Le fait de rendre visite à des fabricants d’isolateurs pendant de nombreuses années m’a offert une occasion unique de comprendre cette activité sous plusieurs aspects pratiques. Lors d’une visite de ce type, par exemple, on m’a demandé: si je devais choisir un seul test fournissant le plus d’informations sur la qualité et les performances du produit, de quoi s'agirait-il? Après réflexion, j'ai répondu que cela devait être le test d'impulsion de front raide.

Cet essai est inclus en tant qu'essai de conception dans la norme CEI 61211 pour les isolateurs en céramique (porcelaine et verre) et dans la CEI 61109 pour les isolateurs composites. Il s’agit essentiellement d’un test de tension d’impulsion, sauf que la tension augmente beaucoup plus rapidement que lors d’un test d’impulsion de foudre et de commutation. Par exemple, dans un test d’impulsion de foudre, la tension monte de zéro à la valeur maximale de quelques centaines de kV en environ un millionième de seconde (1 μs). Dans le test d’impulsion de commutation, la tension monte à cette valeur de crête sur une période beaucoup plus longue, c’est-à-dire 250 µs. Toutefois, dans l’essai d’impulsion frontale abrupte, le temps de montée en tension spécifié dans la norme pour les isolateurs en céramique est de 2500 kV / µs, contre 1000 kV / µs pour les isolateurs composites.

Des essais de foudre et d’impulsion de commutation sont généralement effectués pour vérifier que l’espace libre de l’air-gap est suffisant. Ceci est utile pour la coordination de l'isolation du système (bref, un processus assurant qu'un équipement moins coûteux défile en premier, protégeant ainsi un équipement plus coûteux). À moins qu'un isolateur soit gravement défectueux, la formation d'arc lui est toujours externe. En effet, l’air offre une résistance inférieure à celle du diélectrique isolant solide, malgré le fait que l’espace d’air extérieur entre les électrodes soit plus long que la séparation des électrodes au sein de l’isolant lui-même.

Dans le test d’impulsion de front raide, en revanche, en raison de la rapidité de la poussée, le chemin de moindre résistance peut passer par le corps de l’isolant. Dans ce cas, l'isolant serait perforé. La norme relative aux isolants en céramique exige cinq coups de polarité positive suivis d’un nombre égal de coups de polarité négative. Dans le cas de l'isolant composite standard, il existe 25 prises de chaque polarité. Pour qu'un isolateur réussisse, l'application de la tension d'essai doit toujours entraîner uniquement un contournement externe.

La rupture de l'isolation (solide, liquide ou gazeuse) est liée à la disponibilité d'un nombre critique de particules libérées (électrons et ions) dans l'espace entre les électrodes à un potentiel différent. Ce nombre critique est créé par un processus d'avalanche au cours duquel les quelques électrons libres toujours présents en raison du rayonnement cosmique gagnent de l'énergie grâce au champ électrique appliqué et entrent en collision avec des molécules neutres, libérant ainsi davantage de porteurs de charge libre.

La perforation de l'isolant solide est invariablement due à la présence ou à la création d'inclusions gazeuses (par exemple des vides, des bulles, des interfaces défectueuses). À mesure que l'inclinaison de l'onde de tension augmente, l'énergie gagnée peut être suffisante pour déloger suffisamment d'électrons dans ces imperfections. Par conséquent, on peut s’attendre à ce que les isolateurs s’allument en externe lorsque la tension augmente lentement. Mais lorsque la pente augmente (et en supposant que la tension soit suffisamment élevée), les isolateurs peuvent tomber en panne de manière interne, que ce soit dans le diélectrique en vrac ou le long de leurs différentes interfaces.

La probabilité de perforation dans un test de front raide augmente avec les défauts et avec la raideur de la tension appliquée. En principe, même dans le cas de bons isolateurs, on peut continuer à augmenter l'inclinaison de la vague jusqu'à ce que l'isolateur finisse par se perforer. Dans les isolateurs en porcelaine, les défauts internes proviennent de pores et de fissures microscopiques invariablement présents autour des cristaux de quartz. De plus, l'hétérogénéité de la formulation de la porcelaine crée de nombreuses interfaces entre les grains. Dans les isolants en verre, les inclusions et les bulles peuvent conduire à des défaillances internes, bien que de tels défauts conduisent probablement à un éclatement de la coque avant sa fixation au matériel. Pour les isolants composites, des imperfections dans les tiges du noyau en fibre de verre peuvent survenir pour diverses raisons (par exemple des vides, des impuretés, des fibres sèches, une résine mal polymérisée). Une mauvaise interface tige-logement peut créer des poches d’air le long desquelles une panne peut survenir. Ces imperfections pourraient être dues à des matériaux de mauvaise qualité ou à un traitement inapproprié du produit fini.

Donc, si ce test répond à tant de questions sur les performances de l’isolant, pourquoi ne l’utilise-t-il pas plus souvent? La réponse simple est le coût. Obtenir de hautes valeurs de tension (c'est-à-dire plusieurs centaines de kV) à un rythme aussi rapide est difficile pour de nombreux laboratoires. De plus, les équipements de test doivent avoir une inductance extrêmement faible, la mise à la terre doit être bonne (pas de boucles de terre) et les connexions doivent être effectuées avec le plus grand soin (tuyaux ou conducteurs tressés au lieu de fils minces). Avec typiquement 300600 kV, on peut tester les isolateurs en suspension en porcelaine et en verre en raison de leurs hauteurs fixes et relativement petites. Pour les isolateurs composites, la longueur du samp