Dynamique modulée par champ magnétique des décharges partielles dans les défauts des matériaux isolants haute tension

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 22048 (2022) Citer cet article

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Cet article présente une méthodologie de mesure et une approche de détection originales pour déterminer l'influence du champ magnétique sur la dynamique des décharges partielles (DP). Les domaines d'application se réfèrent aux systèmes d'isolation des appareils de réseau électrique et industriel et aux segments émergents tels que le train à grande vitesse, les véhicules électriques ou les avions plus électriques. Classiquement, les mesures de DP sont exécutées uniquement dans un champ électrique, cependant l'interaction des champs magnétiques et électriques influence la dynamique des DP. La technique de mesure a permis de détecter quantitativement l'effet des champs magnétiques sur les DP dans deux arrangements représentatifs : dans un vide gazeux dans un matériau diélectrique et dans une configuration corona point-plan. Les mesures dans les deux configurations ont révélé une amplification de l'intensité des DP. La comparaison quantitative de l'évolution des DP dans le champ magnétique est un nouvel aspect présenté dans cet article. La combinaison d'images résolues en phase et de diagrammes d'intensité de séquence temporelle obtenus lors de la commutation de champ magnétique a permis de visualiser et de déterminer quantitativement cet impact. Cet effet est attribué à l'allongement de la trajectoire des particules chargées et à l'amplification de l'énergie des électrons due à l'accélération. Ainsi, l'impact étudié d'un champ magnétique peut être perçu comme un élément supplémentaire qui influence la dynamique de DP.

L'isolation électrique des dispositifs de réseau et de réseaux industriels ainsi que des segments émergents tels que les trains à grande vitesse, les véhicules électriques ou les avions plus électriques sont exposés à des contraintes de plus en plus élevées en raison de l'augmentation des niveaux de tension dans ces applications. Cet article se concentre sur la méthodologie de mesure originale et l'approche de détection pour déterminer l'influence du champ magnétique sur la dynamique des décharges partielles (DP). Il s'agit d'un nouveau sujet de recherche, puisque les mesures conventionnelles de DP ne sont exécutées que dans un champ électrique, cependant l'interaction des champs magnétiques et électriques peut influencer leur comportement. L'équipement d'alimentation électrique à haute tension est constamment exposé à des champs électriques et magnétiques. Il est important de noter que les systèmes d'isolation de divers dispositifs de réseau, de sous-station, de rail et de réseau industriel tels que les transformateurs de puissance, les câbles, les systèmes et lignes à isolation gazeuse, les convertisseurs, les moteurs et les générateurs sont également exposés aux champs magnétiques qui sont causés par le passage du courant dans les conducteurs ; cela se réfère à la fois aux cas AC et DC. Étant donné que la fiabilité des équipements électriques à haute et moyenne tension est essentielle pour les transferts et les conversions d'énergie, des techniques de conception avancées et des méthodologies de diagnostic sont en cours de développement. L'un des indicateurs clés de la qualité de l'isolation haute tension (HT) repose aujourd'hui sur la mesure des décharges partielles. Il existe différentes formes de décharges qui sont liées aux défauts que l'on peut trouver à l'intérieur ou sur les surfaces des isolants électriques. Dans ce contexte, on peut généralement distinguer les décharges internes dans de minuscules inclusions d'air appelées vides ainsi que les décharges de surface ou les décharges corona. Cette évolution de la décharge partielle est liée aux stades du streamer tels que la création, la formation du canal et le développement. Les streamers sont généralement interprétés comme des microcanaux de gaz ionisé et se propagent le long des lignes de champ électrique. En présence d'un champ magnétique qui se superpose à un champ électrique, la trajectoire du streamer est modifiée en raison de la force de Lorentz supplémentaire agissant sur les particules chargées ; cela conduit à un mouvement circulaire complexe. La propagation des streamers dans un champ magnétique très élevé (10 T) a été montrée en1. Les observations expérimentales de ce travail se sont concentrées sur le traçage de la trajectoire d'un streamer en présence d'un champ magnétique. Il a été montré que le mouvement de dérive dans les champs électriques et magnétiques croisés est influencé par l'angle de Hall. Sans diffusion, les électrons se déplacent sur des orbites cycloïdales dans une direction perpendiculaire aux champs électrique et magnétique. À chaque événement de diffusion, l'impulsion électronique change et une nouvelle trajectoire cycloïdale est empruntée. Le chemin reliant les événements de diffusion successifs forme une trajectoire. Les observations d'imagerie ont montré que la décharge est clairement déviée latéralement avec un angle croissant à un champ magnétique croissant. À des pressions plus élevées, les streamers se ramifient plus souvent et la vitesse de propagation des streamers diminue avec la pression. Les effets d'un champ magnétique alternatif sur une couronne ponctuelle mesurée dans une bande ultra-haute fréquence (UHF) ont été rapportés in2. Il a été montré que la densité spectrale de puissance dans la couronne est réduite dans la bande UHF de 650–800 MHz en présence d'un champ magnétique (250–300 Gauss), pour des écarts allant de 15 à 40 mm. L'étude d'un champ magnétique sur des décharges corona DC dans un vide poussé a été montrée dans3. Il a été démontré que l'effet d'un champ magnétique sur un courant de décharge était plus significatif avec des décharges corona négatives qu'avec des décharges positives. Une couronne négative renforcée magnétiquement qui résulte de la pénétration du champ sur une région d'ionisation a été décrite in4. Il a été remarqué que l'augmentation relative du courant de décharge était beaucoup plus importante lorsque les aimants permanents étaient situés près de l'électrode de décharge que près de l'électrode collectrice. L'inception corona et la tension de claquage ont été fortement influencées par la présence d'un champ magnétique comme observé en5. Il a été constaté que la tension d'apparition de l'effet corona et la tension de claquage diminuaient avec l'augmentation du champ magnétique croisé. L'influence d'un champ magnétique DC sur les motifs résolus en phase PD dans une configuration cône-plan corona a été discutée dans6. Il a été démontré que les distributions d'amplitude et de phase des modèles de décharges partielles sont affectées par un champ magnétique perpendiculaire. L'influence d'un champ magnétique externe (128 mT) sur les paramètres statistiques des décharges partielles dans les vides a été analysée en7. Il a été constaté que, bien que des différences visibles apparaissent dans le modèle PD avec et sans champ magnétique appliqué ; ceux-ci ne peuvent être attribués uniquement aux effets de la force de Lorenz. Étant donné que les modèles de DP sont à la pointe de la technologie dans le diagnostic de l'isolation haute tension des équipements électriques aujourd'hui8,9,10,11,12,13,14,15,16,17, l'influence d'autres facteurs tels que le fond magnétique de même que les harmoniques de tension18 sont essentiels pour la bonne interprétation de tout résultat de mesure. L'influence du champ magnétique longitudinal sur les paramètres de la source d'électrons plasma et l'optimisation de la géométrie a été montrée dans19. Le champ magnétique a influencé les caractéristiques de claquage électrique dans le gaz. Les investigations qui ont été réalisées dans l'argon et l'azote dans les champs croisés et parallèles ont démontré la dépendance du rendement électronique dans le champ magnétique20.

Un champ magnétique est généré par le courant qui traverse les conducteurs des transformateurs, des câbles électriques, des systèmes à isolation gazeuse, des convertisseurs, etc. L'influence des champs magnétiques sur la DP dans les systèmes d'isolation des dispositifs de transport électrique est présentée dans21. Les mesures ont révélé une intensité de DP accrue en présence d'un champ magnétique qui peut être observé dans une plage de fréquence de tension d'alimentation de 20 à 400 Hz (ce qui est typique pour le segment des transports). L'intensité de PD a été amplifiée dans la plage ci-dessus à une induction de champ magnétique de 80 mT, même jusqu'à 50 %. Dans les transformateurs de puissance, des champs magnétiques de fuite parasites pouvant atteindre 700 mT peuvent être présents6,22 ; ceux-ci pourraient même être beaucoup plus élevés lors de courants de court-circuit, ce qui conduirait à des déformations des enroulements23. Les effets d'un champ magnétique créé par un courant de charge sur les paramètres de décharge partielle dans les câbles électriques et sur les caractéristiques de claquage de l'isolant en papier imprégné ont été montrés dans24. Il a été rapporté que la présence d'un champ magnétique alternatif a un impact sur la probabilité de rupture de l'isolation électrique et sur les paramètres de distribution de Weibull. La morphologie de la région de claquage est différente sous l'influence des champs électriques et électromagnétiques avec la microscopie électronique à balayage et la spectroscopie à dispersion d'énergie. Il a été démontré que les performances de production d'ozone basées sur des réacteurs à plasma étaient améliorées lors de l'introduction d'un champ magnétique de 0,4 T dans un espace interélectrode de 15 mm25, ce qui entraînait une intensité de décharge plus élevée. La production d'ozone corona à courant continu amélioré par champ magnétique entraîne une plage courant-tension étendue et la stabilisation observée des décharges26. De même, une augmentation de l'intensité de la décharge luminescente de la cathode par un champ magnétique de 650 mT a été observée dans 27, car le champ magnétique devait augmenter l'énergie des électrons et favoriser l'ionisation par collision des électrons. L'arborescence électrique dans l'isolation des câbles en polyéthylène réticulé (XLPE) soumis à un champ magnétique perpendiculaire dans une plage de 350 à 550 mT a été analysée en28. Il a été montré que la morphologie des arbres variait du type branche au type buisson. L'influence d'un champ magnétique à gradient élevé sur la croissance des arbres dans la résine époxy a été étudiée in29. Selon les observations, la création et la croissance de l'arbre électrique ont été accélérées dans un champ magnétique à gradient. Ce résultat s'explique par l'augmentation de la conductivité de la résine époxy et des tangentes de pertes diélectriques, ainsi que par la baisse de la permittivité relative du matériau diélectrique soumis à un champ magnétique élevé (jusqu'à 3 T). Simultanément, il a été montré qu'un fort champ magnétique peut générer plus de pièges avec des niveaux d'énergie moins profonds, diminuant les pièges profonds. En conséquence, les arbres étaient significativement plus longs après avoir été soumis à un champ magnétique qu'ils ne l'étaient sans champ magnétique30. Selon les observations, le champ magnétique a favorisé le développement d'arbres électriques à des températures cryogéniques ; de plus, l'effet sur la longueur était plus important qu'il ne l'était sur la largeur31. La croissance des arbres peut également être impactée par un champ magnétique lorsqu'elle est soumise à un train répétitif d'impulsions ; cela a été démontré avec le caoutchouc de silicone in32. Les effets d'un champ magnétique (0,4 ÷ 1,2 T) sur l'amorçage de surface d'un film de polyimide pour l'isolation d'un aimant supraconducteur ont été décrits dans33. Les résultats expérimentaux ont montré qu'un champ magnétique dérivant vers une surface peut bloquer l'émission d'électrons secondaires, entraînant une augmentation de la tension de contournement. Il a également été rapporté que la tension de claquage dépendait de l'angle d'inclinaison entre le vecteur champ magnétique et la surface du matériau diélectrique34. Les recherches sur l'impact du champ magnétique sur les décharges corona dans le pétrole ont été présentées dans35 en utilisant la détection fluorescente et UHF. Il a été observé que la fréquence dominante du signal UHF obtenu sous tension alternative se décale vers une fréquence plus basse (0,6 GHz) sous l'influence du champ magnétique (85 mT).

Cet article se concentre sur l'approche originale de mesure, de détection et de visualisation quantitative de l'impact d'un champ magnétique sur la dynamique de DP dans l'air. Les résultats présentés sont basés à la fois sur des simulations et des mesures réalisées dans un dispositif dédié. La comparaison quantitative de l'évolution des DP dans le champ magnétique est un nouvel aspect présenté dans cet article. La différence importante est que les travaux publiés précédemment ont été réalisés dans un champ magnétique puissant. Dans les expériences présentées dans cet article, un champ magnétique assez faible a été défini afin de détecter le comportement PD au niveau du champ de base dans les dispositifs de puissance. En fait, deux cas distincts ont été considérés : le premier fait référence aux DP dans les vides gazeux (air) et le second aux décharges corona.

La partie théorique sur les décharges et le comportement des électrons dans le champ magnétique est mise en évidence à titre d'information générale car, de manière conventionnelle, dans la discipline DP, seul le champ électrique est généralement pris en compte. Ainsi, une telle introduction soulignera également les aspects magnétiques. Les décharges partielles qui apparaissent dans un champ électrique intense sont décrites par l'apparition et la propagation de porteurs de charge et sont détectées comme des impulsions de courant. Ces streamers se propagent généralement le long des lignes de champ électrique36. Le trajet peut également être influencé par des surfaces diélectriques37,38,39 ou des barrières. Étant donné que l'isolation HT est exposée aux champs magnétiques dans tous les dispositifs porteurs de courant tels que les câbles et les transformateurs de puissance, l'exposition électrique se réfère à la haute tension ; cependant, le champ magnétique est lié à la charge. De cette manière, le comportement de décharge partielle est potentiellement modulé par le flux de courant. Le champ magnétique impacte le cheminement et la dynamique des particules dans le gaz, formant ainsi la trajectoire de décharge. La visualisation de la propagation des streamers dans les champs magnétiques croisés B et électriques E est présentée à la Fig. 1. En plus de l'orientation des champs B et E, la direction initiale du vecteur de vitesse des particules chargées v a un impact sur la propagation de la dérive. Selon la vitesse initiale des particules, celle-ci peut prendre différentes formes (cycloïdale, trochoïdale, spirale, hélicoïdale, etc.).

Visualisation de la trajectoire des particules dans des champs magnétiques croisés B et électriques E.

L'accent de cet article est à ce stade sur la trajectoire de charge dans l'air sous champ magnétique, sans tenir compte ni des collisions dans le gaz ni des effets de volume et de surface dans le matériau diélectrique. Ainsi, la partie théorique et les simulations présentées dans le paragraphe suivant se réfèrent au comportement des particules dans le vide, sans collisions. Les charges se déplacent dans les champs magnétique et électrique superposés (B et E) qui sont affectés par la force de Lorentz FL :

où q est la charge des particules, m – la masse des particules et v – la vitesse des particules.

Une particule avec une charge de q effectue un mouvement circulaire autour du vecteur d'induction de champ magnétique B avec une fréquence de fB :

La fréquence fB est indépendante de la vitesse des particules ; ainsi, les particules rapides se déplacent sur des trajectoires avec des rayons plus élevés que les particules plus lentes. Par exemple, fB est égal à 2,8 GHz pour les électrons dans un champ de 100 mT.

Deux composantes du vecteur vitesse des électrons sont représentées sur la figure 1 : parallèle au vecteur champ magnétique et perpendiculaire à celui-ci. La vitesse de transport des électrons ve à la tension d'accélération U peut être estimée sous une forme simplifiée à partir de ce qui suit :

où me désigne la masse de l'électron 9,1 × 10–31 kg.

Le rayon re de la voie circulaire des électrons est :

ainsi, le rayon de cyclage des électrons sera égal à re = 3,4 mm dans un champ magnétique avec B = 100 mT et une tension d'accélération U = 10 kV.

Simultanément, le moment magnétique de la particule presse autour du vecteur champ magnétique externe de fréquence de Larmor fL :

où γ est un rapport gyromagnétique (pour électron 1760 × 108 Hz/T et proton 2,67 × 108 Hz/T). La fréquence de Larmor résultante fL pour l'électron et le proton à 100 mT donne respectivement 2,72 GHz et 4,26 MHz40. Ce dernier est utilisé en résonance magnétique nucléaire (RMN).

L'équation de dérive des particules dans les champs électriques et magnétiques croisés est la suivante (en tenant compte du temps de collision τ défini par 1) :

où le temps de collision électronique τ peut être exprimé comme suit :

Cela désigne le libre parcours moyen des électrons λe, la vitesse thermique des électrons vt et la constante de Boltzmann k, la température des électrons Te. La fréquence de collision des électrons est proportionnelle à la densité du gaz et se situe à un niveau de 3 × 1012 Hz40. La trajectoire des particules suit les orbites cycloïdales dans une direction perpendiculaire aux champs magnétique et électrique. Ces charges qui se déplacent dans les champs magnétiques et électriques croisés sont diffusées de différentes manières : élastique (lorsque la direction est modifiée mais que l'énergie reste constante) ou non élastique (en cas d'ionisation d'atome par collision)1. On suppose que le chemin qui relie les étapes d'ionisation consécutives dans les champs croisés E et B détermine le chemin du streamer.

Pour évaluer l'influence du champ magnétique sur le mouvement de charge dans le champ électrique, une comparaison relative des forces électriques et magnétiques (FE et FB) qui ont agi sur l'électron a été effectuée :

où E est l'intensité du champ électrique, B - l'induction du champ magnétique et ve - la vitesse des électrons.

La comparaison peut être obtenue en prenant les valeurs de la vitesse de dérive des électrons qui est utilisée en physique des décharges gazeuses (qui, pour un champ électrique E = 10 kV/cm à une pression p = 1013 hPa et à température ambiante T = 293 K est dans la plages de ve = 2,9 × 106 cm/s)41, ve = 6 × 106 cm/s36, soit selon l'équation en air sec42 :

où ve est en [cm/s], E en [V/cm], p en [Pa] et la vitesse des électrons est égale à ve = 8,3 × 106 cm/s. Pour les trois vitesses de dérive d'électrons ci-dessus, à l'induction d'un champ magnétique égal à B = 80 mT, le rapport FE/FB donne 448, 216 et 156, respectivement, selon l'Eq. (8); ceci indique le niveau grossier et simplifié de la contribution d'une force magnétique. Dans le cas des ions, les rapports seront plus grands puisqu'ils ont des vitesses des centaines de fois plus petites ; cela indique que la contribution sera moins importante.

Dans l'expérience, la tension appliquée (fréquence 50 Hz) contrôlait le champ électrique et le champ magnétique orienté perpendiculairement restait constant. Lors de l'analyse des trajectoires des décharges individuelles, les deux champs peuvent être traités comme constants puisque le temps de propagation des streamers se situe dans une plage de nanosecondes.

Les simulations ont été utilisées pour étudier les trajectoires des particules dans les champs magnétiques et électriques à couplage croisé. L'intension de la simulation était d'étudier une voie hypothétique soumise à la superposition de forces magnétiques et électriques, sans prendre en compte les interactions de particules telles que les collisions. En ce sens, la partie théorique et les simulations présentées dans ce paragraphe se réfèrent en fait à une propagation similaire aux conditions de vide. Pour les collisions dans l'air sous pression normale, le trajet de la longueur des électrons est très court et l'ensemble du mécanisme sera différent. Cependant, l'intention était dans un premier temps de visualiser l'effet de l'interaction des champs électriques et magnétiques, imitant la trajectoire, qui est en fait liée au vide. En réalité, la décharge se déplace le long des lignes de champ électrique en raison du processus d'ionisation en cours ; ainsi, le point clé était d'étudier la trajectoire due à la présence du champ magnétique. Il s'agit en fait d'un canal constitué d'électrons et d'ions, qui sera impacté dans une vue plus macroscopique par un champ magnétique superposé. En ce sens, la simulation a un caractère plus qualitatif pour mettre en évidence ce mécanisme. Afin d'interpréter la cause potentielle du nombre élevé de décharges partielles dans un champ magnétique, une simulation des traces de décharge corona dans la configuration point-plan a été réalisée. Étant donné que le temps de propagation individuel d'une décharge est inférieur à quelques nanosecondes, dans les simulations, la condition CC a été prise, reflétant une fente instantanée sur la forme d'onde sinusoïdale. Le mouvement Éq. (1) (la force de Lorentz) d'une particule chargée a été résolue en géométrie 3D dans les champs électriques et magnétiques. Les simulations numériques ont été réalisées dans le cadre COMSOL Multiphysics43. La séquence de simulation se compose de deux éléments consécutifs : dans la première étape, les champs magnétique et électrique sont calculés. Ensuite, le traçage des particules de charge est effectué dans l'étape suivante, dans les champs magnétiques et électriques superposés reflétant l'équation de mouvement et les forces résultantes. Les trajectoires obtenues peuvent suivre des trajectoires cycloïdales ou hélicoïdales dans les deux champs. Par conséquent, des simulations 3D sont suggérées, en particulier lorsque des inhomogénéités ou des gradients le long des axes dans les champs électriques et magnétiques sont également présents. La vue de la configuration 3D du domaine de simulation (section transversale) avec l'entrefer variable qui a été utilisé pour la simulation est présentée à la Fig. 2. Les éléments tétraédriques ont été utilisés dans le maillage. L'électrode HV avec une pointe ayant une courbure de 60 µm a été placée à distance a de l'électrode plane radiale de masse.

Vue de la configuration 3D du domaine de simulation (coupe).

L'ensemble des conditions aux limites pour les simulations indiquées dans le graphique a été adopté : l'électrode aiguille était au potentiel HT, tandis que l'électrode plane était au potentiel de masse. L'option de gel était activée lorsque la particule était en contact avec une paroi. La source des particules était attachée à l'électrode HV. Selon une simplification supposée, les streamers issus de l'ionisation dans l'entrefer ne sont pas réfléchis ; cependant, cela semble être une bonne approximation aux fins de ces simulations. Les calculs présentés ont été exécutés avec une tension continue sur une électrode HT dans une plage de − 8 à − 20 kV. Les conditions standard (STP) (c'est-à-dire une pression de 0,1 MPa et une température de 300 K) ont été prises dans les simulations. La pointe HV a été utilisée comme faisceau de particules, libérant 1000 particules d'une source de faisceau dans une séquence de simulation. Dans les exemples présentés, à ce stade des simulations, les électrons ont été utilisés dans la comparaison de tracé de particules. Comme condition initiale, l'énergie cinétique moyenne de 5 keV a été définie avec un écart type gaussien σ égal à 0,1 eV. La trajectoire de la particule a été rendue sous forme de tube dans la visualisation graphique. Les simulations ont été exécutées pour deux valeurs de distances d'écart (a = 20 mm et a = 40 mm entre l'électrode HT et le sol). Les comparaisons des trajectoires pour les deux distances interélectrodes à une tension HT de U = - 10 kV sont présentées à la Fig. 3 pour l'instance sans champ magnétique et deux autres scénarios avec des inductions magnétiques égales à B = 40 mT et B = 80 mT . Sans présence du champ magnétique (B = 0 mT - Fig. 3a, d), les électrons se déplacent le long de lignes droites depuis la source du faisceau à la pointe en forme de cône de l'électrode HV. L'application d'un champ magnétique perpendiculaire avec une induction de B = 40 mT a provoqué la torsion et la déviation de la trajectoire (Fig. 3b, e) suite à la force de Lorentz. L'amplification de l'induction du champ magnétique a provoqué un encerclement du faisceau autour de l'axe du champ magnétique avec une dérive simultanée due à un champ électrique vers l'électrode de masse. Il est notable l'influence du champ magnétique sur le temps de propagation de la particule chargée. Pour une distance d'écart de a = 20 mm, les électrons ont atteint le niveau du sol dans le cas sans champ en 0,3 ns, alors que la présence de champs magnétiques avec induction B = 40 mT et B = 80 mT a donné 0,5 et 0,8 ns, respectivement . De plus, la présence d'un champ magnétique a conduit à un point plus focalisé et localisé (par exemple, Fig. 3c, f) qui n'était pas dispersé comme dans le scénario sans champ (Fig. 3a, d).

Comparaison des trajectoires d'électrons dans des champs électriques et magnétiques croisés pour une distance entre les électrodes a = 20 mm (rangée supérieure) et a = 40 mm (rangée inférieure) à la tension HT U = − 10 kV pour l'induction de champ magnétique : (a) B = 0 mT ; (b) B = 40 mT ; (c) B = 80 mT ; (d) B = 0mT; (e) B = 40 mT ; (f) B = 80 mT. Orientation des champs E, B et description des électrodes dans les graphiques (c) et (f).

Il a été observé que la trajectoire allongée due à la déviation du champ magnétique entraînait un temps de séjour et de propagation tp plus long de l'ensemble du trajet entre les électrodes HT et de masse. Une comparaison de ces valeurs est présentée dans le tableau 1. Dans cette simulation, aucun effet de collision ni d'ionisation n'a été inclus.

Le temps de propagation du faisceau d'électrons tp en fonction du champ magnétique de fond dans la configuration point-plan est illustré à la Fig. 4. La distance entre les électrodes a est un paramètre. La relation est linéaire dans la plage définie d'induction magnétique B, et la pente change en fonction de la valeur de a.

Temps de propagation du faisceau d'électrons tp en fonction du champ magnétique de fond B en configuration point-plan, a - distance interélectrodes.

Une séquence de trames qui montre l'évolution de la voie de propagation dans le temps pour l'induction de champ magnétique B = 80 mT et la tension HT U = - 8 kV est illustrée à la Fig. 5. Le tourbillon de trajectoire peut déjà être observé à la sortie de la source de faisceau (Fig. 5a), après déviation latérale (Fig. 5c) et virage presque complet (Fig. 5e).

Séquence de trames de l'évolution de la trajectoire de propagation dans le temps pour l'induction B = 80 mT, la distance a = 20 mm et U = − 8 kV aux horodatages : (a) 1 ns ; (b) 2ns; (c) 4ns; (d) 6 ns; (e) 8ns; (f) 12 ns - orientation des champs E, B et description des électrodes dans le graphique (c).

Une certaine composition du rapport des forces électriques et magnétiques peut même conduire à un enroulement de la trajectoire d'origine, conduisant à l'atténuation voire à l'arrêt de la propagation du streamer.

Lorsqu'elle est contrôlée par l'intensité du champ électrique, la tension d'accélération influence également la forme de la trajectoire des particules chargées. Cette dépendance pour un électron dans un champ magnétique avec B = 80 mT dans un arrangement corona avec des distances d'entrefer de a = 20 mm et a = 40 mm est visualisée sur la Fig. 6 pour des tensions appliquées dans une plage de - 8 à - 20 kV . Une comparaison des chemins d'électrons dans les distances interélectrodes plus courtes et plus longues révèle une duplication du motif de noyau au même niveau de tension (par exemple, Fig. 6a et e). Le but des simulations était de comparer la modulation de la trajectoire du faisceau par un champ magnétique perpendiculaire.

Trajectoires de faisceaux d'électrons dans des champs électriques et magnétiques croisés pour une distance entre les électrodes a = 20 mm (a–d) et a = 40 mm (e–h) au champ magnétique B = 80 mT pour les tensions appliquées : (a) − 8 kV ; (b) - 10kV; (c) - 15kV; (d) - 20kV; (e) - 8kV; (f) - 10 kV ; (g) - 15kV; (h) - 20kV.

Les mesures ont été effectuées dans la configuration d'origine qui permettait une détection sensible en présence d'un champ magnétique faible, puisque les mesures conventionnelles de DP sont effectuées uniquement dans le champ électrique21. Les expériences présentées ont été réalisées dans la configuration des champs magnétiques et électriques croisés ; le dispositif expérimental est présenté à la Fig. 7. Deux types d'investigations ont été menées : premièrement, sur un vide d'air noyé dans du polyéthylène (PE), et deuxièmement, dans une configuration point-plan avec une barrière en PE posée au sol électrode. Tous les éléments du montage expérimental qui sont exposés au champ magnétique doivent être en matériau non magnétique (en particulier les électrodes et les connexions). Le champ magnétique statique dans cet arrangement expérimental était fourni par deux aimants permanents au néodyme situés des deux côtés des électrodes à une distance de 70 mm, créant une distribution de champ quasi uniforme dans l'espace intermédiaire. L'induction magnétique au milieu de l'entrefer était de 80 mT. Les aimants ont été placés et retirés manuellement dans la configuration expérimentale avec une grande précision. Les aimants ont été fixés avec une construction en bois pour fournir un arrangement stable. L'induction du champ magnétique a été mesurée à l'aide d'un SMS 102 m équipé d'un capteur Hall. Pour information, la direction du pôle nord de la Terre était perpendiculaire au champ statique et est notée sur la Fig. 7 par une boussole symbolique.

Instrumentation pour la mesure des décharges partielles dans les champs électriques et magnétiques croisés : (1) vide dans l'éprouvette PE ; (2) arrangement corona point-plain.

La géométrie de l'échantillon qui contenait le vide est présentée à la Fig. 8a. L'échantillon vide avait des dimensions de 50 × 50 mm et une épaisseur de 3 mm. Les échantillons avec des vides internes qui avaient un diamètre de 15 mm et deux variantes d'épaisseur (a1 = 240 μm et a2 = 1 mm) ont été utilisés dans les tests. La perméabilité électrique εr du matériau PE était égale à 2,2. Les électrodes HV et de masse avaient un diamètre de 40 mm et étaient en aluminium poli. Afin d'éviter les rejets en surface, l'ensemble du montage avec un échantillon a été immergé dans l'huile.

Géométrie de l'éprouvette : (a) vide intégré dans le PE ; (b) configuration point-plan corona.

La géométrie corona point-plan est illustrée à la Fig. 8b. L'électrode à aiguille HV était en cuivre et l'électrode mise à la terre d'un diamètre de 40 mm était en aluminium. La pointe de l'électrode ponctuelle HV avait un rayon sphérique de r = 60 μm. La barrière diélectrique en PE de dimensions 60 × 60 mm a été placée sur l'électrode de masse. L'espace entre les électrodes a a été modifié dans une plage de 20 à 60 mm. La forme d'onde sinusoïdale HV était fournie par un amplificateur (modèle Trek 20/20B) contrôlé par un générateur de fonctions (Tektronix modèle AFG 3011). La résistance de limitation Z a été placée dans le chemin haute tension à la sortie de la source HT. Pour fermer la boucle de décharge partielle haute fréquence, le condensateur de couplage Cc a été placé dans une branche parallèle de l'échantillon. Les DP ont été acquises en mode résolu en phase à large bande (PRPD) à l'aide d'un système d'acquisition ICM de Power Diagnostix. L'unité était reliée à un ordinateur de contrôle au moyen d'une interface GPIB. La détection des DP a été réalisée à l'aide d'un transformateur de courant à large bande CT terminé à 50 Ω. Les expériences présentées ont été réalisées à température ambiante (21 °C) avec un taux d'humidité de 24 % et une pression atmosphérique d'env. 0,1 MPa.

L'observation intéressante rapportée dans cet article concerne la modulation ; c'est-à-dire l'amplification ou l'atténuation de l'intensité de la DP par un champ magnétique superposé. Afin d'étudier l'influence d'un champ magnétique sur la dynamique des décharges partielles, deux types d'expériences ont été menées : premièrement, dans un vide gazeux (air) ; et deuxièmement - dans une configuration corona point-plan dans l'air avec une barrière diélectrique. La dynamique de décharge a été indiquée et visualisée dans les expériences réalisées par le nombre de décharges qui ont été enregistrées dans un intervalle de temps prédéfini et est appelée intensité dans cet article. Les expériences ont été réalisées dans un champ magnétique statique avec une induction de 80 mT. Ce champ relativement faible a été appliqué afin de détecter le comportement des DP dans une plage de champ qui peut éventuellement se produire dans les appareils électriques de tous les jours. Quoi qu'il en soit, ce champ est supérieur de trois ordres de grandeur au champ magnétique terrestre (par exemple, à Cracovie, il est égal à environ 46 μT).

Les mesures de décharge partielle ont été effectuées dans l'arrangement expérimental illustré à la Fig. 7 ainsi que dans un échantillon de PE contenant un vide d'air (illustré à la Fig. 8a). Le diamètre du vide était de 15 mm et des échantillons de deux épaisseurs ont été étudiés (a1 = 250 μm et a2 = 1 mm). Les tensions de début de PD pour ces échantillons étaient de 8 et 7,6 kV, respectivement. Avec la présence d'un champ magnétique, les deux tensions d'inception PD étaient légèrement inférieures, produisant 7,5 et 7,2 kV. Les tensions de démarrage sont assez similaires, et cet effet fait référence à la tension de claquage dans l'air à de petites distances. A savoir, la valeur commune de la tenue au champ électrique pour des cavités espacées de quelques millimètres à pression normale est de 3 kV/mm, alors que pour une distance submillimétrique, elle va jusqu'à 5 kV/mm, et plus loin jusqu'à 9 kV/mm pour de minuscules vides de 0,01 mm d'épaisseur10. Les modèles PRPD qui ont été enregistrés à 10 kV pour l'échantillon d'épaisseur a1 sont illustrés à la Fig. 9a; pour l'épaisseur a2 sur la figure 9b, le graphique reflète des images typiques qui correspondaient à la présence d'une inclusion gazeuse dans le matériau diélectrique10.

Modèles PD enregistrés à 10 kV (B = off) pour un échantillon avec des vides intégrés d'une épaisseur de (a) 240 μm et (b) 1 mm.

Pour révéler l'impact du champ magnétique, le scénario de mesure a été divisé en deux phases (illustrées à la Fig. 10) : premièrement, sans champ magnétique (B = éteint), suivi d'un intervalle de commutation d'environ plusieurs secondes ; deuxième - avec champ magnétique actif (B = on) avec une induction de 80 mT. Les deux traces indiquent les nombres d'impulsions de décharge partielle négatives et positives (représentées respectivement en bleu et en rouge). La petite différence observée entre le nombre d'impulsions PD négatives et positives peut être attribuée à la grande paroi de vide de surface de l'échantillon et aux non-uniformités associées (y compris le profil de surface et les micro-ondulations) également aux conditions de surface, puisque le vide a été fabriqué à partir du PE couches. Ainsi, cette différence résulte d'une infime asymétrie dans le montage expérimental. Comme le montre la figure 10a, l'activation du champ magnétique a manifesté une augmentation du niveau de forme d'onde pour un vide d'une épaisseur de 240 μm lors de l'acquisition du temps de décharge partielle de la séquence B = off/on. Pour le vide plus épais (a2 = 1 mm) dans le PE, l'intensité PD, désignée par le nombre de décharges N, a rapidement augmenté après l'activation d'un champ magnétique avec une induction de 80 mT (comme indiqué dans la séquence temporelle PD de la Fig. 10b). L'augmentation révélée de l'intensité PD lors de l'activation du champ magnétique peut faire référence à la voie allongée des ions et des électrons, qui a été causée par la coexistence des champs magnétiques et électriques croisés.

Séquence temporelle B = off/B = on de l'impact du champ magnétique sur l'intensité PD dans le vide PE à 10 kV avec les épaisseurs suivantes : (a) a1 = 240 μm ; (b) a2 = 1 mm. Le nombre N d'impulsions PD négatives et positives est indiqué respectivement en rouge et en bleu.

Le nombre d'impulsions PD des deux polarités a augmenté pour une inclusion plus fine (a1 = 240 μm) de 745 (la moyenne des deux polarités) à l'état d'équilibre à 785 (juste après la transition du champ magnétique). Pour le vide plus épais (a2 = 1 mm - Fig. 10b), le niveau sans champ a donné 2300 et a augmenté à un taux constant jusqu'à 3770 (les deux polarités) en 140 s. Il convient de noter que, dans le stade sans champ, le nombre d'impulsions PD positives et négatives était légèrement différent, alors que ces valeurs étaient plus convergentes dans le champ magnétique. La relation entre le nombre d'impulsions PD de polarité négative (N-) par rapport aux tensions appliquées dans une plage de 8 à 20 kV pour les mesures sans champ magnétique et avec champ magnétique présent est illustrée à la Fig. 11.

Relation entre le nombre d'impulsions PD de polarité négative et la tension appliquée pour les mesures sans champ magnétique et avec champ magnétique présent (échantillon PE, épaisseur de vide a1 = 240 μm).

Le graphique révèle un haut degré de linéarité, confirmant l'intensité légèrement plus élevée de PD sur toute la plage de tension. Étant donné que le modèle de PD était symétrique, le graphique des impulsions positives est très similaire. Étant donné que le champ magnétique a influencé la trajectoire de vol des particules chargées (c'est-à-dire les électrons et les ions), il existe une certaine géométrie d'inclusion critique où cet effet est substantiel. Dans la géométrie des vides étudiée et à une induction de champ magnétique de 80 mT, cet effet n'a pas été détecté en dessous de l'épaisseur d'env. 100 μm (même l'atténuation du nombre PD a été remarquée). Ainsi, en comparant ces cas (c'est-à-dire sans champ et présence d'un champ magnétique), une influence significative a été observée (en particulier sur l'intensité de la DP). L'effet d'un champ magnétique sur les DP était plus prédominant pour le vide plus épais. La non-uniformité du champ magnétique peut en outre avoir localement influencé la trajectoire de la charge. Le nombre de collisions entre les électrons, les ions et les molécules de gaz a été augmenté par un champ magnétique le long de la trajectoire allongée, y compris l'amplification de l'énergie des électrons due à l'accélération dans le champ magnétique ; ce sont les causes profondes des phénomènes étudiés.

La deuxième série d'expériences a été réalisée dans une configuration corona point-plan dans l'air avec une barrière diélectrique (PE) placée sur l'électrode de masse44,45 ; la configuration de mesure est illustrée à la Fig. 7. Le paramètre de ces mesures était la distance a entre la pointe de l'électrode ponctuelle et le sol (en supposant des valeurs de 20, 40 et 60 mm). Un champ magnétique constant d'induction B égale à 80 mT a été appliqué dans la direction perpendiculaire à la disposition point-plan (donc au champ électrique). Les modèles de DP qui ont été enregistrés pour les trois distances interélectrodes susmentionnées et deux valeurs de tension extrêmes (9 et 16 kV) sont illustrés à la Fig. 12. La valeur inférieure est proche du début, tandis que la valeur supérieure fait référence au niveau de saturation.

Diagrammes de DP enregistrés (B = on) pour deux valeurs de tension extrêmes (9 kV—colonne de gauche et 16 kV—colonne de droite) et pour trois distances interélectrodes : (a) a = 20 mm, (b) a = 40 mm, ( c) a = 60 mm.

Avant les mesures, la séquence de test a été exécutée pour s'assurer que la variation de signal détectée provenait du champ magnétique appliqué. Un schéma de la séquence de commutation est illustré à la Fig. 13. La première partie (I) de l'enregistrement de l'intensité DP se rapporte à la mesure sans champ magnétique et est suivie d'une commutation d'arrêt d'essai pendant environ 10 s. Après la récupération haute tension (II), l'intensité PD est revenue au niveau d'origine ; ensuite, la deuxième opération de commutation correspond à l'activation du champ magnétique, ce qui a entraîné un seuil de PD (III) nettement élevé qui s'exprime par ΔN-. La dernière transition consistait à désactiver le champ magnétique à l'étape (IV), où le niveau de PD correspond à la valeur initiale. L'influence du champ magnétique sur la dynamique de DP est illustrée à la Fig. 14 sur le tableau de comparaison. L'ensemble de courbes se réfère à la distance a de la pointe HV au sol ; à l'intérieur de chaque paire, il y a des traces qui reflètent les étapes B = off et B = on. Le nombre de décharges N- correspond à une acquisition en 60 s. Le graphique révèle la relation linéaire entre le nombre de décharges corona et les tensions croissantes (depuis le début jusqu'à un certain stade de saturation préalable). L'observation la plus importante est que, dans tous les cas, l'intensité de DP a été amplifiée avec la présence d'un champ magnétique. Au niveau de début de couronne U0 (tension de début U0-PD), cette augmentation était plus faible (atteignant l'étendue la plus large entre les lignes à 1,2U0). Il convient de noter que la tension d'inception PD observée avec la présence d'un champ magnétique était inférieure d'environ 8% par rapport à B = hors scène. Les points lilas (9 kV) et rouges (16 kV) indiquent la correspondance avec les schémas PRPD de la Fig. 12.

Diagramme d'intensité PD de la séquence de commutation de test : (I) état initial sans champ magnétique ; (TR) tester la commutation d'arrêt ; (II) enregistrement PD à B = désactivé ; (TR) transition pour activer le champ magnétique ; (III) présence de champ magnétique ; (TR) passage à l'état sans champ ; (IV) champ magnétique désactivé.

Relation entre le nombre d'impulsions PD de polarité négative et la tension appliquée pour les mesures sans champ magnétique et avec champ magnétique présent dans une configuration point-plan avec des variations de distance de 20 à 60 mm.

Les marqueurs des profils de séquence temporelle qui sont représentés sur la figure 14 sont indiqués par les flèches. Les tracés indiquent clairement l'influence du champ magnétique sur la dynamique de la décharge corona. Même au niveau de démarrage, l'élévation de l'intensité de décharge peut être détectée.

La séquence temporelle des profils d'intensité PD à trois niveaux de tension (9, 12 et 14 kV) ainsi que deux distances interélectrodes (20 et 40 mm) sont illustrées à la Fig. 15. Des augmentations supplémentaires de la tension ont entraîné des dynamiques différentes (c'est-à-dire, dans le cas d'une distance de a = 20 mm, le nombre de DP dans l'état présent du champ magnétique était élevé tout en augmentant la tension; cependant, l'étendue exprimée par ΔN− était atténuée. Contrairement à a = 40 mm, l'augmentation de la tension de 9 à 14 kV était associée à la forte croissance dynamique de ΔN− - de 260 à 1620, respectivement). Les exemples ci-dessus indiquent que l'introduction d'un champ magnétique conduit à une amplification de l'intensité de la décharge et à une augmentation du nombre de canaux de streamer. Dans le cas de la couronne, les améliorations se réfèrent à la fois à la zone d'ionisation et à la région de dérive. Cet effet peut être confirmé par des simulations présentées dans la section "Conclusion". La comparaison des trajectoires dans les champs électriques et magnétiques croisés pour la distance d'espacement interélectrode a = 20 mm et a = 40 mm indique l'allongement du trajet des électrons, donc la probabilité de déclenchement de la décharge. Simultanément, le temps de résidence et de propagation tp dans ces deux cas à B = 40 mT est étendu de 0,5 à 1,1 ns.

Séquence temporelle B = off/B = on (B—induction magnétique) de l'influence du champ magnétique sur l'intensité de la DP (N—nombre de décharges) dans l'arrangement corona point-plain pour des distances pointe-sol de a = 20 mm (gauche colonne) et a = 40 mm (colonne de droite) aux tensions suivantes : (a) 9 kV ; (b) 12kV; (c) 14kV.

L'objectif de l'article était de rapporter la dynamique modulée par le champ magnétique des décharges partielles. Comprendre le mécanisme physique de l'influence du champ magnétique sur la DP est un sujet complexe nécessitant des recherches supplémentaires. À ce stade, certaines hypothèses peuvent être avancées, ce qui peut expliquer l'influence du nombre d'impulsions de DP, affectant également l'amplitude de la DP. Le nombre plus élevé d'impulsions PD en présence d'un champ magnétique peut être attribué à la tension de démarrage plus faible, qui a été observée dans les deux cas, c'est-à-dire dans les expériences avec des vides et une couronne. En plus d'un champ électrique, la composante du champ magnétique engendre une force de Lorentz supplémentaire sur les particules chargées. Cette force agissant sur les électrons libres dans un champ croisé E × B entraîne une accélération plus forte par rapport à une dérive uniquement dans un champ électrique, ce qui impactera l'énergie des électrons libres et améliorera les ionisations des molécules de gaz. De cette façon, le champ magnétique agit sur la zone d'ionisation focalisée, abaissant la tension d'inception DP et entraînant un nombre plus élevé de décharges par rapport à B = étage éteint. La plus forte accélération impacte le nombre de collisions entre les électrons libres et les molécules de gaz, ainsi que l'énergie moyenne des électrons libres. Une autre hypothèse concernant la dynamique de la DP peut être liée au fait qu'en raison de polarités différentes, les électrons et les ions positifs seront déviés dans des directions opposées, prolongeant le chemin des électrons libres entre les collisions, provoquant ainsi plus d'électrons à haute énergie, conduisant à une augmentation taux d'ionisation. Dans ce scénario, la déviation des ions positifs se traduira par un chemin d'électron libre favorisé, une diminution du taux de recombinaison local et donc une augmentation de la probabilité d'événement de collision. Cet effet se traduira également par un nombre plus élevé de DP. La trajectoire déviée du chemin de décharge sous champs magnétiques et électriques croisés, visualisée par imagerie in1, entraîne une augmentation du nombre de décharges, tel que mesuré dans l'expérience présentée, en raison de la probabilité plus élevée de décharge sur un chemin plus long. La composante magnétique perpendiculaire améliore la concentration de charge d'espace dans toute la région inter-électrodes, élargissant le volume d'ionisation possible (puisque le chemin de dérive rectiligne est modifié pour être plus dévié et en forme de spirale), augmentant ainsi la probabilité de collision avec les ions et les molécules de gaz . Cela peut également entraîner une augmentation du nombre de canaux de streamer, d'où un nombre de PD plus élevé. La trajectoire plus longue signifie également un temps de séjour plus long des charges dans l'espace interélectrodes, en particulier des électrons qui provoquent des événements d'ionisation successifs. Cet effet aura également un impact sur l'ampleur du débit. Dans une vue plus macroscopique, un canal streamer se propageant constitué d'électrons et d'ions sera impacté par un champ magnétique superposé. Dans les recherches futures, devraient être analysés en plus des effets liés au transport de charge dans l'air, les effets interfaciaux associés aux interactions sur la surface du PE, notamment l'émission de surface et l'accumulation de charge.

Cet article présente une méthodologie de mesure et une approche de détection originales pour déterminer l'influence du champ magnétique sur la dynamique de DP. Les mesures ont été exécutées dans la configuration d'origine qui permettait une détection sensible en présence d'un champ magnétique faible, contrairement aux mesures conventionnelles de DP qui sont effectuées uniquement dans un champ électrique. La technique de mesure appliquée a permis de détecter l'effet des champs magnétiques sur les DP en mode vide et en mode corona. Il a été démontré que l'interaction des champs électriques et magnétiques influence la dynamique des décharges partielles dans les deux configurations. Dans l'approche d'acquisition, la technique de commutation temporelle de la présence du champ magnétique a été synchronisée avec la détection de DP. La combinaison d'images résolues en phase et de diagrammes d'intensité de séquence temporelle a permis de visualiser et de déterminer quantitativement l'impact du champ magnétique sur les DP.

Il a été montré dans des simulations que les champs électriques et magnétiques croisés influençaient le trajet des particules chargées, c'est-à-dire les allongements et les turbulences de la trajectoire du faisceau d'électrons. En raison de la déviation causée par la force effective de Lorentz, une voie plus longue a également conduit à une analyse comparative du temps de séjour prolongé tout en étant uniquement exposé à un champ électrique. À certains rapports de champs magnétiques et électriques, la présence d'un champ magnétique peut conduire à un point de décharge focalisé et localisé, et non dispersé comme on peut le trouver dans un cas sans champ. De cette manière, un champ magnétique allonge les trajectoires de charge (c'est-à-dire pour les électrons et les ions) et augmente l'énergie ; cela est dû à l'accélération dans les champs combinés. Cela peut augmenter la probabilité d'ionisation, augmentant ainsi efficacement l'intensité de la décharge; cela a également été confirmé par les mesures sur les deux vides dans le diélectrique et la couronne. D'autre part, la torsion d'une voie de charge peut atténuer ou même arrêter l'action de la DP. De tels effets ont été observés pour de très petits vides. Il a été montré que l'impact d'un champ magnétique dépend également de l'épaisseur des vides dans le cas d'une inclusion diélectrique noyée (ou de la distance interélectrodes, comme dans le cas de la couronne). Dans le cas de l'inclusion gazeuse dans le matériau diélectrique, il semble exister une certaine géométrie d'inclusion critique au-dessus de laquelle cet effet est important. Par exemple, l'effet n'a pas été détecté et l'atténuation du nombre PD n'a même pas été remarquée dans la géométrie des vides étudiée et à une induction de champ magnétique de 80 mT sous l'épaisseur d'environ. 100 μm. L'effet d'un champ magnétique sur les DP était plus prédominant pour le vide plus épais. De plus, le nombre de décharges a augmenté quantitativement de manière plus dynamique tout en augmentant la tension en présence des deux champs par rapport au cas de référence avec seulement un champ électrique. Cet effet est attribué à l'allongement des trajectoires des particules chargées et à l'augmentation de l'énergie des électrons due à l'accélération. L'étude présentée peut contribuer à la méthodologie de mesure, à la technique de détection et à la compréhension des phénomènes physiques. Il peut sensibiliser à la modulation d'intensité PD causée par la présence de champs magnétiques dans la plupart des appareils électriques. Ainsi, l'effet d'un champ magnétique peut être perçu comme un facteur de modulation supplémentaire qui influence la dynamique de DP.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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L'auteur tient à remercier Eng. Kazimierz Chudyba pour son aide avec l'arrangement de configuration magnétique.

AGH Université des sciences et technologies, Al. Mickiewicza 30, 30-059, Cracovie, Pologne

Marek Florkowski

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MF a conçu l'étude, effectué les mesures, analysé les résultats et rédigé le manuscrit.

Correspondance à Marek Florkowski.

L'auteur ne déclare aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Florkowski, M. Dynamique modulée par champ magnétique des décharges partielles dans les défauts des matériaux isolants haute tension. Sci Rep 12, 22048 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26675-0

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Reçu : 15 août 2022

Accepté : 19 décembre 2022

Publié: 21 décembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-26675-0

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