Modélisation du vieillissement des isolants organiques sous contrainte électrique : application à la fiabilité des matériaux

Modelling of organic insulators ageing process under electrical stress : application in the domain of materials reliability

• Auteur / Autrice : Nadine Lahoud
• Direction : Juan Jorge Martinez Vega
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères -- Détérioration

Contraintes thermiques

Fiabilité

Polymères (isolants électriques)

Mots clés libres

Polymères

Vieillissement électrique

Modélisation

Isolants organiques solides

Distribution des propriétés

Volume spécifique

Champ local

Déformation électro-mécanique

Résumé

L'objectif de cette étude a été d'améliorer la description du vieillissement des isolants organiques solides ou polymères sous contrainte électrique. De ce fait, une large étude bibliographique a été effectuée afin d'analyser, comparer et améliorer les scénarios de vieillissement des polymères isolants. Cette étude bibliographique a montré que, par souci de simplification, des paramètres pertinents ont été négligés dans la description du vieillissement électrique des polymères; à savoir leur structure hétérogène et la distribution de leurs propriétés. Cette étude présente une nouvelle approche sur le vieillissement des isolants organiques solides ayant pour premier objectif de prendre en compte la complexité de leur structure mise en évidence expérimentalement. Pour cela, le matériau a été assimilé à un ensemble de sites représentant des états énergétiques différents et donc des propriétés et une vitesse de vieillissement différentes selon chaque site. Les principaux paramètres en jeu au cours du processus de dégradation tels que la variation du volume spécifique, l'évolution de la rigidité diélectrique ainsi que la valeur locale du champ électrique ont été définis. L'expression du temps de retard de chacun des processus élémentaires de vieillissement en fonction de ces paramètres a été établie. Finalement une forme distribuée de ces temps de retard a été présentée. Notre approche phénoménologique est donc une approche multi-sites qui, complétée par une étude expérimentale, permettrait l'établissement d'une équation qui relierait le temps de vie de l'isolant aux différents paramètres en jeu tout en respectant leur distribution sur l'ensemble des sites au sein du polymère.

The aim of this study is to improve the description of solid organic insulators or polymers ageing under electrical stress. With this objective in view, the different ageing scenarios existing in the literature were analyzed, compared and improved. This theoretical study showed that many parameters related to their heterogeneous structure and the distribution of their properties were neglected in order to simplify the modelling. This study presents a new approach in the description of solid organic insulators ageing by taking into consideration their experimentally demonstrated structural complexity. In this approach, the polymer material has been assimilated to a set of sites representing different energy states, thereby different properties as well as ageing rates depending on each site. The principal parameters involved during the ageing process, such as the specific volume variation, the dielectric strength evolution and the local value of the electrical field have been defined. The expression of the retardation time specific to each elementary ageing process has been established. Finally, a distributed form of those retardation times has been presented. Our "phenomenological" approach is thus a multi-sites one permitting, along with an experimental study, to establish an equation relating the life time of polymer electrical insulators to the different parameters at play, all along respecting their distribution over the entire set of sites within the polymer.