Les résines d’imprégnation sont utilisées depuis de nombreuses années pour assurer la cohésion mécanique et apporter un renfort à l’isolation électrique des machines tournantes. Le vernis imprégnant les bobinages doit pouvoir résister aux différentes contraintes de fonctionnement et environnementales subies par la machine. Pour déterminer la durée de vie des composants ou des systèmes complets, les normes actuelles s’appuient sur une loi de type Arrhenius. Or la dégradation des matériaux en général et des résines d’imprégnation en particulier, suit rarement des lois exponentielles simples. Cette thèse a pour objectif de définir des lois et des critères de durée de vie de différents types de résines d’imprégnation formulées à base de polyesterimide avec et sans solvants (Classe H) et d’époxy (Classe F).
Les résultats obtenus par spectroscopie dynamique (mécanique et diélectrique), ainsi qu’à partir des mesures des courants transitoires montrent une bonne corrélation avec les propriétés thermiques obtenues par analyses de calorimétrie différentielle et thermogravimétrique sur les résines à l’état neuf. De manière générale, les résines dites à solvants montrent un meilleur comportement thermique, mécanique et isolant que la résine polyesterimide sans solvants et époxy.
Dans les premières heures de vieillissement, les caractéristiques thermiques, diélectriques et électriques des résines évoluent drastiquement et montrent une amélioration des propriétés isolantes de la résine. En effet, après quelques heures de vieillissement thermo-oxydatif à 180 et 240°C, les valeurs de permittivité réelle et imaginaire ainsi que la conductivité statique diminuent de manière importante. Les spectres d’absorption infrarouges des résines après vieillissement montrent bien l’effet de la dégradation par la production d’espèces oxygénées tels que les carbonyles, les acides carboxyliques et les anhydrides. Ces espèces semblent avoir des propriétés moins conductrices que les fonctions ester, imides et époxy de base.
L’étude des modèles cinétiques de dégradation thermique nous a permis de proposer un modèle de dégradation prenant en compte la complexité des mécanismes de décomposition des résines étudiées. La corrélation effectuée entre les cinétiques de dégradation et l’évolution des caractéristiques isolantes des résines nous a conduit à reconsidérer les critères de fin de vie de ces résines d’imprégnation. |
Impregnating varnishes have been used for many years to provide mechanical cohesion and support to the insulating systems of rotating machines. These varnishes are submitted to various mechanical, electrical and environmental constraints that they have to withstand during operation. To determine the life span of components or complete insulating systems, the current standards are based on an Arrhenius law. However, the degradation of polymers rarely follows simple exponential laws. This work aims to define a degradation model and end-life criteria of different resins based on solvent and solventless polyesterimide (Class H) and epoxy (Class F).
At the initial time (before aging), the results obtained by dynamic mechanical and dielectric spectroscopies and transient current measurements show a good correlation with the thermal properties obtained by differential scanning calorimetry and thermogravimetric analyzes. Generally, the so-called solvent resins show a better thermal, mechanical and insulating behavior than resins based on solventless polyesterimide and epoxy.
In the earlier hours of aging, the thermal, dielectric and electrical characteristics of the resins evolve significantly and show an improvement in the resin insulating properties. Indeed, after a few hours of thermo-oxidative aging at 180 °C as well as 240 °C, the real and imaginary parts of the complex permittivity and the static conductivity decrease significantly. The infrared absorption spectra of the resins after aging clearly show the effect of degradation by the production of oxygen species such as carbonyls, carboxylic acids and anhydrides. These species appear to be less conductive than the initial ester, imide and epoxy functions.
The study of the weight losses during the thermal aging allowed us to propose a degradation model taking into account the complexity of the decomposition mechanisms of these thermoset resins. The correlation between the degradation kinetics and the evolution of the insulating characteristics led us to reconsider the end-life criteria of these impregnating resins. |