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.