[PDF] Etude de la dégradation de la fonction isolation de câbles HT isolés

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THÈSE

Pour obtenir le grade de

SpécialitéMatériaux, Mécanique, Génie civil,

Arrêté ministériel

Présentée par

Pierre

Thèse dirigée par Pascal RAIN

Isabelle ROYAUD

préparée au sein du Laboratoire l'École Doctorale Ingénierie devant le jury composé de

M. Serge AGNEL

Professeur, Université de

M. Xavier COLIN

Professeur,

M. Juan MARTINEZ

Professeur, Université de Toulouse

Mme Professeur, Université de Lorraine

M. Pascal RAIN

Professeur,

M. Gérard SEYTRE

Directeur de recherche émérite, CNRS de Lyon

M. Thierry ESPILIT

Ingénieur Chercheur, EDF R&D

M. Olivier GAIN

Ingénieur de recherche, Université de Lyon

Table des matiğres

Remerciements

Introduction

Chapitre 1 Etude bibliographique

1. Cąbles d'Ġnergie ă isolation PVC

Câbles unipol 1.1.

Autres types de câbles 1.2.

2. Le poly(chlorure de v

Généralités 2.1.

Synthèse, fabrication 2.2.

Formulation 2.3.

Cas des câbles HTA 2.4.

3. Propriétés électriques des isolants

Diélectriques 3.1.

Rigidité diélectrique 3.2.

Méthodes de caractérisations électriques / diélectriques 3.3.

4. Propriétés des matériaux à base de PVC

Propriétés physico 4.1.

Propriétés él 4.2.

Propriétés électriques 4.3.

5. Mécanisme

Migration des adjuvants 5.1.

Déshydrochloruration 5.2.

Oxydation 5.3.

Relaxation structurale 5.4.

Autres études de vieillissement 5.5.

Expertise matériaux EDF R&D 5.6.

Expertises EDF R&D sur différents câbles retirés du service 5.7.

6. Conclusions et choix du mode de vieillissement artificiel

Conclusions 6.1.

Choix du mode de vieillissement artificiel 6.2.

Chapitre 2 Matériaux et techniques expérimentales spécifiques

1. Câbles étudiés et échantillonnage

1.1. Structure

1.2. Echantillons pour essais électriques

1.3. Listes des câbles échantillons

2. Analyses chimiques

2.1. Analyses élémentaires

2.2. Coulométrie

2.2.1. Principe

2.2.2. Préparations

3. Analyses structurales

3.1. Microscopie et spectroscopie infrarouge

4. Analyses thermiques

5. Analyses électriques

5.1. Analyses diélectriques

5.2. Réflectométrie

5.3. Décharges partielles

6. Analyse de la mobilité moléculaire

7. Vieillissem

7.1. Etuves de vieillissement

7.2. Suivi du vieillissement

Chapitre 3 Résultats des caractérisations physico

1. Caractérisations physico

Analyses structurales et physico 1.1.

Analyses élémentaires

1.1.2. Spectroscopie et microscopie infrarouge

1.1 Coulométrie

1.1.5. MEB

1.1.6. Diffraction des rayons X

1.1.7. Spectroscopie

1.1.8. Analyse dynamique mécanique (DMA)

Analyses thermiques 1.2.

Analyse thermogravimétrique (ATG)

1.2.2. Cal

1.2.3. Analyse thermomécanique (TMA)

Analyse diélectrique dynamique (BDS= Broadband Dielectric Spectroscopy) 1.3. Spectroscopie diélectrique HT et conduction 1.4.

Effet de la température

1.4.2. Analyse des p

1.4.3. Effet de la tension

1.4.4. Recherche d'une loi de comportement en fonction de la tempĠrature

Réflectométrie 1.5.

Objectifs et démarche

1.5.2. Injection d'impulsion ă l'Agilent

1.5.3. Exploration avec le système LIRA

Décharges partielles 1.6.

Comportement à haute température sous tension nominale 1.7.

Objectifs

1.7.2. Dispositif expérimental et protocole

1.7.3. Essais aǀec l'Ġtuǀe rĠgulĠe ă 105ΣC

1.7.4. Essais aǀec l'Ġtuǀe rĠgulĠe ă 110ΣC

1.7.5. Essais aǀec l'Ġtuǀe rĠgulĠe ă 70ΣC

2. Suivi des vieillissements thermiques artificiels

Choix des échantillons pour le vieillissement 2.2.

Spectroscopie diélectrique 2.3.

Mesures à 70°C

2.3.2. Mesures à 30°C

Calorimétrie différentielle à balayage 2.4.

Chapitre 4 Discussion

1. Mécanisme de vieillissement principal

1.1. Rappel des différents mécanismes de vieillissement

1.2. Revue détaillée des causes et relations avec les résultats obtenus

1.2.1. Plastifiants

1.2 PĠnĠtration d'humiditĠ

1.2.3. Oxydation

1.2.4. Déshydrochloruration

1.2.5. Défaut local

1.2.6. Conclusions

2. Impact sur les propriétés

2.1. Génération de charges (vieillissement dans le temps)

2.2. Auto

2.3. ConsidĠrations sur la constante d'isolement

2.4. Considération sur la tenue diélectrique

3. Origines du vieillissement

3.1. Formulation initiale

3.2. Environnement des câb

Conclusions Perspective

Bibliographie

ANNEXES

ANNEXE 1 Analyse élémentaire

ANNEXE 2 Microscopie Electronique à Balayage Microanalyse par Energie Dispersive de rayons X

ANNEXE 3 Diffraction des rayons X

ANNEXE 5 Spectroscopie ultraviolet

ANNEXE 6 Analyse thermogravimétrique (ATG

ANNEXE 7 Calorimétrie différentielle à balayage (DSC)

ANNEXE 8 Analyse mécanique

ANNEXE 9 Spectroscopie diél

ANNEyE 10 DĠtail du calcul du taudž d'ion chlorure par coulomĠtrie ANNEXE 11 Résultats complémentaires de réflectométrie

ANNEXE 12 Résultats complémentaires de DSC

Remerciements

Mes premiğres pensĠes, au moment d'Ġcrire ces remerciements, se dirigent ǀers ma femme

inconnus (je pense notamment à tout ce qui concerne les mesures électriques), pour exploiter le

rĠsultats obtenus et pour prendre les dĠcisions nĠcessaires ă l'aǀancĠe des traǀaudž. Je remercie

rĠalisĠes au sein du laboratoire IMP de Lyon. L'association de leurs connaissances et de leurs

compétences a, de mon point de vu, très bien fonctionné et a permis de déroulement de la thèse

lancĠ et montĠ ce projet de thğse, pour nous aǀoir guidĠ sur les attentes d'EDF RΘD ǀis-

déroutant.

Mes remerciements s'adressent maintenant audž membres du jury pour l'intĠrġt portĠ ă mon traǀail

et pour avoir accepté de le juger. Ai

J'adresse mes remerciements audž personnes du laboratoire IMP m'ayant permis la rĠalisation de mes

mesures là

Vera du Centre de DiffractomĠtrie Henri Longchambon de l'uniǀersitĠ Claude Bernard Lyon 1 pour

Patricia Vigne, Luc Pilot pour les essais réalisés à EDF R&D. Je remercie également Xavier Colin et

accompagné pendant ces années de m'aǀoir permis de mener à termes ces longues études.

Introduction

réseaux constitués de câbles isolés. La diversité des câbles employés est très grande car les solutions

madžimale en fonctionnement normal est de 70 ΣC ă la surface de l'ąme du cąble.

le comportement dans le temps de l'isolant PVC, lΖimpact sur la tenue fonctionnelle et la relation

av

Il edžiste diffĠrentes contraintes ă lΖorigine de la dĠgradation des isolants. De par l'enǀironnement

également des contraintes mécaniques. Outre ces effets, il se peut identifiés.

défauts de type cavité gazeuse s'accompagnant, Ġǀentuellement, d'une accumulation de charges

thermique. Des combinaisons synergiques de ces phénomènes peuvent être envisagées. L'apparition

une approche plus globale sur le matériel câble intégrant les différentes options techniques mises en

même type soumis à des contraintes d'exploitation comparables. Elle fournira les éléments de base

La suite de l'Ġtude concernera l'identification du ou des mĠcanismes physico-

d'Ġchantillons de cąbles afin de cerner ces ǀariations et Ġtablir une premiğre Ġǀaluation de leur

origine. En parallèle, les techniques physico nstante d'isolement sont disponibles pour des essais

de ce type de cąbles ă la fin des annĠes 1980. Il ne nous est donc pas possible d'utiliser un

échantillon "

donc été de repérer, parmi les différents câbles déposés pour chaque site, ceux présentant des

différence physico rĠguliğrement. L'objectif de ces sur-

C h a p i t r e 1

Chapitre 1

Etude bibliographique

C h a p i t r e 1

1. Cąbles d'Ġnergie ă isolation PVC

Câbles unipolaires 1.1.

Les cąbles ĠtudiĠs serǀent ă l'alimentation d'audžiliaires (moteurs, pompes) sur des sites de

(PVC), sont des câbles haute tension (HTA), à ch

phases). La tempĠrature madžimale en fonctionnement normal est de 70 ΣC ă la surface de l'ąme du

1.1.1. Fabrication

Lors de la fabrication du cąble, la mise en place de l'isolation en PVC se fait par edžtrusion directement

autour de l'ąme, celle-

Figure

Les autres éléments sont également déposés par enrubannage ou par extrusion suivant leur type

1.1.2. Utilisations, contraintes d'edžploitation

Les câbles concernés par notre étude sont, comme cité précédemment des câbles de puissance

eff eff hase et l'Ġcran.

Le câble, et en particulier la section de son âme conductrice, est dimensionné de telle sorte que la

C h a p i t r e 1

principalement d'ordre électrique contribue, pareffet Joule, ă l'Ġchauffement du cąble et se traduit

donc par une élévation de température. La contrainte électrique en tension se traduit par un champ

diélectrique surviennent ensuite. Quelques contraintes peuvent cependant issance cĠdĠe ă l'edžtĠrieur. La puissance est fournie principalement dans

également des dimensions et caractéristiques thermiques des matériaux constitutifs du câbl

La tempĠrature du cąble en fonctionnement n'est pas homogène dans sa longueur. Elle peut en effet

des zones chauffĠes (intĠrieur d'un bątiment) puis par l'edžtĠrieur ne sera pas soumis en tous

points aux mêmes contraintes de température environnante. De même la température environnante

sera plus ĠleǀĠe lors d'un passage dans des conduits confinĠs dont la déperdition thermique est

libre et sont sensés ne jdans de l'eau. Toutefois u

C h a p i t r e 1

Autres types de câbles 1.2.

Il existe en effet également des câbles tripolaires dont une str

Figure

bourrage (gaine

Certains cąbles de ce type sont constituĠs de PVC, ă la fois pour l'isolant mais Ġgalement pour les

deux gaines. Le bourrage est quant à lui un élastomère, généralement de l'EPDM (Ġthylğne-

L'Ġǀolution des propriĠtĠs des diffĠrents PVC utilisĠs dans ce type de cąble a fait l'objet d'une Ġtude

EDF R&D / ENSAM au début des années 90

C h a p i t r e 1

2. Le poly(chlorure de vinyle)

Généralités 2.1.

Le poly(chlorure de vinyle) ou PVC pour Poly Vinyl Chloride, est un polymère thermoplastique de

Figure

aptitude à être modifié selon les besoins en font un matériau adapté à de multiples usages. Le PVC

bątiment (57 й des usages pour l'Union europĠenne) emballage

électricité / électronique

biens de consommation santé transports. C'est le troisiğme polymğre le plus employĠ dans le monde et représente

Synthèse, fabrication 2.2.

Le PVC est un polymère synthétique obtenu par polymérisation par voie radicalaire du chlorure de

2=CHCl.

C h a p i t r e 1

En émulsion

En masse

En suspension

En microémulsion

En solution

qui lui sera faite.

Formulation 2.3.

effet la température de transition vitreuse du PVC (Tg,PVC) est assez élevée(78ΣC) et c'est donc un

matériau vitreux rigide à température ambi

dégradation par déshydrochloruration du polymère (Voir §). C'est Ġgalement lors de cette mise

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