Étude et modélisation du vieillissement sous contraintes électrothermiques de l'isolant pour câble de transport d'énergie haute tension à courant continu

Study and modelisation of ageing under electrical and thermal stresses for high voltage direct current cables insulation

• Auteur / Autrice : Aurélien Hascoat
• Direction : Serge Agnel, Jérôme Castellon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 16/12/2016
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Habas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serge Agnel, Jérôme Castellon, Jean-Pierre Habas, Juan Jorge Martinez Vega, Lionel Flandin, Wilfried Frelin, Pierre Hondaa, Dominique Le Roux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Juan Jorge Martinez Vega, Lionel Flandin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères -- Détérioration

Charge d'espace

Polyéthylène

Mots clés libres

Vieillissement

Polyéthylène

Htcc

Charge d'espace

Prc

Ageing

Polyethylen

Hvdc

Space charge

Xlpe

Résumé

L’objet de ce travail de thèse est l’étude du polyéthylène réticulé chimiquement (PRC) utilisé pour les câbles haute tension à courant continu (HTCC). Les propriétés électriques du PRC ont été largement étudiées en alternatif mais sont moins bien connues dans le cadre d’une contrainte continue. Une meilleure compréhension des propriétés diélectriques et de la durée de vie pourraient permettre aux fabricants et utilisateurs de proposer des tests de qualification et s’assurer du bon fonctionnement des systèmes de câble durant leur exploitation.Ces travaux présentent les câbles utilisés pour le transport HTCC ainsi que les contraintes physiques et chimiques endurées par le PRC en service. Le PRC est issu de la réaction de réticulation du polyéthylène basse densité (LDPE) amorcée par le peroxyde dicumylique. Il en résulte la présence de sous-produits, dont la majorité est évacuée par un traitement de dégazage du câble. Un additif antioxydant est par ailleurs ajouté à l’isolant du câble pour protéger le PRC durant la production puis l’exploitation du câble. Les contraintes appliquées au câble peuvent influencer les propriétés diélectriques. Notamment, la présence de charges électriques piégées (ou charges d’espace) peuvent influencer la durée de vie de l’isolant.Les propriétés d’injection/conduction, les mécanismes de pertes, la rigidité électrique, la charge d’espace et des propriétés chimiques de plaques circulaires de XLPE munies d’électrodes semiconductrices ont été étudiées. Sous l’effet des contraintes thermoélectriques, des charges électriques peuvent acquérir assez d’énergie pour être injectées dans l’isolant, selon différents mécanismes possibles, puis traverser l’isolant jusqu’à atteindre l’électrode opposée selon, là aussi, différents mécanismes. Selon le champ électrique appliqué, le mécanisme d’injection dominant est l’effet Schottky et le mécanisme de transport est le courant limité par charge d’espace (usuellement appelé SCLC). En ce qui concerne les mécanismes de pertes, à faible fréquence, le mécanisme de conduction quasi DC a été identifié à température ambiante tandis qu’à 70, 80 et 90°C, la conduction DC a été mise en évidence. De plus, les pertes augmentent lorsque la température d’étude augmente. La rigidité diélectrique a été déterminée à l’aide d’un panel d’échantillons. Sa valeur, déterminée par la loi de Weibull est de 375 kV/mm à température ambiante. La charge d’espace a été étudiée en utilisant la méthode de l’onde thermique (MOT). Ces analyses ont montré deux types de charges dominantes dans le matériau : homocharge et hétérocharge. La prédominance d’un type de charge par rapport à un autre est influencée par le champ électrique et la température. Le champ électrique total (addition du champ électrique dû à la charge d’espace et avec le champ électrique appliqué) atteint jusqu’à 100 kV/mm en appliquant 60 kV.mm. Les caractérisations chimiques ont montré une température de fusion de 103°C et une cristallinité de 39 %. Avant l’application de contraintes, l’index carbonyle, indiquant la présence de liaisons carbonyles est de 0,5.L’impact de contraintes thermoélectriques sur les propriétés diélectriques du PRC a été étudié à 70, 80 et 90°C sous 30 et 60 kV/mm. Des augmentations de la capacité et du facteur de pertes ont été observées et pourraient être assignées à la consommation presque totale de l’antioxydant à 90°C quelle que soit la contrainte électrique. La charge d’espace a elle aussi montré des évolutions significatives. Des différences ont été observées en fonction de la température, du champ électrique et du temps de vieillissement. Ces résultats ont été utilisés pour proposer une cinématique de vieillissement prenant en compte la charge d’espace et basé sur la consommation d’antioxydant menant à la croissance d’une couche de PRC oxydé contenant de nouvelles liaisons carbonyles comme le montre l’évolution de l’index de carbonyles.

The present work concerns the study of the cross-linked polyethylene (XLPE) used for high voltage direct current (HVDC) cable insulation. The electrical properties of XLPE have been widely studied under AC stress, however the behaviour of these materials under high DC stress is less known and needs thorough investigation. The insulation should be better understood in terms of dielectric behaviour and lifetime. A better knowledge of HVDC insulation could allow manufacturers, utilities and TSO’s to propose a relevant qualification processes and to ensure that cable systems will remain safe and operational during their entire lifetime.This work introduces HVDC cables and especially the physical and chemical stresses assumed by the cross linked polyethylene (XLPE) insulation due to operational conditions. XLPE insulation is the result of the reticulation of low density polyethylene (LDPE), obtained with the decomposition of the cumyl peroxide. It causes the presence of byproducts in the insulation. The cables, degassed in order to extract these byproducts contains antioxidant agents, protecting the insulation during the production of HVDC cables and during the exploitation. The stresses can influence the insulation dielectric properties. As example, the presence of electric charges could influence the lifetime of the insulation.The injection/conduction, loss mechanisms, dielectric rigidity, space charge and chemical properties have been investigated at initial state. Under thermal and electric stresses, charges can reach the injection energy according with different mechanisms. Then, charges can be carrier to the opposite electrode with different mechanisms. Dominant mechanisms have been identified: Schottky injection and Space Charge Limited Current (SCLC) conduction, according with applied electric field. Concerning loss mechanisms, the low frequency mechanisms are nearly DC conduction at room temperature and DC conduction for higher temperatures. Moreover, the dielectric loss factor increases when temperature increases. The dielectric rigidity has been measured with Weibull’s law on a panel of 12 samples. The value of this property is 375 kV/mm, at room temperature. The space charges have been measured using the Thermal Step Method (TSM). These analyses show that two types of charge are present in the material (homocharge and heterocharge). This effect is influenced by temperature and electric field. The total electric field (addition of the applied electric field and electric field due to space charge) reaches until 100 kV/mm whereas 60 kV/mm is applied. Concerning the chemical properties of XLPE samples, the melting point has been measured at 103°C and the crystallinity is about 39 %. Before ageing stresses, the carbonyl index is worth 0.5 due to the slight presence of carbonyl bonds.The impact of a combined electric and thermal stress on dielectric properties is studied at 70, 80 and 90°C under 30 and 60 kV/mm. Increases of capacitance and loss factor possibly linked to the nearly total consumption of the antioxidant have been observed at 90°C for each electrical stress. Space charge analysis has shown significant variations. Differences have been observed as a function of ageing test temperature, applied electric field stress and ageing time. These results have been used to propose an ageing mechanism taking into account the development of space charges and based on the consumption of the antioxidant leading to the grow of an XLPE oxidised coat containing new carbonyl bonds as indicated by the carbonyl index after 857 days under stresses.