Ce projet s’inscrit dans le développement des câbles terrestres haute-tension continue (HVDC) à isolation synthétique, et est destiné à améliorer la connaissance des mécanismes de dégradation dans ces isolants polymères de type polyéthylène réticulé (XLPE). L'objectif est donc d'étudier l'impact de l'application d'un stress électrothermique et thermique sur les caractéristiques diélectriques et physico-chimiques d'un matériau de câble. Ce travail est réalisé sur des câbles modèles, et non sur des échantillons plans, afin de travailler dans des conditions plus réalistes de gradient de champ électrique et de température dans l'isolant.
Deux types de vieillissement ont été effectués: le premier, "classique", sous température isotherme, et ce pour 102 semaines de vieillissement, et le second, dit "accéléré", où le câble est sous gradient thermique et où on applique des remises à zéro (RAZ) ou des inversions de polarité (IP), sur une durée de 9 semaines. Pour chaque vieillissement, un câble subissant uniquement la contrainte thermique a aussi été mis en place. Des prélèvements sont effectués régulièrement afin d'évaluer l'impact du vieillissement sur les propriétés du matériau par des mesures de charges d’espace par méthode électroacoustique pulsée (PEA), et des mesures de conductivité, pour les propriétés diélectriques, ainsi que des mesures physico-chimiques (FTIR, DSC, DMA et ATG). Le banc de mesure de charge d'espace PEA sur câble a été optimisé afin de permettre la mesure pendant toute la durée du vieillissement, y compris pendant les inversions de polarité.
Le vieillissement "classique" a permis de mettre en évidence une diminution de la conductivité du matériau pour atteindre une valeur minimale à la moitié du vieillissement. Cette conductivité augmente ensuite jusqu'à la fin du vieillissement. La conductivité mesurée pour un vieillissement "accéléré" sous IP montre une augmentation légère de celle-ci par rapport à un vieillissement classique, pour les mêmes durées de vieillissement. Par contre, la conductivité d'un câble vieilli thermo-électriquement (isotherme ou sous gradient) montre une diminution d'une décade par rapport à celle d'un câble vieilli thermiquement dans les mêmes conditions.
Une analyse poussée des résultats de charges d'espace, permettant d'extraire le champ maximal et sa localisation ainsi que la densité de charges intégrée, permet de montrer un changement de comportement du matériau avec le temps de vieillissement "classique". Le renforcement de champ maximal, initialement proche de l'électrode externe, se rapproche du milieu du matériau avec le temps de vieillissement.
Les mesures physicochimiques ont révélé une augmentation progressive du taux de carbonyle avec le temps de vieillissement à 100°C sans que le matériau ne montre de changement notable de sa microstructure. L'impact du vieillissement électrothermique par rapport au vieillissement thermique n'a pas été observé pour ces mesures.
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This project is part of the development of HVDC high-voltage terrestrial cables with synthetic insulation and is intended to improve knowledge of the degradation mechanisms in these cross-linked polyethylene (XLPE). The aim is therefore to study the impact of the application of electrothermal and thermal stress on the dielectric and physico-chemical characteristics of a cable material. This work is done on model cables, not on flat samples, to work in more realistic conditions of electric field gradient and temperature in the insulation.
Two types of aging were carried out: the first, "classic", under isothermal temperature, and this for 102 weeks of ageing, and the second, said "accelerated", where the cable is under thermal gradient and where one applies rest (RAZ) or polarity reversals (IP) over a period of 9 weeks. For each ageing, a cable undergoing only thermal stress has also been put in place. Samples are taken regularly to evaluate the impact of ageing on material properties by pulsed electroacoustic (PEA) space charge measurements, and conductivity measurements for dielectric properties, as well as Physico-chemical measurements (FTIR, DSC, DMA and ATG). The space charge measurement bench by PEA on cable has been optimized to allow measurement throughout the ageing period, including during polarity reversals.
The "classical" ageing has made it possible to demonstrate a decrease in the conductivity of the material to reach a minimum value at half of the ageing. This conductivity then increases until the end of ageing. The conductivity measured for an "accelerated" ageing under IP shows a slight increase compared to conventional ageing, for the same durations of ageing. On the other hand, the conductivity of a thermo-electrically aged cable (isothermal or gradient) shows a decrease of one decade compared to that of a cable thermally aged under the same conditions.
A detailed analysis of the space charge results, allowing to extract the maximum field and its location as well as the integrated charge density, makes it possible to show a change of behavior of the material with the "classical" ageing time. The maximum field enhancement, initially close to the outer electrode, approaches the middle of the material with the ageing time.
The physicochemical measurements revealed a progressive increase in the carbonyl content with ageing time at 100 ° C. Without the material showing any noticeable change in its microstructure. The impact of electrothermal aging compare to thermal aging has not been observed for these measurements.
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