Study of the dielectric properties of Air/CO₂ mixtures for the replacement of SF₆ in medium-voltage insulation systems

Le remplacement du SF₆ dans les postes blindés moyenne tension (GIS) constitue aujourd'hui un objectif prioritaire, en raison de son très fort potentiel de réchauffement global (PRG) et du durcissement des réglementations relatives à la fin de vie des équipements. Dans ce contexte, cette thèse explore l'utilisation de mélanges Air/CO₂ à PRG faible, en tant que milieux isolants pour les équipements moyenne tension. L’objectif est d’établir une base expérimentale et de développer une compréhension physique approfondie, indispensables à la conception de dispositifs performants, sans compromettre la sécurité, la compacité ni la fiabilité.Ce travail rassemble un corpus complet de données relatives à la tension de claquage et aux signatures de pré-décharge, obtenues dans des conditions contrôlées sous diverses sollicitations électriques (AC, DC, impulsion), pressions (0,1 – 0,4 MPa), distances inter-électrodes (30 – 50 mm), polarités (positive/négative) et géométries d’électrodes allant de fortement divergente à homogène. Les diagnostics expérimentaux - courants transitoires, émission optique, imagerie ultra-rapide - ont été associés à des calculs de champ électrique et à l'application de critères relatifs à l'apparition des streamers, afin d'identifier les mécanismes d’amorçage et de développement des décharges. L’Air, le CO₂, le N₂ ainsi que plusieurs mélanges Air/CO₂ ont été étudiés.L'analyse de cet espace paramétrique, met en évidence deux régimes critiques pour la conception des GIS: dans les champs fortement inhomogènes, le claquage est gouverné par la propagation, dominée par l’évolution des pré-décharges (streamers/leaders) dans l'espace inter-électrodes; à mesure que le champ devient plus homogène, le claquage est au contraire contrôlé par l’amorçage, chaque pré-décharge initiée conduisant alors systématiquement à la rupture diélectrique.Enfin, la thèse met en lumière l'importance des aspects de reproductibilité et de sensibilité au travers de plusieurs paramètres ciblés: pré-polarisation continue (DC) pour éliminer les charges préexistantes, illumination UV pour fournir des électrons germes, et mise en mouvement forcé du gaz. Les mesures obtenus offrent ainsi un cadre de référence solide pour évaluer le potentiel et les limites des mélanges Air/CO₂ pour des GIS moyenne tension exempts de SF₆.