Étude 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)

Investigation of space charge phenomena in cable materials and model cables for application to high voltage direct current (HVDC) power transmission

• Auteur / Autrice : Thi Thu Nga Vu
• Direction : Gilbert Teyssedre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Câbles électriques

Haute tension

Transfert d'énergie

Mots clés libres

1hvdc

Charge d'espace

Charge d'interface

Câble HVDC

Champ électrique

Jonction de câble

Résumé

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.

This work contributes to the development of polymer-insulated high voltage direct current (HVDC) cables, focusing on the investigation of space charge build-up phenomena and their consequences on electric field distribution within cables and cable joints under thermal gradient. In this study, conduction current measurements were realized on two different materials often used for HVDC cable construction, being cross-linked polyethylene (XLPE) used as cable insulation and an elastomer (EPDM) used in accessories. These data were used to build semi-empirical models of conductivity versus temperature and electric field. These models were incorporated in a commercial simulation tool in order to predict charge density and field distributions in more complex geometries such as cylindrical geometry and insulations association, submitted to various thermal and electrical stresses, in non-stationary conditions. Space charge measurements were carried out on bi-layers of XLPE/EPDM, and on medium voltage (MV) model cables and mini-cables, using the pulsed electro acoustic method. Results obtained on bi-layers as models of joints under various conditions of temperature and field show that the sign of the interfacial charges in the bi-layers depends on temperature and electric field. This makes non-homogeneous field distribution in bi-layers. For cables under thermal gradient, results show a switching in time of the position of field maximum from the inner semi-conductor to the outer semi-conductor due to the electrical conductivity gradient resulting from the thermal gradient along cable radius. Simulation results obtained on bi-layers (sign and density of charges) and within MV cables are consistent with charge density profiles obtained experimentally under various electrical and thermal stresses. Deviations between simulation and measurements are attributed to charge accumulation processes not accounted for in the model, involving notably cross-linking by-products. The effect of cross-linking by-products on the response of insulations is investigated through measurements on mini-cables and through the evaluation of parameters relevant to the accumulation of charges applied to various formulations of samples in plaque form. Substantial distortions of the electric field profile were measured, testifying for the evident propensity of by-products to dissociate under the electric field and/or assist charge injection.