Elaboration, Caractérisation et Simulation de Matériaux Composites Non-linéaires pour Application en Moyenne et Haute Tension

Elaboration, characterization and Simulation of Nonlinear composite materials for Medium and High Voltage Application

• Auteur / Autrice : Seddam Hocine Merini
• Direction : Renaud Metz, Jean-Louis Bantignies
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et Astrophysique
• Date : Soutenance le 11/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Petru Notingher
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renaud Metz, Jean-Louis Bantignies, Philippe Molinié, Abderrezzak Cherifi, Christophe Chaubet, Thierry Lebey, Mehrdad Hassanzadeh
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Molinié, Abderrezzak Cherifi
• DOI : 10.70675/902e29bdz12a9z48bez8c20zcc894c5df3b8

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théories non linéaires

Graphite

Nanocristaux

Mots clés libres

Non-Linéarité

Modélisation par éléments finis

Nanoplaquettes de graphite

SiC

Nonlinearity

Finite Element Modeling

Graphene nanoplatelets

SiC

Résumé

L’objectif de cette thèse consiste à déterminer dans quelle mesure les matériaux non-linéaires gradateurs de champ électrique ou Nonlinear Field Grading Materials (FGM) peuvent répondre aux exigences de réduction du champ d’une traversée de moyenne tension (AC 6.35 kVrms (phase-terre)) en cas d’augmentation de la tension nominale d’utilisation à 15 kVrms en alternatif (AC) ou à 15 kV en tension continue (DC). Dans cette optique, deux nouvelles familles de matériaux composites flexibles ont été préparées. Elles sont constituées d’une matrice silicone dans laquelle sont dispersées des particules de SiC ou de nano-plaquettes de graphite (GnP). La caractérisation électrique de ces matériaux montre, au-delà d’un champ de seuil, que la conductivité augmente avec le champ électrique. Ces caractéristiques expérimentales ont été introduites comme données d’entrée dans un modèle de simulation par éléments finis dans le logiciel COMSOL Multiphysics. Les dimensions et paramètres physiques optimaux, pour avoir des performances efficaces de la couche du FGM, sont déterminés (longueur, épaisseur, caractéristique nonlinéaire de la conductivité σ(E)…). Les résultats montrent pour un fonctionnement jusqu’à 80°C sous une tension continue de 15 kV, que l’utilisation de ces matériaux permet de réduire le renforcement du champ électrique de façon efficace. Par contre, sous tension alternative AC 15kVrms ou impulsionnelle (125 kV en choc de foudre normalisée 1.2/50 µs), ces composites ne sont pas suffisamment conducteurs. Bien que les matériaux élaborés ne permettent pas de répondre entièrement aux exigences (en particulier en choc de foudre), un travail de simulation paramétrique a permis de définir les plages de caractéristiques admissibles σ(E) ciblées. La pertinence de l’utilisation théorique des matériaux FGM est ainsi démontrée.

The aim of this thesis is to determine the extent to which Nonlinear Field Grading Materials (FGM) can meet the field reduction requirements of a 6.35 kVrms (phase-earth) medium-voltage bushing in the case of increased operating voltage up to 15 kVrms AC or 15 kV DC. To do so, two new families of flexible composite materials have been developed. They consist of a silicone matrix in which SiC particles or graphite nanoplatelets (GnP) are dispersed. Electrical characterization of these materials shows that, above a threshold field, conductivity increases with electric field strength. These experimental characteristics were implemented as input in a finite element simulation model on COMSOL Multiphysics software. The optimum dimensions and physical parameters for effective performance of the FGM layer are determined (length, thickness, nonlinear conductivity characteristic σ(E)...). The results show that, for operation up to 80°C at a DC voltage of 15 kV, the use of these materials effectively reduces electric field reinforcement. However, at AC voltages of 15 kVrms or at impulse voltage (125 kV standard lightning impulse 1.2/50 µs), these composites are not sufficiently conductive. Although the materials developed do not fully meet the requirements (particularly for lightning strikes), parametric simulation work package allowed to define the admissible ranges of the target σ(E) characteristic. This demonstrates the relevance of the theoretical use of FGM materials.