Matériaux isolants pour appareillages haute tension dans le domaine du courant continu : comportement et vieillissement

Study of the behavior of insulating materials for high voltage direct current equipment : behavior and aging

• Auteur / Autrice : Hanen Yahyaoui
• Direction : Petru Notingher, Serge Agnel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 10/04/2015
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Lucian Dascalescu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Petru Notingher, Serge Agnel, Lucian Dascalescu, Gilbert Teyssedre, Pascal Rain, Yannick Kieffel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilbert Teyssedre, Pascal Rain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Détérioration

Isolation électrique

Courants continus

Isolants électriques

Mots clés libres

Isolants

Courant continu

Comportememt

Vieillissement

Modélisation

Insulating materials

High voltage

Direct current

Ageing

Résumé

Les projets de mise en place dans les prochaines décennies de « super réseaux intelligents », qui prévoient la construction de centrales de production à des milliers de kms des centres de consommation, nécessite le développement à large échelle du transport de très fortes puissances par câbles à courant continu. Les principaux verrous à ce développement se situent au niveau du câble et des appareillages adéquats, qui doivent être conçus sur des critères spécifiques et comporter des matériaux isolants ayant des propriétés particulières. Outre la variation de la résistivité qui dépend fortement du champ électrique et de la température, il est établi que des charges sont injectées dans la matière isolante, donnant lieu à une charge d'espace modifiant la répartition du champ électrique. Dans le cas d'un renforcement du champ électrique, la présence de charges d'espace peut conduire à une accélération du vieillissement électrique et, par suite, à un phénomène auto-accélérant pour la rupture diélectrique. Le comportement de ces matériaux sous fortes contraintes continues et en particulier leur vieillissement reste aujourd'hui mal connu. Ce travail de thèse concerne ainsi l'étude du comportement diélectrique de résines époxydes chargées d'alumine utilisées comme supports isolants dans les disjoncteurs à isolation gazeuse en vue d'évaluer leur aptitude à être utilisées dans des appareillages de coupure haute tension continue. Les différentes propriétés diélectriques de ce matériau à l'état initial (facteur de pertes, résistivité volumique, seuils et coefficients de non linéarité, résistivité surfacique, rigidité diélectrique, évolution des charges d'espace) sont déterminées et étudiées sous contrainte électrique continue et à différentes températures. Afin de mieux évaluer l'effet à long terme de la charge d'espace sur le matériau et d'en tirer des informations approfondies pour la conception des futurs composants pour la haute tension à courant continu, une étude de vieillissement accéléré sous contraintes électriques (champs continus) et thermiques (différentes températures) est réalisée. En plus de la charge d'espace, les autres paramètres analysés (permittivité, pertes diélectriques) constituent également des marqueurs potentiels du vieillissement du matériau. L'analyse de l'évolution de ces marqueurs constitue une phase nécessaire dans la compréhension du comportement du matériau pour une utilisation en haute tension à courant continu.

The development of high voltage dc equipment requires design according to specific criteria and including materials with appropriate properties. Indeed, while in ac the dielectric behaviour is mainly determined by permittivity, which varies little for the used materials with field and temperature at power frequency, the dc behavior is determined by highly non-linear volume and surface conductivity-related phenomena. Thus, it is well known that, in dc conditions, electric charge is injected and trapped in the bulk and on the surface, affecting the distribution of the electric field. Space charge accumulation is able to increase significantly the values of the field, thus accelerating ageing and increasing the risk of breakdown. The electrode nature, the field and temperature dependence of the electrical conductivity of the insulating material are key factors involved in the high dc field phenomena.Epoxy resins form an important category of polymeric insulating materials used in a wide range of electric power installations and equipment. In particular, they have been used especially as insulating supports for ac Gas Insulated Switchgear (GIS), because of their electrical and mechanical properties. However, the behaviour of these materials under high dc stress is less known and needs thorough investigation in view of dc applications.The purpose of this thesis is to investigate dielectric behavior of epoxy resins in order to assess their suitability for use in high DC voltage switchgear and define actions and criteria support for the design of such devices.We start by presenting the most important chemical thermal and dielectric properties of polymers as well as the various properties of the epoxy resin.Dielectric properties of the material at initial state with continuous temperature and electrical stress (loss factor, volume resistivity, thresholds and nonlinearity coefficients, surface resistivity, breakdown, evolution of space charge) are determined and investigated under dc fields at different temperatures.