Caractérisation des mécanismes d'endommagement de matériaux polymères isolants pour câbles haute tension

Damage mechanisms in high-voltage insulating polymer materials

• Auteur / Autrice : Julien Fernandez
• Direction : Paul Sotta
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 07/05/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Polymères et Matériaux Avancés
• Jury : Président / Présidente : Lionel Flandin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paul Sotta, Séverine Le Roy, Éliane Espuche, Jean-François Larché, Sandrine Thérias
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Flandin, Séverine Le Roy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Détérioration

Câbles électriques -- Isolation -- Matières plastiques

Câbles électriques -- Isolation

Polymères (isolants électriques)

Mots clés libres

Mécanismes

Vieillissement

Isolant électrique

Polymères

Durée de vie

Câble

Mechanisms

Ageing

Polymers

Electrical insulation

Lifetime

Power cable

Résumé

Parmi les matériaux utilisés dans les applications d’isolation électrique, comme par exemple les câbles de puissance, les polymères synthétiques sont largement représentés. Notamment, le Polyéthylène (PE) et Polyéthylène réticulé chimiquement (XLPE) constituent une grande part des isolants utilisés pour les applications basse et moyenne tension. Dans le but d’améliorer la compréhension des phénomènes d’endommagement électrique de ces matériaux, une étude expérimentale de l’évolution des propriétés de différentes formulations de matériaux polymères a été réalisée, et ce des prémices de l’endommagement jusqu’à la rupture finale du matériau. L’étude de l’état de l’art sur les mécanismes d’endommagement thermoélectrique des polymères isolants a permis de mettre en avant les rôles intriqués de nombreux facteurs agissant sur l’endommagement. Le couplage de la température et du champ électrique, les type et la localisation des contraintes, la présence de défauts physiques et chimiques, la morphologie cristalline du matériau, mais aussi sa structure électronique, sont autant de facteurs clés dans la compréhension de l’endommagement. Nous avons dans un premier temps préparé différentes formulations d’échantillons polymères. Des films de PE et XLPE ont été réalisés dans le but d’étudier l’impact de la formulation et préparation des matériaux sur l’endommagement. Deux grades de Polypropylène (PP) de cristallinités différentes ont également été préparés, afin d’étudier l’impact de la morphologie cristalline. Un banc d’essai MV-AC a été conçu en utilisant une géométrie d’électrode hémisphère-plan, permettant un vieillissement localisé, couplé à des effets de décharges en surface. Une seconde géométrie d’électrode a également été utilisée sur des échantillons de XLPE, en enrobant le polymère autour de l’électrode afin d’étudier des effets en volume, plus caractéristiques de l’endommagement intrinsèque du matériau. Les durées de vie des différents matériaux dans ces configurations ont été mesurées à une température d’essai de 90°C, sous différentes valeurs de champs électriques en courant alternatif de fréquence 50 Hz. Afin d’accélérer le vieillissement MV-AC, des valeurs de champ électrique comprises entre 10 et 50 kV/mm ont été utilisées. L’impact de la modification de la fréquence et de la température a également été exploré. En complément de ces mesures, des analyses post-mortem des échantillons ont été réalisées afin d’étudier l’état du matériau après rupture, et valider les mécanismes physiques de rupture identifiés. Les données de durée de vie obtenue ont permis d’établir des courbes Tension vs Durée de vie pouvant être modélisée par des lois de comportement de type puissance inverse ( ∝ -n). Ces courbes ont montré le rôle important de la structure du matériau, notamment les effets de la réticulation ou de la cristallinité sur l’allongement de la durée de vie. Sur la base ces données, ces mêmes matériaux ont été soumis à des vieillissements contrôlés permettant d’obtenir des échantillons à des stades d’endommagement croissant du début de la durée de vie à un état proche de la rupture finale. Des caractérisations physico-chimiques et structurales à différentes échelles, comme la Spectroscopie Infrarouge (IR) ou la Microscopie Électronique à Balayage (MEB), ont permis de mettre en évidence des marqueurs d’endommagements caractéristiques ainsi que le caractère progressif de l’endommagement. Par ailleurs, des caractérisations des propriétés électriques, comme la mesure de courant de fuite ou la mesure de la tension claquage ont également été réalisées afin d’affiner la compréhension de l’évolution des propriétés du matériau à différents stades de l’endommagement. Enfin, des mesures de photoluminescence (PL) et luminescence induite par plasma (PIL) sur des échantillons de XLPE vieillis à des stades avancés de la durée de vie ont montrés des effets probables du vieillissement sur la recombinaison de charges au sein des échantillons.

Among the materials used in electrical insulation applications, such as power cables, synthetic polymers are widely represented. In particular, Polyethylene (PE) and Cross-Linked Polyethylene (XLPE) constitute a large part of the insulation used for low and medium voltage applications. If these materials are chosen for their good thermal and dielectric properties, as well as for economical interest, the durability of cables in application remains limited by the thermos-electrical damaging of the insulation. In order to improve the comprehension of the physical damaging phenomena of these materials under medium alternating voltage (MV-AC), an experimental study of the evolution of the properties of different formulations of polymer materials was carried out, from the first sign of damage to the final breakdown of the material. The literature study on the thermos-electrical damage mechanisms of insulating polymers has highlighted the intricate roles of many factors. The coupling of the temperature and the electric field, the type and location of the stresses, the presence of physical and chemical defects, the crystalline morphology of the material, but also its electronic structure, are all key factors in the comprehension of damage mechanisms. In this experimental work, we first prepared different formulations of polymer samples. PE and XLPE films were produced in order to study the impact of the formulation and preparation of materials on damage. Two grades of Polypropylene (PP) of different crystallinities were also prepared, in order to study the impact of crystaline morphology. An MV-AC test bench was designed using a hemisphere-plane electrode geometry, allowing localized aging, coupled with surface discharges effects. A second electrode geometry was also used on XLPE samples, by coating the polymer around the electrode, in order to study damaging in the volume and thus the intrinsic damage of the material (see Figure 1). Lifetime of the different materials in these configurations was measured at a test temperature of 90 °C, under different values of electric fields in alternating current of frequency 50 Hz. In order to accelerate the MV-AC aging, values of electric field between 10 and 50 kV/mm were used. The impact of changing frequency and temperature was also explored. The life data obtained made possible establishment of Voltage vs Life curves that can be modeled by empirical models such as an inverse power law ( ∝ -n). These curves showed the important role of the material’s structure, in particular the effects of crosslinking and crystallinity on the extension of life. Based on these data, these same materials were subjected to controlled aging steps, allowing samples to be obtained at increasing stages of damage from the onset of ageing to near final failure. Physicochemical and structural characterizations at different scales, such as infrared spectroscopy (IR) or scanning electron microscopy (SEM), have highlighted characteristic ageing markers as well as the progressive nature of electrical damage. In addition, characterizations of electrical properties, such as measurement of leakage current or breakdown strength have also been carried out in order to improve understanding of the materials properties evolution at different stages of ageing. Finally, measurements of photoluminescence (PL) and plasma-induced luminescence (PIL) on XLPE samples aged at advanced stages of life have shown probable effects of aging on charge recombination within the samples.