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The authors present an investigation of the breakdown and prebreakdown behavior of two insulating liquids; a benzyl-toluene and a mineral oil, in point-plane electrode geometry under positive polarity. To properly evaluate the breakdown voltage as a function of interelectrode distance (and voltage), it was necessary to utilize more statistically based methods than are usually used. In this light, a better and more realistic comparison of dielectric strengths between liquids can be made. The authors also investigate the length a streamer will travel across the interelectrode distance before stopping, for voltages lower than the breakdown values. These lengths are plotted nondimensionally against voltage for both liquids.

This paper presents a study of prebreakdown phenomena in mineral oil under impulse voltage, in point-plane gaps up to 10 cm. In highly overvolted gaps, the measurements show that above a critical voltage, a large increase in propagation velocity is recorded (from 2 to 100 km/s), correlated to large modifications in the streamer shape and charge. This phenomenon is analysed by modelling streamers as conducting objects of various shapes, calculating the charges and fields by a charge simulation method, and comparing them to measurements. The good agreement obtained shows that streamers behave as good conductors, and that the transition between streamer modes strongly depends on the "electrostatic" properties of streamers.

This paper presents a study of prebreakdown and breakdown phenomena under ac voltage in mineral oil in very large gaps up to 80 cm. The investigations concern the measurement of breakdown voltages together with the recording of streamers. Experiments were conducted with rod-plane and sphere-plane electrode systems at different distances. The results describe breakdown mechanisms for moderately divergent fields and large gaps. A breakdown mode specific to the ac voltage is evidenced, in which "bursts" of streamers initiated at each halfwave can appear and lead to the lowest breakdown fields recorded under ac. Values of the average fields required for "burst" or "direct" breakdown modes are deduced from the experiments. The influence of particles is also considered.

This paper presents a summary of the introductory lecture to be presented at the 1996 ICDL on the particular problem of prebreakdown phenomena in long liquid gaps (centimeters to decimeters). The specific topics developed concern the characterisation of the propagation of positive discharges in mineral oil, including a description of the various propagation modes, together with the study and modelling of their gaseous nature and electrical properties.

This paper presents a study of the transition to fast streamers in mineral oil in overvolted point-plane gaps. Streamer propagation is studied in 5 cm and 10 cm gaps, either in the liquid alone or in the presence of solid surfaces parallel or perpendicular to the gap axis. The experiments presented concern the visualization of streamers, the measurement of breakdown and acceleration voltages. In the liquid alone, above some critical voltage, a large increase in propagation velocity is recorded from 2 km/s up to about 100 km/s. The presence of insulating solids parallel to the electric field is greatly in favor of the inception and propagation of fast streamers (velocities up to 300 km/s have been measured). Conversely it is observed that a solid perpendicular to the electric field stops more efficiently fast streamers than slow ones, which easily creep and get round such obstacles.

In this study we examine breakdown and prebreakdown phenomena in asymmetric geometry (point to plane) at large gap distances (up to 20 cm) under positive voltage steps (up to 500 kV) in liquids of distinct chemical families: saturated, aromatic and polyaromatic. Signal analysis shows that the currents are not continuous but are made up of bursts with different waiting times between them. The duration and number of these bursts vary according to the general chemical composition of the liquid. For example, there are numerous short bursts in mineral oil and a few long bursts in the aromatic liquids. The polyaromatic has a behaviour which retains features of both. >

This paper presents an experimental study of streamer inception in mineral oil in point-plane and semi uniform-geometry. The latter is constituted of parallel planes with a thin metallic point of calibrated size attached on a plane electrode. A systematic study of streamer initiation has been carried out versus geometric parameters: gap distance and point size (tip radius and length). As compared with the point-plane gap, the initiation of streamers is impeded due to the presence of the metallic plane behind the point, that shields the electric field on the metallic tip. The extrapolation to the general case of a particle-initiated breakdown in liquids and the effects of particle size are discussed.

This paper presents an experimental study of the influence of a polyaromatic additive (pyrene) on the propagation of positive streamers in cyclohexane. Experiments were carried out in gaps up to 5 cm over a wide voltage from the inception of streamers up large overvoltage. With pyrene, streamers are composed with a much larger number of branches than in pure cyclohexane. It is observed that the additive leads to slightly lower breakdown voltages, but also induces a large increase of the acceleration voltage (inception threshold of fast streamers). These results are explained by the macroscopic electrostatic properties of streamers, that depend on the streamer shape, and thus on their tendency to form branches. The transition to fast propagation modes occurs at higher voltage when streamers are more ramified.

This paper describes a study of streamer inception in mineral oil under ac voltage conditions with rod or point electrodes. Positive and negative streamer inception frequencies versus voltage have been investigated in gaps up to 40 cm with different concentrations of cellulose particles. Streamer inception is determined by the field at the rod extremity. Initiation fields decrease with increasing rod radii and when cellulose particles are added.

We study streamer initiation in liquid cyclohexane, in a point-plane geometry under impulse voltage. A new differential charge measurement system, allowing a high sensitivity to be obtained under impulse voltage (below 0.1 pC), is presented. The investigations presented concern the influence of applied voltage, impulse rise time and hydrostatic pressure. Under DC voltage, the negative streamer initiation is due to an avalanche in the liquid phase, and is not affected by pressure. In contrast, positive streamer initiation shows some variation when the pressure is increased.

This paper reports the results of experimental investigations about prebreakdown phenomena in liquid nitrogen, in point-plane electrode geometry (gap distance: 2 mm) under impulse voltage (up to 30 kV). As in hydrocarbon liquids, slow "bush like" streamers and fast filamentary streamers are observed in positive polarity. The spectral analysis of the emitted light during the propagation of filamentary streamers shows the second positive band emission system of nitrogen (C/sup 3/II/sub u//spl rarr/B/sup 3/II/sub g/) in the region 330 nm to 400 nm. The rotational and vibrational temperature T/sub r/ and T/sub v/ can be evaluated from a comparison of experimental and simulated spectra of vibrational bands for the transition /spl Delta/v=-2 of the second positive system. From these measurements, we can conclude that the temperature of gaseous filaments is about 540 K, i.e. a quite cold plasma.

This paper presents experimental investigations concerning the influence of space charge on the ac breakdown of moving mineral oil, between metallic electrodes. Space charges are injected in oil with sharp metallic points, and carried into the breakdown test cell through a perforated ground electrode. Breakdown voltages are measured under ac voltage in rod-sphere or sphere-sphere electrode at 5 and 10 cm gap distances. The results show that, whatever the flow rate of oil and the amount of charge injected, no significant influence on ac breakdown voltage is observed. As a consequence, it appears that the deleterious effect of static electrification of oil in devices like power transformers cannot be simply ascribed to a degradation of the intrinsic oil performance.

Deviations from the Paschen's law in air and nitrogen are investigated for gaps from 100 nm to 10 μm, by using a high precision electrode positioning system. The deviation is observed when electrode gaps are smaller than 4 μm at atmospheric pressure. At distances lower than 1 μm, a nearly constant average breakdown field of 350 V/μm is evidenced in both gases with Au and Ru electrodes. A metallic plasma initiated by field emission from the cathode can explain the reduction of the breakdown voltage at such low gaps. In ambient air, the existence of a pre-breakdown current is also evidenced, probably due to the presence of water adsorbed on electrodes.

The aim of this work is to present results of lightning impulse withstand of SF/sub 6/-N/sub 2/ mixtures with low SF/sub 6/ content for pressures up to 12 bars. Comparison of experimental results with models is undertaken in the goal to determine if there is some possibility to forecast breakdown voltage from the knowledge of electrodes geometry and mixture pressure.

The general specifications required for plasma based ion implantation (PBII) processing are low pressure, large size plasmas, monoatomic ion rich on one hand, high voltage — high current pulse generators on the other hand. To fulfill the plasma requirements, a newly developped distributed electron cyclotron resonance (DECR) plasma source concept is used. To generate high voltage pulses with rise and fall times of the order of the inverse ion plasma frequency and with a duration much larger than the inverse ion plasma frequency, a new type of high voltage generator using a pulse transformer has been developped with many advantages over conventional tube modulators.1

The two general specifications required for plasma-based ion implantation are low pressure, large size plasmas and high voltage high current pulse generators. In addition, pulses with rise and fall times of the order of the inverse ion plasma frequency and with much longer durations than those of the inverse ion plasma frequency are most often required. To fulfill these requirements, a new type of high voltage generator using a pulse transformer has been developed. A “mettglass”® magnetic core is used as step-up pulse transformer. Voltage at the primary is provided by transistor switches which can achieve rise and fall times of less than 1 μs and maximum pulse currents of 100 A. The primary of the transformer consists of 96 turns wired in parallel and the secondary of 96 turns wired in series. The performances reported with this pulse generator were obtained on a test resistor and then on a substrate immersed in a plasma.

Prebreakdown phenomena in transformer oil are studied under AC voltage in different field configurations, ranging from very divergent point-plane geometry to quasi-uniform fields produced by rods or spheres. A detailed study of phenomena in both polarities is presented, and the minimum conditions required for streamer breakdown voltage measurements under AC are established. In negative polarity, the generation of a microscopic gas bubble ( approximately 10 mu m in diameter) immediately precedes the development of streamers. In the case of bushlike streamers, it is concluded from energetic considerations that the vaporization of the liquid constitutes the main process of streamer growth. In positive polarity, similar conclusions are drawn for slow bushlike streamers, whereas in the case of fast filamentary streamers, it is observed that the conductivity of filaments determines their propagation. >

The generation, growth, and collapse of vapor bubbles in purified cyclohexane under a high divergent electric field was studied as a function of hydrostatic pressure (105–1.2×107 Pa). In these experimental conditions a very fast and localized energy injection (10−10–10−8 J) occurs as a consequence of electron avalanches, and the liquid is raised to a supercritical state. Below the critical pressure of the liquid, a vapor bubble is created. In this paper we present a time‐resolved optical study of its dynamics which is shown to be controlled by inertial forces. The transition to a streamer phenomenon is also investigated and discussed.

Power module reliability can be increased if problems due to high electric fields can be better understood. This paper proposes a global analysis using finite element simulations. Results are confirmed thanks to optical detection of partial discharge localization. Solutions to reduce field reinforcement are proposed and discussed. A discussion of maximum electric field handled by insulation gel is also provided.

This paper first presents a characterization of positive streamers in pure water (conductivity /spl sim/ 0.05 /spl mu/S/cm), initiated by a fast rectangular impulse voltage in a point-plane electrode geometry. According to the conditions, two main streamers types can be observed, with average propagation velocities from 0.5 to 30 km/s. Then, a spectroscopic investigation of positive streamer propagation is carried out. According to the conditions, spectra of the light emitted close to the point, show the OH band, atomic lines (OI, H/sub /spl alpha//) and a strong continuum from 350 to 500 nm. From an analysis of the OH band and from the broadening of the atomic lines (H/sub /spl alpha// and OI at 777 nm), the kinetic temperature and the electron density within filaments of both streamer types can be evaluated.

Metallized capacitors, under high DC voltage, suffer inhibited discharges named self-healing. Previous works have shown that the Joule effect due to the current pulse locally vaporized the metal and after some delay, i.e. a given vaporized area, the arc extinguishes. The duration of this phenomenon strongly diminishes with an increase of the applied interlayer pressure. The strong influence of this mechanical pressure might be explained by the generation of a plasma of high density that needs severe energetic condition to remain conductive. Spectroscopic analysis of the light emitted in the range 300-900 nm, by a confined or not confined self-healing, is presented in this paper. In particular, the shape of aluminium lines was shown to be strongly dependent on the mechanical pressure applied on the film. The physical parameters (temperature, density) of the plasma are deduced from a detailed studies of these emission lines. It is demonstrated the plasma density increases strongly (up to a factor of 150) with the mechanical pressure applied on the film.

This paper presents an experimental study about the influence of electrode geometry on streamer propagation in overvolted gaps in transformer oil. Experiments concern the measurements of time to breakdown and streamer visualization, either in point-plane or in semi-uniform gaps (parallel plates with a triggering point). Results show that the transition between propagation modes remarkably depends on the electrode configuration. It is concluded that this transition is determined by the "macroscopic" field distribution surrounding the streamer.

This paper presents a study of slow positive streamers in cyclohexane under impulse voltage. A high sensitivity differential technique is used to record the streamer charge, together with high speed visualization. At voltages below the breakdown voltage, streamers stop while the voltage is still applied. It is shown that the first event preceding stopping is the hydrodynamic collapse of streamer filaments close to the point. This collapse "propagates" from the point to the streamer head, and the streamer then totally disappears. As soon as the streamer collapse starts, the streamer current is stopped, no more electrical energy is supplied, and liquid vaporization ceases. However, the streamer head still propagates at a reduced velocity. These observations constitute a direct evidence of the influence of space charges and electric field (i.e. electrostatic pressure) on propagation processes.

This paper presents an experimental study of the propagation of positive and negative streamers in mineral oil at large distances (up to 35 cm) in point-plane geometry under impulse voltage. This study of prebreakdown phenomena in oil at large distances has permitted establishment of the following facts: i) in positive polarity, phenomena are qualitatively similar to those observed at shorter distance - no transition or discontinuity of events due to an increase of the distance to 35cm has been observed; ii) in negative polarity, breakdown voltages in divergent fields in mineral oil under long duration impulses remain higher than in positive polarity for distances up to 35 cm. In this polarity prebreakdown phenomena present many qualitative similarities with those observed in positive polarity (continuously luminous propagating head, periodic reilluminations).

Results of investigations on prebreakdown phenomena in transformer oils under various divergent AC fields at large gaps are presented. The direct visualization of the light emitted by streamers was performed with a highly sensitive video device. Streamers of both polarities were observed, but it is found that positive streamers play a dominant role since their ability to propagate is much greater than that of the negative ones. Positive streamers can stop before they reach the opposite electrode, at a length determined mainly by their initiation voltage. Moreover, geometrical parameters (such as the gap distance and the shape and the size of both electrodes) are shown to have a significant influence, which is discussed in terms of capacitive coupling between the streamer filament and the electrodes. >

Presents an experimental study of streamer inception and propagation in benzyltoluene. In the liquid, positive filamentary streamers get a very specific shape: at low voltage, they are constituted of a single filament propagating up to the plane electrode. When the voltage is increased, the number of filaments emanating from the point increases, but both their stopping length and the probability to reach the plane electrode paradoxically decrease. Thus, over some voltage range, the breakdown probability decreases when the voltage is raised. This unusual effect can be explained from the shape of streamers: due to the electrostatic interactions between filaments, the field at their head decreases when their number increases as the voltage is raised.

We present a study of breakdown and prebreakdown phenomena (streamers) in liquid nitrogen under quasi uniform electric field, under ac and impulse voltage. Streamers preceding breakdown are studied by high speed visualization and recording of emitted light, with hydrostatic pressure up to 0.5 MPa. In these conditions, breakdown is mainly due to negative streamers initiated at lower voltage than positives. This result is in contrast with previous measurements carried out in point plane gaps: in this geometry breakdown is due to positive streamers since their propagation is much easier. It is also shown that the ratio of impulse to ac breakdown voltage in LN2 is surprisingly low, close to 1. Practical consequences for the design of high voltage insulation in superconducting systems are then discussed.

Today, high voltage power semiconductors such as IGBTs, are being developed. As the voltage is increased, local electric fields applied to dielectric materials also increase. Local deterioration of dielectric materials due to partial discharges (PD) may appear and affect the reliability of the whole component. The usual way to detect PD's under ac voltage via electrical measurements is no longer applicable with the pulsed voltage wave shape encountered in power semiconductor applications. This paper presents investigations carried out with optical measurements of PD's in silicone gels, in a typical IGBT module structure. In addition, a very faint light emission is detected below the PD inception voltage. This light can presumably be attributed to an electroluminescence phenomena, such as previously reported in solids or aromatic liquids, and can constitute a non destructive technique that allows to detect the existence of local high fields in the gel.

This paper presents a study of prebreakdown phenomena in mineral oil under impulse voltage (up to 500 kV) in point-plane geometry, with gap distances up to 30 cm. In these experiments, we have studied the behaviour of positive streamers in highly overvolted gaps (up to four times the breakdown voltage). The experiments presented concern the visualization with a still or streak camera, the recording of transient currents, light emission, and electric charge associated to the propagation of streamers. The influence of voltage and gap distance is presented for positive streamers. The measurements show that above a critical voltage, a large increase in propagation velocity is recorded (from 2 km/s up to about 100 km/s), correlated to large modifications in the shape, currents, light and charge recordings.

Todays, power electronics cover wide range of applications in our daily life, starting from household appliances, communications, transportation systems up to harsh and extreme environment as in oil and gas exploration and the deep space missions. The main deliveries of power electronics are energy efficiency, compact size, reliability, long durability. Improving power electronics will surely mean to deal with materials, the packaging system, switching technologies, heat dissipation, dielectric properties, thermal stability etc. It was since the first arc-mercury rectifying in traction system, and then reshaped by the discovery of classical semiconductor (Si based) and ultimately the wide bandgap semiconductor materials, such as SiC, GaN and carbon based (diamond). They have superior thermal and dielectric properties compared to previous classical semiconductor technologies (Ge, Si and GaAs), and allow devices to operate at higher voltage, temperature and switching frequency in power modules. Unfortunately, these developments are not equally followed by other parts within, such as encapsulant.Despite their key roles to provide mechanical and electrical protection inside a power module, silicone gel as major encapsulant is limited to 200°C, which is far below devices (e.g. SiC at 500°C). Encapsulant came from polymerization and curing process of silicone liquids mixture and transforms into gel. They worked very well when assembly with classical SC devices, but not with WBG SC. Thus, it is necessary to solve this thermal related issue by improving silicone gel or start looking for other type of encapsulant with better thermal performance such as dielectric liquid or gas.Dielectric liquids have been used as insulating medium for high voltage (HV) applications for decades. Their excellent self-healing and arc quenching properties were used in the HV circuit breaker applications even though nowadays replaced by gas. Their low viscosity allow the fluid flow to exchange heat from internal source yielding effective cooling system as in power transformers. Other industries use dielectric liquids as heat transfer liquid at much higher temperature range compare to those in HV applications. Of course as heat transfer liquids, their dielectric properties are out of considerations. Nevertheless, having this wide range of applications spectrum, dielectric liquids seem rather promising and potential as alternative encapsulant. Some questions then aroused such as how are their electrical properties at high temperature (HT) approx. 400°C, are their dielectric properties stable at HT and can they contribute to cooling of devices inside power module.This work presents the initial study of dielectric liquids for HT power electronics module applications. We demonstrated the electrical characterization of several dielectric liquids under influence of temperature such as dielectric spectroscopy and ion mobility measurement, partial discharge, streamers and breakdown. Interesting physical phenomena such as liquid motions due to EHD and natural thermal convection were observed during experiments. Comparison among liquids are showed to indicate the most convenient. In term of application, conditions were adapted and simplified to replicate as those in power module when we performed characterizations to actual ceramic substrates under quasi-uniform to highly divergent electric field with AC, DC and impulse voltage. Many fundamental behaviours of liquids have been confirmed and evidenced at HT range. Governing parameters for electrical properties such as breakdown, charge injection etc. were affirmed.While not all aspects of encapsulant requirement in term of HT are covered, this work has established essential basis for electrical properties of dielectric liquids. Further works are required to fully assess their compatibility as alternative encapsulant, such as thermal ageing process, cooling contribution, complete modelling, etc., La recherche et le développement sur les matériaux semi-conducteurs ont permis de transformer la technologie des dispositifs électroniques de puissance, avec une densité de puissance, des performances thermiques et un dimensionnement plus compacts. Ils permettent aux appareils de fonctionner à des tensions, températures et fréquences de commutation plus élevées dans les modules de puissance. Pourtant, ces développements ne sont pas suivis de la même manière par d’autres éléments, tels que les encapsulants.Avec un matériau d'encapsulation récent, à savoir un gel de silicone, la température maximale de fonctionnement ne peut pas dépasser 200 ° C alors que les dispositifs à semi-conducteurs WBG sont très supérieurs (par exemple, du SiC à 500 ° C). Il s’agit là d’un obstacle majeur car il joue un rôle important dans la protection mécanique et électrique d’un module de puissance. Dans ce travail, nous proposons des liquides diélectriques comme agent d’encapsulation alternatif pouvant avoir une performance thermique supérieure au gel de silicone. Les caractérisations diélectriques de plusieurs candidats ont été effectuées dans le cadre d’une cellule d’essai spécialement conçue, capable de chauffer à haute température dans un environnement contenant de l’azote afin d’éviter les risques d’incendie et d’oxydation. Nous avons mesuré la conductivité de liquides soumis à une variation de température en appliquant une spectroscopie de champ alternatif dans une large plage de mobilité fréquentielle et ionique sous une variation de polarité inverse en courant continu. Nous étudions l'influence de la température et de la pression sur les pannes avec des champs quasi uniformes et divergents, ainsi que des décharges partielles, aussi bien dans les liquides que dans les substrats céramiques noyés dans des liquides, afin de démontrer leurs applications dans les modules de puissance. Des modèles numériques ont également été développés par simplification à partir des résultats de spectroscopie diélectrique afin d'estimer et d'observer la distribution de champ à un point triple critique.Enfin, nous présentons une comparaison de candidats liquides et de gel de silicone pour montrer leurs avantages et leurs inconvénients pour les applications d’électronique de puissance à haute température. Néanmoins, ces travaux ne couvrent pas tous les aspects fondamentaux et d’applications tels que le vieillissement thermique, la capacité de refroidissement des liquides, etc., ces résultats ont établi une bonne base pour les liquides diélectriques dans les applications à haute température.

Todays, power electronics cover wide range of applications in our daily life, starting from household appliances, communications, transportation systems up to harsh and extreme environment as in oil and gas exploration and the deep space missions. The main deliveries of power electronics are energy efficiency, compact size, reliability, long durability. Improving power electronics will surely mean to deal with materials, the packaging system, switching technologies, heat dissipation, dielectric properties, thermal stability etc. It was since the first arc-mercury rectifying in traction system, and then reshaped by the discovery of classical semiconductor (Si based) and ultimately the wide bandgap semiconductor materials, such as SiC, GaN and carbon based (diamond). They have superior thermal and dielectric properties compared to previous classical semiconductor technologies (Ge, Si and GaAs), and allow devices to operate at higher voltage, temperature and switching frequency in power modules. Unfortunately, these developments are not equally followed by other parts within, such as encapsulant.Despite their key roles to provide mechanical and electrical protection inside a power module, silicone gel as major encapsulant is limited to 200°C, which is far below devices (e.g. SiC at 500°C). Encapsulant came from polymerization and curing process of silicone liquids mixture and transforms into gel. They worked very well when assembly with classical SC devices, but not with WBG SC. Thus, it is necessary to solve this thermal related issue by improving silicone gel or start looking for other type of encapsulant with better thermal performance such as dielectric liquid or gas.Dielectric liquids have been used as insulating medium for high voltage (HV) applications for decades. Their excellent self-healing and arc quenching properties were used in the HV circuit breaker applications even though nowadays replaced by gas. Their low viscosity allow the fluid flow to exchange heat from internal source yielding effective cooling system as in power transformers. Other industries use dielectric liquids as heat transfer liquid at much higher temperature range compare to those in HV applications. Of course as heat transfer liquids, their dielectric properties are out of considerations. Nevertheless, having this wide range of applications spectrum, dielectric liquids seem rather promising and potential as alternative encapsulant. Some questions then aroused such as how are their electrical properties at high temperature (HT) approx. 400°C, are their dielectric properties stable at HT and can they contribute to cooling of devices inside power module.This work presents the initial study of dielectric liquids for HT power electronics module applications. We demonstrated the electrical characterization of several dielectric liquids under influence of temperature such as dielectric spectroscopy and ion mobility measurement, partial discharge, streamers and breakdown. Interesting physical phenomena such as liquid motions due to EHD and natural thermal convection were observed during experiments. Comparison among liquids are showed to indicate the most convenient. In term of application, conditions were adapted and simplified to replicate as those in power module when we performed characterizations to actual ceramic substrates under quasi-uniform to highly divergent electric field with AC, DC and impulse voltage. Many fundamental behaviours of liquids have been confirmed and evidenced at HT range. Governing parameters for electrical properties such as breakdown, charge injection etc. were affirmed.While not all aspects of encapsulant requirement in term of HT are covered, this work has established essential basis for electrical properties of dielectric liquids. Further works are required to fully assess their compatibility as alternative encapsulant, such as thermal ageing process, cooling contribution, complete modelling, etc.; La recherche et le développement sur les matériaux semi-conducteurs ont permis de transformer la technologie des dispositifs électroniques de puissance, avec une densité de puissance, des performances thermiques et un dimensionnement plus compacts. Ils permettent aux appareils de fonctionner à des tensions, températures et fréquences de commutation plus élevées dans les modules de puissance. Pourtant, ces développements ne sont pas suivis de la même manière par d’autres éléments, tels que les encapsulants.Avec un matériau d'encapsulation récent, à savoir un gel de silicone, la température maximale de fonctionnement ne peut pas dépasser 200 ° C alors que les dispositifs à semi-conducteurs WBG sont très supérieurs (par exemple, du SiC à 500 ° C). Il s’agit là d’un obstacle majeur car il joue un rôle important dans la protection mécanique et électrique d’un module de puissance. Dans ce travail, nous proposons des liquides diélectriques comme agent d’encapsulation alternatif pouvant avoir une performance thermique supérieure au gel de silicone. Les caractérisations diélectriques de plusieurs candidats ont été effectuées dans le cadre d’une cellule d’essai spécialement conçue, capable de chauffer à haute température dans un environnement contenant de l’azote afin d’éviter les risques d’incendie et d’oxydation. Nous avons mesuré la conductivité de liquides soumis à une variation de température en appliquant une spectroscopie de champ alternatif dans une large plage de mobilité fréquentielle et ionique sous une variation de polarité inverse en courant continu. Nous étudions l'influence de la température et de la pression sur les pannes avec des champs quasi uniformes et divergents, ainsi que des décharges partielles, aussi bien dans les liquides que dans les substrats céramiques noyés dans des liquides, afin de démontrer leurs applications dans les modules de puissance. Des modèles numériques ont également été développés par simplification à partir des résultats de spectroscopie diélectrique afin d'estimer et d'observer la distribution de champ à un point triple critique.Enfin, nous présentons une comparaison de candidats liquides et de gel de silicone pour montrer leurs avantages et leurs inconvénients pour les applications d’électronique de puissance à haute température. Néanmoins, ces travaux ne couvrent pas tous les aspects fondamentaux et d’applications tels que le vieillissement thermique, la capacité de refroidissement des liquides, etc., ces résultats ont établi une bonne base pour les liquides diélectriques dans les applications à haute température.

The increasing number of interconnections in electrical networks and the massive integration of renewable energies nowadays comes with an increase of short circuit currents, and more constraints on high voltage circuit breaker during the current clearance. To solve this problem, a solution consists in inserting a fault current limiting device on electrical lines. Among the available technologies, the superconducting fault current limiter is ideal from the perspective of transmission system operator. However the design of this device is non-trivial, especially the electrical insulation, which is very specific to this apparatus: electrical insulation in a cryogenic environment (liquid nitrogen at - 196°C), superconducting tapes inducing electric field reinforcement, and strong transient heating generating numerous vapor bubbles.In this context, the aim of this work is to gather data and knowledge supporting the design of future superconducting fault current limiters. First, the case study of a fault current limiter model inserted on an electrical line allowed to deduce the main stresses on this device during its working sequence. These constraints are then reproduced within a high voltage cryostat. Experimental results gathered include breakdown voltages measured in various conditions of voltage type (DC or impulse voltage), pressure (from 1 to 4 bars), temperature (from 65 to 77 K), inter electrode gap (from 5 to 10 mm), with and without transient heating of the tape. The observation of boiling conditions and pre breakdown phenomena evidenced several new phenomena, and allowed to perform a qualitative interpretation of the breakdown voltages. An important result is the observation of the complex and sometimes adverse effect of subcooling (temperature decrease or pressure increase) on breakdown voltages, due to the variation of nitrogen bubbles size.; L’interconnexion de plus en plus grande des réseaux électriques traditionnels AC et l’émergence de réseaux DC s’accompagne de courants de court circuit plus importants, et de contraintes plus fortes sur les disjoncteurs haute tension lors de la coupure du courant. L’une des solutions pour maitriser le courant de court circuit consiste à insérer un limiteur de courant en série sur les lignes haute tension. Parmi les technologies existantes, le limiteur de courant supraconducteur est un candidat idéal du point de vue du réseau, mais il fait face à de nombreuses contraintes de dimensionnement. Parmi elles, l’isolation électrique est particulièrement critique et très spécifique à cette application : milieu cryogénique (azote liquide à -196°C), rubans supraconducteurs générant des renforcements de champ électrique, et chauffage transitoire des rubans lors de la limitation de courant qui induit une forte ébullition de l’azote liquide.L’objectif de ce travail est de rassembler des données et des connaissances pour le dimensionnement de l’isolation des limiteurs de courant. Le cas d’étude d’un limiteur inséré sur une ligne électrique permet de mettre en évidence les principales contraintes que celui-ci subit durant son fonctionnement. Ces contraintes sont reproduites dans un dispositif expérimental associant cryogénie et haute tension. Les résultats expérimentaux incluent des mesures de tensions de claquage obtenues dans diverses conditions de tension (DC, choc impulsionnel) de pression (de 1 à 4 bar), et de température (de 65 à 77 K), de distance inter électrode (5 et 10 mm), avec et sans chauffage de l’électrode ruban. L’observation des phénomènes d’ébullition et de pré claquage met en évidence des phénomènes et paramètres nouveaux, et permet d’interpréter qualitativement les tensions de claquage observées. L’un des résultats importants de ces travaux est la mise en évidence de l’influence complexe et parfois délétère du sous refroidissement (diminution de la température ou augmentation de la pression) sur les tensions de claquage, liée à la variation de la taille des bulles d’azote gazeux.

The increasing number of interconnections in electrical networks and the massive integration of renewable energies nowadays comes with an increase of short circuit currents, and more constraints on high voltage circuit breaker during the current clearance. To solve this problem, a solution consists in inserting a fault current limiting device on electrical lines. Among the available technologies, the superconducting fault current limiter is ideal from the perspective of transmission system operator. However the design of this device is non-trivial, especially the electrical insulation, which is very specific to this apparatus: electrical insulation in a cryogenic environment (liquid nitrogen at - 196°C), superconducting tapes inducing electric field reinforcement, and strong transient heating generating numerous vapor bubbles.In this context, the aim of this work is to gather data and knowledge supporting the design of future superconducting fault current limiters. First, the case study of a fault current limiter model inserted on an electrical line allowed to deduce the main stresses on this device during its working sequence. These constraints are then reproduced within a high voltage cryostat. Experimental results gathered include breakdown voltages measured in various conditions of voltage type (DC or impulse voltage), pressure (from 1 to 4 bars), temperature (from 65 to 77 K), inter electrode gap (from 5 to 10 mm), with and without transient heating of the tape. The observation of boiling conditions and pre breakdown phenomena evidenced several new phenomena, and allowed to perform a qualitative interpretation of the breakdown voltages. An important result is the observation of the complex and sometimes adverse effect of subcooling (temperature decrease or pressure increase) on breakdown voltages, due to the variation of nitrogen bubbles size., L’interconnexion de plus en plus grande des réseaux électriques traditionnels AC et l’émergence de réseaux DC s’accompagne de courants de court circuit plus importants, et de contraintes plus fortes sur les disjoncteurs haute tension lors de la coupure du courant. L’une des solutions pour maitriser le courant de court circuit consiste à insérer un limiteur de courant en série sur les lignes haute tension. Parmi les technologies existantes, le limiteur de courant supraconducteur est un candidat idéal du point de vue du réseau, mais il fait face à de nombreuses contraintes de dimensionnement. Parmi elles, l’isolation électrique est particulièrement critique et très spécifique à cette application : milieu cryogénique (azote liquide à -196°C), rubans supraconducteurs générant des renforcements de champ électrique, et chauffage transitoire des rubans lors de la limitation de courant qui induit une forte ébullition de l’azote liquide.L’objectif de ce travail est de rassembler des données et des connaissances pour le dimensionnement de l’isolation des limiteurs de courant. Le cas d’étude d’un limiteur inséré sur une ligne électrique permet de mettre en évidence les principales contraintes que celui-ci subit durant son fonctionnement. Ces contraintes sont reproduites dans un dispositif expérimental associant cryogénie et haute tension. Les résultats expérimentaux incluent des mesures de tensions de claquage obtenues dans diverses conditions de tension (DC, choc impulsionnel) de pression (de 1 à 4 bar), et de température (de 65 à 77 K), de distance inter électrode (5 et 10 mm), avec et sans chauffage de l’électrode ruban. L’observation des phénomènes d’ébullition et de pré claquage met en évidence des phénomènes et paramètres nouveaux, et permet d’interpréter qualitativement les tensions de claquage observées. L’un des résultats importants de ces travaux est la mise en évidence de l’influence complexe et parfois délétère du sous refroidissement (diminution de la température ou augmentation de la pression) sur les tensions de claquage, liée à la variation de la taille des bulles d’azote gazeux.

With the emergence of renewable energy, new technologies for energy distribution across long distances, such as High Voltage Direct Current in Gas Insulated Substations (HVDC GIS) are developed. Under HVDC, the electric field distribution is not anymore determined by permittivity of materials but by resistivities and charge accumulation. In presence of gas/solid interfaces, the role of the surrounding gas on charge accumulation must be considered. In this work, we first present characterization methods which allow measuring the current passing through gas and solid insulators for different environmental conditions. Using these methods, we investigate the influence of several parameters (temperature, electric field, relative humidity) on the measured current. The variations of volume and surface resistivities are obtained. Finally, the results obtained for both solid and gaseous insulations are used to develop a numerical model with a shape close to the industrial application, and observe the modification of electric field distribution in presence of water concentration and temperature gradient in an HVDC GIS., Avec l’émergence des énergies renouvelables, de nouvelles technologies pour la distribution de ces énergies sur de longues distances, telle que les Postes Sous Enveloppes Métalliques (PSEM) soumis à une haute tension continue (HVDC), sont développées. Sous HVDC, la distribution du champ électrique n’est plus déterminée par la permittivité relative des matériaux mais par leurs résistivités et l’accumulation de charge en surface des isolants. En présence d’interfaces gaz/solide, le rôle du gaz environnant sur l’accumulation de charge doit aussi être pris en compte. Dans ce travail de thèse, nous présentons tout d’abord des méthodes de caractérisations permettant de mesurer le courant au travers d’un gaz et dans les isolants solides, pour différentes conditions d’utilisations. Grâce à ces méthodes, nous avons pu étudier l’influence de plusieurs paramètres (la température, le champ électrique, l’humidité relative) sur le courant mesuré. Les variations des résistivités de volume et de surface sont ainsi obtenues. Enfin, les résultats obtenus pour les isolations solides et gazeuses ont été utilisés pour développer un modèle numérique présentant une forme similaire à celle utilisée dans l’application industrielle. Nous avons donc pu observer les modifications de la distribution du champ électrique induites par la présence d’eau et/ou des gradients de températures dans un PSEM sous haute tension continue.

With the emergence of renewable energy, new technologies for energy distribution across long distances, such as High Voltage Direct Current in Gas Insulated Substations (HVDC GIS) are developed. Under HVDC, the electric field distribution is not anymore determined by permittivity of materials but by resistivities and charge accumulation. In presence of gas/solid interfaces, the role of the surrounding gas on charge accumulation must be considered. In this work, we first present characterization methods which allow measuring the current passing through gas and solid insulators for different environmental conditions. Using these methods, we investigate the influence of several parameters (temperature, electric field, relative humidity) on the measured current. The variations of volume and surface resistivities are obtained. Finally, the results obtained for both solid and gaseous insulations are used to develop a numerical model with a shape close to the industrial application, and observe the modification of electric field distribution in presence of water concentration and temperature gradient in an HVDC GIS.; Avec l’émergence des énergies renouvelables, de nouvelles technologies pour la distribution de ces énergies sur de longues distances, telle que les Postes Sous Enveloppes Métalliques (PSEM) soumis à une haute tension continue (HVDC), sont développées. Sous HVDC, la distribution du champ électrique n’est plus déterminée par la permittivité relative des matériaux mais par leurs résistivités et l’accumulation de charge en surface des isolants. En présence d’interfaces gaz/solide, le rôle du gaz environnant sur l’accumulation de charge doit aussi être pris en compte. Dans ce travail de thèse, nous présentons tout d’abord des méthodes de caractérisations permettant de mesurer le courant au travers d’un gaz et dans les isolants solides, pour différentes conditions d’utilisations. Grâce à ces méthodes, nous avons pu étudier l’influence de plusieurs paramètres (la température, le champ électrique, l’humidité relative) sur le courant mesuré. Les variations des résistivités de volume et de surface sont ainsi obtenues. Enfin, les résultats obtenus pour les isolations solides et gazeuses ont été utilisés pour développer un modèle numérique présentant une forme similaire à celle utilisée dans l’application industrielle. Nous avons donc pu observer les modifications de la distribution du champ électrique induites par la présence d’eau et/ou des gradients de températures dans un PSEM sous haute tension continue.

The emergence of renewable energy leads to a development of new technologies for energy distribution across long distances. The latter will be based on High Voltage Direct Current (HVDC) to avoid capacitance losses. This network is interconnected using Gas Insulated Substation (GIS), which insulation is composed of pressurized gas (SF6) and solid insulators (epoxy resin), which have to withstand HVDC. The electric field is not anymore determined by permittivity of materials, but by resistivities and charge accumulation. In the case of an insulator with an interface with gas, electrons or ions will move across electric field lines and will charge the surface of the solid insulator. The behavior of insulator's properties (gas and solid) constitutes a major challenge for the development of HVDC GIS, to understand the charge relaxation/accumulation mechanisms.In this work, the characterization of solid insulator has first been investigated, based on a low-noise current measurement method. It is thus possible to measure the leakage current through samples and onto their surface, in a pressurized gas, at high electric field and for different temperatures. Those measurements permit to evidence that both volume and surface resistivities are strongly impacted by the increase of temperature and water concentration. It has also been shown that surface resistivity has a non-linear behavior with electric field. A numerical model was developed, to simulate experimental results, showing that the surface properties of the insulator can be implemented.Furthermore, the insulating properties of the gas were also investigated through different electric field geometry (coaxial and uniform), in order to estimate the contribution of current through gas on the charge accumulated on solid insulators. It has been found that a non-negligible current passes through the gas (~pA to nA). To determine the mechanisms responsible for such currents, the latter has been characterized depending on several parameters (electrode surface roughness, material nature, electric field, temperature and relative humidity). It revealed that the variations of currents are strongly impacted by the conditioning of the device and thus by the relative humidity adsorbed on electrodes and enclosure surfaces. In presence of a dry system (dry gas and device) low current were measured (~pA), which increases with temperature. On the contrary, in case of a “wet” system (humid gas and device) the current decreases with increasing temperature. Those results combined with the influence of the electrode roughness, strongly suggest a mechanism of charge injection at the electrode surface, enhanced by water adsorption.Finally, the results obtained for both solid and gaseous insulations are used to develop a numerical model with a shape close to the industrial application, and observe the modification of electric field distribution in presence of water concentration and temperature gradient. An estimation of current flowing through the insulator and gas is thus possible in case of uniform and gradient temperature.In conclusion, this work gives the variations of both volume and surface resistivities in an epoxy resin with temperature and electric field. It also evidences the major influence of relative humidity and temperature on charge injection mechanisms which contribute to the current measured through gas. The extensive characterization performed, enables to develop a simulation which predicts the variations of electric field distribution within an HVDC GIS., L'émergence des énergies renouvelables a entraîné le développement de nouvelles technologies pour la distribution de l'énergie sur de longues distances. Ces dernières sont basées sur le transport via de hautes tensions continues (HVDC) pour éviter les pertes capacitives. Ce réseau de distribution est interconnecté via des Postes Sous Enveloppes Métalliques (PSEM), dont l'isolation est composée de gaz sous pression (SF6) et d'isolants solides (résine époxy), qui doivent résister sous HVDC. Dans ces dispositifs, le champ électrique n'est plus déterminé par la permittivité relative des matériaux, mais par leurs résistivités et les phénomènes d'accumulation de charges. Dans le cas d'un isolant solide présentant une interface avec un gaz, des électrons ou des ions vont être susceptibles de se déplacer suivant les lignes de champ électrique et charger la surface de l'isolant solide. Le comportement des propriétés des isolants (solides et gazeux) constitue un enjeu majeur dans le développement de PSEM HVDC, notamment dans la compréhension des mécanismes d'accumulation et relaxation des charges.Dans ce travail de thèse, la caractérisation de l'isolant solide a d'abord été étudiée, basée sur des mesures de courants faibles bruits. Il est ainsi possible de mesurer le courant de fuite dans le volume et sur la surface des échantillons, dans une enceinte sous pression, à haut champ électrique et pour différentes températures. Ces mesures ont mis en évidence que les résistivités de volume et de surface sont fortement impactées par l'augmentation de la température et la teneur en eau des échantillons. Il a également été montré que la résistivité de surface a un comportement non-linéaire en fonction du champ électrique. Un modèle numérique a été développé pour simuler les résultats obtenus, et implémenter les propriétés de surface de l'isolant solide.Les propriétés isolantes du gaz ont également été étudiées pour différentes géométries de champ électrique, dans le but d'estimer la contribution du courant passant à travers le gaz, sur l'accumulation de charge en surface de l'isolant solide. Des courants non négligeables sont mesurés dans le gaz (~pA-nA). Pour déterminer les mécanismes responsables de la présence de tels courants, il a été caractérisé selon plusieurs paramètres (la rugosité de la surface de l'électrode, la nature du matériau, le champ électrique, la température et l'humidité relative). Cela a mis en évidence que les variations de courants dépendent du conditionnement du dispositif, et sont donc fortement influencés par l'humidité relative adsorbée sur les surfaces du dispositif (électrodes et cuves). En présence d'un système sec, de faibles courants sont mesurés (~pA), et augmentent en fonction de la température. A l'inverse, dans le cas d'un système humide, le courant diminue avec l'augmentation de la température. Ces résultats, combinés à l'influence de la rugosité de l'électrode, suggèrent fortement un mécanisme d'injection de charge à la surface de l'électrode, favorisé en présence d'eau adsorbée.Enfin, les résultats obtenus pour les deux isolants solides et gazeux sont utilisés pour élaborer un modèle numérique ayant une forme proche de celle de l'application industrielle, et permettent d'observer la modification de la distribution du champ électrique en présence de la concentration en eau et du gradient de température. Une estimation du courant circulant au travers des isolants est donc possible.En conclusion, ce travail donne les variations des résistivités de volume et de surface dans une résine époxy en fonction de la température et du champ électrique. Il met également en évidence la forte influence de l'humidité relative et de la température sur les mécanismes d'injection de charges qui contribuent au courant mesuré à travers le gaz. Cette caractérisation approfondie permet de développer une simulation qui prédit les variations de la distribution du champ électrique au sein d'un PSEM sous tension continue.

This thesis aims to improve the reliability of ohmic MEMS switches and focuses on the degradation mechanisms of the electrical contact at the micro and nano-scales. The first two chapters of the manuscript provide a state-of-the-art of MEMS switches and describe the different experimental techniques used to characterize the physical phenomena involved in the opening and closure of a MEMS switch under current ("hot switching actuation"). The third chapter investigates qualitatively and quantitatively the material transfer at sub micrometer scale. An Atomic Force Microscope (AFM) is used to identify the main parameters involved in this phenomenon such as the opening contact voltage and the closing velocity. The origin of the material transfer is attributed to field emission in the last tens of nanometers before the contact closure. A metallic plasma is also observed and characterized during switching operations. According to the different observations, a scenario is suggested to explain material transfer at such small dimensions. The fourth chapter deals with dynamic observation during switching operations. First, bounces can be detected after a few millions of operations, they usually appear a few μs just after the first contact. Such bounces seem to be an early indicator of the lifetime of those devices. Other types of bounces related to the electrostatic contact force can be observed at very low closing velocity (a few nm/s). Nevertheless in a MEMS switch the closing and opening velocity is high enough to avoid such bounces. The second part of this chapter investigates the contact conductance quantization during the opening phase of a contact. We show that this phenomenon can be observed in a MEMS switch and with an AFM when the current is lower than 100μA. As a conclusion, several recommendations are provided to improve the reliability of MEMS switches., Cette thèse s'inscrit dans la continuité des études menées pour améliorer la fiabilité des relais MEMS ohmiques et comprendre les mécanismes de dégradation se produisant au niveau du contact électrique aux échelles micro et sub-micrométriques. Les deux premiers chapitres de ce manuscrit permettent d'établir l'état de l'art du domaine et de décrire les différentes techniques expérimentales utilisées afin de caractériser les mécanismes physiques se produisant lors de l'ouverture et la fermeture d'un relais MEMS sous courant. Le troisième chapitre étudie qualitativement et quantitativement le transfert de matière aux distances sub-micrométriques. L'utilisation d'un microscope à force atomique (AFM) permet d'identifier les paramètres clés, notamment la tension de contact à l'état ouvert et la vitesse de commutation. L'origine de ce transfert de matière est attribuée à des émissions de courant se produisant dans les derniers nanomètres avant la fermeture du contact. Un plasma métallique est également observé et caractérisé pendant les phases de commutations. Ces observations conduisent à l'élaboration d'un scénario permettant d'expliquer le transfert de matière à ces dimensions. Le quatrième chapitre se consacre en première partie à l'étude des rebonds lors de la fermeture du contact. On montre que des rebonds peuvent apparaître quelques μs après la fermeture du contact au cours des cycles. Ceux-ci semblent être des indicateurs de la fin de vie du composant. D'autres rebonds, liés aux forces électrostatiques de contact, sont également mis en évidence lors de fermetures à faibles vitesses (qq nm/s). L'importance de ces forces est néanmoins du second ordre et ces derniers rebonds n'interviennent pas directement dans la phase de fermeture d'un relais MEMS. L'étude de la quantification de la résistance de contact lors de l'ouverture du contact constitue la deuxième partie de ce dernier chapitre. La nature quantique de ce phénomène est mise en évidence dans deux dispositifs : un interrupteur MEMS et à l'aide d'un AFM. Il est notamment montré que ce phénomène est seulement observable pour des courants inférieurs à 100μA. Finalement, l'ensemble de ces travaux mènent à différentes recommandations, détaillées en conclusion, nécessaires pour assurer le bon fonctionnement des relais MEMS.

This work concerns the study of partial discharge phenomena on insulating materials used in power electronics. Using electrical and optical detection methods, the mechanism of partial discharges on AlN substrates in silicon oil is studied with a large number of samples. Changing the nature of substrates (AlN, and Al2O3 composite glass/epoxy) and of encapsulating materials (silicone oil, rapeseed oil, mineral transformer oil, capacitor impregnating liquids Jarylec and Ugilec) provides a number of conclusions about the origin of partial discharges on embedded substrates. Partial discharges on sintered ceramic substrates do not depend on the encapsulating material nature, but on the nature of the substrates themselves. The temporal evolution of light emitted by the liquid in a point - plane configuration, and on embedded substrates shows that the light during emission is a very complex phenomenon influenced by many parameters: electroluminescence of the solid, of the encapsulating material, partial discharges, and light absorption of materials. The electroluminescence of the liquid is activated by external light. Measurements of high voltage dielectric spectroscopy are also performed, but no additional information on partial discharges is obtained since corresponding losses are very low.; Ce travail concerne l'étude du phénomène de décharges partielles dans les matériaux isolants utilisés en électronique de puissance. En utilisant des méthodes de détection électrique et optique, le mécanisme de décharge partielle sur des substrats d'AlN dans l'huile silicone a été étudié sur un grand nombre d'échantillons. La variation de la nature du substrat (AlN, Al2O3 et composite verre/époxy) et du matériau d'encapsulation (huile silicone, huile de colza, huile minérale de transformateur, liquide d'imprégnant du condensateur Jarylec et Ugilec) met en évidence l'origine des décharges partielles de l'ensemble substrat – encapsulant. Les décharges partielles sur les substrats céramiques frittés ne dépendent pas du passivant, et se produisent dans le volume du substrat. L'évolution temporelle de la lumière émise dans les liquides en configuration pointe – plan et sur le substrat dans différents liquides montre que l'émission de lumière est un phénomène très complexe influencé par de nombreux paramètres : électroluminescence du solide, de l'encapsulant, décharges partielles, absorption des matériaux. Le phénomène d'électroluminescence du liquide est activé par une illumination extérieure. Les mesures de spectroscopie diélectrique haute tension n'apportent pas d'information supplémentaire sur le phénomène de décharges partielles, car les pertes correspondantes sont très faibles.

SF6 gaz (sulfur hexafluoride) has been widely used as a very suitable insulation material for HV apparatus. However, it is also known as a remarkable green house gas, which Global Warming Potential is 24000 times greater than CO2. Consequently, its utilisation in the electrical industry should be reduced. The aim of this work is to study two alternatives to SF6: biodegradable liquids and CF3I/N2 gas mixtures. The two physical phenomena leading to a breakdown: the generation of a discharge and its propagation have been studied separately. The influence of various parameters such as pressure, distance, field distribution ,particle content and relative humidity ... was also highlighted. The insulation function is then validated in a MV circuit breaker, which represent a real application case.; Le SF6 (Hexafluorure de soufre) a été utilisé depuis longtemps comme un gaz d'isolation très adapté pour les appareillages électriques. Cependant, son impact sur le réchauffement climatique, estimé 24000 fois plus actif que le CO2 sur 100 ans, pose le problème de son remplacement à moyen terme. L'objectif de cette thèse est d'étudier deux solutions de remplacement du SF6 : les liquides biodégradables et les mélanges de gaz CF3I/N2. Les deux phénomènes physiques conduisant à un claquage : la génération d'une décharge et sa propagation, ont été étudiés séparément. L'influence des différents paramètres tels que la pression, distance, distribution de champ, teneur en particules ou humidité relative…a été également mise en évidence. La fonction d'isolation est en fin validée dans un maquette disjoncteur moyenne tension qui représente un cas d'application réelle.

SF6 gaz (sulfur hexafluoride) has been widely used as a very suitable insulation material for HV apparatus. However, it is also known as a remarkable green house gas, which Global Warming Potential is 24000 times greater than CO2. Consequently, its utilisation in the electrical industry should be reduced. The aim of this work is to study two alternatives to SF6: biodegradable liquids and CF3I/N2 gas mixtures. The two physical phenomena leading to a breakdown: the generation of a discharge and its propagation have been studied separately. The influence of various parameters such as pressure, distance, field distribution ,particle content and relative humidity ... was also highlighted. The insulation function is then validated in a MV circuit breaker, which represent a real application case., Le SF6 (Hexafluorure de soufre) a été utilisé depuis longtemps comme un gaz d'isolation très adapté pour les appareillages électriques. Cependant, son impact sur le réchauffement climatique, estimé 24000 fois plus actif que le CO2 sur 100 ans, pose le problème de son remplacement à moyen terme. L'objectif de cette thèse est d'étudier deux solutions de remplacement du SF6 : les liquides biodégradables et les mélanges de gaz CF3I/N2. Les deux phénomènes physiques conduisant à un claquage : la génération d'une décharge et sa propagation, ont été étudiés séparément. L'influence des différents paramètres tels que la pression, distance, distribution de champ, teneur en particules ou humidité relative…a été également mise en évidence. La fonction d'isolation est en fin validée dans un maquette disjoncteur moyenne tension qui représente un cas d'application réelle.

This work concerns the study of partial discharge phenomena on insulating materials used in power electronics. Using electrical and optical detection methods, the mechanism of partial discharges on AlN substrates in silicon oil is studied with a large number of samples. Changing the nature of substrates (AlN, and Al2O3 composite glass/epoxy) and of encapsulating materials (silicone oil, rapeseed oil, mineral transformer oil, capacitor impregnating liquids Jarylec and Ugilec) provides a number of conclusions about the origin of partial discharges on embedded substrates. Partial discharges on sintered ceramic substrates do not depend on the encapsulating material nature, but on the nature of the substrates themselves. The temporal evolution of light emitted by the liquid in a point - plane configuration, and on embedded substrates shows that the light during emission is a very complex phenomenon influenced by many parameters: electroluminescence of the solid, of the encapsulating material, partial discharges, and light absorption of materials. The electroluminescence of the liquid is activated by external light. Measurements of high voltage dielectric spectroscopy are also performed, but no additional information on partial discharges is obtained since corresponding losses are very low., Ce travail concerne l'étude du phénomène de décharges partielles dans les matériaux isolants utilisés en électronique de puissance. En utilisant des méthodes de détection électrique et optique, le mécanisme de décharge partielle sur des substrats d'AlN dans l'huile silicone a été étudié sur un grand nombre d'échantillons. La variation de la nature du substrat (AlN, Al2O3 et composite verre/époxy) et du matériau d'encapsulation (huile silicone, huile de colza, huile minérale de transformateur, liquide d'imprégnant du condensateur Jarylec et Ugilec) met en évidence l'origine des décharges partielles de l'ensemble substrat - encapsulant. Les décharges partielles sur les substrats céramiques frittés ne dépendent pas du passivant, et se produisent dans le volume du substrat. L'évolution temporelle de la lumière émise dans les liquides en configuration pointe - plan et sur le substrat dans différents liquides montre que l'émission de lumière est un phénomène très complexe influencé par de nombreux paramètres : électroluminescence du solide, de l'encapsulant, décharges partielles, absorption des matériaux. Le phénomène d'électroluminescence du liquide est activé par une illumination extérieure. Les mesures de spectroscopie diélectrique haute tension n'apportent pas d'information supplémentaire sur le phénomène de décharges partielles, car les pertes correspondantes sont très faibles. Mots clés : Décharge partielle, électroluminescence, Nitrure d'aluminium, Alumine, huile silicone, diélectrique liquide, électronique de puissance.

This work concerns the study of partial discharge phenomena on insulating materials used in power electronics. Using electrical and optical detection methods, the mechanism of partial discharges on AlN substrates in silicon oil is studied with a large number of samples. Changing the nature of substrates (AlN, and Al2O3 composite glass/epoxy) and of encapsulating materials (silicone oil, rapeseed oil, mineral transformer oil, capacitor impregnating liquids Jarylec and Ugilec) provides a number of conclusions about the origin of partial discharges on embedded substrates. Partial discharges on sintered ceramic substrates do not depend on the encapsulating material nature, but on the nature of the substrates themselves. The temporal evolution of light emitted by the liquid in a point - plane configuration, and on embedded substrates shows that the light during emission is a very complex phenomenon influenced by many parameters: electroluminescence of the solid, of the encapsulating material, partial discharges, and light absorption of materials. The electroluminescence of the liquid is activated by external light. Measurements of high voltage dielectric spectroscopy are also performed, but no additional information on partial discharges is obtained since corresponding losses are very low., Ce travail concerne l'étude du phénomène de décharges partielles dans les matériaux isolants utilisés en électronique de puissance. En utilisant des méthodes de détection électrique et optique, le mécanisme de décharge partielle sur des substrats d'AlN dans l'huile silicone a été étudié sur un grand nombre d'échantillons. La variation de la nature du substrat (AlN, Al2O3 et composite verre/époxy) et du matériau d'encapsulation (huile silicone, huile de colza, huile minérale de transformateur, liquide d'imprégnant du condensateur Jarylec et Ugilec) met en évidence l'origine des décharges partielles de l'ensemble substrat – encapsulant. Les décharges partielles sur les substrats céramiques frittés ne dépendent pas du passivant, et se produisent dans le volume du substrat. L'évolution temporelle de la lumière émise dans les liquides en configuration pointe – plan et sur le substrat dans différents liquides montre que l'émission de lumière est un phénomène très complexe influencé par de nombreux paramètres : électroluminescence du solide, de l'encapsulant, décharges partielles, absorption des matériaux. Le phénomène d'électroluminescence du liquide est activé par une illumination extérieure. Les mesures de spectroscopie diélectrique haute tension n'apportent pas d'information supplémentaire sur le phénomène de décharges partielles, car les pertes correspondantes sont très faibles.

In gas insulated switchgears (GIS), high voltage electrodes are supported by solid insulators. The reduction of the size of the equipment for cost considerations, impacts directly on the insulator and a careful optimization becomes necessary. A triple junction (TJ) exists at the interface between metal, insulating solid, and gas. In this sensitive area, partial discharges may appear, triggered by the presence of high voltage. Also, a further degradation of insulation performance can occur if solid particles are present in that zone. The accumulation of electric charge on the surface of the insulator can also reduce the system's dielectric strength when applying high voltage. These three points represent the starting point of this study that characterizes the multitude of complex phenomena that occur in the presence of high voltage., Cette étude concerne les isolants support, utilisés dans l'appareillage haute tension blindé sous pression gazeuse. La réduction de la taille du matériel est une demande constante pour des questions de coût. Elle impacte directement les isolants et l'optimisation diélectrique est rendue nécessaire. On peut considérer que les points qui nécessitent une attention particulière sont : La zone de point triple : point de jonction entre un isolant, le gaz et le métal, zone sensible aux décharges partielles et aux particules qui peuvent s'y accumuler. Les particules métalliques qui peuvent se trouver à l'intérieur du système haute-tension et les problèmes d'accumulation de la charge sur la surface de l'isolant qui peuvent réduire sa tenue diélectrique lors de l'application d'une surtension. Ces trois points représentent la base de départ de cette étude qui caractérise la multitude de phénomènes complexes qui apparaissent en présence de haute tension.

The objective of this study is to use electrical discharges for treating aqueous solutions containing organic pollutants. Electrical energy injected into the discharge is partly converted into chemical energy due to energetic électrons. This phenomenon créâtes radical and excited species, which can react with molécules to dégrade pollutants. Three electrical methods are analysed: streamers in water (the main method considered in this work), transient arc in water and corona discharge in moist air above the water surface. The two latter methods are studied in order to compare their efficiency with streamers. A fast semiconductor high voltage switch allows us to produce high voltage puises of short duration in order to minimize energy losses by Joule heating. Using point-plane électrodes, the discharge type is chosen by changing the gap distance and duration of the voltage puise. An electrical characterization of streamers is performed versus applied voltage and conductivity of the solution, in order to establish an account of electrical energy used to create streamers. The efficiency of three methods on the dégradation of three typical pollutants is measured by using chemical analysis (HPLC, TOC)., Ce travail concerne l'étude de l'utilisation des décharges électriques pour traiter des solutions aqueuses contenant des polluants organiques. Lorsque l'énergie électrique est injectée dans la décharge, grâce aux électrons énergétiques elle est en partie convertie en énergie chimique, c'est-à-dire en espèce radicalaires et excitées, qui vont pouvoir réagir sur les molécules présentes et dégrader des polluants. Trois types de décharges électriques ont été analysés : streamer dans l'eau qui est principalement étudiée dans ce travail, arc transitoire dans l'eau et décharge couronne dans l'air humide au-dessus de la surface de l'eau. Un interrupteur à semi-conducteur, permettant d'appliquer une impulsion de tension calibrée, est employé pour minimiser l'énergie perdue par effet Joule, supprimer le claquage, et ainsi optimiser le procédé. En utilisant des électrodes pointe-plan, le type de décharge est choisi en changeant la distance et la durée de l'impulsion de tension. Une étude sur la caractérisation électrique des streamers est effectuée en fonction de la tension appliquée et de la conductivité de la solution afin d'établir un bilan d'énergie électrique dépensée pour créer des streamers. Le rendement énergétique et l'efficacité des trois méthodes sur la dégradation de trois polluants - types sont mesurés par analyses chimiques (dosage par HPLC, mesure de Carbone Organique Total).

This work provides a better understanding of the dielectric properties of the gels insulation in the particular context of its use in power electronics. Different measuring techniques which, for the most part have been developed in the characterization of insulating liquids (visualization streamers, optical detection of discharges, charge measuring apparent) were used. An optical method permitting partial discharge measurements under non-sinusoidal voltage (steep-fronted waves) has been developed. Discharges into cavities and ones attributed to the corona have been identified. A regime of reversible discharges and a regime of degradation where the properties of self-healing material are reduced were highlighted. The frequency of discharges increases with temperature. They could contribute to the acceleration of aging assembling in the long term. The partial discharge appears to be easier on impulse voltage in comparison to alternative. The visualization of phenomena generated by high field (generation and propagation of "streamers") allows to better characterize the mechanisms responsible for discharges. The conventional measures of partial discharges in alternative according to IEC are not relevant in the case of the characterisation of the gel under constraints impulse. A study of the breakdown of the silicone gel in various configurations electrode (sizes, shapes) as a function of temperature and the shape of the voltage waveform shows that depends on the electrode surface. The gel comes close much of a non-polar liquid than a solid., Ce travail apporte une meilleure compréhension des propriétés diélectriques des gels isolants dans le contexte particulier de son utilisation en électronique de puissance. Différentes techniques de mesures qui, pour la plupart ont été développées dans la caractérisation des liquides isolants (visualisation de streamers, détection optique des décharges, mesure de la charge apparente) ont été utilisées. Une méthode optique permettant des mesures de décharges partielles sous tension nonsinusoïdale (ondes à front raide) a été développée. Des décharges dans des cavités et les décharges attribuées à l'effet couronne ont été identifiées. Un régime de décharges réversibles et un régime de dégradation où les propriétés d'auto-cicatrisation du matériau sont réduites ont été mis en évidence. La fréquence des décharges augmente considérablement avec la température. Elles pourraient contribuer à l'accélération du vieillissement des assemblages à long terme. Les décharges partielles apparaissent plus facilement sous tension impulsionnelle qu'en alternatif. La visualisation des phénomènes générés sous champ élevé (génération et propagation de “streamers”) permet de mieux caractériser les mécanismes mis en jeu. Les mesures conventionnelles de décharges partielles en alternatif selon la norme CEI ne sont pas pertinentes dans le cas de la caractérisation du gel sous contraintes impulsionnelle. Une étude du claquage du gel silicone dans diverses configurations d'électrodes (tailles, formes) en fonction de la température et de la forme de l'onde de tension montre qu'il dépend de la surface des électrodes. Le gel se rapproche beaucoup plus d'un liquide non polaire que d'un solide.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont centrés sur l'analyse diélectrique de deux familles de matériaux diélectriques en couche mince et à forte permittivité : la première concerne des pérovskites de type SrTiO3 et la seconde est un nanocomposite constitué d'une matrice de carbone amorphe contenant des particules métalliques de nickel. Concernant les couches SrTiO3, élaborées par IBS (Ion Beam sputtering) au CEA-Leti à Grenoble, les propriétés diélectriques (constante diélectrique ', pertes '' et facteur de dissipation tan) sont analysées en fonction de la fréquence, de la température de fonctionnement, de la température de recuit des couches et de l'épaisseur des couches. Les changements diélectriques observés sont discutés en fonction de la cristallinité du matériau, de mécanismes de relaxation interfaciale, de contrainte mécanique, de la migration de lacunes d'oxygène, de l'existence d'une couche interfaciale de permittivité modérée. Concernant les couches composites nickel/carbone amorphe, élaborées au LEMD dans un réacteur plasma microonde de type DECR (distributed electron cyclotron resonance), les analyses diélectriques ont permis de mettre en évidence un fort mécanisme de polarisation interfaciale dans ces composites. Les résultats sont discutés en fonction du taux de nickel incorporé dans la matrice. Ce manuscrit se termine par une présentation de perspectives intéressantes d'étude de propriétés diélectriques concernant des matériaux (i) à faible permittivité, (ii) à forte permittivité et (iii) nanocomposites... Ainsi sont présentés des travaux préliminaires menés sur des films de parylène (polymère utilisé entre autres dans des lentilles liquides), une suggestion de continuité d'études sur les couches de type SrTiO3, des travaux sur des oxydes à forte permittivité Ta2O5 (intégration high  dans des circuits intégrés) et enfin plusieurs études concernant des nanocomposites (métal/carbone amorphe, silice/silicone, résine époxy/nanotubes de carbone, composites polymères/particules non linéaires).

The purpose of this work is to study prebreakdown phenomena (streamers) in liquid nitrogen (LN?) in order to defîne practical rules to design the insulation of High Température Superconducting apparatus. As breakdown is due to the initiation and propagation of a streamer, we study independently both of thèse phases, and we compare our results with those obtained in minerai oil for similar expérimental conditions.Under quasi uniform field, breakdown is controlled by streamer initiation and dielectric strength of liquid nitrogen under impulse voltage is close to that found in minerai oil, whereas it is two times liigher under AC voltage. At large gap distance (divergent field and brealcdown controlled by streamer propagation) we show that breakdown is mainly due to positive streamers, able to propagate furtber than négative ones. In applications where electric field distribution is quasi uniform, we conclude that a superconducting device designed with the same criteria as in minerai oil should be operational. Nevertheless, the great ability of positive streamers to propagate far imposes the use of insulating barriers.Spectroscopic study of light emitted by positive streamers during their propagation shows that filaments are constituted by gaseous molecular and atomic nitrogen. Numerical simulations of nitrogen atomic spectral lines (3 s P-3p S ) leads to an estimation of électron density and molecular nitrogen density inside the streamer. Numerical simulations of nitrogen second positive System (CJnu—»B ng) and charge measurements also provide an estimation of the gas température inside the streamer., L'objectif de ce travail est d'étudier les phénomènes pré-disruptifs ("streamers") conduisant au claquage de l'azote liquide (LN2) pour définir les modalités d'isolation d' appareils supraconducteurs à Haute Température critique (HTC). Un claquage étant le résultat de la génération et de la propagation d'un streamer, nous avons étudié ces deux aspects indépendamment l'un de l'autre et nous avons comparé nos résultats à ceux trouvés dans l'huile minérale pour des conditions expérimentales similaires.En champ quasi uniforme où le claquage est contrôlé par la génération des streamers, nos résultats montrent que sous tension impulsionnelle, la tenue diélectrique de LNo est identique à celle de l'huile minérale alors qu'elle est deux fois plus importante sous tension alternative. A grande distance entre électrodes (champ divergent et claquage contrôlé par la propagation), le claquage survient principalement en polarité positive. Dans les applications où la distribution du champ 'électrique est peu divergente, nos résultas permettent de conclure que le dimensionnement d'une isolation électrique à l'azote liquide conçue avec les mêmes critères de champ que dans l'huile minérale serait opérationnelle. Cependant, la grande facilité de propagation des streamers positifs nécessite l'utilisation de barrières isolantes pouvant arrêter leur propagation.L'étude spectroscopique de la lumière émise par les streamers positifs au cours de leur propagation a révélé qu'ils sont constitués par du gaz sous haute pression provenant de la vaporisation de LN2 et par la dissociation de N2. La simulation numérique des raies atomiques de N (3s4P-3p S0) nous a permis d'estimer la densité électronique Ne et moléculaire NN2 maximale dans le canal de streamer. La simulation numérique du second système positif (C ITU—>BJng) de N2 et des mesures de charges ont permis d'estimer la température du gaz contenu dans le streamer.

in point to plane geometry.In négative polarity under impulse voltage streamers appear due to an electronic avalanche, phenomenon already described under ce. The génération of positive streamers présents some particularities which the most important is the influence of pressure on inception threshold. A new highly sensitive differential measurement method (0.4 pC) allows to measure very low currents (few nanoampere) for the inception phase. Due to this technique the measurement of the injection current before streamer génération is possible and two mecanisms are proposed to explain the inception in positive polarity: the boilling of the liquid and the cavitation. The propagation of positive bush-like streamers takes place as long as it is attached to the point électrode. Its movement is due both to the génération and the expansion of succesive bubbles, but also to the influence of electrical forces.The numerical simulation done with the QuickField® software models the streamer with a gazeous sphère having a certain superficial charge density detennined from expérimental data. The comparison between the electrostatic pressure obtained numericaly and the internai pressure calculated considering the volume of the streamer as a perfect gaz points to the rôle of electric field on the propagation of streamer in spécifie conditions, La génération des streamers lents négatifs et positifs, mais aussi la propagation des streamerspositifs sont étudiées dans du cyclohexane et en configuration pointe-plan.En polarité négative et sous impulsion de tension les streamers apparaissent suite à uneavalanche électronique en phase liquide, phénomène déjà décrit sous tension continue. Lagénération des streamers positifs présente quelques particularités, dont la plus importante estl'influence de la pression sur la tension d'apparition.Une nouvelle méthode de mesure différentielle de grande sensibilité (0,4 pC) permetd'enregistrer pour la phase de génération des courants très faibles (centaines de nanoampères).Grâce à cette technique la mesure d'un courant d'injection avant l'apparition du streamer estpossible et deux mécanismes sont proposés pour expliquer la génération en polarité positive:réchauffement du liquide et la cavitation.La propagation du streamer positif a lieu tant qu'il est en liaison avec la pointe. Ledéplacement est dû à la fois à la formation et à l'expansion des bulles successives, mais aussi àl'influence des forces électriques.Des calculs numériques effectués à l'aide d'un logiciel type QuickField® permet de modéliserle streamer par une sphère gazeuse caractérisée par une densité superficielle de chargedéterminée à partir des données expérimentales. La comparaison entre la pressionélectrostatique obtenue numériquement et la pression interne calculée en considérantl'intérieur du streamer comme un gaz parfait met en évidence le rôle des forces électriques.dans la propagation du streamer dans certaines conditions.

Various partial discharges (PD) sources were characterized by measurement of electncal data such as discharge currents, PD charge, etc. From mis characterization, the errors affecting charge measurements are determined when inappropriate RLC circuits are used. The propagation of high frequency electrical signais was studied on a winding modei, and also on a real power transformer. Thèse experiments show the fundamental rôle of the détection impédance on measurements made at the winding terminais, and illustrate the complexity of propagation modes. Two localization methods of PD sources were tested on the winding model. This allows to assess their inhérent limitations. Then we propose a new localization method based on the study of the ratios of PD current spectra measured at the winding terminais. Thèse ratios are characteristic of the PD source position, whatever its nature. This technique requires the comparison of expérimental measurements with référence curves. Such curves are obtained by numerical simulation of the winding high frequency response, up to some MHz. The comparison of measurements and calculations shows the feasibility of the method proposed., Différentes sources de décharges partielles ont été caractérisées par la mesure de grandeurs électriques telles que les impulsions de courant de DP, la charge des DP, etc. A travers cette caractérisation, les erreurs de mesure de charge dues à l'utilisation de circuits intégrateurs inadaptés ont été mises en évidence. Différentes études de la propagation des signaux électriques ont été menées sur une maquette d'enroulement mais aussi sur un transformateur de puissance de la centrale thermique de Montereau. Les mesures ont montré le rôle fondamental de l'impédance de mesure sur la qualité des mesures effectuées en bout de bobinage. Elles ont aussi démontré la complexité des modes de propagation. Deux méthodes de localisation de sources de décharges partielles ont été mises en œuvre sur la maquette d'enroulement. Nous avons ainsi pu révéler leurs limites d'application. Pour remédier à ces inconvénients, nous proposons une nouvelle méthode de localisation des sources de DP. Son principe est basé sur l'étude des rapports des spectres des courants terminaux, qui sont caractéristiques de la position du défaut. Cette technique nécessite de pouvoir comparer les résultats expérimentaux à des courbes de référence. Celles-ci sont obtenues à l'aide d'un outil de simulation hautes fréquences efficace jusqu'à quelques MHz. La comparaison des résultats mesurés et simulés a mis en évidence la faisabilité de la méthode que nous avons développée.

The objective of this thesis is to study streamer initiation in minerai oil under step and alternating voltage in various geometry and in the presence of sorne pollution (particles, water). This work brings a comprehension of the streamer initiation. The results obtained show the significant influence of the geometry and the impurities (cellulose particles, water) on th e streamer initiation. The inception fields remarkably decrease when the electrode radii are increased. This reduction explains the surface effect observed under impulse and ac voltage in very well filtered oil. An additional degradation exists when oil is polluted and subjected to ac voltage. The study carried out in semi-uniform geometry (between two planes with a trigging point) allows to simulate the conditions of streamer generation and propagation caused by surface irregularities or particles in uniform geometry., L'objectif de cette thèse est d'étudier la génération des streamers dans l'huile minérale sous tension impulsionnelle et tension alternative avec des conditions de champ largement variées en présence de certaines pollutions (particules et eau). Ce travail apporte une meilleure compréhension de la génération des phénomènes précurseurs du claquage. Les résultats obtenus mettent en évidence l'influence importante de la géométrie et des impuretés (particules, eau) sur la génération des streamers. Un effet remarquable de diminution du champ de génération avec l'augmentation du rayon de courbure de l'électrode est observé. Cette diminution est l'origine de l'effet de surface généralement observé sous créneaux de tension et sous tension alternative dans l'huile très bien filtrée. Une dégradation supplémentaire existe lorsque l'huile est polluée et soumise à la tension alternative. L'étude réalisée en géométrie semi-uniforme (plan-plan avec une électrode d'amorçage) permet de simuler les conditions de génération et de propagation des streamers provoqués par des particules ou des aspérités de la surface en géométrie uniforme.