Numerical modelling of electrical transport phenomena in a polyethylene insulator under electrical stress
Modélisation numérique des phénomènes de transport électrique dans un isolant polyéthylène sous contrainte électrique
Résumé
Undergrounding overhead electrical lines is a define goal for the European Commission. Synthetic materials used as insulators in electric cables for the transport of electricity gave entire satisfaction as compared to the traditional techniques. However, polymers used as insulators in those high voltage cables suffer degradations, causing early aging of the material. This aging comes from the space charge created in the dielectric, due to injection or dissociation inside the bulk. Those charges induce such distortions of the field that it can cause the dielectric rupture of the material. In order to overcome this problem, it is necessary to understand the transport mechanisms in polymeric dielectrics. Thus, we developed a simple numerical model, able to reproduce the experimental results and to obtain some responses about the charge generation and conduction phenomena in polyethylene. It is an original approach, as we studied charge transport in non-stationary states. This study takes into account microscopic characteristics of the LDPE, but the modelling is macroscopic. It strongly allies numerical modelling and experiments. Space charge, electroluminescence and current measurements provide in a first step some parameters for the modelling. In a second step, they permit to adjust the parameters, in order to valid the model. A unique set of parameters has been chosen, and the results of the simulation have been compared to different experiments, traducing the global behaviour of the polyethylene. Different protocols of application of the voltage have been used to valid the model, under DC and AC.
L'enfouissement des lignes haute tension est un objectif clairement établi par la Commission Européenne. Les matières synthétiques utilisées dans les câbles électriques servant au transport ont d'ailleurs donné toute satisfaction par rapport aux techniques traditionnelles. Pourtant, les polymères utilisés comme isolant dans les câbles haute tension peuvent subir des dégradations, entraînant le vieillissement prématuré du matériau. Ce vieillissement a pour origine la charge d'espace créée dans le diélectrique, par injection ou dissociation à l'intérieur du diélectrique. Ces charges induisent des distorsions de champ telles qu'elles peuvent entraîner la rupture diélectrique du matériau. Pour palier à ce phénomène, il est nécessaire de comprendre les mécanismes de transport dans les isolants polymères. Pour cela, nous avons développé un modèle numérique simple capable de rendre compte des résultats expérimentaux et d'obtenir des éléments de réponse sur les mécanismes de génération de charges et de conduction dans ces matériaux. L'approche est originale, puisque l'étude porte sur le transport de charges dans des états non stationnaires. Elle tient compte des caractéristiques microscopiques du LDPE, matériau isolant des câbles électriques, mais la modélisation est plutôt macroscopique. Cette étude allie étroitement la modélisation numérique à des mesures expérimentales. Des mesures de charge d'espace, d'électroluminescence et de courant ont permis dans un premier temps d'alimenter le modèle développé en données de base. Dans un second temps, ces mêmes expériences ont permis d'affiner les paramètres. La validation du modèle a ensuite été réalisée, en choisissant un seul jeu de paramètres. Les résultats de simulation ont été comparés à différentes mesures expérimentales, traduisant le comportement global du matériau. Différents protocoles d'application de la tension ont pour cela été utilisés, et ce pour un courant continu et alternatif.
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