Résumé de thèse :
L’émergence des énergies renouvelables a entraîné le développement de nouvelles technologies pour la distribution de l’énergie sur de longues distances. Ces dernières sont basées sur le transport via de hautes tensions continues (HVDC) pour éviter les pertes capacitives. Ce réseau de distribution est interconnecté via des Postes Sous Enveloppes Métalliques (PSEM), dont l’isolation est composée de gaz sous pression (SF6) et d’isolants solides (résine époxy), qui doivent résister sous HVDC. Dans ces dispositifs, le champ électrique n’est plus déterminé par la permittivité relative des matériaux, mais par leurs résistivités et les phénomènes d’accumulation de charges. Dans le cas d’un isolant solide présentant une interface avec un gaz, des électrons ou des ions vont être susceptibles de se déplacer suivant les lignes de champ électrique et charger la surface de l’isolant solide. Le comportement des propriétés des isolants (solides et gazeux) constitue un enjeu majeur dans le développement de PSEM HVDC, notamment dans la compréhension des mécanismes d’accumulation et relaxation des charges. Dans ce travail de thèse, la caractérisation de l’isolant solide a d’abord été étudiée, basée sur des mesures de courants faibles bruits. Il est ainsi possible de mesurer le courant de fuite dans le volume et sur la surface des échantillons, dans une enceinte sous pression, à haut champ électrique et pour différentes températures. Ces mesures ont mis en évidence que les résistivités de volume et de surface sont fortement impactées par l’augmentation de la température et la teneur en eau des échantillons. Il a également été montré que la résistivité de surface a un comportement non-linéaire en fonction du champ électrique. Un modèle numérique a été développé pour simuler les résultats obtenus, et implémenter les propriétés de surface de l’isolant solide. Les propriétés isolantes du gaz ont également été étudiées pour différentes géométries de champ électrique, dans le but d’estimer la contribution du courant passant à travers le gaz, sur l’accumulation de charge en surface de l’isolant solide. Des courants non négligeables sont mesurés dans le gaz (~pA-nA). Pour déterminer les mécanismes responsables de la présence de tels courants, il a été caractérisé selon plusieurs paramètres (la rugosité de la surface de l’électrode, la nature du matériau, le champ électrique, la température et l’humidité relative). Cela a mis en évidence que les variations de courants dépendent du conditionnement du dispositif, et sont donc fortement influencés par l’humidité relative adsorbée sur les surfaces du dispositif (électrodes et cuves). En présence d’un système sec, de faibles courants sont mesurés (~pA), et augmentent en fonction de la température. A l’inverse, dans le cas d’un système humide, le courant diminue avec l’augmentation de la température. Ces résultats, combinés à l’influence de la rugosité de l’électrode, suggèrent fortement un mécanisme d’injection de charge à la surface de l’électrode, favorisé en présence d’eau adsorbée. Enfin, les résultats obtenus pour les deux isolants solides et gazeux sont utilisés pour élaborer un modèle numérique ayant une forme proche de celle de l’application industrielle, et permettent d’observer la modification de la distribution du champ électrique en présence de la concentration en eau et du gradient de température. Une estimation du courant circulant au travers des isolants est donc possible. En conclusion, ce travail donne les variations des résistivités de volume et de surface dans une résine époxy en fonction de la température et du champ électrique. Il met également en évidence la forte influence de l’humidité relative et de la température sur les mécanismes d’injection de charges qui contribuent au courant mesuré à travers le gaz. Cette caractérisation approfondie permet de développer une simulation qui prédit les variations de la distribution du champ électrique au sein d’un PSEM sous tension continue.

Membres du jury :

• Olivier LESAINT - Directeur de thèse
• François BURET - Rapporteur
• Emmanuel ODIC - Rapporteur
• Olivier GALLOT-LAVALLEE - CoDirecteur de thèse
• David MALEC - Examinateur
• Karim BOUSOLTANE - Examinateur