Vieillissement des isolants polyéthylène pour câbles de transport de l’énergie en courant continu



Partenaires : Sociétés EDF-DER, RTE, Boréalis

Chercheurs impliqués : A. Hascoat (doctorant), S. Agnel (Pr), J. Castellon (MCF)

Durée : 4 ans (2013-2016)

La volonté actuelle de développer et exploiter au mieux les différentes sources d’énergies renouvelables pousse les acteurs du secteur énergétique à étudier le transit de puissance en courant continu. L’utilisation de câbles synthétiques en polyéthylène réticulé dans la réalisation d’interconnexion à courant continu permet un gain en transit de l’ordre de 8% par rapport à une technologie en papier imprégné. Ce gain s’explique par la température d’exploitation des câbles synthétiques plus élevée (70°C pour le câble synthétique contre 55°C pour le câble en papier imprégné). Il serait alors envisageable de faire transiter 1000MW avec une seule paire de câbles synthétiques, réduisant les coûts de 10 à 15% par rapport à la solution en papier imprégné.
Des études sont actuellement menées par EDF R&D pour comprendre les cinétiques de dégradation des isolants synthétiques soumis à une contrainte électrique continue. Cette problématique a été largement étudiée en régime alternatif (AC), un peu moins lorsque ceux-ci sont utilisés en courant continu (DC). Les câbles utilisés dans les liaisons en courant continu sont soumis à des contraintes électriques constantes et doivent par conséquent être conçus différemment de ceux utilisés en courant alternatif.
De par la sollicitation électrique constante soumise à l’isolation des câbles DC, des charges électriques (communément appelées charges d’espace) sont injectées dans l’isolant et modifient la répartition du champ électrique interne. La présence de charges d’espace dans le matériau induit des renforcements locaux de champ électrique importants, lesquels vont conduire à une forte distorsion du champ théorique. Ce renforcement de champ local associé à la présence de charge d’espace peut engendrer une accélération du vieillissement. Le vieillissement de l’isolant conduit généralement à une augmentation des défauts de structure susceptibles de piéger les charges. La charge d’espace peut ainsi être considérée comme un marqueur du vieillissement. Cette dégradation de l’isolant peut être alors liée à l’espérance de vie des câbles.
De plus, la combinaison des gradients électriques et thermiques appliqués à l’isolation des câbles conduit à une redistribution du champ électrique dans l’isolant : passage d’un comportement capacitif vers un comportement résistif. Pour une distribution résistive du champ électrique, la résistivité de l’isolant dépend « fortement », à la fois du champ électrique et de la température. Cette résistivité volumique est alors un paramètre à considérer dans l’étude du comportement des isolants sous contrainte électrique continue, en présence de gradient de température.
Ce travail est  mené de la façon suivante :
a. Etat de l’art sur:
L’utilisation et le vieillissement des matériaux isolants polymères en DC.
Les lois de vieillissement et les modèles de durée de vie connus pour le régime AC et le régime DC.
b. Caractéristiques électriques des matériaux et étude du vieillissement:
Déterminer la résistivité volumique et les comportements non linéaires observables au travers des caractéristiques courant/tension : mesure des courants de polarisation et de dépolarisation en fonction du champ électrique et de la température.
Déterminer les facultés des matériaux à accumuler et à écouler les charges d’espace en fonction du champ électrique et/ou de la température : mesure de charges d’espace.
Vieillissement d’échantillons plans sous différentes contraintes combinées électrique et thermique.
Evaluation de l’évolution des propriétés électriques des matériaux en fonction du temps : charge d’espace, résistivité volumique, rigidité diélectrique, permittivité, facteur de pertes...
c. Modélisation  multi-physique du comportement des polymères soumis au régime DC:
Développement de modèles de calcul tenant compte des caractéristiques mesurées, telles que la charge d’espace, la résistivité volumique, ainsi que la prise en compte des comportements non linéaires en fonction des contraintes appliquées (champ électrique et température).
Application des modèles aux géométries cylindriques.
Validation des modèles directement sur échantillons de câbles (soit échantillons modèles et/ou échantillons issus du réseau).
Apporter des éléments de réponse concernant l’aptitude d’un câble à isolation synthétique à fonctionner indifféremment en régimes AC ou DC.