Effet corona

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Effet corona autour d'une bobine haute tension
Photo (1914). La nuit effet corona autour des fils d'antenne TSF de la tour Eiffel.

L'effet corona, aussi appelé « effet couronne », est une décharge électrique entraînée par l'ionisation du milieu entourant un conducteur, elle se produit lorsque le potentiel électrique dépasse une valeur critique mais dont les conditions ne permettent pas la formation d'un arc.

Cet effet est utilisé, entre autres, dans les lampes à plasma.

Mécanisme[modifier | modifier le code]

Au niveau macroscopique[modifier | modifier le code]

Une décharge de corona se produit lorsqu'un courant, continu ou non, se crée entre deux électrodes portées à un haut potentiel et séparées par un fluide neutre, en général l'air, par ionisation de ce fluide. Un plasma est alors créé et les charges électriques se propagent en passant des ions aux molécules de gaz neutres.

Lorsque le champ électrique en un point du fluide est suffisamment grand, le fluide s'ionise autour de ce point et devient conducteur. En particulier, si un objet chargé possède des pointes ou des coins (ex: angle de 90 degrés), le champ électrique y sera plus important qu'ailleurs (c'est le pouvoir des pointes), c'est là en général, que se produira une décharge de corona : le phénomène tendra à se stabiliser de lui-même puisque la région ionisée devenant conductrice, la pointe aura apparemment tendance à disparaître. Les particules chargées se dissipent alors sous l'effet de la force électrique et se neutralisent au contact d'un objet de charge inverse. Les décharges de corona se produisent donc en général entre une électrode de rayon de courbure faible (un défaut du conducteur formant une pointe par exemple) tel que le champ électrique à ses environs soit suffisamment important pour permettre la formation d'un plasma, et une autre de rayon de courbure important (une plaque métallique ou la terre).

Une décharge de corona peut être positive ou négative selon la polarité de l'électrode de faible rayon de courbure. Si elle est positive, on parle de corona positif, sinon, de corona négatif. Du fait de la différence de masse entre les électrons (négatifs) et les ions (positifs), la physique de ces deux types de corona est radicalement différente. Par exemple, une décharge de corona produit de l'ozone (transforme le dioxygène O2 de l'air en ozone O3) quelle que soit sa polarité, mais un corona négatif en produit beaucoup plus qu'un corona positif.

Si la géométrie du conducteur et la valeur du champ sont telles que la région ionisée s'étend au lieu de se stabiliser, le courant peut finir par trouver un chemin jusqu’à l'électrode inverse, il se forme alors des étincelles ou un arc électrique.

Au niveau microscopique[modifier | modifier le code]

Les décharges de corona, qu'elles soient positives ou négatives ont des mécanismes en commun :

  1. Un atome ou une molécule neutre du fluide environnant l'électrode est ionisé par un événement extérieur (par exemple par interaction avec un photon), un ion positif et un électron sont libérés.
    Corona Discharge initiation-fr.svg
  2. Ces deux particules étant de charges inverses, le champ électrique crée sur chacune d'elles une force électrique égale en norme mais de sens opposé et les sépare, empêchant leur recombinaison et leur apportant une énergie cinétique importante. Ceci initie le phénomène de claquage.
  3. L'électron étant de masse beaucoup plus faible que l'ion, il est fortement accéléré, et entre en collision inélastique avec des atomes neutres, ce qui tend à créer de nouvelles paires électrons/ions positifs, qui suivront le même processus. On parle d'effet d'avalanche.
    Corona electrical breakdown-fr.svg
  4. Des ions ainsi créés sont attirés par la seconde électrode et permettent ainsi l'établissement d'un courant.
    Corona discharge upkeep-fr.svg

Propriétés électriques[modifier | modifier le code]

La tension nécessaire pour démarrer un effet couronne (en anglais : corona inception voltage, CIV) peut être calculée avec la loi de Peek (1929), formulée à partir de données empiriques[1]. Des articles subséquents fournissent des formules plus précises.

Le courant entraîné par une décharge de corona peut se déterminer en intégrant la densité de courant à la surface du conducteur. La puissance dissipée est le produit de ce courant et de la tension entre les deux électrodes.

Applications des décharges de corona[modifier | modifier le code]

Les décharges de corona ont de nombreuses applications commerciales et industrielles.

  • Production d'ozone
  • Filtrage des particules contenues dans l'air (système d'air climatisé)
  • Destruction de particules organiques contenues dans l'atmosphère : pesticide, solvant, …
  • Traitement de surface de certains polymères
  • Photocopieur
  • Laser à azote
  • Séparation électrostatique de matières conductrices et non-conductrices
  • Refroidissement de composants électroniques (la migration des particules ionisées génère un flux qui expulse l'air chaud)

Problèmes liés aux décharges de corona[modifier | modifier le code]

Les décharges de corona peuvent produire des bruits audibles et des perturbations sur les fréquences radio, en particulier à proximité des lignes à haute tension. Elles représentent également une perte de puissance. Enfin, les réactions qu'elles provoquent dans l'atmosphère pourraient avoir un impact sur la santé. C'est pourquoi les installations de transmission électrique sont conçues pour minimiser la formation des décharges de corona.

Les décharges de corona sont particulièrement à éviter dans :

  • les installations de transmission électrique où elles provoquent une perte d'énergie et du bruit
  • la plupart des équipements électriques : transformateurs, machines électriques (aussi bien générateurs que moteurs), etc. où elles endommagent progressivement les isolants amenant à une détérioration prématurée des équipements
  • toutes les situations nécessitant une tension importante mais où la production d'ozone doit être minimale.

Réduction de l'effet corona sur les lignes électriques[modifier | modifier le code]

La réduction de l'effet corona sur les lignes à haute tension par des mesures spécifiques n'est en général nécessaire que quand le niveau de tension de la ligne dépasse 345 kV. Au-delà de la réduction des nuisances aux populations, le coût économique des pertes en ligne par effet corona peut justifier à lui seul de prendre des mesures correctives. Ces mesures sont de 2 types :

  • utilisation de conducteurs de gros diamètre, pour limiter le champ électrique à la surface. Cette mesure est souvent inefficace, et rarement économiquement justifiée, car l'effet de peau rend souvent inefficace le choix de conducteurs de grosse section.
  • utilisation de faisceau de conducteurs (typiquement 2 conducteurs ou plus en 400 kV, 3 conducteurs ou plus en 500 kV) qui en plus de leur intérêt d'un point de vue thermique permettent de diminuer le champ superficiel sur les conducteurs.

Le choix du nombre de conducteurs d'une ligne électrique se fait donc en fonction du courant à transiter, des conditions climatiques, des effets de peau et corona, et bien sûr des aspects économiques. Un critère simple permettant de limiter l'effet corona sur les lignes électriques consiste à s'assurer que le champ superficiel sur le conducteur ne dépasse pas une valeur de l'ordre de 17 kV/cm.

Réduction de l'effet corona dans les postes électriques[modifier | modifier le code]

Dans les postes électriques haute tension, les considérations précédentes sur les lignes restent valables. On a toutefois la possibilité d'utiliser pour les jeux de barres des conducteurs tubulaires de rayon extérieur important (80 à 220 mm) qui ont un champ surfacique faible. L'aspect de perturbations sur les fréquences radio devient critique, en raison de la présence éventuelle d'équipements électroniques sensibles. Les appareils HTB (sectionneur, disjoncteur à haute-tension, parafoudre, …) doivent être conçus et testés pour limiter ces perturbations radio-électriques liées à l'effet corona : on utilise pour cela des pare-effluves avec de gros rayons de courbures pour limiter cet effet.

Références[modifier | modifier le code]

  1. F.W. Peek, Dielectric Phenomena in High Voltage Engineering, McGraw-Hill,‎ 1929 (lire en ligne)

Voir aussi[modifier | modifier le code]