CHAPITRE 3 Matériaux isolants 1 A –Types disolant a.Isolants solidesIsolants solides b.Isolants liquidesIsolants liquides c.Isolants gazeuxIsolants gazeux

CHAPITRE 3

Matériaux isolants

1

A – Types d’isolanta. Isolants solidesb. Isolants liquidesc. Isolants gazeux

B – Grandeurs caractéristiquesa. Conductivité électriqueb. Permittivité diélectriquec. Facteur de pertesd. Rigidité diélectriquee. Décharges partielles

C – Vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

Un diélectrique est une substance dont la propriété électromagnétique fondamentale est d’être polarisable par un champ électrique.

Un isolant est un matériau destiné à empêcher la conduction électrique entre des éléments conducteurs.

Un isolant est un matériau de conductivité électrique faible - pratiquement négligeable -, utilisé pour séparer des pièces conductrices portées à des potentiels différents.

Un isolant est une substance dans laquelle la bande de valence est une bande pleine séparée de la première bande d'excitation par une bande interdite d'une largeur telle que, pour faire passer dans la bande de conduction des électrons de la bande de valence, il faut une énergie assez grande pour entraîner une décharge disruptive.

Définitions (CEI)

En pratique, tout isolant estplus ou moins polarisable.

3. Matériaux isolants

[9]


http://www.surprises.ch/HT/annexes/09.pdf


A. Types d’isolants

3

3. Matériaux isolants > A. Types d’isolants


Les isolants solides

4

Isolants naturels :bois, mica, verre, gutta-percha, caoutchouc, cellulose

Polymères thermoplastiques :PVC, polystyrène, nylon, polycarbonate, polyéthylène, téflon, kapton, etc.

Élastomères synthétiques :EPR, néoprène, certains silicones

Papiers synthétiques :nomex, prespan, kevlar

Polymères thermodurcissables :résines époxy, bakélite, dellite, canevasite, certains silicones

Autres : céramiques (porcelaine),béton, paraffine

3. Matériaux isolants > A. Types d’isolants > a. Isolants solides


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PolymérisationAssemble de molécules de relativement petite taille (monomères) pour former des chaînes (polymère). Exemple : le polyéthylène.

Polymérisation et réticulation

RéticulationCréation de pont entre des chaînes voisines de polymère.

Éthylène Polyéthylène

Polymère réticulé



6

Téflon

PVC

Quelques polymères

Propylène Éthylène

EPR


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Les isolants liquidesHuiles minérales : elles sont généralement tirées du pétrole.

Huiles végétales, de nombreuses plantes :ricin, colza, tournesol, arachide, olive…

Huiles ou fluides synthétiques spéciaux :résistants au feu, biodégradables, etc.

Liquides cryogéniques : azote liquide, hélium liquide…

Les huiles sont souvent utilisées en combinaison avec des isolants solides poreux: l’isolation papier-huile est courante dans les transformateurs.

Les isolants liquides3. Matériaux isolants > A. Types d’isolants > b. Isolants liquides

L’huile de castor (Castor oil) est en réalité de l’huile de ricin. [11]


Complément facultatifL'huile végétale



http://www.localtis.info/cs/ContentServer?c=artEsp&pagename=Localtis/artEsp/artEsp&cid=1206345717321&rendermode=preview

8

Les isolants gazeux

Air, azote, gaz carbonique (CO2), hexafluorure de soufre (SF6).

Les isolants gazeux

Le videLe vide n’est jamais totalement vide ! Les phénomènes qui s’y déroulent dépendent de manière critique des traces de gaz résiduelles et aussi des impuretés présentes sur les électrodes, que le champ électrique, à partir d’une certaine intensité, peut vaporiser dans l’intervalle supposé vide.

3. Matériaux isolants > A. Types d’isolants > c. Isolants gazeux

Les isolants gazeux peuvent être mélangés dans différentes proportions et sont utilisés sous différentes pressions.

Le vide a été considéré comme un bon conducteur jusqu’à la fin du 19e siècle! La raison en est que les pompes à vide ne permettaient d’obtenir qu’un gaz plus ou moins raréfié, dans lequel les ions ont une mobilité élevée.

[12]

[51]


B. Grandeurs caractéristiques

9

3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques


10

Cinq principales grandeurs électriques caractérisent les isolants utilisés en haute tension :

La conductivité électrique, de volume ou de surface, qui n’est jamais nulle.La permittivité diélectrique qui varie passablement selon le type de polarisation en jeu.Le facteur de pertes qui relie la conductivité et la permittivité.La rigidité diélectrique, qui joue un rôle primordial en limitant les possibilités d’utilisation d’un isolant.L’intensité des décharges partielles qui ne caractérise pas le matériau en tant que tel, mais plutôt la qualité du procédé de fabrication, ainsi que sa dégradation au cours du temps.

Grandeurs physiques électriques3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques


11

Les bons isolants ont des conductivités transversales inférieures à 10-10 S/m et qui tombent à 10-18 S/m pour les meilleurs d’entre eux.

Conductivité transversale3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > a. Conductivité électrique

Dans les isolants, la conductivité transversale dépend au moins autant des impuretés (autrement dit du procédé de fabrication) que des propriétés intrinsèques du matériau considéré.


12

Conductivité superficielle3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > a. Conductivité électrique

Les figures ci-dessus ne sont que des schémas de principe.

Un dispositif permettant de mesurer réellement la résistivité desurface sera examiné au chapitre 6 – Mesure en haute tension.

[13]

SS

I d

U L

SS

I d

U 2 r


13

La permittivité traduit l’existence d’un mécanisme de polarisation interne au matériau. Il en existe de quatre types :Polarisation atomique.

Polarisation ionique.

Polarisation par orientation.

Polarisation interfaciale

Permittivité diélectrique3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > b. Permittivité diélectrique

Plusieurs types de polarisation peuvent coexister dans le même matériau.


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Polarisation atomique

Maxwell a montré que, pour un solide dans lequel seule intervient la polarisation atomique, la permittivité relative vaut exactement 2.

La polarisation atomique concerne tous les matériaux et s’établit en un temps très court, de l’ordre de 10-12 à 10-15 s.

3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > b. Permittivité diélectrique

Les fréquences concernées sont très éloignées de celles qui interviennent habituellement dans les systèmes à haute tension.


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La polarisation ionique concerne les cristaux (comme le sel par exemple) et s’établit en un temps de l’ordre de 10-10 à 10-13 s.

Polarisation ionique3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > b. Permittivité diélectrique


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La polarisation par orientation concerne les molécules polaires comme l’eau par exemple.

Certains solides ont aussi des monomères polaires, comme les caoutchoucs ou les nylons, ainsi que certains thermodurcissables, telle la bakélite.

Polarisation par orientation3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > b. Permittivité diélectrique

La polarisation par orientation donne des permittivités particulièrement élevées dans les liquides, du fait de la mobilité des molécules.

[14]


17

La polarisation interfaciale concerneles diélectriques formés de grains dedifférentes natures ou de structuresdifférentes, comportant des chargesrésiduelles, pour lesquelles les jointsde grains constituent une barrièred’énergie. Les charges se déplacenttrès lentement dans le diélectriquede sorte que le temps d’établissementde cette polarisation va de 10-2 s à plusieurs minutes.

Ce phénomène apparaît dans certains cristaux mauvais conducteurs comme le BSTO (Baryum – Strontium – Titane – Oxygène, en proportions non stœchiométriques).

Polarisation interfaciale3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > b. Permittivité diélectrique


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La plupart des polymères ont des permittivités diélectriques relatives comprises entre 2 et 4, aux fréquences industrielles.

Permittivité de quelques solides polaires :Néoprène : r = 6,7 Nylon : r = 8 Bakélite r = 5 ~ 6

Verre : r = 5 ~ 7 Mica : r = 6 Porcelaine r = 5 ~ 6

Caoutchoucs : r = comprises entre 2,5 et 35.

Permittivité de quelques liquides polaires :Alcool : r = 25,8 Glycérine : r = 47 Eau : r = 80

Huiles minérales : r = 2 ~ 2,5 (dépend des impuretés).

Permittivité des gazDu fait de leur faible masse volumique, leurs permittivités sont très proches de 1.

Valeurs de permittivité3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > b. Permittivité diélectrique


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Enclenchement d’un champLorsqu’on enclenche un champ électrique échelon d’amplitude Eo surun diélectrique, trois courants se superposent :Un courant de conduction proportionnel, en tout instant, au champ appliqué.Un courant de charge qui correspond à la charge du condensateur que constitue l’isolant, entre ses deux électrodes.Un courant dit d’absorption, correspondant au déplacement des charges concernées par la polarisation. Ce courant est une fonction exponentielle décroissante du temps.


Au déclenchement du champ, un courant de résorption jr est généralement symétrique du courant d’absorption ja. Toutefois, dans certains matériaux où se produisent des réactions électrolytiques ou comportant des impuretés, on peut avoir jr -ja.

[15]


20

Courants d’absorption / résorptionDispositif de mesure des courants

d’absorption et de résorption.

Résultat type de mesure d’un courantd’absorption et de résorption.

Dans certains matériaux, différentes polarisation se superposent, avec des

constantes de temps différentes.


Le courant de charge n’est pas visible sur cette figure.

Source : M. de Nigris et al., Application of modern techniques for the condition assessment of power transformers, CIGRÉ A2-207 (2004).


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L’isolant est considéré comme :ip 4 : bon 1,5 < ip < 4 : douteux ip 1,5 : mauvais

Indice de polarisation3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > b. Permittivité diélectrique

Selon d’autres procédures (norme française NF C 15-100), la mesure du courant d’absorption se fait à 30 secondes et à 1 minute.

On peut caractériser l’état d’un isolant (ou la dégradation de son état) en évaluant l’indice de polarisationCet indice est défini comme le rapport entre le courant mesuré au bout d’une minute et après 10 minutes :

La mesure de l’indice de polarisation est surtout utilisée pour évaluer l’état de l’isolation des câbles et des machines tournantes.

t 1p

t 10

Ii

I


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Facteur de pertes3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > c. Facteur de pertes

IC = courant capacitifIG = courant conductif

[16]

Diélectrique en régime sinusoïdal

Dans un condensateur comportant un isolant réel, le courant n’est pas en parfaite quadrature avec la tension.

On caractérise le condensateur réel par son facteur de pertes : tg

Relation avec la puissance

Le facteur de pertes peut être exprimé à partir des puissances active, P, et réactive, Q :

tot

tot

U I coscos Ptg ctg

sin U I sin Q


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Solides Plexiglas : 2 . 10-2 Résine époxy : 4 . 10-3

Téflon : 6 . 10-4 Polyéthylène : 3 . 10-4

Polystyrène : 10-4 Paraffine : 5 . 10-5

Liquides Huiles minérales : 3 . 10-4 ~ 5 . 10-3

Gaz Hexafluorure de soufre (SF6) : 2.10-7

Valeurs de facteur de pertes3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > c. Facteur de pertes


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Pour la polarisation par orientation, les parties réelles et imaginaires de la permittivité peuvent être reliées aux limites à fréquence nulle, ro , et à fréquence infinie, r (Traité d’électricité vol. 2 § 4.6.2) :

Influence de la fréquence3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > c. Facteur de pertes

= temps de relaxation

r o rr 21

r o r21

r o

r

2

2


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Modèle théorique pour les différents mécanismes de polarisation

Mesures réalisées sur l’eau

Permittivité complexe de l’eau3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > c. Facteur de pertes


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Polyéthylène

Influence de la température

Source : Robert FOURNIÉ, Les isolants en électrotechnique – Concepts et théorie (1986) p.76.

Dans un thermoplastique comme le polyéthylène, une augmentation de la température provoque un ramollissement, donc une augmentation de la mobilité des molécules.

Le temps de relaxation de la polarisation diminue et la fréquence propre associée augmente.

3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > c. Facteur de pertes


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Définition : La rigidité diélectrique est le champ électrique maximal que peut supporter un isolant avant que se produise une décharge disruptive.

Valeurs de rigidité diélectriqueSolides (ASTM 149) Liquides (ASTM D877)

Kapton 290 kV/mm Huiles minérales 20 kV/mmPorcelaine 28 kV/mm Azote liquide (77 K) 28 kV/mmPlexiglas 20 kV/mmTéflon 18 ~ 80 kV/mm Gaz (1 atm, 25°C)Polystyrène 16 kV/mm Air 3 kV/mmCaoutchouc 15 kV/mm SF6 8 kV/mm

Rigidité diélectrique3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > d. Rigidité diélectrique

La rigidité diélectrique se mesure en kV/mm ou MV/mm.Les publications américaines donnent souvent des valeurs en V/mil ;1 mil = 1/1000e de pouce, soit 25,4 m 1 kV/mm = 25,4 V/mil

[17]


28

Une tension de claquage nettement plus élevée que l’air permet de réduire d’autant les distances entre les éléments entre lesquels existe une différence de potentiel (distance d’isolement).

Rigidité diélectrique du SF6

3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > d. Rigidité diélectrique


Complément facultatifCahier technique n°188

de Schneider Electric

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Tension de claquage mesurée entre deux électrodes placées dans le « vide ».

Matériau des électrodes : W – CuForme des électrodes : anneaux 80 – 40Pression résiduelle : 10-4 PaTension appliquée : AC 50 Hz

Rigidité diélectrique du « vide »3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > d. Rigidité diélectrique

Source : Hanna Mościcka-Grzesiak + al., Comparison of electroinsulating properties of the vacuum gap beetween electrodes made of various contact materials, 7th Int. Symp. on High Voltage Engineering (26-30 août 1991) Dresde. Publ. 34-03


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Décharges partielles (DP)

Cavités dans la résine époxy par exemple

Définition : Une décharge partielle est une décharge électrique qui se développe sur une partie seulement de l’intervalle isolantsoumis à la tension.

En pratique, une décharge partielle se produit dans les cavités ou les fissures qui existent à l’intérieur d’un isolant solide; ou dans les bulles d’un isolant liquide.

Fissure perpendiculaire, dans un élastomère

Cavité laminaire dans du mica

Mauvaise adhérence de l’isolant sur les électrodes

3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > e. Décharges partielles


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Deux raisons contribuent à provoquer des décharges partielles dans les isolants :

1. Le champ électrique dans les cavités Ec est plus élevé que le champ électrique Ed dans le diélectrique.

2. La rigidité diélectrique est plus faible dans les cavités que dans le diélectrique.

Mécanisme des décharges partielles3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > e. Décharges partielles

c dE E


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Définitions : La charge électrique apparente d’une décharge partielle est la charge qui, injectée entre les bornes de l’isolant, produirait la même variation de tension que la décharge partielle elle-même.

Charge apparente3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > e. Décharges partielles

L’isolant imparfait (comportant une cavité) peut être représenté par une combinaison de capacités :

: capacité de la cavité

et : capacité de l’isolant en série avec la cavité

et : capacité de l’isolant en parallèle avec la cavité

SC SC

CC

PC PC


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Mécanisme de décharges partielles3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > e. Décharges partielles

Chaque fois que la tension uC(t) sur la cavité dépasse une tension de seuil US , une décharge se produit et une charge

est transférée à travers la cavité. Avec le modèle ci-contre, on trouve la charge apparente Qapp en fonction de la charge effectivement transférée dans la cavité Qc .

[18]


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Détection des DP

Détection des décharges partielles

Le circuit de détection des DP comporte un condensateur de couplage (Ck) en parallèle avec l’échantillon et une impédance de mesure (Zm) en série.

Les décharges partielles produisent uncourant circulant essentiellement dansla boucle Zm – Ck – Cx .

3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > e. Décharges partielles

Circuit de mesure de l’intensités des DP

Définitions : Le niveau de décharges partielles est une intégrale temporelle de la charge électrique apparente. Il se mesure en picocoulombs (pC).


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Mesure du seuil de DP3. Matériaux isolants > B. Grandeurs caractéristiques > e. Décharges partielles

Exemples


C. Vieillissement

36

3. Matériaux isolants > C. Vieillissement


37

Dégradation au cours du tempsDéfinition : Une dégradation est une modification irréversible de la structure

d’un isolant solide, liquide ou gazeux.

Définition : Le vieillissement est une modification irréversible des propriétés macroscopiques d’un isolant, due aux dégradations survenue au cours de son utilisation normale.

Le vieillissement physique est dû à des fissurations, des gonflements, une pénétration d’eau, une apparition d’hétérogénéités par migration de composants.

Le vieillissement chimique est dû à des phénomènes d’oxydation, des ruptures de chaîne de polymères, des réticulations, la formation de sous-produits, etc.

Dans le SF6 , on observe la formation progressive de CF4 , SOF2 et SO2F2 qui sont des gaz plus ou moins toxiques.

3. Matériaux isolants > C. Vieillissement


38

Exemple de dégradation évaluée par la rigidité diélectrique, dans l’EPR

Critère de dégradation3. Matériaux isolants > C. Vieillissement

Le vieillissement d’un isolant peut être évalué par la mesure de grandeurs électriques telles que la rigidité diélectrique, par exemple.

[19]


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L’huileDans les isolants liquides (huiles de transformateurs), des prélèvements et des analyses donnent des informations sur le vieillissement de l’huile.

La celluloseLa cellulose, largement utilisée dans les transformateur par exemple,consiste en des chaînes comportant environ 1200 anneauxde glucose reliés entre eux par des ponts d’oxygène.

Les principaux mécanismes de dégradation dela cellulose sont :- la pyrolyse- l’oxydation- l’hydrolyse, aggravée par l’eau provenant de la pyrolyse et de l’oxydation.

Vieillissement du papier – huile3. Matériaux isolants > C. Vieillissement


40

Dans les isolations papier-huile, onobserve l’apparition de furfurane (C5H4O2),qui indique une dégradation progressivede la cellulose.

D’autres gaz peuvent égalementy être décelés, permettant dediagnostiquer certainescauses de dégradation.

Dégradation du papier – huile3. Matériaux isolants > C. Vieillissement


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Modèle de vieillissement3. Matériaux isolants > C. Vieillissement

L’aspect statistique du processus de vieillissement n’apparaît pas dans ces hypothèses.

On peut modéliser le vieillissement sur la base de trois hypothèses :

1. Le mécanisme de dégradation de la matière (quel qu’il soit) suit une loi semblable à la loi d’Arrhenius pour les réactions chimiques:

X = vitesse de dégradation = quantité de matière dégradée par unité de tempsXo = constante W = énergie caractéristiquek = constante de Boltzmann T = température

2. L’énergie caractéristique W est une fonction décroissante de la contrainte produisant la dégradation (par exemple le champ électrique).

3. Le claquage de l’isolant survient lorsque la quantité de matière isolante dégradée atteint un certain seuil, supposé fixe pour un matériau donné.

W/kToX(W;T) X e


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Statistique des durées de vie3. Matériaux isolants > C. Vieillissement

> 0 est une constante de temps> 0 un paramètre de forme

La durée de vie d’un certain type d’équipement, sous des contraintes données, n’est évidemment pas strictement identique pour chaque objet : c’est un processus en partie aléatoire, qui suit une loi statistique.

L’expérience montre que, dans les processus de défaillance de composants soumis à des contraintes électriques, la probabilité de défaillance avant l’instant t est donnée par la fonction de répartition :

(t/ )F(t) 1 e

La densité de probabilité de Weibull est donnée par :( 1)

(t/ )tp(t) e


43

Fonction de répartition de Weibull3. Matériaux isolants > C. Vieillissement

Le paramètre apparaît comme une « durée de vie standard » : quand tend vers l’infini, la probabilité de défaillance est nulle avant le temps , et tous les échantillons claquent à cet instant-là.


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Deux phénomènes d’arborescence sont bien connus des exploitants d’équipements utilisés en haute tension, en particulier les câbles.

1. Les arborescences électriques

Une irrégularité de la forme de

l’isolant engendre une

augmentation locale du champ

électrique qui peut suffire à

provoquer une décharge.

L’arborescence électrique est

formée de matière carbonisée.

Les arborescences électriques3. Matériaux isolants > C. Vieillissement


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2. Les arborescences d’eau

Les irrégularités de surface peuvent absorber de l’eau qui pénètre progressivement dans l’isolant. Ces infiltrations prennent alors la forme d’une arborescence, remplie par l’humidité extérieure.

Quand le phénomène se produit à partir d’une cavité interne, il a la forme « nœud de papillon » et l’eau qui le remplit vient de la décomposition des molécules d’isolant.

Les arborescences d’eau3. Matériaux isolants > C. Vieillissement

Source : Robotic Cable inspection System Source : Université de Laval (p. 17)


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Vieillissement accéléré3. Matériaux isolants > C. Vieillissement

L’exposant n peut être positif ou négatif.

Pour les composants du réseau électrique, les tests de vieillissement accéléré font usage de trois variables (séparément ou simultanément) :- Application d’une tension d’essai Ue supérieure à sa valeur assignée Ua- Application d’une température d’essai Te supérieure ou inférieure à la température prévue de fonctionnement Ta.

- Application d’une fréquence d’essai fe supérieure à la fréquence assignée fa.

La durée de vie prévue en condition normale La est alors calculée en fonction de la durée de vie Le obtenue durant l’essai, par le relation empirique :

m, n et p et o sont des paramètres à déterminer selon le type de matériel testé.

m n pe o e

a ea a e a

U fL L

U 2(T T ) f


Documents

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