Étude des propriétés diélectriques du HFO-1234 ze(E) pour le remplacement du SF6

Study of the dielectric properties of HFO gas, and its application to reduce the environmental impact of medium-voltage systems

• Auteur / Autrice : Simon Soulie
• Direction : Olivier Lesaint, Nelly Bonifaci
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 29/09/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire d'électrostatique et de matériaux diélectriques (Grenoble ; 1971-2006)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Hugues Paillol
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Odic, Olivier Eichwald

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arc électrique

Moyenne tension

Isolation électrique

Diélectriques

Mots clés libres

Claquages

Isolation électrique

Alternatives au SF6

HFO-1234ze(E)

Moyenne tension

Breakdowns

Electrical insulation

Alternatives to SF6

HFO-1234ze(E)

Medium voltage

Résumé

Le remplacement du SF6 dans les appareils électriques est au centre des préoccupations de l’industrie électrique depuis des années. En effet, le SF6 est le gaz présentant le pouvoir de réchauffement climatique le plus élevée connu. Depuis de nombreuse années des alternatives au SF6 sont étudiées sans succès. Les hydrofluorooléfines présentent de bonne aptitudes pour substituer le SF6 dans les systèmes isolés au gaz en moyenne tension.Dans ce contexte, des études préliminaires ont révélé le potentiel du HFO-1234ze(E) en tant que gaz isolant pour de l’appareillages moyenne tension. L’objectif de ce travail est de générer des données et des connaissances pour le dimensionnement d’appareils moyenne tensions avec du HFO-1234ze(E). Les résultats expérimentaux incluent des mesures de tensions de claquage obtenues dans diverses conditions de tension (DC, choc impulsionnel), de pression (de 1 à 3 bar), de distance inter-électrode (10 à 100 mm), et de forme d’électrodes. Cette large gamme de configurations a permis de mettre en évidence deux modes de claquage bien distincts et comparable à ceux présents dans le SF6. Quand le champ est fortement inhomogène, géométrie la plus critique pour les appareils électriques, le claquage est « contrôlé par la propagation » de leaders. Les leaders se propagent dans l’espace inter-électrodes par sauts à des vitesses de l’ordre de 106 m/s sans nécessairement conduire au claquage. Quand le champ devient plu homogène, le claquage devient « contrôlé par l’initiation ». Quand une pré-décharge s’initie, elle conduit systématiquement au claquage. La pression joue un rôle important sur la tension d’initiation contrairement à la tension de claquage. En fin, l’un des résultats importants de ces travaux est la mise en évidence de l’influence complexe entre la dégradation du HFO, la présence de particules solide à la surface de l’électrode et la perte de tenue diélectrique en champ quasi-homogène après un seul claquage.

Replacing SF6 in electrical devices has been a central concern of the electrical industry for years. Indeed, SF6 is the gas with the highest known global warming power. For many years alternatives to SF6 have been studied without success. Hydrofluoroolefins have good aptitudes for substituting SF6 in medium voltage gas insulated systems.In this context, preliminary studies have revealed the potential of HFO-1234ze(E) as an insulating gas for medium voltage switchgear. The objective of this work is to gather data and knowledge for the sizing of medium voltage devices with HFO-1234ze(E). Experimental results include measurements of breakdown voltages obtained under various conditions of voltage (DC, impulse shock), pressure (1 to 3 bar), inter-electrode distance (10 to 100 mm), and electrodes shape. This wide range of configurations made it possible to highlight two very distinct breakdown modes comparable to those present in SF6. When the field is strongly inhomogeneous, the most critical geometry for electrical devices, the breakdown is "controlled by the propagation" of pre-discharges. The leaders propagate in the inter-electrode space by steeps at velocity of the order of 106 m/s without necessarily leading to breakdown. When the field becomes more homogeneous, the breakdown becomes "controlled by initiation". When a pre-discharge initiates, it systematically leads to breakdown. Pressure plays an important role in initiation voltage as opposed to breakdown voltage. Finally, one of the important results of this work is the highlighting of the complex influence between the degradation of HFO, the presence of solid particles at the surface of the electrode and the loss of dielectric strength in the near field homogeneous after a single breakdown.