge sur une zone plus large, réduisant ainsi la décharge de couronne. Les couronnes de corona sont utilisées aux terminaux de matériel très haute tension (telles que les embases des transformateurs haute tension).
Un examen approfondi de la relation entre la décharge de couronne et le courant révèle des informations supplémentaires sur l'impact de ce phénomène sur les systèmes à haute tension.
Le flux de charge électrique joue un rôle vital dans la survenue de la décharge de couronne. Lorsqu'une tension élevée est appliquée à une ligne de transmission, le courant circulant à travers les conducteurs crée un champ électrique autour d'eux.
Ce champ électrique ionise les molécules d'air entourant les conducteurs, conduisant à l'effet de couronne.
L'intensité du courant circulant dans la ligne de transmission est proportionnelle à la gravité de la décharge de couronne. Des niveaux de courant plus élevés génèrent un champ électrique plus fort, entraînant une ionisation plus importante et une probabilité plus grande de décharge de couronne.
