Although the cost of investment in power lines insulators is 3-5% of the total cost of the installation, the impact of their performance on reliability, failure costs, maintenance routines, etc in power systems is tens of times higher. Composite insulators were introduced 50 years ago and have been used around the world with consistently good experience. Low weight, easy handling, good performance under high pollution, low maintenance costs, and resistance to vandalism are some of their advantages. Nevertheless, acid rain, salty dust deposition, corona discharges, ozone, UV radiation, and humidity among other factors, deteriorate the quality of the polymeric housing reducing their hydrophobicity. The synergistic action of ageing factors is extremely complex and the whole degradation process may change when any one variable is slightly modified. Many studies have been carried out to increase understanding of the physicochemical processes which control the electrical and mechanical stability of polymers during in-service ageing with the objective of predicting remaining life-times. Vital areas of knowledge about polymer insulators are still incomplete and lacking; three of them are: (1) early stages of degradation in service under different environmental conditions, (2) monitoring and diagnosis techniques suitable for distribution installations and (3) steps to establish an insulators management plan based on condition and risk of failure. In this research these three topics are covered. A full review of literature about management of electrical distribution assets is included, followed by a specific plan developed for monitoring, diagnosis and ranking of insulators mainly supported by visual inspections. Diagnosis of medium voltages EPDM insulators recovered from service aged under different conditions is done using both traditional techniques and, uniquely, dielectric impedance. The relationship between surface roughness and static contact angle is also used to characterize insulators' surfaces. Early stages of degradation are studied focusing the experimental work to evaluate the electrohydrodynamic processes which occur on new samples under different conditions, giving special attention to leakage current pulse analysis, electric field enhancement, and resistance/capacitive behaviour including phase of leakage current. Results from each specific topic offer additional understanding of polymer insulators degradation providing insight to monitoring, diagnosis and management. Additionally, results open new topics in which new investigations are proposed.

Ce travail porte sur l’étude de la propagation de décharges couronnes impulsionnelles à pression atmosphérique dans les milieux poreux et/ou alvéolaires. Face à la complexité des phénomènes mis en jeu, liés aux interactions entre la décharge et les surfaces du matériau qui la confine, nous proposons l’étude de décharges confinées par des structures élémentaires. L’étude du confinement radial des décharges, assuré par un large panel de capillaires, a été réalisée. Des diagnostics électriques et optiques de pointe permettent d’étudier la propagation de la décharge au sein des différents capillaires. La corrélation entre ces diagnostics a même permis des mesures de vitesse de propagation au sein de capillaires opaques. Les résultats montrent que la propagation de la décharge dépend grandement de la géométrie des capillaires et des paramètres électriques de génération de la décharge. Dans le cas de sections carrées ou rectangulaires, les arêtes induisent un renforcement local du champ qui attire la décharge. Dans le cas de capillaires cylindriques, le diamètre interne est le paramètre crucial qui détermine aussi bien la structure de la décharge que sa vitesse de propagation. Quelle que soit la nature du capillaire, la propagation présente alors une vitesse optimale à tout autre paramètre constant pour une valeur donnée du diamètre interne. Dans le cas du verre, la vitesse est maximale pour un diamètre interne de 200 µm. L’épaisseur et la permittivité diélectrique du capillaire possèdent également une influence sur la propagation de la décharge radialement confinée. Ainsi, diminuer l’épaisseur ou la permittivité diélectrique engendre une accélération de la décharge. Si l’épaisseur est très faible, la décharge peut même se déconfiner pour se propager à l’extérieur du capillaire. Une étude spectroscopique complémentaire montre que la réduction du diamètre de confinement implique une augmentation de la température du plasma, ce qui pourrait contribuer à l’obtention de ce profil de vitesse en fonction du diamètre de confinement. L’étude du confinement axial des décharges a ensuite été réalisée en insérant des membranes de différentes natures et caractéristiques, perpendiculairement à l’axe pointe plan. Les résultats montrent que la décharge présente une propagation en trois étapes : pointe/membrane, radialement au voisinage de la membrane, puis membrane/plan. Dans cette étude, nous avons mis en évidence l’importance du critère poreux ou non de la membrane. Dans le cas poreux, la propagation de la décharge dans l’ensemble du gap est continue, même pour des pores de l’ordre de la dizaine de µm. Dans le cas non poreux, la propagation est discontinue, et il est nécessaire pour assurer la propagation dans l’ensemble du gap qu’un ré-allumage ait lieu de l’autre côté de la membrane. Après l’instant de l’impact sur la membrane, la décharge marque un arrêt qui correspond à la réorganisation des charges et à la restructuration du champ électrique dans le gap. Elle se propage ensuite radialement au voisinage de la membrane en plusieurs fronts d’ionisation. Si les conditions de claquage sont réunies dans le volume membrane/plan, alors un ré-allumage apparaît à partir de la membrane pour atteindre le plan. L’étude de ces ré-allumages semble montrer l’importance de la position de la membrane au sein de l’espace inter-électrodes et de la dynamique des charges aux surfaces de la membrane. Plus on diminue la distance membrane/plan, plus il est facile d’en observer. Nous montrons également que la diminution de la permittivité diélectrique de la membrane ou l’augmentation de son épaisseur, semble augmenter la probabilité de ces ré-allumages. Dans le cas poreux, nous avons également mis en évidence l’influence de la taille des pores de la membrane sur l’ensemble des étapes de propagation. Lorsque la porosité est inférieure à 100 µm la propagation de la décharge est ralentie du fait de la difficulté de la décharge à traverser directement le matériau. / This study is an attempt to understand the mechanisms involved in the propagation of pulsed corona discharges at atmospheric pressure inside porous and/or alveolar media. Due to the complexity of these phenomena which hardly depends on plasma/surface interactions, the study was focused first on the propagation inside basic structures of confinement, before doing it in more complex media, such as monolithic cordierites or foams. Therefore, capillaries have been used to radially confine the discharge propagation. Thanks to highly resolved optical and current diagnostics, we succeed in describing precisely the propagation. A correlation of these diagnostics allowed us to measure propagation velocity inside opaque media. Results show that geometry is the key parameter which both governs the discharge structure and the propagation velocity. Electrical parameters of the discharge ignition have a great role in the propagation also. In case of square and rectangular capillaries, the local electric field enhancement due to edges attracts the discharge. In case of round capillaries, the internal diameter becomes the key parameter which governs the pattern of the discharge and its velocity. Whatever the kind of capillary used, the velocity of propagation shows an optimal value for a given internal diameter, at all others parameters constants. In case of glass capillaries, this maximum value is obtained for a 200 µm internal diameter. Parameters such as wall thickness or dielectric permittivity have also an influence on the propagation velocity. The decrease of the thickness or the dielectric permittivity implies an increase of the propagation velocity. If the thickness is small enough, we observe that the discharge is able to propagate outside the tube. A complementary spectroscopic study of that kind of discharge shows that the plasma temperature depends on the internal diameter, and warming observed for smallest internal diameters could contribute to the internal diameter/velocity of propagation relation. The study of the axial confinement of the propagation of the discharge has been made thanks to different kinds of dielectric membranes, perpendicularly inserted between the electrodes. Results show that the propagation of the discharge is a three step process: tip to membrane propagation, radial propagation near the membrane surfaces, and membrane to plane propagation under specific conditions. The porous feature of the membrane has a key role in the propagation. In case of porous membranes, the whole propagation in the gap is continuous, even for the smallest porosities under investigations (~10µm). In case of non porous films, the propagation by three step processes is no more continuous, and the propagation in the entire gap needs a re-ignition of the discharge on the other side of the membrane. After its impact on the membrane, the discharge stops on the dielectric while the charges and the electric field are self reorganized. Then a radial propagation of several ionization waves starts near the membrane surface. If the disruptive voltage is reached behind the obstacle, a re-ignition could occur in the membrane/plane gap and reach the cathode. Investigation on these reignition conditions shows that the key parameters seem to be the position of the membrane inside the gap and the dynamics of the surface charges on the membrane. Closer is the membrane to the plane, higher is the probability of seeing re-ignitions. Results also show that the decrease of the dielectric permittivity or the increase of the membrane thickness leads to more re-ignition events. In case of porous membrane, the pore size is the main parameter which will influence the propagation. When the pore size is below 100 µm, the discharge propagation is slower due to the discharge difficulties to penetrate totally inside the material.

The degradation of high voltage electrical insulation is a prime factor that can significantly influence the reliability performance and the costs of maintaining high voltage electricity networks. Little information is known about the system of localized degradation from corona discharges on the relatively new silicone rubber sheathed composite insulators that are now being widely used in high voltage applications. This current work focuses on the fundamental principles of electrical corona discharge phenomena to provide further insights to where damaging surface discharges may localize and examines how these discharges may degrade the silicone rubber material. Although water drop corona has been identified by many authors as a major cause of deterioration of silicone rubber high voltage insulation until now no thorough studies have been made of this phenomenon. Results from systematic measurements taken using modern digital instrumentation to simultaneously record the discharge current pulses and visible images associated with corona discharges from between metal electrodes, metal electrodes and water drops, and between waters drops on the surface of silicone rubber insulation, using a range of 50 Hz voltages are inter compared. Visual images of wet electrodes show how water drops can play a part in encouraging flashover, and the first reproducible visual images of water drop corona at the triple junction of water air and silicone rubber insulation are presented. A study of the atomic emission spectra of the corona produced by the discharge from its onset up to and including spark-over, using a high resolution digital spectrometer with a fiber optic probe, provides further understanding of the roles of the active species of atoms and molecules produced by the discharge that may be responsible for not only for chemical changes of insulator surfaces, but may also contribute to the degradation of the metal fittings that support the high voltage insulators. Examples of real insulators and further work specific to the electrical power industry are discussed. A new design concept to prevent/reduce the damaging effects of water drop corona is also presented.

Cette thèse porte sur la simulation tridimensionnelle (3D) des décharges couronnes à l'aide du calcul haute performance. Lorsqu'on applique une impulsion de haute tension entre une pointe et un plan, les lignes de champ électrique fortement resserrées autour de la pointe induisent la propagation simultanée de plusieurs streamers et la formation d'une décharge couronne de structure arborescente. Dans ces conditions, seule une simulation électro-hydrodynamique 3D est apte à reproduire cette structure et fournir les ordres de grandeur de l'énergie déposée et de la concentration des espèces créées durant la phase de décharge. Cependant, cette simulation 3D est très consommatrice en temps et mémoire de calcul et n'est désormais accessible que grâce à l'accroissement permanent de la puissance des ordinateurs dédié au calcul haute performance. Dans le cadre d'une simulation électro-hydrodynamique 3D, une attention particulière doit être prise concernant l'efficacité des solveurs à résoudre les équations elliptiques 3D car leur contribution en termes de temps de calcul peut dépasser 80% du temps global de la simulation. Ainsi, une partie de manuscrit est consacrée aux tests de performances de méthodes de résolution d'équations elliptiques directes ou itératives telle que SOR R&B, BiCGSTAB et MUMPS, en utilisant le calcul massivement parallèle et les librairies MPI. Les calculs sont réalisés sur le supercalculateur EOS du réseau CALMIP, avec un nombre de cœurs de calcul allant jusqu'à 1800, et un nombre de mailles atteignant 8003 (soit plus 1/2 Milliard de mailles). Les tests de performances sont réalisés en statique sur le calcul du potentiel géométrique et en dynamique en propageant une densité de charge d'espace analytique caractéristique des streamers. Pour réaliser une simulation complète 3D de la décharge il faut également intégrer au programme un algorithme capable de résoudre les équations de transport de particule chargée à fort gradients de densité caractéristiques aux streamers. Dans ce manuscrit, l'algorithme MUSCL est testé dans différentes conditions de propagation d'un cube de densité (à vitesse homogène ou non homogène spatialement) afin d'optimiser le transport des densités d'espèces chargées impliquées. Le code 3D, conçu pour résoudre le modèle électro- hydrodynamique complet de la décharge (couplant les équations de transport, de Poisson et de cinétique réactionnelle) est ensuite validé par la confrontation des résultats 3D et 2D dans une condition de simulation présentant une symétrie de révolution autour de l'axe de propagation d'un streamer. Enfin, les premiers résultats des simulations 3D de la phase décharge avec la propagation d'un ou plusieurs streamers asymétriques sont présentés et analysés. Ces simulations permettent de suivre la structure arborescente de la décharge lorsqu'on applique une tension pulsée entre une pointe et un plan. L'initiation de la structure arborescente est étudiée en fonction de la position de spots plasmas et de leur influence sur l'amorçage des streamers. / This work is devoted to the three dimensional (3D) simulation of streamer corona discharges in air at atmospheric pressure using high-performance parallel computing. When a pulsed high-voltage is applied between a tip and a plane in air, the strong electric field lines constricted around the tip induce the simultaneous propagation of several streamers leading to a corona discharge with a tree structure. Only a true 3D electro-hydrodynamics simulation is able to reproduce this branching and to provide the orders of magnitude of the local deposited energy and the concentration of the species created during the discharge phase. However, such a 3D simulation which requires large computational memory and huge time calculation is nowadays accessible only when performed with massively parallel computation. In the field of 3D electro-hydrodynamics simulations, a special attention must be paid to the efficiency of solvers in solving 3D elliptic equations because their contribution can exceed 80% of the global computation time. Therefore, a specific chapter is devoted to test the performance of iterative and direct methods (such as SOR R&B, BiCGSTAB and MUMPS) in solving elliptic equations, using the massively parallel computation and the MPI library. The calculations are performed on the supercomputer EOS of the CALMIP network, with a number of computing cores and meshes increasing up to respectively 1800 and 8003 (i.e. more than 1/2 Billion meshes). The performances are compared for the calculation of the geometric potential and in a dynamic simulation conditions consisting in the propagation of an analytical space charge density characteristic of the streamers. To perform a complete 3D simulation of the streamer discharge, must also involve a robust algorithm able to solve the coupled conservation equations of the charged particle density with very sharp gradients characteristic of the streamers. In this manuscript, the MUSCL algorithm is tested under different propagation conditions of a cubic density (with uniform or non-uniform velocity field). The 3D code, designed to solve the complete electro-hydrodynamics model of the discharge (coupling the conservation equations, the Poisson equation and the chemical kinetics) is validated by comparing the 3D and 2D results in a simulation conditions presenting a rotational symmetry around the propagation axis of a mono-filamentary streamer. Finally, the first results of the 3D simulations of the discharge phase with the propagation of one or several asymmetric streamers are presented and analyzed. These simulations allow to follow the tree structure of a corona discharge when a pulsed voltage is applied between a tip and a plane. The ignition of the tree structure is studied as a function of the initial position of the plasma spots.

Dans cette thèse, les applications des plasmas à basse température à la pression atmosphérique sont discutées. En particulier, la bio-décontamination des bactéries planctoniques et biofilms bactériens sur des surfaces planes et complexe sont réalisées par des décharges corona de l'air et de plasma d'argon. Dans ce travail, nous caractérisons trois sources de plasma qui sont utilisées pour la décontamination d'Escherichia coli. CC corona décharges dans l'air - corona streamer positive et négative des impulsions Trichel ont été utilisés pour la décontamination des bactéries planctoniques et biofilms bactériens. Dans certaines expériences de l'eau a été électro-pulvérisée sur des échantillons de haute tension électrode. Bio-décontamination des biofilms bactériens a été réalisée sur des lames en verre, pendant 15 min le traitement de plasma a été rendu majorités des bactéries incultivables. Selon la microscopie confocale à balayage laser de biofilms colorées par kit de la viabilité, une partie de ces bactéries incultivables restait viables, seulement les couches les plus supérieures du biofilm ont été tuées. La deuxième source de plasma est corona décharge pulsée propagé à l'intérieur du tube de quartz longue et étroite où l'argon sec ou l'argon avec de la vapeur d'eau coulait à la pression atmosphérique. Ce type de décharge et a une application potentielle dans la décontamination des surfaces intérieures des cathéters ou d'autres dispositifs longs et tubulaires ou pourrait fournir un plasma à basse température sur des distances longues à l'intérieur du corps humain. Tout d'abord, cette source de plasma à basse température a été caractérisée par ses paramètres électriques, et ensuite, une spectroscopie d'émission optique identifiés l'émission de plasma UV-B de radical hydroxyle excité en particulier avec l'argon humide. L'effet de cette UV-B a été testé sur des bactéries planctoniques et a été découvert pour causer jusqu'à un dommage substantiel encore plus loin en aval du tube. La source de plasma d'argon dernière doit aller qui utilise l'argon saturé sec, humide ou de l'eau en tant que gaz de travail. Cette décharge a été principalement utilisée pour la décontamination biofilm, et nous avons reçu des résultats similaires comme décharges corona CC. / In this PhD thesis, applications of lowtemperature plasmas at atmospheric pressure are discussed. In particular, bio-decontamination of planktonic bacteria and bacterial biofilms on flat and complex surfaces by air corona discharges and argon plasma. In this work, we characterize three plasma sources which are used for decontamination of Escherichia coli. DC corona discharges in air - positive streamer corona and negative Trichel pulses were used for decontamination of planktonic bacteria and bacterial biofilms. In some experiments water was electrosprayed onto samples from high voltage electrode. Bio-decontamination of bacterial biofilms was carried out on glass cover slides, within 15 min plasma treatment most of the bacteria were rendered uncultivable. Part from these uncultivable bacteria remained viable only top layers of the biofilm were killed, according to confocal laser scanning microscopy of biofilms stained by live/dead viability kit. The secondplasma source was pulsed corona discharge propagated inside the long narrow quartz tube in which dry argon or argon with water vapor was flowing at atmospheric pressure. This type of discharge has a potential application in decontamination of inner surfaces of catheters or other long tubular devices or could able to deliver low-temperature plasma on longer distances inside the human body. Firstly, this low-temperature plasma source was characterized by its electrical parameters, then, an optical emission spectroscopy of plasma identified UV B emission form excited hydroxyl radical especially with humid argon working gas. The effect of this UV B was tested on planktonic bacteria and was found out to cause up to a substantial damage even further downstream the tube. The last plasma source has argon jet which used dry, humid or water saturated argon as a working gas. This discharge was predominantly used for biofilm decontamination, where we received similar results as with DC corona discharges.