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Isolateur amélioré pour l’intégration réseau d’énergies renouvelables - Par : Alhaytham Alqudsi, Refat A. Ghunem, Éric David,

Isolateur amélioré pour l’intégration réseau d’énergies renouvelables


Alhaytham Alqudsi
Alhaytham Alqudsi Profil de l'auteur(e)
Alhaytham Alqudsi est étudiant au doctorat au Département de génie mécanique de l’École de technologie supérieure (ÉTS). Ses intérêts de recherche portent sur les applications d’isolation extérieure en CC haute tension.
Programme : Génie mécanique 

Refat A. Ghunem
Refat A. Ghunem Profil de l'auteur(e)
Refat A. Ghunem, PhD, est agent de recherche au Centre de recherche en métrologie du CNRC. Refat est également professeur agrégé à l’ÉTS.

Éric David
Éric David est professeur et chef du Département de génie mécanique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur les matériaux diélectriques et nanodiélectriques, les machines tournantes et l’isolation des câbles souterrains.
Programme : Génie mécanique 

Réseau haute tension

Achetée sur Istock.com. Droits d’auteur.

RÉSUMÉ:

L’intérêt croissant dans les topologies en courant continu (CC) pour les futurs réseaux électriques alimentés par l’énergie renouvelable oriente la recherche vers la mise au point de composites en caoutchouc silicone (CSi) pour les isolateurs extérieurs en CC haute tension (CCHT). Dans le cadre de cette étude, nous avons préparé des composites en CSi additionnés de charges de nitrure de bore et de fumée de silice pour effectuer une analyse comparative du rôle de ces charges quant à la résistance à l’érosion du CSi dans les applications d’isolation extérieure en CCHT. Nous avons étudié l’importance relative des mécanismes associés à ces charges pour empêcher l’érosion du CSi lors d’arc électrique sur bandes sèches en CC. Les résultats indiquent le rôle important de l’interface des charges sur la résistance à l’érosion du CSi en CC. Mots clés : résistance à l’érosion, isolateurs extérieurs, caoutchouc silicone, nitrure de bore, fumée de silice, essai en plan incliné.

Les isolateurs en CC haute tension : un défi

Les isolateurs polymères extérieurs servent de support mécanique aux conducteurs haute tension non isolés pour les isoler des structures mises à la terre, comme le montre la figure 1. L’isolateur est formé d’un cœur rigide en fibre de verre inséré dans un revêtement le protégeant de l’exposition aux contaminants extérieurs qui pourraient en dégrader la résistance mécanique. Le CSi est un matériau de choix pour les isolateurs extérieurs en raison de son hydrophobie, qui empêche la formation de films conducteurs contaminants sur la surface de l’isolateur [1]. Les contaminants liquides adhérant à la surface de l’isolant entraînent des fuites de courant le long de cette surface en raison de la différence de potentiel entre les bornes de l’isolant. Cette situation entraîne la formation de scintillations aux bandes sèches de la surface de l’isolant, appelées arcs sur bandes sèches. Le CSi s’érode sous l’action de la chaleur diffusée par les arcs sur bandes sèches, qui affectent la surface de l’isolant. Il faut améliorer la résistance à l’érosion contre l’ablation thermique du revêtement en composite de CSi par l’ajout de charges inorganiques. Les recherches indiquent que les composites de CSi sont moins performants en courant continu qu’en courant alternatif, subissant des arcs sur bandes sèches plus intenses [2-3]. Par conséquent, de nouvelles conceptions plus fiables de revêtements en CSi sont nécessaires pour les applications d’isolation extérieure en CCHT, conformément aux connaissances approfondies des mécanismes par lesquels les charges inorganiques peuvent supprimer l’érosion en CC. Ceci reflète les avantages associés à la transmission en CCHT pour permettre la distribution d’électricité produite par énergies renouvelables, l’interconnexion des marchés de l’électricité et le transport d’électricité sur de plus longues distances [4].

Isolant de composite en caoutchouc silicone

Figure 1. Schéma d’isolateurs polymères extérieurs en CSi dans les systèmes de transport et composants d’isolateurs

Matériaux proposés et essais sur les isolateurs expérimentaux

Les recherches démontrent qu’une charge thermoconductrice en nitrure de bore ajoutée au CSi augmente la conductivité thermique globale du composite et améliore la résistance à l’érosion du CSi en CC [5]. La fumée de silice, d’autre part, réagit favorablement avec le CSi grâce aux groupes silanols à la surface de la charge, permettant d’améliorer la résistance à l’érosion en CC des composites préparés [6]. Les charges de nitrure de bore (BN137) et de fumée de silice (NS07) ont été préparées en laboratoire à l’aide d’un mélangeur haut cisaillement et formulées selon les pourcentages massiques indiqués au tableau I. Cinq échantillons de chaque composite ont fait l’objet d’analyses électriques par essais d’érosion en plan incliné (EPI), selon les procédures décrites dans [7] en considérant les modifications nécessaires pour l’essai en +CC. Lors de l’EPI illustré à la figure 2, les échantillons sont montés à un angle d’inclinaison de 45° et soumis à une contrainte de CC haute tension pendant qu’un contaminant liquide s’écoule doucement sur leur surface et se déverse dans des filtres en papier. L’essai a duré 6 heures, le débit et la conductivité du contaminant déterminés par les normes établies. Après l’essai, la profondeur de l’érosion des spécimens a été mesurée à l’aide d’un micromètre pour évaluer la résistance du composite à l’érosion en CC. En plus de l’EPI, cette étude comprenait des analyses thermiques des composites, soit une analyse thermogravimétrique (ATG) et des mesures de conductivité thermique. Ces analyses permettraient d’étudier l’influence des charges inorganiques sur les caractéristiques de décomposition thermique du composite et les améliorations de la conductivité thermique. L’ATG été réalisée sous une atmosphère d’azote (N2), en augmentant la température de 80 °C à 800 °C, à un taux de 25 °C/min. Les mesures de conductivité thermique ont été effectuées conformément à la norme ASTM D7984.

Essai des isolateurs en composites de caoutchouc silicone

Essai des isolateurs en composites de caoutchouc silicone

Figure 2. Schéma (a) configuration en laboratoire de l’EPI et (b) image réelle des échantillons montés pour l’essai.

Tableau I

Charges inorganiques et composites CSi utilisées dans cette étude

Type de charge inorganiqueCode de chargeCharge (moyenne) Taille des particules (nm)Surface exacte (m2/g)% de charge massique des échantillonsCodes de compositesConductivité thermique moyenne du composite (W/m K)
Nitrure de bore hexagonalBN13713719,45SiR+5wt%BN1370,194
10SiR+10wt%BN1370,287
Silice fuméeNS077390±405SiR+5wt% NS070,188

Résultats préliminaires

Les mesures de conductivité thermique indiquées au tableau I montrent que les composites de CSi additionnés de BN137 ont une conductivité thermique relativement plus élevée que les composites de CSi additionnés de NS07. La figure 3 montre l’ATG des composites préparés réalisée sous atmosphère N2. Le début de la décomposition s’est produit pour tous les composites à environ 400 °C, température à laquelle survient la dépolymérisation du CSi [8]. Cette dépolymérisation se fait par scission aléatoire des liaisons Si-O des chaînes de siloxanes du CSi, produisant des chaînes plus courtes et la volatilisation des oligomères cycliques du CSi [9]. Les résultats préliminaires montrent que le taux de dépolymérisation le plus faible est obtenu pour le composite additionné de NS07 et non celui comprenant du BN137. Ces résultats s’expliquent peut-être par les groupes silanols de l’interface de la charge de silice, qui réagissent avec les chaînes siloxanes du CSi et les retiennent, ce qui empêche la dépolymérisation [8]. De plus, le composite additionné de NS07 a été associé à deux pics de décomposition, attribuables au mécanisme de réticulation illustré par Camino dans [9]. Ces observations semblent conclure que la fumée de silice a une influence déterminante dans la suppression de la dépolymérisation par rapport au nitrure de bore, conclusion qui coïncide avec les résultats de l’EPI dans cette étude, présentés à la figure 4. La figure 4(b) montre les résultats de l’EPI quant à la profondeur moyenne d’érosion et à l’écart-type correspondant de chaque composite. La profondeur d’érosion moyenne la plus faible a été observée avec le composite additionné de NS07, suivi par les composites additionnés de BN137, malgré la conductivité thermique plus élevée des derniers types composites. Ce résultat peut être confirmé visuellement à la figure 4(a), qui montre plus de dommages à la surface du CSi contenant du NS07 par rapport aux composites additionnés de BN137.

Analyse thermogravimétrique

Figure 3. ATG des composites additionnés de NS07 et de BN137 préparés sous atmosphère N2

Profondeur d’érosion après essais sur les isolants

Photo après essais sur les isolateurs

Figure 4. (a) Images des échantillons de composites testés après l’EPI et (b) résultats de la profondeur moyenne d’érosion pour les échantillons de composites additionnés de BN137 et de NS07 préparés après l’EPI en CC.

Conclusion

Les résultats de l’étude indiquent que la conductivité thermique n’est pas le seul mécanisme régissant la suppression de l’érosion dans les isolateurs en CSi. Au contraire, l’interface de charge interactive de la fumée de silice semble être plus efficace dans la suppression de l’érosion en CC. Des recherches plus approfondies permettront finalement de mettre au point un cadre mécanique de développement de matériaux composites fiables pour les revêtements isolants en CSi, dans les applications d’isolation extérieure en CC haute tension, pour les futurs réseaux électriques alimentés par des sources d’énergie renouvelable.

Alhaytham Alqudsi

Profil de l'auteur(e)

Alhaytham Alqudsi est étudiant au doctorat au Département de génie mécanique de l’École de technologie supérieure (ÉTS). Ses intérêts de recherche portent sur les applications d’isolation extérieure en CC haute tension.

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Refat A. Ghunem

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Refat A. Ghunem, PhD, est agent de recherche au Centre de recherche en métrologie du CNRC. Refat est également professeur agrégé à l’ÉTS.

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Éric David

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Éric David est professeur et chef du Département de génie mécanique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur les matériaux diélectriques et nanodiélectriques, les machines tournantes et l’isolation des câbles souterrains.

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