Contributions to the improvement of the thermal step method for space charge measurements in insulating structures for high voltage dc cables
Contributions à l'évolution de la méthode de l'onde thermique pour la mesure des charges d'espace dans les structures isolantes pour les câbles HTCC
Résumé
The increasing needs of electric power and the placement of power plants at more and more remote locations with respect to the users promote the development of electric power transport by DC submarine or terrestrial links. In the case of high voltage direct current (HVDC) cables with polymeric insulation, reliability is strongly affected by the development, under high electrical and thermal stress, of electric charges in the bulk of the dielectric and at the insulator/semiconductor interfaces. These accumulations of charges (called space charges as they are distributed in an insulating space) may lead to premature ageing and breakdown. The setup of new materials and the optimization of insulating structures for HVDC cables require a precise follow-up of the space charge zones. It is therefore necessary to develop non-destructive space charge measurement techniques, as the thermal step method (TSM), which is based on the application of a low temperature step to an insulating structure and on the measurement of a transient current due to the redistribution of influence charges at electrodes.The present work concerns the feasibility and the experimental set up of a device, based on the principle of the TSM, aiming to measure the space charges in insulating samples with semi-conducting electrodes, with a resolution approaching the degree of homogeneity of the interfaces (i.e., of micrometric order).After having reviewed the problematic of the dielectrics subjected to high dc fields and the existing space charge measurement methods, this dissertation presents several aspects and parameters related to the principle of the TSM, as well as to the definition and to the estimation of spatial resolutions. Analytical and numerical simulations are then carried out to study the contributions of a TSM-based setup on insulating structures composed of 100 µm-thick cross-linked polyethylene slabs provided with 30 µm-thick semiconducting electrodes. They show that the application of temperature steps, with amplitudes that do not affect the electrical and surface states of the materials, leads to measurement signals of several nano amperes for variations of the remnant electric field of the order of the kV/mm per micron. Highly effective thermal exchanges between the heat source (heating or coolant liquid) and the insulator are required to generate such signals, needed for measurements of sufficient dynamics and for resolutions approaching the micrometer. A bi-dimensional multi-physics simulation study is made, in order to analyze the heat transfer through a direct contact between the coolant liquid and a sample of the aimed type. The study allows to define and to optimize an innovating structure of thermal diffuser, where the heat exchanges operates by direct contact, thus providing a much better efficiency than the existing structures.The development of a TSM-based measurement tool, using the fallouts of the simulations, is then presented. It associates a hydro pneumatic system, a high efficiency diffuser favoring the dynamics of the thermal transfer and a sensor system, thus increasing the amplitude of the signals, the reproducibility and the accuracy of the measurements. Calibration measurements on the aimed samples show, with respect to the resolutions available on this type of structures (close to 10 µm), enhancements by a factor of 2 to 5 for the positioning resolution an a discerning resolution close to the state of the art. The critical analysis of the developed bench, corroborated to the predictions of the simulations, also puts into focus a significant room for improvement of the tool, for which evolutions proposed in this work would allow to enhance the performance.
L'augmentation des besoins en énergie électrique et l'éloignement croissant des lieux de production par rapport aux centres de consommation impulsent le développement du transport d'énergie en courant continu. Dans le cas des câbles haute tension à courant continue (HTCC) à isolation polymère, la problématique de la fiabilité est liée à l'établissement, sous l'effet des fortes contraintes électrothermiques, de zones de charges électriques dans le diélectrique et au niveau des interfaces isolant/compound semi-conducteur. De telles accumulations de charges (dites charges « d'espace » car reparties dans un espace isolant) peuvent faire vieillir prématurément les isolations, voire les faire claquer de manière intempestive. La mise en œuvre de nouveaux matériaux et l’optimisation des structures isolantes pour câbles HTCC nécessitent ainsi le suivi des zones de charges d’espace avec la plus grande précision. Il est alors nécessaire de développer des techniques de mesure non destructives, telle que la méthode de l’onde thermique (MOT), basée sur l’application d’un faible échelon de température à une structure isolante et sur la mesure d’un courant transitoire provoqué par la redistribution des charges d’influence aux électrodes.Ce travail porte sur la faisabilité et la mise en œuvre expérimentale d’une installation, basée sur le principe de la MOT, visant à mesurer les charges d’espace dans des échantillons isolants comportant des couches semi-conductrices, avec une résolution la plus proche possible du degré d’homogénéité des interfaces (de l’ordre du micromètre).Après avoir passé en revue les problématiques des diélectriques soumis à des forts champs continus et les méthodes de mesure de charges d’espace existantes, le mémoire présente divers aspects et grandeurs liés au principe de la MOT, ainsi qu’à la définition et à l’estimation des résolutions spatiales. Des simulations analytiques et numériques sont par la suite menées pour étudier les apports d’une mise en œuvre de la MOT sur des structures isolantes de polyéthylène réticulé chimiquement de 100 µm d’épaisseur avec des électrodes semi-conductrices de 30 µm. Elles montrent que l’application d’échelons de température d’amplitudes n’affectant pas les états électrique et de surface des matériaux se traduit par des signaux de mesure de plusieurs nano ampères pour des variations de champ résiduel de l’ordre du kV/mm par micron. La génération de ces signaux, nécessaires à des mesures ayant une dynamique suffisante et à des résolutions s’approchant du micron, requière des échanges thermiques hautement efficaces entre la source de chaleur (liquide caloporteur) et l’isolant. Une étude par simulation multi-physique bidimensionnelle est réalisée afin d’analyser le transfert de chaleur par contact direct entre un liquide caloporteur et un échantillon-type. Elle permet de définir et d’optimiser une structure innovante de diffuseur thermique et dans laquelle l’échange de chaleur entre le fluide et l’échantillon s’opère par contact direct, assurant ainsi une efficacité bien supérieure aux structures existantes.Le développement d’un outil de mesure par la MOT, basé sur les conclusions des travaux de simulation, est par la suite présentée. Il associe un système hydropneumatique, un diffuseur haute efficacité favorisant la dynamique du transfert thermique et un système de capteurs, en augmentant ainsi l’amplitude des signaux, la reproductibilité et la précision de la mesure. Des mesures d’étalonnage sur des échantillons cibles montrent, par rapport aux résolutions disponibles sur ce type de structure (autour de 10 µm), des améliorations d’un facteur 2 à 5 pour la résolution de positionnement et une résolution de discernement proche de l’état de l’art. L’analyse critique du banc développé, corroborée aux prédictions des simulations, met également en évidence la marge de progression sensible de l’outil, dont les évolutions proposées permettront d’accroître les performances.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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