ACTUALITÉ SCIENTIFIQUE
ET INNOVATION DE L'ÉTS

Remplacer les huiles synthétiques dans les condensateurs


Olatoundji George Gnonhoue
Olatoundji George Gnonhoue Profil de l'auteur(e)
Olatoundji George Gnonhoue est actuellement candidat au doctorat en génie mécanique de l’ÉTS.
Programme : Génie mécanique 

Amanda Velazquez Salazar
Amanda Velazquez Salazar Profil de l'auteur(e)
Amanda Velazquez Salazar est stagiaire postdoctorale au Département de génie mécanique de l’ÉTS et boursière MITACS.
Programme : Génie mécanique 

Léo Millard
Léo Millard est étudiant à la maîtrise à l’ÉTS dans le cadre d'un cursus imbriqué avec Arts et Métiers ParisTech.
Programme : Génie mécanique 

Simon Joncas
Simon Joncas est professeur au Département de génie des systèmes de 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 

Laurent Cormier
Laurent Cormier Profil de l'auteur(e)
Laurent Cormier est ingénieur mécanique et professeur au Département de génie mécanique de l’UQTR.
Programme : Génie mécanique 

Romain Poudret
Romain Poudret est ingénieur diplômé des Arts et Métiers ParisTech et d'une maîtrise en génie mécanique de l'ÉTS de Montréal.
Programme : Génie mécanique 

Ioana Preda
Ioana Preda est professeure associée au Département de génie électrique de la haute école d’ingénierie et architecture de Fribourg (HEIA-FR, Suisse).

Poste de distribution électrique haute tension

Achetée sur Istock.com. Droits d’auteur.

RÉSUMÉ:

Depuis des décennies, la technologie de fabrication des condensateurs utilisés dans les systèmes de haute tension nécessite l’usage d’huiles synthétiques comme mur diélectrique. Ces huiles ont un effet néfaste sur l'environnement et sur la santé des opérateurs en contact. Ce travail présente les résultats préliminaires d'une étude qui propose le développement des condensateurs sans huile ayant des performances similaires ou supérieures en fiabilité que ceux imprégnés d'huile. Mots clés : condensateurs haute tension, résine, imprégnation, film.

Les murs diélectriques des condensateurs : une technologie à mettre à niveau

Le développement des différents matériaux isolants utilisés comme mur diélectrique dans les condensateurs a permis de révolutionner les technologies de fabrication de ces derniers. Ces matériaux jouent un rôle clé dans le contrôle de charge et le stockage d’énergie. Ainsi, avant les années 1970, le papier kraft imprégné d’huile minérale (diphénol polychloré) était le principal diélectrique utilisé dans les condensateurs. Cependant, en raison de leur faible facteur de dissipation, de leur rigidité diélectrique élevée, de leur bonne stabilité et de leur grande accessibilité, les films polymères ont progressivement remplacé le papier kraft dans les condensateurs. Le passage du papier au film polymère a également raccourci le processus de fabrication des condensateurs en réduisant le temps de séchage du papier nécessaire avant son imprégnation par l’huile (Hantouche, 1996; Qi, Petersson, & Liu, 2014).

Types de condensateurs

Fig. 1. Différentes configurations de condensateur (pas à l’échelle)

La technologie actuellement utilisée pour la fabrication des condensateurs haute tension consiste à utiliser un empilement de rubans minces (électrodes et mur diélectrique) enroulés, dont les configurations peuvent changer (voir Fig. 1) en fonction des performances électriques attendues. Les bobines enroulées sont assemblées en série ou en parallèle, formant ce qu’on appelle la partie active du condensateur. Habituellement, pour protéger la partie active de l’air et de l’humidité et pour combler les vides possibles, elle est insérée dans un isolateur étanche et imprégnée d’une huile synthétique.

Condensateur haute tension

Fig 2 : Condensateurs à l’huile

Bien qu’actuellement les condensateurs imprégnés d’huile synthétique aient une fiabilité électrique élevée, il est nécessaire de mettre à niveau la technologie pour remplacer les huiles synthétiques en raison de leur effet nocif sur l’environnement et des risques pour la sécurité sur les lieux de travail. De plus, de nouvelles réglementations de protection et de préservation de l’environnement pourraient interdire l’utilisation d’huiles synthétiques dans quelques années. Il est donc urgent de relever les nouveaux défis en matière de matériaux diélectriques et de permettre aux condensateurs de répondre aux exigences sanitaires et écologiques (Samuel, Lucas, Fu, Howard, & Lafon-Placette, 2012).

Le projet de caractérisation de nouveaux murs diélectriques à base de résines thermodurcissables, sous l’encadrement des professeurs Éric David et Simon Joncas, une équipe de recherche du Département de génie mécanique et du Département de génie des systèmes de l’ÉTS, cherche des solutions afin de remplacer l’huile diélectrique par des résines thermodurcissables. Les propriétés du nouveau système diélectrique (films & résine) sont caractérisées principalement en utilisant des mesures de décharges partielles (DP). Cette technique permet de s’assurer que les condensateurs fabriqués sont dépourvus de cavités ou de délaminations. En effet, l’occurrence de DP pendant le fonctionnement du condensateur endommage son mur diélectrique. La mesure des DP sert donc comme méthode de contrôle de qualité du processus, un échantillon présentant des DP ne pouvant pas être accepté.

Tableau 1 : Mesures des DP, de la capacité et du facteur de dissipation à 60 Hz

Mesures de décharges partielles

Histogramme de décharges partielles d’un condensateur

a)

Histogramme de décharges partielles d’un condensateur

b)

Histogramme de décharges partielles d’un condensateur

c)
Fig. 3. Histogramme de DP sous une contrainte électrique de 40 kV/mm pour les différents échantillons de condensateur sans huile fabriqués; a) Condensateur monocouche avec traitement de surface, b) Condensateur multicouche sans traitement de surface, c) Condensateur multicouche avec traitement de surface.

La figure 3 montre les histogrammes des DP pour différentes configurations de mur diélectrique. En comparant les DP pour ces résultats, on remarque que des modèles de DP de type « oreilles de lapin » ont été observés dans le cas du condensateur multicouche n’ayant pas subi un traitement de surface (Figure 3b). Le condensateur monocouche n’ayant pas subi un traitement de surface montre un faible niveau de DP. Le condensateur multicouche ayant subi un traitement de surface ne présente pas de DP sous la contrainte électrique appliquée de 40 kV/mm. Ces résultats confirment donc la qualité de l’imprégnation, le choix du matériau et des traitements de surface ainsi que le potentiel d’utilisation de cette nouvelle technologie.

Conclusion

Ces résultats préliminaires montrent une augmentation significative des performances du mur diélectrique grâce au traitement effectué à la surface des films imprégnés d’une résine commerciale thermodurcissable. De plus, pour la suite du développement, un mur diélectrique monocouche ne semble pas convenir aux applications sans huile. 

Informations supplémentaires

Cet article a été présenté lors de la conférence IEEE 2020 International Conference on Dielectrics (ICD 2020) (bientôt disponible).

Olatoundji George Gnonhoue

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Olatoundji George Gnonhoue est actuellement candidat au doctorat en génie mécanique de l’ÉTS.

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Amanda Velazquez Salazar est stagiaire postdoctorale au Département de génie mécanique de l’ÉTS et boursière MITACS.

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Léo Millard

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Léo Millard est étudiant à la maîtrise à l’ÉTS dans le cadre d'un cursus imbriqué avec Arts et Métiers ParisTech.

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Simon Joncas

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Simon Joncas est professeur au Département de génie des systèmes de l'ÉTS.

Programme : Génie de la production automatisée 

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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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Laurent Cormier

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Laurent Cormier est ingénieur mécanique et professeur au Département de génie mécanique de l’UQTR.

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Romain Poudret

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Romain Poudret est ingénieur diplômé des Arts et Métiers ParisTech et d'une maîtrise en génie mécanique de l'ÉTS de Montréal.

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Ioana Preda

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Ioana Preda est professeure associée au Département de génie électrique de la haute école d’ingénierie et architecture de Fribourg (HEIA-FR, Suisse).

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