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Hascoat, Aurelien [VerfasserIn]

Study and modelization of the insulating material from high voltage direct current (HVDC) cable ageing under thermal and electrical stress ; Étude et modélisation du vieillissement sous contraintes électrothermiques de l'isolant pour câble de transport d'énergie haute tension à courant continu

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  • Medientyp: E-Book
  • Titel: Study and modelization of the insulating material from high voltage direct current (HVDC) cable ageing under thermal and electrical stress ; Étude et modélisation du vieillissement sous contraintes électrothermiques de l'isolant pour câble de transport d'énergie haute tension à courant continu
  • Beteiligte: Hascoat, Aurelien [VerfasserIn]
  • Erschienen: [Erscheinungsort nicht ermittelbar]: HAL CCSD, 2016
  • Sprache: Französisch
  • Entstehung:
  • Hochschulschrift: Dissertation, HAL CCSD, 2016
  • Anmerkungen:
  • Beschreibung: The present work concerns the study of the cross-linked polyethylene (XLPE) used for high voltage direct current (HVDC) cable insulation. The electrical properties of XLPE have been widely studied under AC stress, however the behavior of these materials under high DC stress is less known and needs thorough investigation. The insulation should be better understood in terms of dielectric behavior and lifetime. A better knowledge of HVDC insulation could allow manufacturers, utilities and TSO's to propose a relevant qualification processes and to ensure that cable systems will remain safe and operational during their entire lifetime.Firstly, this work introduces HVDC cables and especially the physical and chemical stresses assumed by the cross-linked polyethylene (XLPE) insulation due to service conditions. XLPE insulation is the result of the reticulation of low density polyethylene (LDPE), with a peroxide such as dicumyl peroxide. The cross-linking reaction generates decomposition products in the insulation. The cables, degassed in order to reduce the amount of decomposition products, contain additives such as antioxidant agents, protecting the insulation during the production of HVDC cables and during operation. The stresses can influence the insulation dielectric properties. As example, the presence and the development of electric charges could influence the lifetime of the insulation.The injection and conduction properties, the dielectric loss mechanisms, the breakdown field, the space charge accumulation and some physical and chemical properties have been investigated for the material in its initial state. For this work, XLPE samples (Rogowski cup) with semi-conductive electrodes have been made. Under thermal and electrical stresses, electric charges can be injected in the insulating material and then participate to the conduction, according to different mechanisms. Dominant mechanisms have been identified according to the applied electric field: Schottky-type injection and Space Charge Limited Current (SCLC) conduction. Concerning the dielectric loss mechanisms, the low frequency mechanisms are nearly DC conduction at room temperature and DC conduction for higher temperatures. Furthermore, the dielectric loss factor increases when temperature increases. The breakdown field has been measured at room temperature giving by using the Weibull's law 375 kV/mm. The space charges have been measured using the Thermal Step Method (TSM). These analyses show that two types of charge are present in the material (homocharge and heterocharge). This effect is influenced by temperature and electric field. The total electric field (sum of the applied electric field and the electric field due to space charge) reaches about 100 kV/mm, when 60 kV/mm is applied. Concerning the physical and chemical properties of XLPE samples, the melting point has been measured at 103°C and the crystallinity ratio is about 39 %. Before ageing, the carbonyl index, due to the slight presence of carbonyl bonds, has been assessed at 0.5.The impact of a combined electric and thermal stress on dielectric properties has been studied at 70, 80 and 90°C under 30 and 60 kV/mm during 857 days of aging tests. Breakdowns have been recorded only for samples aged at 90°C under 60 kV/mm. Increases of electrical capacitance and loss factor, possibly linked to the consumption of the antioxidant, have been observed only at 90°C, after 700 days and 400 days under 30 and 60 kV.mm-1 respectively. Space charge analysis has also shown significant evolutions. Differences have been observed as a function of ageing test temperature, applied electric field stress and ageing time. These results have been used to propose an ageing mechanism taking into account the development of space charges and based on the consumption of the antioxidant, leading to the growth of an XLPE oxidized layer near the semi-conductive electrodes and to a possible reduction in the virtual thickness of the insulation that could explain the sample breakdown. These results are specific to the testing protocole (Rogowski plaques in air circulation oven) and the proposed theory would need to be confirmed on specimens more representative from an HVDC cable with an aluminium screen (i.e. insulation protected from air). ; L'objet de ce travail de thèse est l'étude du polyéthylène réticulé chimiquement (PRC) utilisé pour les câbles haute tension à courant continu (HTCC). Les propriétés électriques du PRC ont été largement étudiées en alternatif mais sont moins bien connues dans le cadre d'une contrainte continue. Une meilleure compréhension des propriétés diélectriques et de la durée de vie pourraient permettre aux fabricants et utilisateurs de proposer des tests de qualification et s'assurer du bon fonctionnement des systèmes de câble durant leur exploitation.Ces travaux présentent dans un premier temps les câbles utilisés pour le transport HTCC ainsi que les contraintes physiques et chimiques endurées par le PRC, issu de la réaction de réticulation du polyéthylène basse densité amorcée par le peroxyde dicumylique. Il en résulte la présence de sous-produits, dont la majorité est évacuée par un traitement de dégazage. Un additif antioxydant est par ailleurs ajouté à l'isolant du câble pour protéger le PRC durant la production puis l'exploitation du câble. Les contraintes appliquées peuvent influencer les propriétés diélectriques de l'isolant, notamment la présence et le développement de charges électriques piégées (ou charges d'espace).Les propriétés de conduction en volume, les mécanismes de pertes diélectriques, la rigidité électrique, la charge d'espace et certaines propriétés physico-chimiques du matériau ont ainsi été étudiées. Pour ce travail, des disques de PRC munis d'électrodes semi-conductrices (échantillons de type Rogowski) ont été réalisés. Sous l'effet des contraintes électrothermiques, des charges électriques peuvent acquérir assez d'énergie pour être injectées puis participer à la conduction dans le volume de l'isolant. Selon la valeur du champ électrique appliqué, nous avons mis en évidence que le mécanisme d'injection dominant est l'effet Schottky et le mécanisme de transport majoritaire est de type « courant limité par charge d'espace » (usuellement appelé SCLC). En ce qui concerne les mécanismes de pertes, à faible fréquence, le mécanisme de conduction quasi DC a été identifié à température ambiante tandis qu'à 70, 80 et 90°C, la conduction DC a été mise en évidence. De plus, les pertes augmentent lorsque la température d'étude augmente. La rigidité diélectrique a été déterminée à 375 kV/mm à température ambiante, en utilisant la loi de Weibull. La charge d'espace a été étudiée en utilisant la méthode de l'onde thermique (MOT). Ces analyses ont montré la présence de deux types de charges dans le matériau : homocharge et hétérocharge. La prédominance d'un type de charge par rapport à un autre est influencée par le champ électrique et la température. Le champ électrique total (addition du champ électrique dû à la charge d'espace et avec le champ électrique appliqué) atteint jusqu'à 100 kV/mm en appliquant 60 kV.mm. Les caractérisations physico-chimiques ont montré une température de fusion du matériau de 103°C et un taux de cristallinité de 39 %. Avant l'application de contraintes, l'index de carbonyles, indiquant la présence de liaisons carbonyles a été évalué à 0,5.L'impact de contraintes électrothermiques sur les propriétés diélectriques du PRC a été étudié à 70, 80 et 90°C sous 30 et 60 kV/mm sur une durée de test de vieillissement de 857 jours. Le claquage des échantillons n'a été observé que sous 60 kV.mm-1 et 90°C Des augmentations de la capacité et du facteur de pertes ont été observées et pourraient être assignées à la consommation de l'antioxydant à 90°C, quelle que soit la contrainte électrique. La charge d'espace a elle aussi montré des évolutions significatives. Des différences ont été observées en fonction de la température, du champ électrique et de la durée de vieillissement. Ces résultats ont été utilisés pour proposer une cinématique de vieillissement prenant en compte la charge d'espace et basé sur la consommation d'antioxydant menant à la croissance d'une couche de PRC oxydé proche des électrodes semi-conductrices, n'assurant plus sa fonction principale ce qui, à termes, par diminution virtuelle de l'épaisseur d'isolant utile, pouvait conduire à la rupture diélectrique. Ces résultats sont spécifique au protocole d'essai (plaques de type Rogowski dans étuve à circulation d'air) et la théorie proposée devra être vérifiée sur des échantillons plus representatifs d'un câble HVDC avec écran aluminium (isolation protégée de l'air).
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