Etude et réalisation d’un équipement de mesures de charges d’espace sous champ électrique directement sur des câbles haute tension dits «Full size


Partenaires : Sociétés Nexans – Alstom grid

Chercheurs impliqués : P. Notingher (Pr), J. Castellon (MCF), O. Guille (ASI)

Durée : 3 ans (2013-2015)

Cette collaboration fait suite à la volonté de la société NEXANS de développer et s’équiper d’une installation innovante permettant la mesure de charges d’espace sous champ électrique appliqué en présence d’un gradient thermique directement sur des câbles de transport d’énergie grandeur nature « Full Size ».
La technique utilisée est la méthode de l’onde thermique (Thermal Step Method en anglais – ou TSM) déjà installée sur le site de Nexans Calais pour l’analyse de câbles prototypes de dimensions réduites dont l’innovation portera sur son adaptation à des câbles « Full Size ».

Un cahier des charges a été établi, dont les éléments sont listés ci-dessous :
- La température de l'âme du câble sera comprise entre 75-80 °C.
- Le gradient de température dans l’isolation du câble sera de l'ordre de 7 °C.
- La tension du câble sera + ou - 320 kV.
- Les mesures d'étalonnage seront réalisées à la température ambiante.
- Le premier câble à tester aura une âme centrale en Aluminium de 2500 mm² avec une épaisseur de Semi-conducteur interne et externe de 2mm et avec une épaisseur d’isolant de 21mm (17kg/m). Le banc de TSM devra être conçu pour analyser l’isolant d’un câble pouvant atteindre entre 24 et 27 mm d’épaisseur soit 34 kg/m.

Le banc sera également transportable et devra être opérationnel sur le site de Calais. L’objectif étant de pouvoir réaliser des campagnes de suivi de vieillissement de l’isolation des câbles testés.

 


 

Matériaux polymères et structures isolantes pour les réseaux Haute Tension à Courant Continu : Etude et amélioration des propriétés diélectriques et des méthodes de caractérisation

 
Partenaires : Société Nexans

 Chercheurs impliqués : S. Zhao (doctorant), P. Notingher (Pr), J. Castellon (MCF)

Durée : 3 ans (2013-2016)

L’augmentation continue des besoins en énergie électrique et l’éloignement croissant des lieux de production par rapport aux centres de consommation impulsent le développement du transport d’énergie en courant continu. Ce type de réseau est notamment adapté au transport de l’énergie par câble sous-marin et terrestre sur des longues distances. En effet, les effets capacitifs limitant l’emploi des câbles haute tension alternative à quelques dizaines de kilomètres n’existent pas en continu, ce qui permet la construction de liaisons beaucoup plus étendues. En outre, la haute tension à courant continu (ou HVDC pour High Voltage Direct Current) permet, notamment à travers de nouveaux types de stations de conversion basées sur l’électronique de puissance, de stabiliser le réseau en injectant de la puissance à une fréquence et un déphasage donnés pour connecter des réseaux entre eux, qu’ils soient synchronisés ou non et même à de fréquences différentes.

Afin d’accroitre les capacités de production de câbles HVDC en développant une alternative aux câbles isolés au papier puis imprégné dans la masse, un effort significatif est aujourd’hui réalisé pour le développement de nouveaux câbles à isolation synthétique (à base de matériaux polymères extrudés). Il est ainsi nécessaire de mettre au point des matériaux et des structures ayant des propriétés adaptées aux contraintes spécifiques induites par ce type de réseau, à savoir des forts champs électriques continus et des gradients thermiques.

Dans le cas des câbles et accessoires à courant continu à isolation polymère, la problématique de la fiabilité est liée à l’établissement, sous l’effet des fortes valeurs de champ électrique et des gradients de température, de zones de charges électriques dans le diélectrique. De telles accumulations de charges (dites « charges d’espace » car reparties dans un espace isolant) sur-sollicitent localement le matériau et peuvent le faire vieillir prématurément, voire le faire claquer de manière intempestive. Il est donc indispensable que la connaissance des matériaux et les procédés mis en œuvre à la fabrication de l’isolation permettent de maitriser l’accumulation des charges d’espace. Dans ce but, la détermination de la dynamique des charges électriques dans ces matériaux et aux interfaces est nécessaire.

Le travail proposé concerne des recherches sur les phénomènes d’accumulation de charges électriques susceptibles d’apparaître dans les diélectriques et aux interfaces entre divers matériaux (semi-conducteurs, isolants). Il s’agit d’investiguer ces phénomènes afin de mettre au point des nouveaux matériaux et structures pour le HVDC. Ils seront étudiés notamment en relation avec les propriétés physiques et morphologiques des matériaux (mise en œuvre) et dans des conditions les plus proches possibles de celles rencontrées dans des câbles. Ce travail nécessite l’emploi de techniques non destructives pour déterminer la répartition des charges dans les isolants solides, basées sur l’utilisation d’un stimulus thermique.

    Les outils actuels ne permettant pas des études approfondies dans des conditions semblables à celles rencontrées dans les câbles, il est nécessaire de développer un banc de mesure (Démonstrateur) adapté permettant de déterminer la répartition des charges et de champs électriques dans ces conditions. L’Etude comporte donc les étapes suivantes :

•    Réalisation d’une étude bibliographique sur les méthodes de mesure de charges d’espace par des techniques thermiques afin de dégager des pistes susceptibles d’apporter des améliorations en termes de résolution, d’adaptation aux contraintes et aux matériaux du HVDC et de facilité de mesure ;
•    Conception et développement d’un Démonstrateur pour la mesure des charges d’espace sur des couches minces en géométrie plane ;
•    Adaptation du Démonstrateur pour des mesures sur des câbles « modèle » afin qu’il permette d’étudier le comportement des matériaux dans des conditions les plus proches possibles de celles rencontrées pendant le service ;
•    Etude des évolutions de divers matériaux et structures afin de dégager des pistes permettant de les améliorer.