Matériaux isolants de l’appareillage Haute Tension dans le domaine du Courant Continu – Comportement, vieillissement et modélisation multi-physique


Partenaire : Société Alstom Grid 

Chercheurs impliqués : H. Yayhaoui (doctorante), S. Agnel (Pr),  P. Notingher (Pr), J-C. Laurentie (MCF)

Durée : 5 ans (2011-2016)

Les sources de production d'énergie électrique sont généralement éloignées des centres de consommation. Cette énergie est acheminée par des liaisons électriques via différentes voies pour garantir la sécurité d’alimentation. Ces liaisons électriques sont interconnectées entre elles pour former des nœuds qui permettent de mettre en commun toutes les sources de production assurant ainsi l’interconnexion entre régions et entre pays frontaliers. Les liaisons sont réalisées grâce à des lignes aériennes ou souterraines. Les nœuds sont des points de transformation et de connexion. La transformation, opérée par des transformateurs à pour but de mettre à niveau les tensions des différentes lignes, et d’adapter le niveau de tension à l’utilisation de l’énergie à savoir son transport sur de longues distances (haute tension) ou sa distribution à l’utilisateur (moyenne et basse tension).


Dans la plupart des cas le transport de l’énergie électrique se fait en courant alternatif. Néanmoins, dans le cas du transport sur de longues distances, lorsque les sources de production électrique sont très éloignées des lieux de consommation, le transport en courant continu est économiquement avantageux. Ceci principalement en raison de la réduction des pertes de type capacitives. De même, ce mode de transport est utilisé dans le cas d’interconnexion de réseaux électriques de fréquences différentes ou non synchronisés. Ainsi, au cours des dernières années de nouvelles demandes sont apparues en termes de stations électriques en courant continu. On peut citer les pays comme le Brésil, le Russie, l’Inde ou la Chine et les stations de conversions France/Angleterre.

Dans le cas des stations à courant continu haute tension, l’appareillage électrique est soumis à des contraintes électriques constantes et doit par conséquent être conçu selon des règles différentes de celles appliquées à l’appareillage pour courant alternatif. On passe d’une distribution capacitive du champ électrique à une distribution résistive. Dans le cas d’une distribution capacitive basée sur la permittivité diélectrique du matériau, les calculs diélectriques sont relativement simplifiés car la permittivité est à premier ordre indépendante du champ électrique et de la température. La permittivité est donc considérée constante. Dans le cas d’une distribution résistive du champ électrique, la résistivité des matériaux isolants organiques dépend fortement du champ électrique (aux champs forts) et de la température. Cette résistivité pouvant varier de plusieurs ordres de grandeurs sur les plages d’utilisation.

Outre la variation de la résistivité en fonction du champ électrique et de la température, il est établi que des charges sont injectées dans la matière isolante donnant lieu à une charge d’espace modifiant la répartition du champ électrique (ce phénomène étant fortement diminué dans le cas du courant alternatif suite à la modification périodique de la polarité). En fonction du profil de charge d’espace dans le matériau, des renforcements de champ importants peuvent être rencontrés, conduisant à des champs réels dans la matière totalement différents des champs moyens calculés macroscopiquement. Dans le cas d’un renforcement de champ électrique, la présence de charge d’espace conduit à une accélération du vieillissement électrique. Le vieillissement de la matière conduisant généralement à une augmentation de la densité de sites susceptibles de piéger la charge d’espace. C’est un phénomène auto-accélérant pouvant conduire à la rupture diélectrique.

Le comportement de ces matériaux sous contraintes continues et principalement leur vieillissement reste mal connu. Pour pallier à ce manque de connaissance, nous proposons d’initier des études fondamentales sur le comportement en sollicitation électrique continue des principaux matériaux isolants organiques utilisés dans l’appareillage haute-tension. Nous étudions notamment leur comportement en fonction du champ électrique et de la température, leur évolution en vieillissement avec le suivi du développement  de la charge d’espace. En parallèle, des modélisations multi-physiques (thermique et électrique) sont menées afin d’appliquer les caractéristiques matières réelles  obtenues à l’appareillage haute-tension. Notamment, il est à noter que la dépendance en température, en champ électrique ainsi que la présence de charge d’espace seront pris en compte. Le but étant de donner à ALSTOM GRID les outils de conception des isolants solides pour application HVDC, outils basés sur une modélisation multi-physique.

Plus précisément, le but de cette étude est de :
•    Définir les caractéristiques des matériaux isolants sous contrainte électrique continue et en température utilisés dans l’appareillage haute tension.
•    Etudier le vieillissement électrique sous contrainte continue.
•    Simuler par des modèles multi-physiques le comportement des matériaux.

 


 
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.