Rozprawy doktorskie na temat „Isolation haute tension”

Ce travail porte sur la tenue dielectrique dans les cables haute tension a isolation gazeuse (cig), susceptibles de suppleer aux lignes aeriennes. Dans ces cables, l'emploi d'isolateurs solides, inevitable pour le maintien des conducteurs, cree une interface gaz - solide, dont la tenue dielectrique conditionne celle de l'ensemble du systeme. Effectuee dans une configuration tres proche de la pratique industrielle, l'etude experimentale montre que l'azote gazeux ne permet pas d'assurer le transport des tres hautes tensions sans atteindre des pressions assez elevees (20 bars). Quant a l'utilisation du sf#6 pur dans les cig, elle est discutable surtout du point de vue economique et ecologique. L'etude realisee, laisse cependant apparaitre, qu'il est necessaire d'adjoindre une faible proportion de sf#6 dans l'azote afin d'assurer une tenue dielectrique correcte tout en restant a des niveaux de pression acceptables. Pour une pression de melange de 12 bars absolus, la proportion de sf#6 doit etre de 10 % pour obtenir une tenue en tension equivalente a celle de 4 bars de sf#6. En dehors de son aspect industriel, ce travail analyse aussi certaines differences observees entre le comportement dielectrique de l'azote et du sf#6 : l'efficacite de l'isolateur, les marques laissees par la decharge, le courant de predecharge et la geometrie de l'isolateur.

Ce travail s'inscrit dans le cadre de la recherche d'une alternative à l'utilisation du gaz hexafluorure de soufre (SF6) dans l'appareillage électrique Haute Tension et plus particulièrement les postes à isolation gazeuse. Ce gaz possède de bonnes propriétés diélectriques mais son potentiel de réchauffement global (GWP) est estimé à 23900 fois celui du dioxyde de carbone (CO2). Malheureusement, les gaz dits simples tels que l'azote (N2) présentent une tenue diélectrique deux à trois fois plus faible que celle du SF6. Dans le but d'améliorer la tenue diélectrique du système, on se propose d'appliquer sur les conducteurs un revêtement isolant à base de silicone constitué d'une sous-couche semi-conductrice d'épaisseur 0.5 mm et d'une couche isolante d'épaisseur 1.5 mm, afin de limiter ou supprimer le rôle des électrons du métal. Les essais diélectriques réalisés sous une tension de choc de foudre dans des conditions expérimentales proches de la pratique industrielle montrent qu'en présence de N2 la tenue diélectrique du système avec revêtement est régie par le gaz. Par conséquent, l'application du revêtement sur les conducteurs diminue la tenue diélectrique du système (effet capacitif). Ces essais montrent, cependant, qu'il est possible d'améliorer la tenue diélectrique du système avec le revêtement, en présence de SF6 en polarité négative. Les paramètres importants semblent être la propreté du gaz, le degré d'ionisation du gaz et surtout les charges qui se déposent à l'interface gaz-revêtement qui, dans certaines conditions, ont un effet bénéfique : ce dernier résultat donne une piste aux travaux futurs.

En électronique de puissance, un des principaux axes de recherche, concerne la montée en température. L'encapsulation et la passivation du module de puissance constituent, sous cette contrainte, des verrous technologiques. En effet, les matériaux polymères habituellement utilisés ne peuvent plus satisfaire des exigences en température fixée dans notre étude à 350°C sans pertes importantes de leurs propriétés diélectriques. L'isolation gazeuse a été alors envisagée et quelques résultats encourageants ont été dégagés. Le seuil d'apparition des décharges dans des gaz est étudié en vue de leur utilisation dans des modules de puissance à haute température. Deux gaz ont été sélectionnés pour leurs propriétés diélectriques et leurs GWP faibles : l'octafluoropropane (C3F8) et l'octafluorocyclobutane (c-C4F8), l'azote (N2) faisant référence pour comparaison. Au préalable, une étude sur les céramiques les plus utilisées à haute température est réalisée. Cette étude montre un changement du mécanisme de conduction de l'alumine et de l'AlN passant d'un régime capacitif à un régime résistif et modifiant au passage les propriétés de surface en facilitant l'écoulement des charges dans le volume du matériau tandis que le Si3N4 conserve un comportement capacitif et les charges en surface même à haute température. L'échauffement local des gaz met en évidence une diminution du seuil d'apparition des décharges avec la température et ce quel que soit le gaz étudié. La modification de la distance inter-électrodes permet de diminuer la variation du seuil d'apparition avec la température pour de faibles distances. Des expériences complémentaires ont été menées afin de comparer ces résultats à ceux obtenus lors d'un chauffage global. L'utilisation de gaz dans des packaging de puissance s'avère donc prometteuse mais demande une meilleure compréhension et maîtrise des mécanismes en jeu
In power electronics, one of the main research topics concerns high temperature operation of the components. Under such a constraint, the encapsulation and the passivation of the semiconductors devices in power module appear as physical and technological bottleneck. As a matter of fact, usual polymeric materials are unable to endure the temperature requirements set out in our study (350 °C) without significant loss of their dielectric properties. Therefore, gas insulation is considered and encouraging results have been obtained. The Discharges Inception Voltage is studied for different gases that could be used in high temperature power modules. Thanks to their dielectric properties and their low GWP, two gases have been selected: octafluoropropane (C3F8) and octafluorocyclobutane (c-C4F8), nitrogen (N2) being used as reference in this study. In a first step, the high temperature behaviors of the most widely used substrate materials (ceramics) are studied. A change of the conduction mechanism from a pure capacitive behavior (at low temperature) to a pure resistive one (at high temperature) is observed for both alumina and AlN samples. On the contrary, Si3N4 remains capacitive whatever the temperature. Such a behavior has an impact on the charges located at the surface. They disappear quickly for the two formers while they slowly decrease for the later. The field reinforcement associated to their existence and its impact on the DIV will not be the same. Whatever the gas under study, a local heating leads to a decrease in the DIV with temperature. A decrease of the distance between the two electrodes, leads to a decrease of the DIV changes vs Temperature. These results are compared to the measurements performed when the samples were uniformly heated. The use of gas in power packaging seems to be promising but it still needs a better understanding of the mechanisms involved

Dans la plupart des disjoncteurs haute tension à isolation gazeuse (DIG), les conducteurs électriques sont maintenus par des supports isolants à base de résine époxyde. En raison de problèmes à la fois économiques et écologiques (recyclage difficile), ces matériaux tendent à être remplacés par des polymères thermoplastiques. Ce travail porte sur l'analyse des propriétés diélectriques et du comportement du polyéthylène téréphtalate, censé remplacer les époxydes dans les DIG et dans d'autres applications haute tension. Les différentes propriétés diélectriques du PET en couches épaisses à l'état initial (rigidité diélectrique, résistivité, constante diélectrique, facteur de pertes, tenue aux décharges partielles, propriétés de conduction) sont déterminées et étudiées à différentes températures. Dans le but d'appréhender les limites d'utilisation du matériau et son comportement dans le temps, une étude de vieillissement électrothermique accéléré sous fort champ alternatif (50 Hz) est présentée
In most high voltage gas insulated switchgears (GIS), electrical conductors are maintained by insulating materials based on epoxy resin. Due to economical and environmental problems (difficulties to recycle), these materials are subject to be replaced by thermoplastic polymers. This study focuses on the analysis of dielectric properties and behaviour of polyethylene terephtalate, intended to be used in GIS and other high voltage applications. Several properties of thick PET layers at initial state (breakdown strength, resistivity, dielectric constant, loss factor, resistance to partial discharges, conduction properties) are studied at different temperatures. An accelerated electrothermal ageing study undertaken under ac field (50 Hz) is presented in order to approach the limits of use of the materials and to evaluate its long term behaviour

La methode de l'onde thermique est une methode nouvelle de determination des densites de charges d'espace dans les isolants solides. Appliquee aux cables, elle est basee sur la diffusion radiale d'un front de chaleur a partir de la face externe de l'eprouvette, et sur la dilatation non uniforme qui en resulte. Le modele theorique adopte pour de telles structures cylindriques permet d'etablir une relation simple entre le courant mesure et les densites de charges. La validation du modele thermique a deux sources de chaleur a ete verifiee dans le cas des structures plane et cylindrique. Les parametres thermiques propres du materiau et de la cellule de mesure ont ete determines. Cette nouvelle methode a ete appliquee a la mesure des charges d'espace dans cables haute tension a forte epaisseur d'isolant

Après sa production dans des centrales, l'électricité est acheminée sur de longues distances à travers le réseau électrique qui comporte des appareils haute tension destinés à la protection des installations. Parmi ces dispositifs, le GIS (Gaz Insulated Switchgear), dans lequel l'isolation électrique est assurée par le gaz SF6, est très utilisé. Il est soumis à des normes de sécurité imposant, notamment, des seuils de température à ne pas dépasser durant son fonctionnement. La connaissance et la maîtrise des phénomènes électromagnétiques et thermiques à l'origine des augmentations de température dans le GIS sont des enjeux cruciaux. Elles permettent un dimensionnement plus rapide et plus précis des appareils, aboutissant à un unique essai de validation des critères fixés par les normes. Elles fourniront également des solutions visant à réduire les échauffements des GIS. Cette réduction est importante car elle permet la circulation d'un courant plus élevé dans le GIS, ce qui aboutit à une amélioration des performances de l'appareil. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse présentent une analyse des phénomènes électro-thermiques dans le GIS et plus précisément dans les jeux de barres. Ils permettent la détermination des paramètres influençant l'augmentation de température dans cette géométrie. La contribution de chaque mode de transfert de chaleur (convection, rayonnement) est estimée et discutée. Une modélisation numérique du champ de température induite par la circulation du courant dans les jeux de barres est également proposée, en tenant compte du couplage avec le champ de vitesse induit
Electricity is produced by power stations and is transported throughout the electric-power transmission at long distances with high voltage apparatus. The GIS (Gas Insulated Switchgear) is widely used switchgear. The electric insulation is ensured by the gas SF6. Security IEC norms impose temperature rises not to be exceeded during GIS operating. It is important to know and control the electromagnetic and thermal phenomenons which generate temperature rises. The switchgear design could then be faster and more precise, leading to only one successful temperature rise test. Solutions to reduce temperatures could also be found. The temperature rise reduction is crucial as it allow a higher current flowing through the GIS and an increase of its efficiency. The word achieved during this thesis presents an analysis of electro-thermal phenomenons in GIS and, more precisely, in busbars. It leads to the determination of the parameters influencing temperature rises and of the heat transfers proportion which is assessed and discussed. A numerical modelization is carried out to examine the temperature rises induced by the current flow in busbars

La faisabilite d'une filiere technologique a isolation dielectrique basee sur la technique de soudure directe sur silicium est ici etudiee et demontree, pour les applications de puissance intelligente dans la gamme des hautes tensions (1000-1500 v, 1-20 a), ou une configuration verticale du composant de puissance est necessaire. L'isolation statique et dynamique du circuit basse tension, integre a cote de ce composant de puissance vertical, est le point critique de cette famille de circuits integres. L'isolation par dielectrique offre une meilleure protection pour le caisson basse tension, car elle elimine les composants bipolaires parasites presents dans une technologie a isolation par jonction. L'utilisation de la soudure directe sur silicium permet d'obtenir a un cout modere une couche d'oxyde d'isolation enterree. En outre, notre application necessite la presence d'une zone de soudure si/si dans la partie active du composant de puissance vertical. L'influence du nettoyage avant soudure sur les caracteristiques electriques de l'interface si/si est mise en evidence, et la presence de defauts cristallins dans cette zone est consideree comme la principale cause de possibles dysfonctionnements. Les solutions apportees aux problemes de compatibilite de procede de la soudure sur silicium avec un procede standard ont permis de valider une filiere complete comportant l'integration simultanee d'un transistor bipolaire de puissance vertical avec une circuiterie de controle bipolaire. Une terminaison haute tension pour le circuit integre de puissance, d'optimisation simple, basee sur le concept d'anneaux polarises, et ne necessitant pas d'etape technologique supplementaire, est enfin proposee pour completer la filiere technologique mise en place. Cette structure d'anneaux est etudiee a l'aide de simulations electriques bidimensionnelles (logiciel bidim2) ainsi que d'un modele analytique simplifie

Les récentes avancées dans la technologie du courant continu, du côté du transport à haute tension et de la consommation à basse tension, ont propulsé le courant continu de moyenne tension (MVDC) au premier plan. Cette thèse explore les propriétés isolantes en courant continu de deux matériaux couramment utilisés dans l'équipement de distribution : de l'époxy chargé en micro-silice et le silicone elastomère.Dans une configuration monocouche, chaque matériau a fait l'objet d'une enquête approfondie, mettant l'accent sur les caractéristiques de sorption d'eau et la conduction électrique. Des mesures de courant ont été effectuées pour analyser la conduction dans divers niveaux de champs, à différentes températures et conditions d'absorption d'eau. De plus, la méthode Laser Pressure Pulse (LIPP) a été utilisée pour des mesures de charge d'espace en tant que technique complémentaire. L'étude s'est étendue à une configuration bicouche, combinant les deux matériaux, nous permettant ainsi de confirmer un modèle prédisant les propriétés du multicouche et sa distribution de champs en fonction des valeurs des monocouches.La conduction en courant continu dans l'époxy a montré une forte dépendance à l'absorption d'eau, l'humidité influençant la non-linéarité et modifiant le mécanisme de conduction. À l'inverse, le silicone a démontré une conduction limitée par l'électrode, avec des variations de courant liées à la sorption d'eau par le biais d'un mécanisme limité par saturation. Dans une configuration bicouche hypothétique, où l'époxy représente un manchon et le silicone sert de terminaison de câble, le champ est censé se concentrer dans l'époxy dans des environnements secs, passant au silicone à mesure que l'humidité augmente. La thèse se conclut par des discussions sur les stratégies de sélection des matériaux et la conception de configurations multicouches
Recent advancements in direct-current technology from the high-voltage transport and low-voltage consumption have brought medium-voltage DC (MVDC) to the forefront. This thesis delves into the insulating DC properties of two commonly used materials in distribution equipment: epoxy filled with silica and silicone rubber.In a monolayer configuration, each material underwent extensive investigation, focusing on water sorption characteristics and electrical conduction. Current measurements were conducted to analyze conduction under various fields, temperatures, and water uptake conditions. Additionally, the Laser Pressure Pulse (LIPP) method was employed for space charge measurements as a complementary technique. The study extended to a bilayer configuration, combining both materials, with insights from monolayer experiments informing the properties of the bilayer and predicting field distribution.The DC conduction in epoxy exhibited high dependence on water absorption, with moisture influencing non-linearity and altering the conduction mechanism. Conversely, silicone demonstrated electrode-limited conduction, with current variations tied to water sorption through a saturation-limited mechanism. In a hypothetical bilayer configuration, where epoxy represents a type-C bushing and silicone serves as the cable termination, the field is expected to concentrate in the epoxy in dry environments, shifting to silicone as humidity increases. The thesis concludes with discussions on material selection strategies and the design of multi-layer configurations

Le but de cette etude est de mettre en evidence l'effet de la pression hydrostatique sur le vieillissement electrique en courant continu des polyethylenes utilises dans les cables de transport d'energie sous-marins. Le memoire comporte quatre chapitres dont le premier est consacre a la synthese bibliographique des modeles de duree de vie d'isolants solides en fonction de la contrainte electrique et de la temperature. La description des dispositifs experimentaux de mesure de la duree de vie a pression atmospherique et sous pression hydrostatique est donnee au deuxieme chapitre. Dans le troisieme chapitre, on presente les resultats experimentaux obtenus a 1 et 300 bar, a la temperature de 70c dans une gamme de champ allant de 1,1 a 4,5 mv/cm jusqu'a des temps de mesure de 1500 heures. Les resultats experimentaux montrent une augmentation de la duree de vie avec la pression. L'utilisation de la statistique de weibull et la determination des intervalles de confiance confirment cette augmentation. Dans le quatrieme chapitre, on essaye d'expliquer les resultats avec le modele de puissance inverse, le modele de crine base sur l'energie de gibbs et l'existence de submicrocavites dans le materiau et le modele de claquage thermique. L'hypothese finale est l'existence des phenomenes de charge d'espace, influences par le parametre pression, que l'on a pu verifier par une premiere serie de mesure basee sur l'onde thermique

Le travail presente traite de l'evolution de la tenue dielectrique a court terme des isolants synthetiques. La methode repose sur l'analyse statistique d'un grand nombre de donnees concernant les tensions de rupture obtenues par application de rampes de tension sur des films polymeres (polyethylene reticule). Apres avoir souligne l'importance d'une telle evaluation dans le domaine des cables de transport d'energie, nous presentons les differents modeles statistiques utilises dans le domaine de la rupture. La methodologie mise au point concerne la procedure d'acquisition des donnees experimentales et le traitement statistique associe. L'analyse est fondee sur le modele de weibull generalisee avec trace des intervalles de confiance des distributions et recherche du seuil. Les parametres caracteristiques sont obtenus soit par une methode des moindres carres, soit par une methode de maximum de vraisemblance. La recherche de la signification physique des champs seuils de weibull necessite la connaissance des mecanismes de rupture. A cette fin, l'influence de divers parametres experimentaux est discutee (surface et rugosite des electrodes, epaisseur des echantillons). La methodologie mise au point est appliquee a l'evaluation du vieillissement electrique accelere d'isolants polyethylenes en presence d'eau

Que ce soit dans l‟étude du claquage sous vide ou dans les sources d‟électrons par effet de champ, l‟émission électronique est un phénomène physique essentiel qui a lieu et devient dominante à la cathode sous haute tension. Dans le cas du claquage sous vide, la première étape de ce mécanisme est l‟émission d‟électrons au sommet de rugosités présentes sur la surface. Celles-ci peuvent être représentées sous la forme de pointes. Dans le cas des sources d‟électrons, l‟émission des électrons peut se faire au niveau d‟émetteurs qui eux aussi peuvent être décrits sous la forme de « pointes » distribués de manière ordonnée sur la surface. Un modèle numérique décrivant l‟émission thermo-ionique assistée par effet de champ a été développé dans le cas d‟une pointe axisymétrique et dont le traitement peut être réduit en 2D.Il s‟agit là d‟un problème multi-physique couplé nécessitant la résolution de problèmes de différentes natures : quantiques, électrostatique, électrocinétique et thermique. A partir de ce modèle, l‟étude de l‟émission et du claquage au sommet d‟une pointe soumise à une pulse électrique de l‟ordre de la nanoseconde a été étudiée. L‟étude de l‟émission électronique sur une cathode soumise à la haute tension et illuminé par un laser picoseconde a ensuite été faite en développant un modèle qui décrit notamment le chauffage du métal en régime hors équilibre. Enfin, dans le cas du claquage sous vide, la modélisation de l‟interaction entre des microparticules, présente dans l‟espace inter-électrodes,et de l‟émission électronique provenant du sommet d‟une rugosité a été realisée. Différents régimes de trajectoires de la microparticules ont été observée suivant le courant appliqué au sommet de la rugosité
Electron emission in vacuum from a cathode at high voltage is an important physical phenomenon for the study of vacuum breakdown or electron sources. In the vacuum breakdown, the first step of this mechanism is electron emission at the top of the microprotrusions on the surface. Microprotrusions or emitters in electron sources have the shape of a tip. A numerical model describing the thermo-field emission has been developed for a 2D axisymmetric tip. The problem is multi-physical and it is necessary to solve problems of different natures: quantum mechanics, electrostatic, electric current and thermal heating. With this model, it is possibleto study electron emission and vacuumbreakdown when nanosecond high voltage pulses are applied. Furthermore, the study of electron emission when a picosecond pulsed laser illuminates a high voltage cathode has been performed. A new model has been developped to describe the photo-electric effect and a two-temperature model has been implemented to describe the heating of the cathode in a non-equilibrium regime. Finally, the modeling of the interaction between microparticles and electron emission from microprotusions has been realised, in order to study the breakdown voltage. Different trajectories of microparticles have been identified based on the results, depending on the electron emission current

L’avènement des énergies renouvelables, notamment offshore, et la nécessité de transporter l’électricité sur des distances toujours plus grandes tout en réduisant les pertes en ligne requièrent la mise en place d’un nouveau réseau électrique plus performant, le supergrid. L’amélioration des sous-stations ultra haute tension en courant alternatif (UHVAC) de type poste sous enveloppe métallique (PSEM), i.e. la réduction de leur empreinte au sol ou leur montée en tension, s’inscrit parmi les défis engendrés par le développement du supergrid. L’amélioration de la tenue aux contraintes électrothermiques des isolants solides employés dans les PSEM a été identifiée comme le principal verrou technologique pour le perfectionnement de ces appareillages, déjà pleinement maîtrisés en HVAC. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont été motivés par la nécessité de développer un matériau isolant électrique plus performant que les matériaux existant actuellement sur le marché. L’un des matériaux couramment employés pour la fabrication d’isolants solides pour PSEM, une matrice époxy-anhydride chargée d’alumine micrométrique, a servi de référence commerciale à notre étude. Suite à une étude bibliographique, nous avons choisi de conserver la matrice époxy du système commercial de référence et de jouer sur les charges inorganiques employées pour optimiser les propriétés du matériau isolant. Les travaux présentés mettent en évidence l’influence de la nature des charges inorganiques (alumine ou nitrure de bore hexagonal), de leur facteur de forme (quasi sphérique ou lamellaire) et de leur fraction volumique sur la conductivité thermique, le coefficient d’expansion thermique, les propriétés mécaniques dynamiques, les propriétés diélectriques, la conductivité électrique à haute tension (DC) et la rigidité diélectrique (AC) des matériaux composites. L’étude expérimentale des relations structure-propriétés est complétée par un travail de modélisation des propriétés diélectriques et de la conductivité thermique des matériaux composites
The integration of renewable energies to the power grid requires its modification in order to ensure its stability, security and efficiency. Improving ultra-high voltage alternative current (UHVAC) gas insulated substations (GIS), e.g. reducing their size or increasing their voltage, is one of the challenges induced by the development of the future power grid, the supergrid. Increasing the ability of solid insulators used in such equipment to withstand electro-thermal stress has been identified as the main obstacle to overcome. The work presented in this manuscript has been motivated by the necessity to develop more efficient electrical insulating materials compared to commercially available ones. An epoxy-anhydride matrix filled with micron sized alumina, often used to produce GIS solid insulators, has been used as a reference for this study. We decided to keep the matrix of the reference material throughout our work and to concentrate on the filler influence in order to optimize the properties of the composites. The impact of the nature of the filler (alumina or hexagonal boron nitride), its shape factor (platelets or almost spherical particles) and its volume fraction upon thermal conductivity, coefficient of thermal expansion, dynamic mechanical properties, dielectric properties, high voltage direct current (DC) conductivity and AC breakdown strength have been highlighted. The experimental study of structure-property relationships is completed by dielectric properties and thermal conductivity modelling using the effective medium theory

Etude de l'aspect statique du contournement, on montre experimentalement que les criteres de wilkins et hampton ne s'appliquent qu'au modele d'obenaus. Mise en evidence de l'importance du champs electrique au voisinage de la decharge. Etude detaillee de la conduction electrolytique et de son evolution pendant le contournement

Ce travail concerne le développement des câbles haute tension à courant continu (HVDC) à base de polyéthylène réticulé chimiquement (XLPE). Le développement de ce type de câble est confronté au problème d'accumulation de charges d'espace, lié à la nature des électrodes semi-conductrices et de l'isolant. Dans le cadre de cette thèse, la méthode électroacoustique pulsée (PEA) est utilisée pour étudier l'accumulation de charges d'espace dans les matériaux sur plaques modèles et sur câbles. Le rôle joué par les sous-produits de réticulation sur la formation d'hétérocharges est clairement mis en évidence par l'étude du conditionnement du XLPE. Un modèle basé sur une polarisation hétérogène est proposé pour expliquer la formation d'hétérocharges. Les résultats obtenus sur différentes formulations d'isolants montrent une implication certaine des additifs dans la formation de charges d'espace. L'étude réalisée sur les couches semi-conductrices a permis, par ailleurs, d'identifier l'impact des différents constituants (noir de carbone, matrice etc. . ) sur la formation de charges. Pour l'étude des câbles maquettes, une méthode de déconvolution des profils PEA tenant compte de la géométrie cylindrique, de l'atténuation et de la dispersion d'onde acoustique est d'abord mise au point. Les mesures sur des câbles maquettes non traités ont permis de mettre en évidence un déplacement du point de champ maximum depuis l'âme du câble vers le semi-conducteur extérieur du câble due à une accumulation massive d'hétérocharges au niveau de l'électrode externe. L'influence du gradient thermique sur l'accumulation de charges est également abordée dans ce travail
This work deals with the development of High Voltage Direct Current cables based Cross-linked polyethylene (XLPE). The development of such a cable is confronted to the problem of space charge build-up which is linked to the nature of the semiconducting electrodes and the insulating material. In the framework of this thesis, the pulsed electro-acoustic (PEA) method has been used to study space charge build-up in both plaque and model cables. The impact of cross-linking by-products on the heterocharges accumulation has been highlighted by investigations on XLPE conditioning. A model based on heterogeneous polarization has been established to describe heterocharges build-up. Results obtained on different insulating formulations have shown a clear impact of additives regarding space charge build-up. Furthermore, study of semi-conducting layers has enabled identifying the effect of the different compounds such as carbon black, polymer matrix on charges build-up. For model cables, a deconvolution method of raw PEA signal which takes into account the cylindrical geometry, the attenuation and the dispersion of acoustic waves has been developed. Measurements on non-treated model cables have shown a displacement of the point where the field is at maximum from the inner to the outer semi-conducting electrode. This is due to a massive heterocharges build-up adjacent to the external electrode. The impact of thermal gradient on space charge build-up has also been addressed in this work

L'isolation haute tension à base de matériaux semi-conducteurs est devenue une technique très répandue pour la réduction des fortes contraintes en champ électrique. Elle fait partie intégrante des nouveaux systèmes d'isolation à base de matériaux polymères comme par exemple les câbles haute tension à isolation synthétique. Il existe une grande quantité de produits semi-conducteurs conçus pour l'isolation haute tension mais leur utilisation reste assez empirique du fait de leur double comportement conducteur/isolant, du caractère non linéaire de la conductivité et de la permittivité et de leur anisotropie. Ce travail de thèse répond à l'intérêt grandissant de ces matériaux dans le domaine industriel. Il porte sur la modélisation de leur comportement à l'aide de techniques numériques. La procédure retenue consiste à coupler la méthode des éléments de frontière (BEM) et la méthode des éléments finis (FEM). La première est bien adaptée à la modélisation des grands domaines à propriété isotrope et uniforme alors que la seconde permet de prendre en compte les non linéarités et l'anisotropie présentes dans les matériaux semi-conducteurs. Afin de modéliser les matériaux semi-conducteurs ayant une conductivité qui dépend du module du champ électrique, un schéma temporel basé sur la méthode des trapèzes pour l'intégration temporelle et sur la méthode du point fixe pour la résolution des non linéarités, ont été développés. Les validations numériques démontrent que les fortes non linéarités de type exponentiel, apparaissant lors des coups de foudre, peuvent désormais être prises en compte. De plus, la bonne estimation du champ normal aux frontières s'est avérée indispensable lorsque la conductivité est dépendante du module du champ électrique. Cette bonne prise en compte a été permise grâce à l'utilisation des équations intégrales de frontière dans les régions diélectriques. Enfin, l'emploi de la méthode des équations intégrales de frontière (BEM) a nécessité la prise en compte des singularités géométriques en présence d'une région semi-conductrice. Les équations pouvant traiter ces cas n'étant pas connues, des tests numériques basés sur les équations traitant les singularités dans le cas électrostatique ont été menées, ce qui a permis de prendre en compte certains cas de ces singularités.

Le phénomène de décharges partielles (DP) est considéré comme l'une des principales causes de dégradation des matériaux isolants utilisés dans l’appareillage haute tension. La mesure de DP constitue un outil d’évaluation efficace pour le contrôle et le diagnostic des systèmes d’isolation électriques. Dans la perspective de stimuler le développement des énergies renouvelables, le transport de l’énergie électrique sous courant continu est économiquement avantageux. Cependant, la relation entre les caractéristiques des décharges partielles et l'état de dégradation de l'isolation des câbles sous haute tension continue (HVDC) n'est à ce jour, pas clairement établie. Dans cette thèse, une méthodologie a été développée pour la reconnaissance de l’état de dégradation des matériaux isolants à partir de la mesure de DP sous tension continue. Plusieurs dispositifs expérimentaux ont été conçus pour la mesure de DP au sein de différents types de câbles sous HVDC. Afin de collecter des signaux utiles au diagnostic des systèmes d’isolation, les signaux parasites doivent être éliminés. La discrimination des signaux de décharges partielles des signaux de bruit a été effectuée au sein de systèmes d’isolation électriques variés, à travers l’implémentation de méthodes d’apprentissage artificiel. Une fois les bases de données exemptes de signaux parasites, des techniques d’extraction, de classement et de sélection de variables, combinées à l’utilisation de méthodes de classification, ont été mises en œuvre pour la reconnaissance de l'état de dégradation des systèmes d'isolation électrique sous DC. Des scores de reconnaissance proches de 100% ont été obtenus
Partial discharges (PD) are one of the key drivers of degradation and ageing of insulating materials used in high-voltage switchgear. Consequently, partial discharges measurement has become an essential assessment tool for the monitoring of insulation systems. Given the continuing growth of renewable energy, the transport under direct current (DC) is economically advantageous. However, the relationship between partial discharges characteristics and the degradation of cables insulation under high voltage direct current (HVDC) remains unclear. In this work, a methodology is proposed for ageing state recognition of electrical insulation systems based on PD measurements under DC. For this purpose, original measuring devices have been developed and PD measurements were performed within different cable types under HVDC. In order to ensure a reliable monitoring and diagnosis of the insulation, noise signals must be eliminated. This thesis tackles the problem of the discrimination of partial discharge and noise signals acquired in different environments by applying machine learning methods. The techniques developed are a promising tool to improve the diagnosis of HV equipment under HVDC, where the need to discard automatically noise signals with high accuracy is of great importance. Once disturbances were eliminated from the databases, ageing state recognition was performed on different cable types. The feature extraction, ranking and selection methods, combined with classification techniques allowed to obtain recognition rates up to 100%

Le travail presente est une contribution a l'etude des phenomenes de charge d'espace dans les polymeres isolants utilises en h. T. La methode de mesure des densites volumiques de charge d'espace est celle de l'onde thermique. Plusieurs ameliorations ont ete apportees notamment dans la realisation d'un nouveau banc de mesure, dans la resolution analytique de l'equation de propagation de la chaleur et dans la deconvolution de l'equation integrale. Des mesures de charges d'espace sur divers polymeres ont permis de mettre en evidence le comportement du materiau isolant et le role de l'electrode

L'objectif de cette these est d'etudier la generation des streamers dans l'huile minerale sous tension impulsionnelle et tension alternative avec des conditions de champ largement variees en presence de certaines pollutions (particules et eau). Ce travail apporte une meilleure comprehension de la generation des phenomenes precurseurs du claquage. Les resultats obtenus mettent en evidence l'influence importante de la geometrie et des impuretes (particules, eau) sur la generation des streamers. Un effet remarquable de diminution du champ de generation avec l'augmentation du rayon de courbure de l'electrode est observe. Cette diminution est l'origine de l'effet de surface generalement observe sous creneaux de tension et sous tension alternative dans l'huile tres bien filtree. Une degradation supplementaire existe lorsque l'huile est polluee et soumise a la tension alternative. L'etude realisee en geometrie semi-uniforme (plan-plan avec une electrode d'amorcage) permet de simuler les conditions de generation et de propagation des streamers provoques par des particules ou des asperites de la surface en geometrie uniforme.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’amélioration du comportement électrique des isolateurs de lignes haute tension ; l’objectif est d’assurer une meilleure fiabilité et qualité d’alimentation en énergie électrique. Ce travail a été motivé par la nécessité de répondre à trois questions liées au comportement des isolateurs verre en zone polluée. La première porte sur la recherche d’une méthode permettant de calculer la tension de contournement des chaînes polluées selon le type d’isolateur et ses caractéristiques. La deuxième question concerne la différence de comportement entre les isolateurs en verre et les isolateurs en porcelaine de type « outerrib » ; ce type d’isolateurs présente une forme spécifique adaptée aux environnements à forte pollution. Les tensions de contournement ainsi que les trajectoires de l’arc sur les isolateurs en verre sont très différentes de celles observées avec les isolateurs en porcelaine. Et la troisième question est relative à la défaillance des isolateurs recouverts de silicone lors des essais en chocs (des impulsions de tension) à front raide. En effet, les isolateurs recouverts d’une couche de 0.3 mm (ou plus) de silicone hydrophobe explosent lorsqu’ils sont soumis à des impulsions de tension à front raide d’amplitude très élevée pendant un temps très court. Différents mécanismes pouvant être à l’origine de l’explosion/éclatement des isolateurs recouverts d’une couche de silicone sont discutés. Il ressort des différents tests et analyses que le mécanisme le plus probable semble être la fragmentation par plasma. En effet, suite à l’application d’une tension à front raide, d’amplitude très élevée, des canaux (fissures) microscopiques prennent naissance là où le champ électrique est le plus intense. L’application répétitive des chocs de tension conduit au développement de décharges dans ces canaux (rupture diélectrique de l’air) c’est-à-dire des arcs (canaux de plasma) qui se développent/propagent dans le volume de l’isolateur. La puissance déchargée (c’est-à-dire l’énergie stockée dans les condensateurs du générateur en des temps très courts) dans ces canaux à chaque choc étant très élevée, elle conduit à l’explosion de l’isolateur après quelques chocs (parfois 5 ou 6 suffisent): c’est la fragmentation par plasma
This thesis deals with the improvement of the electrical behavior of insulators of high voltage lines; the objective is to ensure better reliability and quality of power supply. This work was motivated by the need to answer three questions related to the behavior of glass insulators in polluted areas. The first one concerns the search for method for calculating the flashover voltage of polluted chains according to the type of insulator and its characteristics. The second question concerns the difference in behavior between glass insulators and "outerrib" porcelain insulators; this type of insulator has a specific shape adapted to environments with high pollution. The flashover voltages as well as the trajectories of the arc on glass insulators are very different from those observed with porcelain insulators. And the third issue is the failure of silicon-coated insulators during shock tests (pulses) with a steep front. Indeed, insulators coated with a layer of 0.3 mm (or more) of hydrophobic silicone explode when subjected to very high amplitude steep-edge voltage pulses for a very short time. Different mechanisms that may be responsible for the explosion / puncturing of insulators covered with a layer of silicone are discussed. It appears from the various tests and analyzes that the most probable mechanism seems to be plasma fragmentation (cracking). Indeed, following the application of a steep front voltage, of very high amplitude, microscopic channels (fissures) originate where the electric field is most intense. The repetitive application of impulse voltages (shocks) leads to the development of discharges in these channels (breakdown of the air), i.e.; arcs (plasma channels) which develop / propagate in the volume of the insulator. The discharged power (i.e.; the energy stored in the capacitors of the generator in a very short times) in these channels (cracks) at each shock being very high, leads to the explosion of the insulator after some shocks (5 to 6 sometimes): it is the fragmentation by plasma or plasma cracking

L’émergence d’interrupteurs de puissance en SiC permet d’envisager des convertisseurs de puissance capables de fonctionner au sein des environnements sévères tels que la haute tension (> 10 kV ) et la haute température (> 300 °C). Aucune solution de commande spécifique à ces environnements n’existe pour le moment. Le développement de fonctions élémentaires en SiC (comparateur, oscillateur) est une étape préliminaire à la réalisation d’un premier démonstrateur. Plusieurs laboratoires ont développé des fonctions basées sur des transistors bipolaires, MOSFETs ou JFETs. Cependant les recherches ont principalement portées sur la conception de fonctions logiques et non sur l’intégration de drivers de puissance. Le laboratoire AMPERE (INSA de Lyon) et le Centre National de Microélectronique de Barcelone (Espagne) ont conçu un MESFET latéral double grille en SiC. Ce composant élémentaire sera à la base des différentes fonctions intégrées envisagées. L’objectif de ces recherches est la réalisation d’un convertisseur élévateur de tension "boost" monolithique et de sa commande en SiC. La démarche scientifique a consisté à définir dans un premier temps un modèle de simulation SPICE du MESFET SiC à partir de caractérisations électriques statique et dynamique. En se basant sur ce modèle, des circuits analogiques tels que des amplificateurs, oscillateurs, paires différentielles, trigger de Schmitt ont été conçus pour élaborer le circuit de commande (driver). La conception de ces fonctions s’avère complexe puisqu’il n’existe pas de MESFETs de type P et une polarisation négative de -15 V est nécessaire au blocage des MESFETs SiC. Une structure constituée d’un pont redresseur, d’un boost régulé avec sa commande basée sur ces différentes fonctions a été réalisée et simulée sous SPICE. L’ensemble de cette structure a été fabriqué au CNM de Barcelone sur un même substrat SiC semi-isolant. L’intégration des éléments passifs n’a pas été envisagée de façon monolithique (mais pourrait être considérée pour les inductances et capacités dans la mesure où les valeurs des composants intégrés sont compatibles avec les processus de réalisation). Le convertisseur a été dimensionné pour délivrer une de puissance de 2.2 W pour une surface de 0.27 cm2, soit 8.14 W/cm2. Les caractérisations électriques des différents composants latéraux (résistances, diodes, transistors) valident la conception, le dimensionnement et le procédé de fabrication de ces structures élémentaires, mais aussi de la majorité des fonctions analogiques. Les résultats obtenus permettent d’envisager la réalisation d’un driver monolithique de composants Grand Gap. La perspective des travaux porte désormais sur la réalisation complète du démonstrateur et sur l’étude de son comportement en environnement sévère notamment en haute température (> 300 °C). Des analyses des mécanismes de dégradation et de fiabilité des convertisseurs intégrés devront alors être envisagées
The new SiC power switches is able to consider power converters, which could operate in harsh environments as in High Voltage (> 10kV) and High Temperature (> 300 °C). Currently, they are no specific solutions for controlling these devices in harsh environments. The development of elementary functions in SiC is a preliminary step toward the realization of a first demonstrator for these fields of applications. AMPERE laboratory (France) and the National Center of Microelectronic of Barcelona (Spain) have elaborated an elementary electrical compound, which is a lateral dual gate MESFET in Silicon Carbide (SiC). The purpose of this research is to conceive a monolithic power converter and its driver in SiC. The scientific approach has consisted of defining in a first time a SPICE model of the elementary MESFET from electric characterizations (fitting). Analog functions as : comparator, ring oscillator, Schmitt’s trigger . . . have been designed thanks to this SPICE’s model. A device based on a bridge rectifier, a regulated "boost" and its driver has been established and simulated with the SPICE Simulator. The converter has been sized for supplying 2.2 W for an area of 0.27 cm2. This device has been fabricated at CNM of Barcelona on semi-insulating SiC substrate. The electrical characterizations of the lateral compounds (resistors, diodes, MESFETs) checked the design, the "sizing" and the manufacturing process of these elementary devices and analog functions. The experimental results is able to considerer a monolithic driver in Wide Band Gap. The prospects of this research is now to realize a fully integrated power converter in SiC and study its behavior in harsh environments (especially in high temperature > 300 °C). Analysis of degradation mechanisms and reliability of the power converters would be so considerer in the future

Les decharges partielles ont ete mesurees sur des modeles de condensateurs tout-film dont le dielectrique est du polypropylene (pp) impregne. Ces cellules ont ete alimentees en haute tension alternative. L'influence de l'epaisseur de dielectrique ou des armatures ainsi que les effets de la temperature et du vieillissement ont ete examines. Les representations n() et q#m#o#y() du nombre et de l'amplitude des decharges dans la phase de la tension alternative servent a caracteriser la source de ces decharges : decharges en bord d'armature dans un modele de condensateur sans defaut ou decharges generees par des defauts artificiellement introduits dans la cellule d'etude (defaut d'impregnation, defaut de contact, cavite dans un film de pp, film de pp plie). Le but de cette caracterisation est la constitution d'une base de donnees qui servira a la reconnaissance de la source des decharges sur des appareils industriels et permettra d'estimer la duree de vie de ces appareils. Les tensions d'apparition et d'extinction des decharges partielles (tadp et tedp), l'evolution des decharges en fonction du temps ou de la tension appliquee sont des elements qui servent a la caracterisation des decharges. Cette tache se fait egalement au moyen de parametres calcules a partir des distributions n() et q#m#o#y(). Ces parametres peuvent etre les moments d'ordre 3 et 4 ou bien les parametres que nous avons introduits dans cette etude et qui sont les parametres de position et le parametre d'efficacite energetique. Ces deux derniers parametres sont les plus efficaces car ils permettent a eux seuls de differencier la plupart des cas etudies.