Elaboration et caractérisation de matériaux composites non linaires pour application dans la moyenne tension

by Benjamin Dejean

Thesis project in Physique

Under the supervision of Renaud Metz and Jean-Louis Bantignies.

Ongoing thesis at Montpellier , under the authority of École Doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015) , in a partnership with L2C - Laboratoire Charles Coulomb (laboratoire) and Département Colloïdes, Verres et Nanomatériaux (equipe de recherche) since 14-01-2019 .

  • Alternative Title

    Elaboration and characterization of nonlinear composite materials for medium voltage application


  • Abstract

    When designing electrical equipment, triple points, i.e. multi-permittivity interfaces are unavoidable and are the cause of special attention. It is indeed in these regions that partial discharges and aging of dielectric materials take their origin. In order to reduce the harm of these regions, the designer has several strategies. Among these, the implementation of materials with non-linear properties. In the current state of knowledge, the intimate mechanism of operation of these materials is not well known. Indeed, the dependence of the resistivity with the electric field conjugated with a dependence of the permittivity with this same field does not make it possible to solve analytically the Maxwell equations. In addition, the insertion of these new materials into the equipment requires mastering the development of composite materials or designing new solutions based on pastes, inks, ... The physicochemical behavior of these solutions under thermal and electrical stress are obviously not known. In this context, the study consists in taking advantage of ZnO micro varistors or ZnO + nano graphite mixture allowing to obtain and optimize the non-linearity not only at ambient temperature but also in temperature and to predict the duration of these composite materials according to the conditions of use. It is necessary to take into account the phenomena of aging and the losses of induced dielectric performances. The ultimate goal is to master the reliability of products using these new generation of dielectrics and to identify strategies for eventually extending their durability. The main objective of the thesis is to understand in a physical way what the nonlinearity could bring to the medium voltage and later to be able to develop a nonlinear composite according to a targeted application in the form of a particulate composite material but also in the form of a paste or an ink. The physics of nonlinearity phenomena will be approached not only theoretically by an analytical approach and simulations but also experimentally from the elaboration and characterization of particulate composite materials. The understanding of intimate physical phenomena will be addressed.


  • Abstract

    Lors du design d'un équipement électrique, les points triples, i.e. les interfaces multi-permittivité sont inévitables et sont à l'origine d'une attention particulière. C'est en effet dans ces régions que les décharges partielles et vieillissement des matériaux prennent leur origine. Afin de réduire la nocuité de ces régions, le concepteur dispose de plusieurs stratégies. Parmi ces dernières, la mise en œuvre de matériaux à propriétés non-linéaires. Dans l'état actuel des connaissances, le mécanisme intime de fonctionnement de ces matériaux n'est pas bien connu. En effet, la dépendance de la résistivité avec le champ électrique conjuguée avec une dépendance de la permittivité avec ce même champ ne permettent pas de résoudre de façon analytique les équations de Maxwell. En outre l'insertion de ces nouveaux matériaux au sein des équipements nécessite de maîtriser l'élaboration de matériaux composites ou de concevoir de nouvelles solutions à base de pâtes, encres, … Le comportement physico-chimique de ces solutions sous contrainte thermique et électrique ne sont évidemment pas connues. Dans ce contexte, l'étude consiste à mettre à profit des micro varistances de ZnO ou un mélange ZnO + nanoplaquettes de graphite permettant d'obtenir et d'optimiser la non-linéarité non seulement à température ambiante mais également en température et prédire la durée de vie de ces matériaux composites en fonction des conditions d'utilisations. Il faut prendre en considération les phénomènes de vieillissement et les pertes de performances diélectriques induits. Le but ultime est de maîtriser la fiabilité des produits utilisant ces isolants de nouvelle génération et d'identifier des stratégies pour éventuellement allonger leur durabilité. L'objectif central de la thèse est de comprendre de façon physique ce que la non linéarité pourrait apporter à la moyenne tension et par la suite être en mesure d'élaborer un composite non linéaire en fonction d'une application visée sous forme d'un matériau composite particulaire mais également sous forme d'une pâte ou d'une encre. La physique des phénomènes de non-linéarité sera abordée non seulement de façon théorique par une approche analytique et de simulations mais également de façon expérimentale à partir de l'élaboration et la caractérisation de matériaux composites particulaires. La compréhension des phénomènes physiques intimes sera abordée.