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L'effet corona, aussi appelé « effet couronne » ou « effet de couronne », est un phénomène de décharge électrique partielle entraînée par l'ionisation du milieu entourant un conducteur. Il apparaît quand le champ électrique dépasse une « valeur critique » (mais dont les conditions ne permettent pas la formation d'un arc). Il se manifeste par l'apparition de points lumineux bleuâtres (sur certaines aspérités métalliques[1]) ou lignes lumineuses ou parfois d'une longue « gaine lumineuse » qui se forme autour des câbles (conducteurs aériens le plus souvent) transportant du courant sous haute tension.
Cet effet (rare aux niveaux de tension de moins de 200 kV[2]) n'est pas souhaitable sur les lignes électriques, mais est utilisé par l'industrie, entre autres, dans les lampes à plasma.
Le feu de Saint-Elme et les aigrettes lumineuses qui apparaissent parfois sur les pointes métalliques ou diverses aspérités (mâts, paratonnerres, pics montagneux…) à l'approche d'un gros orage sont des formes naturelles de ce phénomène.
L'effet de couronne a intrigué les physiciens dès qu'on l'a constaté. Son nom provient du fait qu'il évoque l'aspect du halo lumineux périphérique au soleil observé lors des éclipses[3]. Il a fait l'objet de premières publications en 1915 par F.W. Peek qui a alors établi une première loi empirique exprimant le champ seuil d'apparition de cet effet[4].
La recherche s'est aussi intéressée aux vibrations de câbles induites par l'effet de couronne, à partir des années 1930[5], et en laboratoire haute-tension et sur la base d'observations et mesures faites in situ sur le réseau électrique industriel, puis on s'est intéressé au début des années 1970 à l'amplitude de ces vibrations, avant de chercher à mieux les expliquer, ce qui fut fait dans les années 1980[6], notamment grâce à un code de calcul produit par EDF[7] pour analyser la formation des pertes, permettant « de suivre physiquement le mécanisme des pertes : entre autres performances, ce code permet de visualiser le mouvement des charges d’espace »[3] et avec des conclusions largement acceptées, par exemple produites en 1986 par M.Farzaneh à l'Université Paul Sabatier de Toulouse[8], de les simuler[9],[10] et, plutôt à partir des années 2000, de les modéliser[11],[12].
Les physiciens ont d'abord montré que cet effet dépendait du champ électrique superficiel du conducteur, mais aussi de son diamètre, de son état de surface puis de la densité (et humidité) de l'air environnant[3].
Concernant les lignes électriques, le phénomène a surtout été étudié pour le courant alternatif. Certains auteurs plaident depuis les années 1990 pour des études sur les lignes haute ou très haute tension ou ultra-hautes tensions, en tension continue qui apparaissent dans certains pays (pour les transports longue-distance d'électricité)[3].
Une décharge de corona se produit lorsqu'un courant, continu ou alternatif, 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.
La différence de masse entre les électrons (négatifs) et les ions (positifs) fait que 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 positif en produit beaucoup moins qu'un corona négatif[réf. nécessaire].
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.
Les décharges de corona, qu'elles soient positives ou négatives ont des mécanismes en commun :
La tension nécessaire pour démarrer un effet couronne (en anglais : corona inception voltage, CIV) peut être calculée avec la loi de Peek (en) (1929), formulée à partir de données empiriques[4]. 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.
Les décharges de corona ont de nombreuses applications commerciales et industrielles.
Les décharges de corona peuvent
Ces trois phénomènes apparaissent notamment sous la pluie[18] ou par temps très humide « se mettent à vibrer à la fréquence naturelle du conducteur (...) par faible vent sur les lignes à haute tension lorsque des gouttes d'eau sont suspendues sous les conducteurs en condition de pluie, de neige mouiliée ou de brouillard intense. »[12] ou de présence de gouttes d'eau suspendues sur le dessous d'un câble[19] ; « la présence intermittente de la charge d'espace[20],[21],[22] et du vent ionique situé à proximité immédiat des gouttes d'eau suspendues au conducteur sont les causes principales de ce phénomène »[12], dont l'ampleur et la localisation vont dépendre de plusieurs paramètres (« valeur et polarité du champ électrique à la surface du conducteur, intensité des précipitations, vitesse du vent transversal »[12] et température[23]).
Ces phénomènes traduisent aussi :
Les installations de transmission électrique sont conçues pour minimiser la formation des décharges de corona, qui sont particulièrement à éviter dans :
Cette réduction à des « valeurs raisonnablement acceptables » n'est généralement recherchée sur les lignes à haute tension que quand le niveau de tension de la ligne dépasse 345 kV. Outre une diminution des nuisances aux populations et à la faune ou flore riveraines, le coût économique des pertes en ligne par effet corona peut justifier à lui seul de prendre des mesures correctives, qui sont de deux types :
Le choix du nombre de conducteurs d'une ligne électrique se fait donc en fonction du courant à transiter, des conditions climatiques attendues, des effets de peau et corona, et bien sûr d'aspects économiques. Un moyen simple de limitation de l'effet corona sur les lignes électriques est de veiller à ce que le champ superficiel sur le conducteur ne dépasse pas une valeur d'environ 17 kV/cm.
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.
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