L'émergence des énergies renouvelables a entraîné le développement de nouvelles technologies pour la distribution de l'énergie sur de longues distances. Ces dernières sont basées sur le transport via de hautes tensions continues (HVDC) pour éviter les pertes capacitives. Ce réseau de distribution est interconnecté via des Postes Sous Enveloppes Métalliques (PSEM), dont l'isolation est composée de gaz sous pression (SF6) et d'isolants solides (résine époxy), qui doivent résister sous HVDC. Dans ces dispositifs, le champ électrique n'est plus déterminé par la permittivité relative des matériaux, mais par leurs résistivités et les phénomènes d'accumulation de charges. Dans le cas d'un isolant solide présentant une interface avec un gaz, des électrons ou des ions vont être susceptibles de se déplacer suivant les lignes de champ électrique et charger la surface de l'isolant solide. Le comportement des propriétés des isolants (solides et gazeux) constitue un enjeu majeur dans le développement de PSEM HVDC, notamment dans la compréhension des mécanismes d'accumulation et relaxation des charges.Dans ce travail de thèse, la caractérisation de l'isolant solide a d'abord été étudiée, basée sur des mesures de courants faibles bruits. Il est ainsi possible de mesurer le courant de fuite dans le volume et sur la surface des échantillons, dans une enceinte sous pression, à haut champ électrique et pour différentes températures. Ces mesures ont mis en évidence que les résistivités de volume et de surface sont fortement impactées par l'augmentation de la température et la teneur en eau des échantillons. Il a également été montré que la résistivité de surface a un comportement non-linéaire en fonction du champ électrique. Un modèle numérique a été développé pour simuler les résultats obtenus, et implémenter les propriétés de surface de l'isolant solide.Les propriétés isolantes du gaz ont également été étudiées pour différentes géométries de champ électrique, dans le but d'estimer la contribution du courant passant à travers le gaz, sur l'accumulation de charge en surface de l'isolant solide. Des courants non négligeables sont mesurés dans le gaz (~pA-nA). Pour déterminer les mécanismes responsables de la présence de tels courants, il a été caractérisé selon plusieurs paramètres (la rugosité de la surface de l'électrode, la nature du matériau, le champ électrique, la température et l'humidité relative). Cela a mis en évidence que les variations de courants dépendent du conditionnement du dispositif, et sont donc fortement influencés par l'humidité relative adsorbée sur les surfaces du dispositif (électrodes et cuves). En présence d'un système sec, de faibles courants sont mesurés (~pA), et augmentent en fonction de la température. A l'inverse, dans le cas d'un système humide, le courant diminue avec l'augmentation de la température. Ces résultats, combinés à l'influence de la rugosité de l'électrode, suggèrent fortement un mécanisme d'injection de charge à la surface de l'électrode, favorisé en présence d'eau adsorbée.Enfin, les résultats obtenus pour les deux isolants solides et gazeux sont utilisés pour élaborer un modèle numérique ayant une forme proche de celle de l'application industrielle, et permettent d'observer la modification de la distribution du champ électrique en présence de la concentration en eau et du gradient de température. Une estimation du courant circulant au travers des isolants est donc possible.En conclusion, ce travail donne les variations des résistivités de volume et de surface dans une résine époxy en fonction de la température et du champ électrique. Il met également en évidence la forte influence de l'humidité relative et de la température sur les mécanismes d'injection de charges qui contribuent au courant mesuré à travers le gaz. Cette caractérisation approfondie permet de développer une simulation qui prédit les variations de la distribution du champ électrique au sein d'un PSEM sous tension continue. / The emergence of renewable energy leads to a development of new technologies for energy distribution across long distances. The latter will be based on High Voltage Direct Current (HVDC) to avoid capacitance losses. This network is interconnected using Gas Insulated Substation (GIS), which insulation is composed of pressurized gas (SF6) and solid insulators (epoxy resin), which have to withstand HVDC. The electric field is not anymore determined by permittivity of materials, but by resistivities and charge accumulation. In the case of an insulator with an interface with gas, electrons or ions will move across electric field lines and will charge the surface of the solid insulator. The behavior of insulator's properties (gas and solid) constitutes a major challenge for the development of HVDC GIS, to understand the charge relaxation/accumulation mechanisms.In this work, the characterization of solid insulator has first been investigated, based on a low-noise current measurement method. It is thus possible to measure the leakage current through samples and onto their surface, in a pressurized gas, at high electric field and for different temperatures. Those measurements permit to evidence that both volume and surface resistivities are strongly impacted by the increase of temperature and water concentration. It has also been shown that surface resistivity has a non-linear behavior with electric field. A numerical model was developed, to simulate experimental results, showing that the surface properties of the insulator can be implemented.Furthermore, the insulating properties of the gas were also investigated through different electric field geometry (coaxial and uniform), in order to estimate the contribution of current through gas on the charge accumulated on solid insulators. It has been found that a non-negligible current passes through the gas (~pA to nA). To determine the mechanisms responsible for such currents, the latter has been characterized depending on several parameters (electrode surface roughness, material nature, electric field, temperature and relative humidity). It revealed that the variations of currents are strongly impacted by the conditioning of the device and thus by the relative humidity adsorbed on electrodes and enclosure surfaces. In presence of a dry system (dry gas and device) low current were measured (~pA), which increases with temperature. On the contrary, in case of a “wet” system (humid gas and device) the current decreases with increasing temperature. Those results combined with the influence of the electrode roughness, strongly suggest a mechanism of charge injection at the electrode surface, enhanced by water adsorption.Finally, the results obtained for both solid and gaseous insulations are used to develop a numerical model with a shape close to the industrial application, and observe the modification of electric field distribution in presence of water concentration and temperature gradient. An estimation of current flowing through the insulator and gas is thus possible in case of uniform and gradient temperature.In conclusion, this work gives the variations of both volume and surface resistivities in an epoxy resin with temperature and electric field. It also evidences the major influence of relative humidity and temperature on charge injection mechanisms which contribute to the current measured through gas. The extensive characterization performed, enables to develop a simulation which predicts the variations of electric field distribution within an HVDC GIS.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2014GRENT063 |
| Date | 07 October 2014 |
| Creators | Zavattoni, Laëtitia |
| Contributors | Grenoble, Lesaint, Olivier, Gallot-Lavallée, Olivier |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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