Dans le domaine de l'électricité, une décharge partielle (DP) est une sous l'effet d'une forte tension (HTB ou HTA). Leur présence conduit à une dégradation accélérée de l'isolation qu'elle soit liquide, par oxydation, ou solide, par érosion.
Les décharges ayant des valeurs de charges très faibles, des dispositifs de mesure complexes et exempts de parasite doivent être mis en œuvre. Des méthodes de traitement du signal sont en général utilisées dans ces appareils de mesure.
Mécanisme Causes Sous l'effet de la tension alternative aux bornes d'un composant électrique naît un champ électrique alternatif au sein de l'isolant. La répartition instantanée du champ n'est pas homogène, l'ensemble des isolants constituant en général un milieu hétérogène, qui n'est, de plus, pas toujours isotrope.
Les décharges partielles dans un diélectrique ont le plus souvent lieu dans une bulle gazeuse : la permittivité du gaz étant très inférieure à celle du matériau environnant, un champ électrique beaucoup plus important que celui existant sur une distance équivalente au sein de l'isolant apparaît. Si cette tension dépasse la limite de rigidité diélectrique pour le gaz contenu par la bulle, une décharge partielle a lieu.
À l'inverse, la présence d'une particule conductrice dans l'isolant peut également mener à une décharge.
D'autres causes de décharges partielles sont la présence d'une pointe sur un conducteur, ou d'un angle si celui-ci est très fin. Le champ devient alors localement très élevé, ce qui conduit dans les gaz à des décharges de type corona.
Un champ électrique tangentiel élevé peut aussi être la cause de décharges partielles en surface. Ce phénomène se rencontre souvent sur la surface des isolateurs.
Les décharges partielles peuvent avoir lieu dans tous types d'isolant, qu'ils soient gazeux, liquide ou solide. Dans les solides les phénomènes liés à la forme du conducteur et à la présence d'une particule conductrice sont prépondérants. Dans les liquides, la présence de bulles de gaz ou de gaz sous forme de couche à une frontière solide/liquide, la présence d'humidité, particulièrement dans l'huile pour transformateur qui associée aux déchets de cellulose produit par le papier d'isolation des appareils électriques forment des électriques dans le liquide, la forme des conducteurs et de l'isolation solide adjacente sont autant de cause de décharges partielles.
Dans les solides, les causes sont relativement similaires : bulles de gaz, humidité, fissures, arborescence d'eau, forme de la zone d'interface avec le conducteur.
Effets thumb|Décharges partielles en surface, ayant pris la forme d'une arborescence d'eau Les décharges partielles dans le gaz se manifestent par la lumière qu'elles émettent et leurs grésillements. Elles ne posent en général pas de problème particulier. En allemand, on décrit les décharges ayant lieu à l'extérieur de l'isolation comme des décharges partielles , à opposer aux décharges à l'intérieur de celle-ci qui sont .
Dans les gaz les décharges partielles sont souvent externes, dans les liquides et solides internes, les DP en surface sont équivalentes à des décharges internes parce qu'elles interagissent avec l'isolation. Le danger peut provenir du fait que si la tension est augmentée, la décharge peut franchir l'espace la séparant de la terre et donc se transformer en claquage.
De manière générale, les décharges partielles se manifestent des façons suivantes : Impulsion de courant Perte diélectrique Radiation (lumière) Bruit Augmentation de la pression du gaz Réaction chimique
Les matériaux solides, à la différence des matériaux liquides, ne se régénèrent en général pas après une décharge, elles vont donc progressivement détériorer l'isolant par érosion, d'abord à la surface de la cavité, puis plus en profondeur, pouvant conduire finalement à un claquage aux bornes du diélectrique et à la destruction de l'installation.
Dans les liquides c'est le phénomène d'oxydation qui est prépondérant. Dans le liquide isolant le plus courant : l'huile pour transformateur, les décharges partielles conduisent à la formation de dihydrogèneVoir analyse des gaz dissous.
La présence de décharges partielles réduit ainsi drastiquement la durée de vie d'un appareil électrique.
Prévention Ce phénomène peut être limité lors de la fabrication de l'équipement par sa conception, par la qualité des matériaux utilisés, et par la qualité de la fabrication. Elle doit veiller à l'absence de bulle, d'humidité que ce soit dans les liquides ou les solides, la bonne tenue des fibres de celluloses de l'isolation solide. Pour cela, des procédés sous vide sont utilisés. L'imprégnation de l'isolation papier avec de l'huile doit être très soignée : bien séchée, élimination des cavités entre les feuilles de papier. Par ailleurs, les pans de cellulose doivent être recouverts d'une couche protectrice par silanisation.
À cause de ce lien entre soin apporté à la fabrication de l'appareil électrique et décharges partielles, la mesure des décharges partielles est un des tests non destructifs les plus répandus pour évaluer la qualité des appareils électriques.
Modèle électrique thumb|upright=3.0|Représentation d'une décharge partielle interne et modèle électrique équivalent. La décharge court-circuite une capacité. On peut modéliser une cavité à l'aide d'une capacité et la DP qui en résulte par la décharge de cette capacité. Elle se trouve en série et en parallèle avec d'autres capacités modélisant l'isolation saine (voir schéma).
Au niveau des ordres de grandeur Cb a une valeur beaucoup plus élevée que Cy qui est lui-même beaucoup plus grand que Cx. Dans le cas d'une décharge partielle externe le schéma équivalent est le même mais sans capacité Cb. Quand la tension aux bornes de la capacité Cy devient suffisamment grande, une décharge a lieu et la tension tombe à zéro sur cette portion.
Une des difficultés de la mesure des DP provient du fait qu'on ne mesure pas la décharge réelle qui se produit dans la cavité, on ne peut mesurer que la décharge apparente qui vaut :
La valeur réelle ne peut être retrouvée car on ne connaît pas le lieu de la DP. Au-delà de ce problème de mesurabilité, la charge apparente a les avantages d'être proportionnelle à : l'énergie de la DP, à la taille de la cavité et au potentiel d'endommagement pour l'appareil électrique.
Mesure Unité Une décharge partielle peut être détectée par de très faibles variations dans le courant traversant l'équipement sous tension. De faible intensité et de durée réduite, environ , ces courants sont difficiles à mesurer. On exprime en général la valeur des décharges partielles en picocoulomb en donnant la valeur de la charge apparenteCEI 60270, clause 4.1, version 2000. Les seuils de tolérance vont de quelques picocoulombs pour les traversées isolées à pour les transformateurs de puissance qui sont constitués de tout un assemblage d'isolants.
Mesure électrique classique Nécessité du calibrage La capacité de l'isolant Cb a une influence sur la mesure. Elle interagit avec la capacité de couplage (cf paragraphe suivant) et forme un pont capacitif, la charge mesurée est donc différente de la charge apparente. Pour connaître le rapport entre la charge mesurée et la charge apparente, appelé il est nécessaire d'étalonner l'appareil de mesure pour chaque nouvel objet testé.
Concrètement l'étalonnage du système de mesure avec l'objet en en essai dans le circuit complet est effectué en injectant une impulsion de courte durée de charge connue qo, aux bornes de l'objet en essaiCEI 60270, clause 5.1, version 2000.
En fait, on branche une petite capacité C0 au circuit, connectée en série à un générateur de tension impulsionnel, le tout en parallèle avec l'objet à tester. La charge q0 est alors générée selon la formule suivanteCEI 60270, clause 5.2, version 2000 :
Circuit de mesure Composants thumb|upright=2.0|Montage avec objet à tester à la terreCEI 60270, figure 1a, version 2000 thumb|upright=2.0|Montage avec capacité de couplage à la terreCEI 60270, figure 1b, version 2000 thumb|upright=2.0|Circuit en pont équilibréCEI 60270, figure 1c, version 2000 La mesure de décharges partielles est difficile car très sensible aux perturbations : qu'elles viennent de l'extérieur sous forme d'interférences ou des DP dans le circuit de mesure.
La norme CEI 60270 présente les circuits de mesures classiques. Ils sont constitués deCEI 60270, clause 4.2, version 2000 : L'objet à tester (CA sur le circuit ci-contre). Un condensateur de couplage présentant un faible niveau de PD (Ck). Un coupleur (, CD), d'impédance notée Zmi. Un appareil de mesure (M). Une source de tension ayant un bruit de fond suffisamment bas (U). Des connexions haute tension ayant un bruit de fond suffisamment bas (CC). Un filtre placé côté haute tension pour réduire le bruit de fond provenant de l'alimentation (Z). Un oscilloscope pour afficher les décharges partielles (non représenté)CEI 60270, clause 4.3.3, version 2000. Un dispositif d'enregistrement (non représenté).
Le filtre séparant l'alimentation du circuit de mesure, la capacité de couplage permet de maintenir la tension stable côté mesure. Dans le cas idéal elle maintient la tension constante lors des décharges partielles, pour cela elle devrait être supérieure à Cb. Toutefois ce n'est pas toujours possible, une approximation est alors à faire.
Coupleurs et appareils de mesure La difficulté de la mesure des décharges partielles vient à la fois de leur courte durée et de la faible amplitude du courant créé. Il faut en effet intégrer le courant pour retrouver la charge. Un dispositif de mesure de type shunt est théoriquement possible, mais sa faible sensibilité le rendrait très limité. Un amplificateur est donc utilisé pour augmenter la valeur du signal.
L'insertion d'une simple capacité pour intégrer le courant mène à une forte déformation et à un retard du signal. Par ailleurs, à cause de la courte durée des DP et de leur caractère aléatoire, la résolution des appareils de mesure doit être très élevée. Si elle est trop faible on peut avoir des erreurs de superposition, deux DP apparaissent dans un court intervalle de temps et l'appareil n'est pas capable de les différencier, il livre alors un résultat erroné.
Le temps de résolution des impulsions, Tr, d'un appareil de mesure est le temps nécessaire entre deux impulsions pour qu'il arrive à les traiter de manière correcte, c'est-à-dire que la valeur délivrée ne diffère pas de plus de 10 % de celle enregistrée si la DP avait été uniqueCEI 60270, clause 3.9.5, version 2000.
Il est donc nécessaire d'utiliser un circuit plus complexe. Ce circuit, constitué du diapositif de couplage et de l'appareil de mesure, est caractérisé par sa fonction de transfert Z(f). Elle est le rapport entre la tension mesurée par l'appareil de mesure et le courant entrant dans le dispositif de couplage. On classe les circuits de mesure des DP en deux familles, ceux à bandes étroites et ceux des larges bandes. Pour les larges bandes la bande passante est comprise entre et , les bandes étroites entre et CEI 60270, clause 4.3.4 et 4.3.6, version 2000.
Dans les deux cas une impédance d'entrée du dispositif de couplage aux alentours de permet de réaliser un compromis entre retard et bande passante.
Les circuits à large bande se comportant en général comme des circuits RLC parallèles. C'est-à-dire tout d'abord en passe bande, ils éliminent donc à la fois les hautes et les basses fréquences. Ensuite, la capacité intègre le courant et permet de mesurer directement la charge. La valeur de la charge est mesurée à l'instant 0, une atténuation rapide permet ensuite la mesure d'une autre DP dans la foulée. Le temps de résolution des impulsions est typiquement de 5 à .
Le facteur de qualité est souvent proche de 1. Si celui-ci augmente le temps de résolution de impulsions augmente, mais l'efficacité du filtre aussi. Il faut donc trouver un compromis.