Etude et caractérisation de matériaux isolants à l'aide de mesures de décharges partielles pour les applications d’Electronique de puissance dédiées à la moyenne et la haute tension continue (HVDC et MVDC)

Study and characterization of insulating material using partial discharge measurements for power electronics application in HVDC and MVDC

• Auteur / Autrice : Somya Anand
• Direction : Cyril Buttay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie electrique
• Date : Soutenance le 13/01/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône) - Ampère / AMPERE
• Jury : Président / Présidente : Laurent Pécastaing
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyril Buttay, Laurent Pécastaing, Andrea Cavallini, Olivier Lesaint, Sonia Ait-Amar, Charles Joubert, Marie-Laur Locatelli, Eric Vagnon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andrea Cavallini, Olivier Lesaint

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Mots clés libres

Electronique de puissance

Décharges partielles

Détection optique

Tension carrée

Liquide diéletrique

Matériau isolant

HVDC - High Voltage Direct Current

Medium Voltage Direct Current - MVDC

Isolation thermique

Power Electronics

Partial discharges

Optical detection

Square voltage

Dielectric liquid

Insulating material

High Voltage Direct Current - HVDC

Medium Voltage Direct Current - MVDC

Thermal insulation

Résumé

Pour les futures infrastructures de réseaux intelligents, l'utilisation des capacités des dispositifs à large bande interdite (LBI) récemment introduits peut réduire considérablement le poids, le volume et le coût de maturation des applications électroniques de puissance. Cependant, la présence de ces dispositifs dans le réseau électrique introduira une nouvelle contrainte électrique sous la forme de formes d'ondes de tension carrées à montée rapide et répétitives caractérisées par un taux de répétition élevé. Ces formes d'onde peuvent influencer le mécanisme de décharge du système d'isolation de l'équipement électrique d'une manière différente du courant alternatif. Dans ces circonstances, il devient nécessaire d'étudier la fiabilité des équipements de conversion de puissance du futur réseau de transmission, tels que les transformateurs à moyenne fréquence (MFT). Pour les applications à haute puissance, le système d'isolation du MFT devrait incorporer un liquide diélectrique comme principal moyen d'isolation. Cependant, le mécanisme de décharge du liquide diélectrique sous une tension carrée répétitive rapide n'est pas très clair aujourd'hui. Par conséquent, cette thèse a pour but d'étudier le mécanisme de décharge partielle (DP) sous une forme d'onde de tension carrée afin d'aborder les applications électroniques de puissance. Pour cela, les spécifications d'un banc d'essai sont définies et développées au cours de cette thèse pour reproduire les contraintes électriques sous la forme d'une tension carrée unipolaire à croissance rapide et des fréquences de commutation supérieures à 50 Hz. Comme la mesure de DP sous des tensions carrées à montée rapide est difficile à cause des interférences électromagnétiques causées par la commutation à haute vitesse, on choisit la détection de DP par capteur optique, qui détecte les photons émis pendant les événements de décharge. Pour atteindre cet objectif, dans un premier temps, la technique de détection optique est validée sous une tension alternative de 50 Hz en la comparant à la mesure électrique standard. Ensuite, des mesures de DP sont effectuées sous des formes d'ondes de tension carrées et les résultats sont comparés aux excitations AC pour comprendre l'impact des contraintes non sinusoïdales. Ce travail présente le développement d'un banc d'essai qui peut générer des formes d'onde de tension carrée unipolaire (TCU) avec des dV/dt entre 10-100 kV/µs à 20 kV. Il démontre que le capteur optique est un indicateur de qualité raisonnable pour confirmer l'activité de DP sous haute dV/dt. De plus, le banc d'essai est évalué pour mesurer les DPs sous des paramètres USV variables tels que les temps de montée, les taux de répétition et les rapport cyclique.

For future smart grid infrastructures, utilizing the capabilities of recently introduced wide band gap (WBG) devices can significantly reduce the weight, volume and maturation cost of power electronic applications. However, the presence of these devices in the power network will introduce a new electrical constraint in the form of repetitive fast rising square voltage waveforms characterized by high repetition rate. These waveforms might influence the discharge mechanism of insulation system of power equipment in a way, different than AC. Under such circumstances, it becomes necessary to investigate the reliability of power conversion equipment of the future transmission network such as medium frequency transformer (MFT). For high power application, the insulation system of MFT is expected to incorporate dielectric liquid as its primary insulation medium. However, the discharge mechanism of dielectric liquid under fast repetitive square voltage is not very clear today. Therefore, this thesis aims to investigate the partial discharge (PD) mechanism under square voltage waveform to address power electronic applications like MFT. For this, the specifications of a test bench are defined and developed during this thesis to reproduce the electrical stresses in the form of a fast rising unipolar square voltage and switching frequencies above 50 Hz. As the PD measurement under fast rising square voltages is difficult due to electromagnetic interferences caused by high speed switching, the PD detection by optical detection is chosen, which detects the photons emitted during discharge events. To achieve the goal, in the first step the optical detection technique is validated under AC 50 Hz by comparing it to the standard electrical measurement. Then, PD measurements are performed under square voltage waveforms and the results are compared to the AC excitations to understand the impact of non-sinusoidal stress. This work presents the development of a test bench which can generate unipolar square voltage (USV) waveforms with dV/dt between 10-100 kV/µs at 20 kV. It demonstrated optical sensor as a decent partial discharge indicator under high dV/dt. Further, the test bench is assessed to measure partial discharges under varying USV parameters such as changing rise times, repetition rates and duty cycles.