Modélisation numérique des décharges partielles de type streamer par la méthode des éléments finis et une approche semi-Lagrangienne

Numerical modelling of streamer-type partial discharges using the finite element method and a semi-Lagrangian approach

• Auteur / Autrice : Amine Bennini
• Direction : Guillaume Parent
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur Génie Electrique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 25/08/2026
• Etablissement(s) : Artois
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences, Technologie, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LSEE - Laboratoire Systèmes Electrotechniques et Environnement
• Jury : Président / Présidente : Olivier Eichwald
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Parent, Stéphane Clénet, Innocent Niyonzima, Raphaël Pile, Philippe Dessante
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Clénet, Philippe Dessante

Mots clés

Mots clés libres

Décharges partielles

Équations de transport

Charges d’espace

Méthode des éléments finis

Partial discharge

Transport equation

Space charge

Finite element method

Résumé

Les progrès récents de l’électronique de puissance et l’électrification croissante des transports ont conduit à l’augmentation des contraintes électriques dans les systèmes d’isolation des machines électriques. Les fronts de tension rapides générés lors des commutations favorisent l’apparition de décharges partielles dans les isolations inter-spires des bobinages, réduisant fortement leur durée de vie lorsque le seuil d’apparition des décharges partielles (PDIV) est dépassé. Dans ce contexte, la compréhension et la modélisation des mécanismes physiques régissant l’initiation, la propagation et l’extinction des décharges de type streamer constituent un enjeu majeur pour améliorer la fiabilité des systèmes électriques. Différentes méthodes macroscopiques permettent de déterminer le seuil d’apparition des décharges partielles (PDIV) d’un bobinage avec plus ou moins de précision. Cependant, ces approches ne permettent pas d’expliquer certains phénomènes, tels que les mécanismes d’initiation d’une décharge partielle ni son développement spatio-temporel. Afin de prendre en compte l’ensemble de la chaîne phénoménologique, depuis les conditions d’initiation des décharges jusqu’à leur extinction, il apparaît nécessaire d’étudier l’évolution dynamique des charges d’espace dans le bobinage à travers la résolution des équations de l’électro-hydrodynamique couplées à celles de l’électrostatique. Cette thèse porte sur la modélisation électro-hydrodynamique des décharges partielles dans les gaz à travers la résolution couplée des équations de transport des espèces chargées et de l’équation de Poisson. Une étude des principales méthodes numériques utilisées pour résoudre les équations de transport est réalisée, avec une attention particulière portée à la méthode semi-lagrangienne Position-State Separation (POSS).

Recent advances in power electronics and the increasing electrification of transportation have led to higher electrical stresses in the insulation systems of electrical machines. The fast voltage fronts generated during switching promote the occurrence of partial discharges in the inter-turn insulation of windings, significantly reducing their lifespan when the partial discharge inception voltage (PDIV) is exceeded. In this context, understanding and modeling the physical mechanisms governing the initiation, propagation, and extinction of streamer-type discharges is a major challenge to improve the reliability of electrical systems. Various macroscopic methods allow the determination of the partial discharge inception voltage (PDIV) of a winding with varying degrees of precision. However, these approaches do not explain certain phenomena, such as the mechanisms of partial discharge initiation or their spatio-temporal development. To account for the entire phenomenological chain—from discharge initiation conditions to their extinction—it is necessary to study the dynamic evolution of space charges in the winding by solving the coupled electro-hydrodynamic equations along with those of electrostatics. This thesis focuses on the electro-hydrodynamic modeling of partial discharges in gases through the coupled resolution of the charged species transport equations and Poisson's equation. A study of the main numerical methods used to solve the transport equations is conducted, with particular attention paid to the semi-Lagrangian Position-State Separation (POSS) method.