The mechanism of the long spark formation

Résumé
L'objectif de cet article est de présenter l'état actuel des recherches sur la physique des arcs longs. La configuration de référence est un intervalle interélectrode non uniforme soumis à une impulsion de tension positive qui est la schématisation en laboratoire des conditions les plus critiques dans la conception d'un appareil UHT. Dans ces conditions la formation de l'arc s'effectue à travers diverses phases successives : l'initiation du premier phénomène d'ionisation, le développement des streamers-corona, la formation du stem (tronc) corona et du canal du leader, la propagation du leader, l'évolution temporelle des caractéristiques du leader, l'apparition des réilluminations du canal, le saut final et la transition vers le canal hautement conducteur de l'arc. Chaque phase est gouvernée par une interaction complexe de processus élémentaires électromagnétique, hydrodynamique et thermodynamique. Chaque chapitre de cet article présente à la fois les résultats expérimentaux et les modèles théoriques qui ont été obtenus pour chaque phase individuelle. Ces dernières années, un grand nombre de systèmes de mesures complexes ont été utilisés pour étudier les conditions locales des diverses phases de la décharge (distorsion de la charge d'espace, champ électrique, énergie des électrons, température et densité du gaz, etc...) : la première partie de chaque chapitre présente un sommaire de ces divers résultats expérimentaux afin de définir les conditions physiques sous lesquelles la décharge se développe et de choisir le phénomène élémentaire qui semble dominant. La seconde partie de chaque chapitre présente les divers modèles théoriques qui ont été obtenus en simplifiant les équations électromagnétiques, hydrodynamiques et thermodynamiques de base en accord avec le phénomène dominant. Le bon accord entre les résultats calculés et mesurés expérimentalement, sous une large variation de conditions de test, atteste qu'une nette étape en avant a été effectuée ces dernières années dans le domaine de la recherche sur la physique des arcs longs. L'objectif final, à savoir, la formulation d'un modèle complet du claquage, capable de prédire les propriétés de la décharge dans toutes les configurations pratiques en partant des processus physiques élémentaires, n'est pas encore réalisé, mais cela semble être une possibilité réaliste pour le développement des recherches dans ce domaine.

Abstract
The aim of this paper is to present the state of the art of the research on the physics of long sparks. The reference configuration is a non uniform long gap subjected to positive impulse voltages, which is the laboratory schematization of the most critical conditions occurring in the design of EHV apparatus. Under these conditions, the spark formation develops through different subsequent phases : the inception of the first ionization phenomena, the development of corona streamers, the formation of the corona stem and of the leader channel, the leader propagation, the time-evolution of the leader characteristics, the appearance of channel reilluminations, the final jump and the transition to the highly conductive spark channel. Each phase is governed by a complex interaction of electromagnetic, hydrodynamic and thermodynamic elementary processes. Each chapter of the paper presents both the experimental results and the theoretical models which have been obtained for each single phase. In recent years a number of sophisticated measuring systems have been used to study the local conditions of the different discharge phases (space charge distribution, electric field, electron energy, gas temperature and density, etc...) : the first part of each chapter presents a summary of these experimental results, in order to define the physical conditions under which the discharge develops, and to select the elementary phenomena which appear to be dominant. The second part of each chapter presents the different theoretical models, which have been obtained by simplifying the basic electromagnetic, hydrodynamic and thermodynamic equations, according to the dominant phenomena. The good agreement between computed and experimental results, over a large variety of test conditions, certify the large steps forward, which have been taken in the last years by the research on the physics of long sparks. The final objective, i.e. the formulation of a complete breakdown model, able to predict the discharge features in all the possible practical configurations, starting from the physics of the elementary phenomena, is not yet realized, but it appears as a realistic possibility of the further development of the research in this area.