Mesure des caractéristiques diélectriques des matériaux polymères pour utilisation extérieure

Les matériaux étaient le sujet central des travaux, et non les appareils et les systèmes d'isolation. Les Termes de Référence (TOR) du Groupe de Travail (GT) ne mentionnaient que les matériaux nouveaux, mais il a été également possible d'étudier, pour une sélection de matériaux, le vieillissement produit par des impacts tels que l'humidité et les acides.

Les travaux ont permis de tirer les conclusions et les recommandations suivantes :

• Les méthodes du Domaine Fréquenciel (FDM) sont recommandées. Les méthodes du Domaine Temporel (TDM) n'ont pas été étudiées.
• Les méthodes du Domaine Fréquenciel (FDM) s'emploient bien dans la plage de fréquences allant de 0,1 mHz à 10 kHz ( plages “Très Basses Fréquences  (TBF) et “basses Fréquences (BF))
• Les deux méthodes, par contact et sans contact, peuvent être utilisées et sont acceptables 
• Une spécification des essais a été définie  et appliquée avec succès
• La définition d'un processus de séchage est importante; il a été spécifié
• On peut recommander des configurations de moyens d'essai et d'électrodes, ainsi que des systèmes d'écran
• Trois essais comparatifs à la ronde (RRT) ont été réalisés (et en plus un essai RRT exploratoire)
• Il est possible de comparer qualitativement les résultats des essais
• L'effet de l'humidité est clairement détectable (l'humidité affecte surtout les propriétés volumiques)
• Les effets de l'acidité ne sont pas détectables (ces effets concernent essentiellement les propriétés de surface)

L'hypothèse retenue est que la méthode ne peut s'appliquer que pour la détection des effets diélectriques volumiques (par ex. effet de l'humidité). Dans l'étude la méthode n'a été utilisée que pour des matériaux. Il faudrait que les études futures concernent des configurations plus complexes, dont les interfaces entre matériaux et les systèmes d'isolation.

Les résultats obtenus vont bien au-delà des attentes, puisque les méthodes ont été appliquées non seulement à des matériaux nouveaux, mais aussi à des matériaux artificiellement vieillis. Ceci souligne l'énorme potentiel des diagnostics FDM pour la détection des processus de vieillissement interne des matériaux isolants (polymères, composites et interfaces entre matériaux composites), et des systèmes complets d'isolation (accessoires des câbles, transformateurs, isolateurs, traversées, etc.). Des études complémentaires sur leur application à des isolations et des systèmes d'isolation complexes sont recommandées.

Spectroscopie diélectrique

Les propriétés diélectriques des matériaux isolants et des systèmes d'isolation dépendent, en plus de la température et de leur composition chimique et leur structure, de nombreux facteurs parmi lesquels la fréquence du stimulus (de courant ou de tension) qui leur est appliqué. Dans l'ingénierie électrique les propriétés diélectriques, par ex. la permitivité et le facteur de dissipation, et la fréquence de service, sont les paramètres qui ont un impact important sur les aspects de conception. Pour ces applications on se limite généralement à considérer uniquement la fréquence de réseau pour lequel les équipements sont conçus. Cependant cette approche est souvent insuffisante et il faut caractériser ces paramètres pour une plage de fréquences plus large, pour qualifier correctement les matériaux participant à des systèmes d'isolation complexes (CCHT, technologies de convertisseurs, traversées, câbles, etc.).

Dès qu'un matériau est soumis à un champ électrique un mouvement de charges électriques se produit, qui se traduit par la formation de dipôles et un état de polarisation. Ce processus peut être observé de l'extérieur par la polarisation macroscopique, P, qui représente la somme des entités individuellement polarisées dans les unités de volume du matériau.

On classe les contributions à la polarisation macroscopique P d'un diélectrique en :

• Polarisation électronique,
• Polarisation ionique (ou atomique/moléculaire),
• Polarisation dipolaire (ou orientée),
• Polarisation interfaciale,
• Polarisation de charges d'espace, de charges piégées et/ou de porteurs de charges libres.

Chacun de ces processus de charge répond à un champ électrique appliqué, à une échelle de temps différente. On peut donc observer la dépendance au temps de la polarisation P d'un échantillon de matériau, sur une plage de temps très étendue, commençant par des réponses instantanées et allant jusqu'à des réponses visibles après des dizaines ou des centaines d'heures. Ce processus est représenté de manière schématique sur la Figure 1.

Exposé à un champ électrique il se produit également une conduction électrique. La réponse diélectrique d'un matériau est la résultante combinée des effets de polarisation et de conduction, et on peut la mesurer soit dans le domaine temporel (par des mesures du courant de polarisation et de dépolarisation (PDC)), soit dans le domaine fréquentiel (par des mesures de la permitivité complexe au moyen d'un Spectroscope dans le Domaine Fréquentiel (FDM). Les méthodes FDM ont été choisies pour les essais comparatifs à la Ronde (RRT).

Les mesures de spectrographie diélectrique dans le domaine des fréquences impliquent la détermination du courant et de son angle de phase, en fonction de la tension alternative appliquée. Sur la base de ce principe, l'impédance complexe du matériau, ou du système d'isolation, soumis à l'essai est obtenue en balayant la plage de fréquences d'intérêt, pour laquelle on obtient les valeurs de la permitivité (εr) et du facteur de dissipation (tanδ)  en fonction de la fréquence.

Dans de nombreux cas pratiques, la technique est celle du processus de polarisation lent. Pour une fréquence unique, ω, le courant résultant peut s'exprimer ainsi :

où U*ω est la tension appliquée, χ'ω et χ''ω sont les composantes imaginaires de la susceptibilité complexe χ*ω, prenant en compte tous les processus de polarisation survenant dans l'objet testé, quand C'ω  et C''ω sont les composantes réelle et imaginaire de la capacité complexe, C*ω C0 (la capacité géométrique est déterminée par les dimensions de l'objet testé). Le terme σ0ε0ω représente la conductivité CC et participe à la mesure des pertes diélectriques apparentes. la discrimination entre pertes de conduction et de polarisation au sein du matériau demande donc des analyses complémentaires de données.

Dans le domaine fréquentiel, les propriétés diélectriques dynamiques s'expriment en termes de permitivité relative complexe, ε*(ω):

Si la capacité géométrique est connue, on peut exprimer le facteur de dissipation tanδω  en fonction de la fréquence par :

εr': partie réelle de εr complexe

εr'': partie imaginaire de εr complexe

εPr'': partie imaginaire de εr complexe, ne prenant en compte que les pertes de polarisation 

Méthode d'essai

La méthode "sans contact" ^[1] a été utilisée pour les essais comparatifs RRT. Pour cette méthode le principe de la mesure consiste à placer un échantillon du matériau diélectrique, de forme plate, directement sur l'électrode inférieure, sans contact avec l'électrode supérieure, comme montré sur la Figure 2. Comme il n'y a pas de pression exercée par l'électrode supérieure on peut négliger la déformation de l'échantillon. En outre, du fait qu'il n'y a aucun contact direct entre la surface de l'électrode supérieure et celle de l'échantillon, l'influence de la conductivité de surface est limitée. L'intervalle entre les électrodes partiellement plein, objet de l'essai, peut être modélisé comme deux condensateurs en série, dont la capacité totale est donnée par l'équation :

où, Csample et Cair sont les capacités complexes de l'échantillon de matériau et de l'intervalle d'air en place entre les électrodes .Partant de l'équation précédente la capacité de l'échantillon peut être calculée si on connait la capacité de l'intervalle d'air et la capacité totale :

La capacité de l'intervalle d'air peut être obtenue à partir de la mesure d'une capacité de référence dans l'air, décrite par ailleurs, en appliquant la correction correspondant à la modification de la dimension de l'intervalle. Des approches semblables sont mentionnées dans ^[2]. Dans la Brochure Technique on utilise en plus la référence air pour calibrer l'instrument de mesure. Une spécification détaillée de l'essai a été mise au point, qui couvre également l'analyse de la sensibilité des mesures et donne des recommandations visant à éviter les perturbations et les dispersions de mesure.

Résultats des Essais Comparatifs à la Ronde (RRT)

Trois essais RRT ont été réalisés dans six laboratoires différents. Les différents matériaux cités dans le Tableau 1 ont été essayés, dans les conditions mentionnées. Certains matériaux ont, en plus, été testés à l'état neuf et après vieillissement (immersion dans l'eau et stockage en milieu acide).

Les résultats typiques obtenus sont présentés sur les figures 3, 4 et 5  (pour un seul exemple de matériau: EPDM)

Evaluation et recommandations

On a procédé à une analyse approfondie de la bibliographie, avec une recherche des théories qui permettent de bien comprendre les phénomènes diélectriques. On en a tiré un modèle théorique pour évaluer les résultats expérimentaux. Les méthodes sans contact ainsi que les méthodes avec contact ont été étudiées, et évaluées comme adaptées et applicables. Les travaux expérimentaux (les essais RRT) ont été réalisés en appliquant des méthodes du domaine fréquentiel (FDM), avec des configurations d'essai d'échantillon sans contact. Les résultats résumés des essais font l'objet du Tableau 2. Les évaluations et interprétations ont été obtenues en utilisant le coefficient :

Il est recommandé d'utiliser les méthodes FDM pour détecter les changements d'état des matériaux, tels que les vieillissements et/ou les effets des détériorations ^[3]. Les méthodes FDM démontrent une bonne applicabilité dans la plage des fréquences allant de 0,1 mHz à 10 kHz (bandes "TBF" et "BF") ^[4]. Une spécification des essais a été mise au point et est considérée comme intéressante ; elle inclut la définition, importante, du processus de séchage avant essai. Des moyens d'essai (équipements et configuration) et les dispositions des électrodes, importantes, incluant le dispositif d'écran, sont recommandés dans la spécification d'essai. Trois essais comparatifs RRT (avec en plus un essai RRT exploratoire) ont été réalisés. Les résultats des essais RRT sont qualitativement très comparables. L'effet de l'humidité est nettement détectable (l'humidité impacte essentiellement les propriétés volumiques, en particulier au niveau des interfaces internes microscopiques entre le matériau de matrice et le matériau de charge. L'effet de l'environnement acide n'est pas détectable (celui-ci affecte surtout les propriétés de surface). La méthode FDM est adaptée à la détection des effets diélectriques volumiques (par ex. provoqués par l'humidité). Dans cette étude la méthode a été utilisée uniquement pour des échantillons de matériau. Les matériaux choisis, qui sont souvent utilisés pour les isolations HT extérieures, comme les silicones HTV et LSR, les EPDM, et les résines époxydes à charges minérales, ont été étudiés. Les études ultérieures devraient porter sur des configurations plus complexes, parmi lesquelles les interfaces entre matériaux et les systèmes d'isolation. A cette fin il est recommandé de mettre en place un nouveau Groupe de Travail, constitué d'experts, représentants et parties prenantes, des différentes applications des isolations, que sont par exemple les transformateurs, les câbles, les traversées et les appareillages HT. Les résultats obtenus vont bien au-delà des attentes, puisque les méthodes ont été appliquées non seulement à des matériaux nouveaux, mais aussi à des matériaux artificiellement vieillis. Ceci souligne l'énorme potentiel des diagnostics FDM pour la détection des processus de vieillissement interne des matériaux isolants (polymères, composites et interfaces entre matériaux composites), et des systèmes complets d'isolation (accessoires des câbles, transformateurs, isolateurs, traversées, etc.).

Conclusions

• Trois essais comparatifs à la Ronde (et en plus un essai RRT exploratoire) ont été réalisés en utilisant la méthode ;
• Les résultats des essais sont qualitativement très comparables ;
• L'effet de l'humidité est nettement détectable (l'humidité impacte essentiellement les propriétés volumiques) ;
• L'effet d'une ambiance acide n'est pas détectable (cette ambiance affecte surtout les propriétés de surface) ;
• Il faut retenir que la méthode est adaptée pour détecter les effets diélectriques volumiques (par ex. provoqués par l'humidité).