Développement d'une technique de mesure de charge d'espace dédiée aux câbles aéronautiques destinés aux réseaux de bords HVDC

Development of a space load measurement technique dedicated to aeronautical cables for HVDC edge networks

• Auteur / Autrice : Amin Benyoucef
• Direction : Laurent Berquez, Gilbert Teyssedre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 09/03/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• DOI : 10.70675/cc7f0cddz8f4cz4f98z9663z7258186eef7f

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isolants électriques

Systèmes embarqués (informatique)

Charge d'espace

Mots clés libres

PEA

Charge d'espace

HVDC

Câble aéronautique

PEA

Space charge

HVDC

Aeronautical cable

Résumé

Le domaine aéronautique voit l'essor des systèmes électriques embarqués. Ces technologies embarquées sont généralement constituées d'une alimentation et d'un récepteur électrique avec une certaine distance entre les deux. La liaison électrique entre ces deux appareils est réalisée par les câbles qui transportent la puissance électrique nécessaire pour leur bon fonctionnement. La problématique de cette étude est la compréhension des phénomènes physiques survenant dans les isolants des câbles aéronautiques lorsqu'ils sont soumis à une contrainte électrique. L'isolant des câbles voit les porteurs de charges modifier leur comportement. Pour les systèmes à courant continu, le phénomène des décharges partielles, bien connu en cas de tension alternative, est activement étudié avec beaucoup moins de conséquences qu'en courant alternatif, car la fréquence d'occurrence est fortement réduite. Ce changement de technologie peut donc présenter des avantages. Cependant, d'autres effets, plus spécifiques aux contraintes continues, telle que l'accumulation de charges d'espace, sont à considérer. Cette contrainte induit dans le matériau étudié un champ électrique constant qui participe à la redistribution des porteurs de charges. La constante de temps de migration de charges en question dans des matériaux isolants est lente : de l'ordre de plusieurs minutes à plusieurs heures. Une augmentation de la tension des bus DC au-delà de 3 kV est envisagée alors que l'épaisseur de l'isolation électrique est minimisée pour optimiser la thermique, et globalement la masse du réseau. Cela signifie qu'une augmentation significative du champ électrique dans les isolants est à prévoir, éventuellement à des niveaux où les charges d'espace pourraient s'accumuler et le seuil de champ pour la conduction non linéaire être atteint. Par conséquent, les effets des charges d'espace doivent être étudiés, maîtrisés et pris en compte dans les technologies futures. Pour relever ces défis, notre objectif est de développer un banc d'essai pour mesurer les distributions de charges d'espace sur les câbles aéronautiques et d'estimer l'évolution de la distribution du champ électrique en particulier dans les arrangements multicouches utilisés dans les câbles et d'identifier les régimes de contrainte où ces phénomènes se produisent.

The aeronautical field is seeing the rise of embedded electrical systems. These on-board technologies are generally composed of a power supply and an electrical receiver with a certain distance between these two. The electrical link between these two devices is realized by the cables which transport the electrical power necessary for their good operation. The problem of this study is the understanding of the physical phenomena occurring in the insulation of aeronautical cables when they are subjected to an electrical stress. The cable insulation sees the charge carriers modify their behavior. For DC systems, the phenomenon of partial discharges, well known in case of AC voltage, is actively studied with much less consequences than in AC, because the frequency of occurrence is strongly reduced. This change in technology can therefore have advantages. However, other effects, more specific to DC stresses, such as the accumulation of space charges, are to be considered. This constraint induces a constant electric field in the studied material which participates in the redistribution of the charge carriers. The time constant for the migration of charges in insulating materials is slow: from several minutes to several hours. An increase of the DC bus voltage beyond 3 kV is considered while the thickness of the electrical insulation is minimized to optimize the thermal, and globally the mass of the network. This means that a significant increase in the electric field in the insulators is to be expected, possibly to levels where space charges could accumulate and the field threshold for nonlinear conduction be reached. Therefore, the effects of space charges must be studied, controlled, and accounted for in future technologies. To address these challenges, our objective is to develop a test bench to measure space charge distributions on aeronautical cables and to estimate the evolution of the electric field distribution in particular in the multilayer arrangements used in the cables and to identify the stress regimes where these phenomena occur.