Etude des phénomènes de charges d'espace dans des matériaux de câbles et câbles modèles destinés à des applications au transport d'énergie en Haute Tension Continue (HVDC)

摘要

Ce travail s'inscrit dans le cadre général du développement de câbles haute tension continue (HVDC) à isolation synthétique et se focalise sur l'étude des phénomènes d'accumulation de charges d'espace et de leurs conséquences sur la distribution de champ électrique dans les câbles et jonctions de câbles sous gradient thermique. Dans cette étude, des mesures de courant de conduction ont été réalisées sur deux matériaux polymères: le polyéthylène réticulé (XLPE), majoritairement utilisé comme isolant des câbles à haute tension, et un élastomère (EPDM) servant de matériau de raccordement. Ces résultats issus d'échantillons plans sont utilisés pour établir des modèles semi-empiriques de conductivité fonction de la température et du champ électrique. L'incorporation de ces modèles dans un logiciel de simulation numérique a permis par la suite de prédire les distributions de densité de charge et de champ dans différentes structures à géométrie plus complexe telles que les câbles et les associations d'isolants, modèles d'accessoires de câbles, soumis à diverses contraintes électriques et thermiques, en régime transitoire. Des mesures de charge d'espace, réalisées sur des bicouches d'isolants XLPE/EPDM, sur des câbles maquettes moyenne tension (MV) et mini-câbles, ont été effectuées par la méthode électro-acoustique pulsée. Les résultats obtenus dans les bicouches, modèles de jonctions, sous différentes conditions de température et de champ montrent que le signe de la charge d'interface dans les bicouches dépend de la température et du champ électrique. A ce comportement est associée une discontinuité du champ électrique dans les bicouches. Pour les câbles soumis à un gradient thermique, les résultats montrent le déplacement au cours du temps de la contrainte électrique maximale du semi-conducteur interne au semi-conducteur externe dû au gradient de conductivité électrique associé au gradient thermique selon le rayon du câble. Les résultats obtenus par simulation sur les structures bicouches (signe et densité de charge d'interface) et câbles MV sont compatibles avec les profils de densité de charges issus de la mesure sous différentes contraintes électriques et thermiques. Les écarts observés entre les résultats de simulation et de mesure sont attribués à la présence d'autres phénomènes d'accumulation de charges non pris en compte dans la simulation, liés entre autres à la présence de sous-produits de réticulation. L'effet des sous-produits de réticulation sur la réponse des isolants est considéré dans des mesures de charges d'espace sur mini-câbles et par l'évaluation des paramètres pertinents sur l'accumulation de charges appliquée à diverses formulations d'échantillons plans. Des distorsions très significatives du profil de champ électrique ont été mesurées, attestant de la tendance manifeste des sous-produits à se dissocier sous l'effet du champ et/ou à assister l'injection de charges.