Characterization and modeling of microstructure evolution of cable insulation system under high continuous electric field

par Raphaël Guffond

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Stéphane Holé.

Soutenue le 06-03-2018

à Sorbonne université , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris , en partenariat avec Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux / LPEM (laboratoire) .

Le président du jury était Hamid Kokabi.

Le jury était composé de Séverine Le Roy, Anthony Combessis.

Les rapporteurs étaient Lionel Flandin, Petru Notingher.

  • Titre traduit

    Caractérisation et modélisation de l'évolution de la microstructure de matériaux isolants pour câbles sous fort champ électrique continu


  • Résumé

    Le sujet de cette thèse porte sur la compréhension et la modélisation du comportement électrique de système d'isolation soumis à un fort champ électrique continu. Les propriétés électriques du polymère sont directement pilotées par ses hétérogénéités chimiques et physiques présentes à plusieurs échelles. Dans cette étude, un nouveau modèle est développé ayant pour but de simuler l'évolution de la microstructure de polymère avec la température, le champ électrique et le temps et de simuler l'impact de cette évolution sur les propriétés électriques du polymère. Dans ce modèle, des matrices sont utilisées pour décrire la distribution de chacune des hétérogénéités et propriété électriques d'un polymère semi-cristallin. L'évolution de ces matrices de microstructure suit des lois génétiques dont la définition a été obtenue à partir d'une caractérisation fine des propriétés physicochimiques et électriques de matériaux spécifiques en fonction de la température et du champ électrique. Ces lois implémentées sont basés sur des calculs simples permettant un temps de résolution plus rapide comparativement aux autres modèles préexistants. Basée sur ces lois d'évolutions génétiques, le comportement électrique sous champ électrique continue de polymère isolant peut être simulé uniquement à partir d'une caractérisation physique et chimique de ce polymère. Le modèle est ainsi capable de reproduire le comportement électrique de plusieurs polymères semi-cristallins et de suivre les données expérimentales mesurées par ailleurs. Le modèle intègre plusieurs physiques tels que la diffusion, le transport ionique et le transport électronique, lui permettant ainsi de prendre en compte l'influence d'un grand nombre d'hétérogénéités.


  • Résumé

    This thesis presents a research work on understanding and modeling the electrical behavior of insulation system in cables subjected to high DC constraints. Electrical properties of polymeric insulation are directly related to their chemical and physical heterogeneities present at several scales. In this work, a new model is developed to simulate the modification over time of the microstructure in insulation polymers under electric field and temperature as well as the subsequent impacts on electrical properties. In this model, matrices are used to describe the distribution of each heterogeneity and electrical property in semi-crystalline polymer. When stressed under electric field and at temperature, matrices of microstructure evolve from implemented genetic laws. This simulated microstructure evolution yields to the simulation of electrical property changes over time at transient and steady state. To define these genetic laws, a detailed characterization of the physical, chemical and electrical properties of specific materials as a function of temperature and electric field is experimentally performed. Genetic laws are notably implemented to take into account the impact of the semi-crystalline structure and the presence of chemical residues in polymer electrical properties. Based on these genetic evolution laws, this modeling approach allows simulating DC electrical behavior of polymers only from their physical and chemical characterizations and reproduce accurately experimental electrical behavior with a faster solving time compared to other simulation methods.


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