Dans les applications haute tension, les matériaux sont exposés à différentes contraintes. Dans le cas particulier des matériaux isolants, l'injection de charges, l'accumulation de charges d'espace, les décharges partielles et l'arborescence électrique dans le matériau peuvent provoquer la rupture de ce dernier. Il est donc de plus en plus nécessaire de contrôler l'intensité du champ électrique pour éviter les phénomènes qui engendre un vieillissement prématuré de l'isolant. L'objectif est alors d'atténuer le renforcement local du champ électrique due à la géométrie du système électrique, en homogénéisant la répartition du champ électrique pour qu’il soit le plus uniforme et le plus faible possible pour une tension du système donnée. L'utilisation de composites à conductivité électrique non linéaire est une alternative intéressante pour contrôler l'intensité du champ électrique dans ces zones.
Par conséquent, l'objectif de cette thèse était de fabriquer des matériaux composites homogènes en ajustant leurs propriétés de conduction non-linéaire par un choix judicieux sur la nature des particules, la concentration des charges et/ou leur taille. L'influence de la concentration et de la taille des particules du composite sur les propriétés non linéaires des composites micrométriques et nanométriques à base de carbure de silicium dans une matrice époxy a été étudiée (respectivement nommés μSiC/EP et nSiC/EP). De même, les principaux paramètres permettant de décrire la non-linéarité sont présentés. Un deuxième objectif était de développer des matériaux à gradient de champ électrique (FGM) avec une conduction non linéaire graduelle, en se basant sur le gradient de concentration des particules pour obtenir cette propriété. Ceci est obtenu par l'application d'une force électrophorétique pendant le processus de mise en œuvre qui concentre les particules dans la région de l'isolant la plus sollicitée par les hautes tensions. Ensuite, à partir de la caractérisation électrique des composites μSiC/EP, nSiC/EP et bimodale μSiC/nSiC/EP dispersés aléatoirement, un modèle électrique à quatre éléments est proposé pour décrire ce comportement et la dépendance de chaque coefficient des paramètres du modèle vis à vis de la concentration des particules est décrite par des équations. Ces équations permettent de prédire avec précision le comportement électrique non linéaire des matériaux composites fonctionnalisés à gradient de propriétés μSiC/EP, nSiC/EP et μSiC/nSiC/EP, ouvrant ainsi la voie à l'isolation des futurs systèmes électriques basés sur une stratégie de gradation du champ électrique. |
In high voltage applications, materials are exposed to different stresses. In the particular case of insulating materials, the injection of charges, space charge accumulation, partial discharge and electrical treeing across the entire bulk can cause the material to breakdown. Therefore, it is more and more required to control the strength of the electric field to prevent electrical aging of the insulation. The aim is to mitigate the local electric field distorsion due to the electrical system geometry as close as possible from a uniform field value. Using composites with nonlinear electrical conductivity is an interesting alternative to control the strength of the electric field at sharp metal edges.
Consequently, the objective of this thesis was to fabricate homogeneous composite materials tuning their nonlinear conduction properties by choosing carefully the adequate particle nature and by changing the filler concentration and/or their size. The influence of the filler concentration and size on nonlinear properties for micrometric and nanometric silicon carbide epoxy-based composites was studied (respectively labelled μSiC/EP and nSiC/EP). Likewise, the main parameters to describe nonlinearity are presented. A second objective was to develop field grading materials (FGM) with graded nonlinear conduction based on particle concentration gradient. This is enabled by using an electrophoretic force applied during the process that concentrate the particles in the most HV stressing region of the insulation. From the electrical characterization of the μSiC/EP, nSiC/EP and bimodal μSiC/nSiC/EP randomly-dispersed composites, a four-elements electric model is proposed to describe this behavior and the dependence of each parameter on the particle concentration is derived. The proposed model allows to predict quite accurately the nonlinear electrical behavior for the functionally graded-material μSiC/EP, paving the way of future electrical system insulation built on advanced field grading composite strategy. |