Etude des propriétés électriques de câbles isolés au polyéthylène réticulé en présence de cavités gazeuses et vieillis sous tensions DC ou DC avec harmoniques

Electrical properties study of cross-linked polyethylene insulated cables in presence of gaseous cavities aged under DC or DC with harmonic voltages

• Auteur / Autrice : Priscillia Daniel
• Direction : Pascal Rain, Olivier Gallot-Lavallée
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 05/07/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilbert Teyssedre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nelly Bonifaci
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Castellon, Stéphane Duchesne
• DOI : 10.70675/25f97998zaeadz489czb433z1b9697823d21

Mots clés

Mots clés contrôlés

Convertisseurs électriques

Harmoniques (ondes électriques)

Courants continus

Réseaux électriques (énergie)

Revêtements protecteurs

Polyéthylène

Mots clés libres

Câble XLPE

Cavités

Vieillissement

Décharges Partielles

Hvdc

Harmoniques

XLPE Cable

Cavities

Ageing

Partial Discharges

Hvdc

Harmonics

Résumé

Dans le but de favoriser l’intégration des énergies renouvelables, les réseaux de transport sous haute tension continue (HVDC) sont privilégiés. L’interface entre les réseaux AC et DC est assurée par des convertisseurs de puissance qui génèrent des harmoniques. Il est établi que, lors de la réticulation du polyéthylène (PER – XLPE), des microcavités apparaissent dans la matrice du polymère. L’objectif de la thèse est donc d’examiner l’impact éventuel des harmoniques en présence de microcavités. Suivant leur taille et les conditions de champ électrique, les microcavités piégées dans le XLPE peuvent être le siège de décharges partielles (DP). Deux types de câbles différents ont été vieillis : un câble moyenne tension AC (MVAC) comprenant des défauts de tailles millimétriques provoqués artificiellement et un minicâble avec un grade de XLPE pour HVDC. Les tronçons de câbles MVAC ont été soumis à des contraintes en tension DC sous des températures de 90 à 120°C. Les minicâbles ont subi des contraintes en tensions superposées DC+AC à 1800 Hz et à des températures de 70 et 90°C. Ces vieillissements ont été caractérisés par des mesures de DP, de courant et de spectroscopie diélectrique. En présence de cavités millimétriques, les vieillissements ont provoqué une baisse de la tension d’apparition des DP (TADP) et une augmentation de l’amplitude des DP. Pour les minicâbles, les valeurs TADP mesurées ont été attribuées, selon le modèle proposé, à des cavités de l’ordre de 10 µm de diamètre. Les courants de conduction ont augmenté et le seuil d’apparition des charges d’espace diminué en fonction des vieillissements subis. Enfin, les caractérisations de spectroscopie diélectrique ont montré des différences de la réponse spectrale entre des vieillissements thermiques et électrothermiques. Une simulation numérique a permis d’estimer les renforcements de champ électrique sous tension DC dans des cavités sphériques et délaminations. Ces facteurs sont plus élevés que ceux utilisés sous tension AC. L’implication des charges d’espace dans les phénomènes de DP dans les cavités est discutée sur la base de ces mesures et simulations.

In order to accommodate large scale renewable energy, electrical networks integrates more and more high-voltage direct current (HVDC) systems. Interface between AC and DC networks is ensured by power converters which also generate harmonics. It is known that during crosslinking process of polyethylene (XLPE), microcavities appear inside polymer matrix. This study aims to examine possible impact of these harmonics in presence of microcavities. Depending on their size and on the electrical field, partial discharges (PD) can occur in these microcavities. Two types of cables have been aged: a medium voltage AC (MVAC) cable with millimetric cavities induced artificially and a model cable with an HVDC XLPE grade. MVAC cable sections have been submitted to DC voltage under temperatures between 90 to 120°C. Model cables have been subjected to superimposed DC plus 1800 Hz AC voltages under temperatures from 70 to 90°C. Ageing have been characterized by PD, current and dielectric spectroscopy measurements. In presence of millimetric cavities, ageing have caused a decrease in PD inception voltage (PDIV) and an increase in PD magnitude. For model cable, PDIV values have been assigned, according to a proposed model, to cavities of about 10 µm in diameter. Conduction currents were increased and space charges threshold field decreased depending on ageing. Finally, dielectric spectroscopy characterisations have shown differences between thermal and electrothermal ageing. Electrical field enhancement factors under DC voltage have been estimated in various cavity geometries thanks to numerical simulations. These factors reveal to be higher than the ones used under AC voltage. Space charges involvement in PD phenomena inside cavities is discussed based on measurements and simulations.