Isolants
La conception et le fonctionnement de l'équipement électrique dépend des matériaux disponibles. Ainsi, les propriétés des conducteurs et des isolants jouent un rôle crucial dans la construction des appareils électriques.
Dans cette section, nous examinons les propriétés des isolants, parfois appelés diélectriques. La section suivante traitera des conducteurs.
Conducteurs et isolants
Selon qu'ils possèdent ou non des électrons libres en abondance, les matériaux peuvent être divisés grossièrement en deux catégories: les conducteurs et les isolants. Dans les conducteurs comme l'argent et le cuivre, les électrons se déplacent facilement.
On dit que leur résistivité est faible car ils n'offrent que très peu d'opposition au passage du courant.
Au contraire, le passage du courant se fait difficilement dans les diélectiques car leurs atomes retiennent énergiquement les électrons.
La résistivité des diélectriques est très grande car l'opposition au passage d'un courant est très forte. Un diélectrique placé entre deux conducteurs s'oppose donc au passage du courant entre ceux-ci.
Pour le transport de l'énergie électrique, on utilise des métaux bons conducteurs de faible résistivité, surtout le cuivre et l'aluminium.
Par contre, si l'on désire limiter le courant dans un circuit, ou transformer l'énergie électrique en chaleur, on utilise des conducteurs résistifs comme le nichrome, la fonte et le tungstène.
La démarcation entre les bons conducteurs et les conducteurs résistifs n'est pas très nette, mais elle est fonction de l'usage auquel on les destine : ainsi, le carbone employé pour la fabrication des balais utilisés sur les moteurs est considéré comme bon conducteur, tandis qu'on le classe parmi les résistances lorsqu'il constitue l'élément chauffant d'un four électrique.
De la même façon, l'argent, un des meilleurs conducteurs, est utilisé comme élément résistif dans certains fusibles.
Le tableau 9-1 donne la classification des matériaux les plus utilisés en électrotechnique.
Comparaison des résistivités
Afin de donner une idée de la résistivité relative des matériaux de chacun de ces groupes, comparons la résistance de trois échantillons ayant 1 millimètre de diamètre et 1 mètre de long (Fig. 9-1).
Figure 9-1 Comparaison de la résistivité d'un bon conducteur, d'un conducteur résistif et d'un isolant
On constate que le nichrome (alliage composé à 80 % de nickel et à 20 % de chrome) est à peu près 60 fois plus résistif que le cuivre. La résistivité du caoutchouc est exceptionnellement grande, plusieurs millions de fois celle du cuivre.
Types d'isolants
On peut grouper les isolants dans deux grandes classes: les isolants organiques et les isolants inorganiques.
En général, les isolants organiques tels que le caoutchouc, le papier, l'huile, le coton, les matériaux thermoplastiques, etc., sont composés de longues chaînes moléculaires de carbone et d'hydrogène.
Ils ne peuvent pas supporter des températures élevées sans se désagréger. Par ailleurs, les isolants inorganiques tels que le mica, la porcelaine, l'air, peuvent tolérer des températures dépassant parfois 1000 °C.
Le nombre d'isolants disponibles est impressionnant, de sorte qu'il est difficile aujourd'hui d'en dresser une liste complète. Cette diversité est due à l'arrivée sur le marché des isolants synthétiques (parfois appelés plastiques) inventés et développés par les chimistes.
Possédant des propriétés thermiques, électriques et mécaniques bien supérieures à celles des isolants naturels, ces isolants synthétiques ont grandement modifié la fabrication des fils, des câbles et des appareils électriques de toutes sortes.
Le nombre des isolants paraît encore plus impressionnant du fait que les fabricants désignent généralement des produits identiques par des noms de commerce différents.
Par exemple, le polyuréthane utilisé pour isoler certains fils de cuivre est connu au Canada et aux États-Unis sous sept noms différents selon les fabricants:
Polysol (Canada Wire), Soldereze (Phelps Dodge), Isomelt (Pirelli Cables), Analac (Anaconda Copper), Solderex (Essex), Gendure (General Cable) et Beldure (Belden).
On est souvent porté à combiner deux ou trois isolants afin de créer un produit nouveau possédant les avantages de chacun de ses composants.
Par exemple, on combine la fibre de verre avec un vernis synthétique pour produire un isolant pouvant résister à la fois aux températures élevées et aux chocs.
Isolants solides
Lors d'une réaction chimique, dite de polymérisation, certaines molécules simples peuvent s'unir de façon à former une grosse molécule contenant plusieurs fois la molécule initiale.
On dit alors que la nouvelle substance ainsi formée est un polymère de la première molécule (Fig. 9-2).
Figure 9-2 Structure moléculaire de quelques isolants naturels et synthétiques
Tous les isolants synthétiques sont des polymères. Le caoutchouc naturel, les résines, les vernis et la bakélite sont des polymères.
Selon leur composition et leurs parties constituantes, les polymères peuvent être subdivisés en grandes classes comme les polyvinyles, les polyuréthanes, les polyesters, les polyamides, les polyimides etc.
Ainsi, le nylon est un polyamide, le Dacron® et le Mylar® sont des polyesters et le Kapton® est un polyimide.
On utilise ces matériaux synthétiques pour couvrir les fils conducteurs servant à construire des bobines de moteurs, transformateurs, électro-aimants, relais, etc., et pour isoler les fils servant à la distribution de l'électricité dans les bâtiments.
Parfois on combine ces isolants avec des matériaux tels que la fibre de verre pour créer des feuilles et des plaques isolantes possédant une grande dureté mécanique, une excellente résistance aux hautes températures et des propriétés électriques supérieures.
Bien qu'on utilise de plus en plus des isolants synthé- tiques, les isolants naturels sont encore indispensables dans plusieurs applications. Le coton s'emploie dans la fabrication de feuilles et de plaques isolantes et pour revêtir des câbles. Le papier est encore un des meilleurs matériaux pour recouvrir les conducteurs à haute tension.
Parmi les matériaux naturels inorganiques, citons l'amiante qui sert à recouvrir les fils destinés aux endroits chauds et à fabriquer les panneaux isolants pour les tableaux de commande.
Le mica sert comme support pour les éléments chauffants des grille-pain, comme isolant des collecteurs de machines, et à tout autre endroit où sa grande résistance aux hautes températures est requise.
Isolants liquides
Dans les transformateurs de grande puissance, l'huile minérale est utilisée comme isolant et comme calo- porteur et sert également à empêcher l'oxydation des conducteurs des enroulements.
Notons qu'en l'absence d'huile, le problème de l'oxydation s'avérerait particulièrement grave dans les transformateurs à haute tension où les décharges électriques par effet couronne produiraient de l'ozone, oxydant très puissant.
En immergeant les enroulements dans l'huile, on empêche la formation d'ozone et on permet l'évacuation de la chaleur vers la cuve extérieure; de plus, l'huile étant un meilleur isolant que l'air, on réussit par la même occasion à réduire les dimensions de l'appareil. Cependant, l'huile possède l'inconvénient d'être inflammable, sa température d'ignition étant de l'ordre de 150 °C seulement.
Certains isolants liquides synthétiques contournent ce problème, mais ils sont plus chers et, parfois ils sont incompatibles avec d'autres isolants qu'ils peuvent attaquer chimiquement.
Isolants gazeux
Dans les conditions normales, un des meilleurs isolants connus est l'air qui nous entoure.
Ses caractéristiques thermiques sont supérieures à celles des porcelaines, il peut aussi agir comme agent de refroidissement et ne coûte absolument rien. Cependant, à des températures élevées, l'air devient bon conducteur par suite du phénomène d'ionisation.
Ainsi, à une température de 2000°C, sa résistivité se compare à celle de la porcelaine mais lorsque sa température se situe entre 5000°C et 50 000°C, sa résistivité correspond à celle de l'eau salée.
Dans les disjoncteurs, on utilise parfois un autre gaz isolant: l'hexafluore de soufre (SF6).
Ses molécules sont capables d'absorber des électrons, ce qui lui confère une haute rigidité diélectrique (10 fois celle de l'air à une pression de 400 kPa).
Pour assurer le refroidissement des grosses machines rotatives, on utilise l'hydrogène. Beaucoup moins visqueux que l'air, l'hydrogène produit moins de frottement aux hautes vitesses et, pour une même augmentation de température, il absorbe une quantité de chaleur 14 fois plus grande.
Enfin, l'hydrogène prévient toute oxydation des isolants et prolonge ainsi leur durée de vie. Cependant, les systèmes de refroidissement à l'hydrogène sont très élaborés et demandent un entretien permanent. Son emploi n'est donc justifiable que pour les plus grosses machines.
Du point de vue sécurité, les explosions dans l'hydro- gène sont impossibles, même en présence d'un arc, pourvu que la concentration d'oxygène ne dépasse pas 10%.
Détérioration des isolants organiques
Les facteurs qui concourent le plus à la détérioration des isolants organiques sont : la chaleur, l'humidité, les vibrations, l'acidité, l'oxydation et les surtensions (Fig. 9-3).
Figure 9-3 Facteurs susceptibles de raccourcir la durée de vie d'un isolant
Sous l'action de ces différents facteurs, l'état de l'isolation change avec le temps; l'isolant se cristallise et cette transformation est d'autant plus rapide que la température est plus élevée.
En se cristallisant, l'isolant devient dur et cassant et supporte très mal les moindres chocs ou vibrations mécaniques sans se désagréger.
On peut s'attendre à une durée de vie de l'ordre de 8 à 10 ans pour la plupart des isolants organiques naturels si leur température ne dépasse pas 100 °C, pour un usage normal.
Par contre, certains polymères synthétiques peuvent supporter, pendant la même période, des températures de l'ordre de 200°C.
Les basses températures sont parfois aussi nuisibles que les hautes car elles risquent de geler et de casser l'isolant. Certains isolants synthétiques conservent leur souplesse jusqu'à des températures de -60°C.
Durée de vie de l'équipement électrique
Mis à part les défauts électriques ou mécaniques, la durée de vie d'un appareil électrique est limitée par la température à laquelle est soumis son isolant: plus celle- ci est élevée, plus sa durée sera raccourcie.
Des tests effectués sur un grand nombre d'isolants ont démontré que la durée de vie d'un appareil diminue de moitié, environ, chaque fois que la température augmente de 10°C.
C'est dire que si un moteur possède une durée de vie normale de 8 ans à une température de 105°C, on peut espérer une durée de vie de 4 ans à 115°C, de 2 ans à 125°C et d'un an seulement à 135°C.
Classification thermique des isolants
Selon leur aptitude à supporter des températures plus ou moins élevées, on range les isolants en 8 classes. Elles correspondent à des températures maximales de 105°C, 130°C, 155°C, 180°C, 200°C, 220°C, 240°C, et plus que 240°C.
Autrefois, ces classes étaient représentées respectivement par les lettres A, B, F, H, N. R, Set C. Cette classification (voir ci-dessous) est utilisée dans la construction des appareils électriques.
CLASSES D'ISOLANTS
105 °C matériaux ou combinaisons de matériaux tels que le coton, la soie et le papier lorsqu'ils sont convenablement intégrés ou recouverts, ou lorsqu'ils sont immergés dans un liquide diélectrique tel que l'huile. D'autres matériaux ou combinaisons de matériaux peuvent être inclus dans cette classe si l'on démontre par expérience ou par des tests approuvés qu'ils ont la même durée de vie thermique à 105°C. (Auparavant appelée classe A.)
130°C matériaux ou combinaisons de matériaux tels que le mica, la fibre de verre, l'amiante etc., utilisés avec des substances adhésives convenables. D'autres matériaux ou combinaisons de matériaux peuvent être inclus dans cette classe si l'on démontre par expérience ou par des tests approuvés qu'ils ont la même durée de vie thermique à 130°C. (Auparavant appelée classe B.)
155°C matériaux ou combinaisons de matériaux tels que le mica, la fibre de verre, l'amiante etc., utilisés avec des substances adhésives convenables. D'autres matériaux ou combinaisons de matériaux peuvent être inclus dans cette classe si l'on démontre par expérience ou par des tests approuvés qu'ils ont la même durée de vie thermique à 155°C. (Auparavant appelée classe F.)
180°C matériaux ou combinaisons de matériaux tels que l'élastomère au silicone, le mica, la fibre de verre, l'amiante etc., utilisés avec des substances adhésives convenables, tels que les résines au silicone. D'autres matériaux ou combinaisons de matériaux peuvent être inclus dans cette classe si l'on démontre par expérience ou par des tests approuvés qu'ils ont la même durée de vie thermique à 180°C. (Auparavant appelée classe H.)
200°C matériaux ou combinaisons de matériaux qui ont démontré par expérience ou par des tests ap- prouvés qu'ils possèdent la durée de vie thermique requise à 200°C. (Auparavant appelée classe N.)
220°C matériaux ou combinaisons de matériaux qui ont démontré par expérience ou par des tests approuvés qu'ils possèdent la durée de vie thermique requise à 220°C. (Auparavant appelée classe R.)
240°C matériaux ou combinaisons de matériaux qui ont démontré par expérience ou par des tests approuvés qu'ils possèdent la durée de vie thermique requise à 240°C. (Auparavant appelée classe S.)
>240°C matériaux composés entièrement de mica, porcelaine, verre, quartz et de matériaux inorganiques semblables. D'autres matériaux ou combinaisons de matériaux peuvent être inclus dans cette classe si l'on démontre par expérience ou par des tests approuvés qu'ils ont la même durée de vie thermique au-dessus de 240 °C. (Auparavant appelée classe C.)
Pour une explication complète sur les classes d'isolants, les systèmes d'isolants et les indices de température, consulter les normes: IEEE Standards Publication N° 96, 97, 98, 99 et 101 ; IEEE Standard 117-1974; Underwriters Laboratories publication on insulation systems UL 1446, 1978.
Comme nous le verrons à la section Conducteurs, on utilise une autre classification pour les isolants recouvrant les fils et les câbles destinés à la distribution de l'électricité dans les bâtiments.
Résistivité électrique des isolants
Lorsque l'on applique une tension à un isolant, aussi bon soit-il, on provoque la circulation d'un très faible courant, dont une partie passe à travers son volume et une autre passe en surface.
La résistivité surfacique varie beaucoup avec l'humidité et la propreté de la surface; par contre, la résistivité volumique, habituellement exprimée en téraohm-mètre (1 TΩ.m = 1012Ω.m) est assez constante.
Ces résistivités prennent une importance capitale lorsque les isolants sont soumis à des tensions très élevées comme dans le cas des bornes de transformateurs ou des isolateurs de lignes à haute tension.
Rigidité diélectrique - phénomène de claquage
La fonction principale d'un diélectrique est d'empêcher le passage du courant lorsqu'on le soumet à une tension électrique.
Cependant, ce diélectrique ne peut supporter des tensions croissant indéfiniment; à une certaine tension, il se produit un phénomène de claquage où la substance perd ses propriétés isolantes.
Afin d'expliquer ce phénomène, considérons un isolant solide placé entre deux plaques métalliques, raccordées à une source de tension variable (Fig. 9-4).
Lorsque la tension est nulle, les électrons tournant autour des noyaux de chaque atome d'isolant suivent une orbite circulaire (Fig. 9-4a).
Figure 9-4a Un isolant placé entre deux plaques métalliques
À mesure que la tension augmente, ces électrons sont attirés vers la plaque positive et repoussés par la plaque négative de sorte que l'orbite décrite tend à s'aplatir et à prendre la forme d'une ellipse, (Fig. 9-4b).
Figure 9-4b Les électrons en orbite sont attirés vers la plaque (+) et repoussés par la plaque (-)
Si l'on continue à augmenter la tension, la force d'attraction devient assez grande pour arracher les électrons de leur orbite autour du noyau (Fig. 9-4c).
Figure 9-4c Lorsqu'on atteint la tension de claquage, des milliards d'électrons sont arrachés de leur orbite extérieur et deviennent des électrons libres
Le même phénomène se produit pour des centaines de milliards d'atomes, si bien que l'isolant qui était presque dépourvu d'électrons libres se trouve maintenant rempli d'électrons détachés comme dans le cas d'un conducteur. Il se produit alors un court-circuit entre les plaques et l'isolant se détruit.
La tension de claquage requise pour provoquer cette avalanche d'électrons dépend de la nature de l'isolant et de son épaisseur. Le rapport entre la tension de claquage et l'épaisseur de l'isolant s'appelle rigidité diélectrique.
Elle est exprimée généralement en kV/mm ou en MV/m. Le tableau 9-3 donne la rigidité diélectrique de plusieurs isolants, ainsi que leurs autres propriétés électriques, thermiques et mécaniques.
Noter que le Mylar® possède une rigidité diélectrique plus de 100 fois supérieure à celle de l'air sec. Cela permet la fabrication de condensateurs à 400 V dont l'épaisseur du diélectrique n'est que de 0,006 mm, soit le dixième de l'épaisseur d'une page de ce livre.
Ionisation d'un gaz
Soient deux plaques conductrices séparées par un gaz isolant, de l'air par exemple (Fig. 9-5a).
Figure 9-5a Un gaz entre deux plaques métalliques sous tension. Les atomes de gaz sont bombardés par les électrons libres à l'intérieur du gaz
Appliquons une tension aux bornes de ces plaques. Les quelques électrons libres qui se trouvent toujours à l'intérieur d'un gaz sont accélérés vers la plaque positive et, dans leur course, viennent heurter des atomes neutres.
Si l'on augmente la tension à un niveau suffisamment élevé, leur vitesse devient tellement grande qu'ils réussissent à déloger des électrons de ces atomes.
Les électrons ainsi libérés sont à leur tour accélérés et heurtent encore d'autres atomes de sorte que le gaz est traversé par un flot d'électrons libres. Donc, lorsque le champ électrique (exprimé en MV/m) atteint ce niveau critique, le gaz devient conducteur. Les électrons délogés de leur orbite laissent derrière eux des atomes portant une charge positive.
Ces atomes chargés positivement sont appelés ions. Comme les ions positifs sont libres de se déplacer (le matériau est un gaz), ils se dirigent lentement vers la plaque négative alors que les électrons se déplacent vers la plaque positive (Fig. 9-5b).
Figure 9-5b Un atome qui perd un électron devient un ion positif. Lion se dirige vers la plaque (-) alors que l'électron est attiré par la plaque (+)
Dès qu'un ion touche la plaque négative, il capte un des milliards d'électrons libres qui s'y trouvent et devient de nouveau un atome de gaz ordinaire (électriquement neutre). Mais les électrons captés par les ions sont aussitôt remplacés par ceux qui arrivent à la plaque positive.
Le circuit formé par la source, les plaques et la région gazeuse est donc traversé par un faible courant appelé courant d'ionisation (Fig. 9-5c).
Figure 9-5c Les ions arrivant à la plaque (+) captent des électrons, pour redevenir des atomes de gaz. Il s'ensuit un courant électrique dans le circuit
Si on augmente la tension encore davantage, ce courant d'ionisation peut devenir un arc électrique, produisant ainsi un court- circuit entre les plaques.
L'ionisation d'un gaz est toujours accompagnée d'une luminosité et d'un bruit chuintant. Cette luminosité est mise à profit dans les lampes fluorescentes, de même que dans les lampes au mercure et au sodium utilisées pour l'éclairage des rues.
Conductivité thermique
Les isolants sont tous de mauvais conducteurs de la chaleur, leur conductivité thermique étant environ 2000 fois inférieure à celle du cuivre. L'air immobile est le pire conducteur de tous: il conduit la chaleur 16 000 fois moins bien que le cuivre (Fig. 9-6).
Figure 9-6 Une couche d'air ayant une épaisseur de 1 mm seulement, offre la même résistance au transport de la chaleur que 8 mm d'un isolant solide ou 16 000 mm de cuivre
C'est pourquoi on imprègne les isolants poreux (soie, coton) et les enroulements avec un vernis pour éliminer les poches d'air qui empêcheraient la chaleur de se propager vers l'extérieur.
Cette faible conductivité thermique des isolants con- duit les manufacturiers à réduire le revêtement des conducteurs au strict minimum sans toutefois risquer le claquage ou compromettre leur dureté mécanique.
Par exemple, la rigidité diélectrique d'une feuille de papier de seulement 0,02 mm d'épaisseur suffirait à assurer l'isolation des enroulements d'un moteur fonctionnant sous une tension de 300 volts ; mais la fragilité mécanique de l'isolant impose l'utilisation d'une épaisseur presque dix fois plus grande.
Pour les appareils à haute tension, c'est surtout la rigidité diélectrique qui détermine l'épaisseur de l'isolant à utiliser. La très grande rigidité diélectrique des polymères spéciaux permet de réduire l'épaisseur de l'isolant, ce qui favorise le refroidissement de l'appareil.
Résumé
II existe un grande variété d'isolants solides, liquides, et gazeux. En plus des isolants naturels, on trouve sur le marché de nombreux isolants synthétiques qui ont été développés pour différentes applications.
La rigidité diélectrique d'un isolant (en MV/m ou en kV/mm) mesure sa capacité à supporter les tensions élevées sans risquer sa destruction par claquage. Le tableau 9-3 résume les propriétés électriques, thermiques et mécaniques des principaux isolants.
La chaleur est la principale cause de dégradation des isolants solides. C'est pourquoi ces isolants sont répartis en différentes classes selon leur aptitude à supporter les températures plus ou moins élevées tout en garantissant une certaine durée de vie. Les isolants sont généralement de mauvais conducteurs de la chaleur.
Cependant, certains isolants liquides et gazeux sont aussi utilisés comme caloporteurs pour le refroidissement des appareils de grande puissance (huiles dans les transformateurs, SF6 dans les disjoncteurs, hydrogène dans les machines tournantes).
PROBLÈMES
Niveau pratique
9-1 Qu'est-ce qui détermine si un corps est un conducteur ou un isolant?
9-2 Quels sont les deux métaux généralement utilisés pour le transport de l'énergie électrique?
9-3 Les métaux bons conducteurs ont-ils une haute ou une basse résistivité?
9-4 Nommer deux corps métalliques employés dans ks éléments chauffants.
9-5 Pourquoi isole-t-on certains conducteurs?
9-6 Nommer trois isolants qui peuvent supporter les hautes températures sans détérioration appréciable.
9-7 Énumérer les facteurs qui concourent le plus à la détérioration des isolants organiques.
9-8 Un transformateur est isolé selon la classe H. Quelle température maximale peut-il supporter?
9-9 Nommer 3 gaz isolants et donner un avantage marqué de chacun.
Niveau intermédiaire
9-10 Expliquer ce qui se produit lorsqu'il y a claquage:
a) d'un isolant solide
b) d'un isolant gazeux
9-11 Un moteur électrique sous charge aune durée de vie normale de 8 ans lorsque la température ambiante est de 30 °C. S'il est transporté à un endroit où la température ambiante est de 60 °C, quelle sera sa durée de vie probable?
9-12 Un électro-aimant isolé selon la classe 105°C a une durée de vie normale de 2 ans.
Quelle sera sa nouvelle durée de vie si on le rebobine en utilisant un isolant classe 155°C ?
(On suppose que la durée de vie dépend surtout de la température de la machine.)
9-13 Une page de ce livre aune épaisseur de 80 µm. Si sa rigidité diélectrique est de 7 MV/m, quelle tension peut-on appliquer entre les deux côtés d'une page avant qu'il y ait risque de claquage?
9-14 En se servant du tableau 9-3, déterminer la tension de claquage approximative des objets suivants:
a) vitre d'une épaisseur de 3 mm
b) deux sphères dans l'air, séparées par une distance de 25 mm
c) isolant en polyimide d'une épaisseur de 0,025 mm qui recouvre un fil de cuivre utilisé pour le bobinage d'un relais
9-15 On se propose d'isoler deux conducteurs avec du papier imprégné. Quelle épaisseur minimale doit- on utiliser si la tension entre les conducteurs est de 200 kV?
9-16 Pourquoi doit-on imprégner les enroulements avec un isolant?
Donner deux raisons.
9-17 Pourquoi cherche-t-on à donner une épaisseur minimale à l'isolant qui recouvre les conducteurs?
Réponses
11) 1 an; 12) 64 ans; 13) 560 V 14a) 300 kV; 14b) 75 kV; 14c) 5 kV; 15) 14,3 mm
