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Des câbles haute tension améliorés grâce aux composites conducteurs - Par : Sohrab Azizi, Éric David, Michel Fréchette, Phuong Nguyen-Tri, Claudiane Ouellet-Plamondon,

Des câbles haute tension améliorés grâce aux composites conducteurs


Sohrab Azizi
Sohrab Azizi est étudiant au doctorat au Département de construction de l’ÉTS. Il a fait ses études en ingénierie et en polymères. Il a été ingénieur de procédés et de recherche à la National Petrochemical Company en Iran.

Éric David
Éric David est professeur au Département de génie électrique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur les diélectriques, les polymères, l’ingénierie haute tension, les machines rotatives, les câbles souterrains et les transformateurs.
Programme : Génie mécanique 

Michel Fréchette
Michel Fréchette Profil de l'auteur(e)
Michel F. Fréchette est un expert des nanodiélectriques. Il a passé 35 ans à titre de chercheur principal à l’Institut de recherche d’Hydro-Québec (IREQ).

Phuong Nguyen-Tri
Phuong Nguyen-Tri Profil de l'auteur(e)
Phuong Nguyen-Tri est professeur associé au Département de génie de la construction de l'ÉTS. Ses recherches portent sur les matériaux composites, la cristallisation des polymères, les nanomatériaux et les matériaux pour l’énergie.

Claudiane Ouellet-Plamondon
Claudiane Ouellet-Plamondon Profil de l'auteur(e)
Claudiane Ouellet-Plamondon est professeur au Département de génie de la construction. Ses recherches portent sur la caractérisation et la fonctionnalisation des matériaux, les bétons alternatifs, les argiles et le développement durable.

Câbles souterrains en polymère

L’image sélectionnée a été achetée sur Istock.com. Droits d’auteur.

RÉSUMÉ:

Ces dernières décennies, les composites polymères ont suscité un grand intérêt en raison de plusieurs propriétés améliorées comme leurs excellentes propriétés mécaniques, thermiques, électriques et de légèreté. Ainsi, les matériaux à base de carbone, comme les matrices de polymères renforcées de noir de carbone et de graphène, conviennent particulièrement à plusieurs applications en électricité. Par exemple, ces composites sont communément utilisés comme matériaux semi-conducteurs pour les câbles haute tension souterrains. Les conséquences catastrophiques de la tempête de verglas de 1998 au Québec ont entraîné des dommages de plusieurs milliards de dollars. La situation aurait pu être évitée par l’utilisation de câbles haute tension souterrains, obtenus par extrusion, au lieu de lignes de transport aériennes. En effet, les câbles haute tension extrudés ont une longue durée de vie, un impact réduit sur l’environnement et un coût d’entretien moindre. Toutefois, il reste encore du travail de recherche à faire afin d’améliorer leur conception et développer des composites isolants et semi-conducteurs améliorés pour les différentes couches des câbles haute tension. Ainsi, compte tenu de ces exigences, nous avons étudié les propriétés électriques, mécaniques et thermiques de composites de PEBD/NC (polyéthylène haute pression/carbone noir). Nos résultats ont permis de mettre au point un composite polymère à conductivité électrique et thermique adéquate, présentant aussi une augmentation importante des propriétés mécaniques pour les applications électriques. Mots clés : Conductivité électrique, composites, noir de carbone.

Les composites polymères conducteurs

Les polymères, matériaux formés de centaines ou de milliers de molécules, peuvent être aisément combinés, adaptés ou mélangés à des matières de charge en raison de leur capacité de transformation, de recyclabilité, de compatibilité et de biodégradabilité. Les particules comme le noir de carbone, les nanotubes de carbone ou le graphène sont des matières de charge conductrices en raison de leur structure particulière, permettant le transport de charges électriques. La combinaison de ces matières de charge conductrices à des polymères isolants confère aux composites suffisamment de conductivité électrique pour les utiliser en tant que composants semi-conducteurs.

Problématique

Avant d’utiliser ces composites polymères, plusieurs défis doivent être résolus, les principaux étant les suivants.

Résistance au claquage électrique

Le claquage électrique est un phénomène soudain survenant dans les matériaux polymères isolants et les composites polymères non conducteurs, où un courant transitoire anormal passe au travers du matériau, entraînant une destruction ou une carbonisation locale. Lorsqu’un claquage survient, il cause un dommage irréversible au matériau qu’il traverse [1].

Le vieillissement thermique

Fondamentalement, deux types de dégradation, chimique et physique, peuvent se produire dans les composites polymères, menant à une détérioration des propriétés initiales des matériaux. Le vieillissement thermique est l’un des problèmes les plus courants des nanocomposites utilisés dans les câbles haute tension. En fait, la chaleur générée lors du transport d’électricité dans les câbles provoque un échauffement qui entraîne à son tour la dégradation du composite [2].

La résistance à l’érosion causée par l’effet couronne

Une décharge causée par effet couronne se produit lorsque la force du champ électrique autour d’un conducteur est assez élevée pour former un plasma gazeux local, mais pas au point de provoquer un claquage électrique complet ou un arc électrique d’une électrode à l’autre. Ce plasma intense et les gaz réactifs qu’il contient érodent la surface du matériau et augmentent le risque de panne électrique [3].

La résolution de ces problèmes nécessite des recherches plus poussées. Dans le cadre de notre étude, nous avons joué avec la teneur et la distribution du noir de carbone dans le polyéthylène basse densité (PEBD). Nous avons étudié les propriétés électriques et thermiques des composites obtenus.

Résultats et discussion

Dans cette étude, nous avons choisi le polyéthylène basse densité, l’un des polymères les plus courants, en raison de ses propriétés mécaniques intéressantes (flexibilité pour un large intervalle de température) et de sa mise en forme facile, et un type de noir de carbone à conductivité électrique appropriée. Un procédé de fabrication adapté à l’industrie, le mélange par extrusion, a servi à préparer les composites souhaités. Voici une brève description des résultats obtenus :

  • L’ajout d’une matière de charge de noir de carbone pour atteindre une concentration massique légèrement supérieure à 20 % a entraîné une augmentation importante de la conductivité électrique du composite de PEBD/NC, soit de 10-15 (S/cm) à 10-1 (S/cm), ce qui confère à notre composite une conductivité électrique suffisante pour intégrer autant l’écran de l’âme que celui de l’enveloppe isolante des câbles haute tension (voir figure 1).
Conductivité électrique selon la concentration de noir de carbone

Figure 1. Conductivité électrique des composites de PEBD/NC et schéma de transmission des charges dans le composite.

  • À une concentration massique de noir de carbone de 20 %, le composite de PEBD/NC a démontré une conductivité thermique suffisante pour libérer la chaleur générée dans l’âme du câble et éviter le vieillissement thermique (voir Figure 2).
Conductivité thermique selon la concentration du noir de carbone

Figure 2. Conductivité thermique du composite de PEBD/NC à différentes concentrations de NC.

  • En outre, le composite de PEBD/NC a révélé une association importante entre conductivité électrique et température, comportement qui le rend intéressant pour les applications de capteurs.
  • Le composite de PEBD/NC a présenté une augmentation d’environ 10 % de la résistance au claquage diélectrique lorsque la concentration massique de noir de carbone est enrichie de 5 %, ce qui le qualifie comme isolant pour les applications CA et CC.
  • Une concentration massique de 20 % de noir de carbone a augmenté la stabilité thermique du PEBD d’environ 36 C.
  • L’ajout d’une charge de noir de carbone a également augmenté les propriétés mécaniques du composite, améliorant sa ténacité.

En résumé, ces caractéristiques font des composites préparés et caractérisés de bons candidats pour le secteur de l’électricité en raison de leurs propriétés électriques, thermiques et mécaniques. Nous avons également étudié plusieurs autres propriétés, comme la dispersion et la répartition des charges par microscopie électronique à balayage (MEB) (voir figure 3), la morphologie des composites par microscopie à force atomique (MFA), l’hystérèse électrique dans le composite et l’exfoliation des charges par analyse de DRX, le tout expliqué en détail dans notre article de recherche [4].

Dispersion de noir de carbone dans la matrice de PEBD

Figure 3. Microscopie électronique à balayage d’un nanocomposite de PEBD/NC montrant une bonne dispersion des particules de NC dans la matrice de PEBD.

Information supplémentaire

Pour plus d’information sur cette recherche, consulter l’article suivant :

  1. Azizi, E. David, M. F. Fréchette, P. Nguyen‐Tri et C. M. Ouellet‐Plamondon, « Electrical and thermal phenomena in low‐density polyethylene/carbon black composites near the percolation threshold, » Journal of Applied Polymer Science, p. 47043, 2018.

Sohrab Azizi

Profil de l'auteur(e)

Sohrab Azizi est étudiant au doctorat au Département de construction de l’ÉTS. Il a fait ses études en ingénierie et en polymères. Il a été ingénieur de procédés et de recherche à la National Petrochemical Company en Iran.

Programme : Génie de la construction  Génie mécanique 

Profil de l'auteur(e)

Éric David

Profil de l'auteur(e)

Éric David est professeur au Département de génie électrique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur les diélectriques, les polymères, l’ingénierie haute tension, les machines rotatives, les câbles souterrains et les transformateurs.

Programme : Génie mécanique 

Profil de l'auteur(e)

Michel Fréchette

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Michel F. Fréchette est un expert des nanodiélectriques. Il a passé 35 ans à titre de chercheur principal à l’Institut de recherche d’Hydro-Québec (IREQ).

Profil de l'auteur(e)

Phuong Nguyen-Tri

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Phuong Nguyen-Tri est professeur associé au Département de génie de la construction de l'ÉTS. Ses recherches portent sur les matériaux composites, la cristallisation des polymères, les nanomatériaux et les matériaux pour l’énergie.

Programme : Génie de la construction 

Profil de l'auteur(e)

Claudiane Ouellet-Plamondon

Profil de l'auteur(e)

Claudiane Ouellet-Plamondon est professeur au Département de génie de la construction. Ses recherches portent sur la caractérisation et la fonctionnalisation des matériaux, les bétons alternatifs, les argiles et le développement durable.

Programme : Génie de la construction 

Laboratoires de recherche : LCMB – Laboratoire sur les chaussées et matériaux bitumineux 

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