Systèmes d'isolation électrique pour les températures cryogéniques

Introduction

S'appuyant sur les apports techniques de ces précédents travaux, le GT D1.64 a été lancé en 2016, pour travailler sur les systèmes d'isolation électrique aux températures cryogéniques, qui est un des sujets communs et critiques identifiés dans la BT No. 644. Il est reconnu que les isolations électriques pour les températures cryogéniques sont une des technologies clés qui conditionnent le développement industriel d'appareillages électriques supraconducteurs efficients et fiables. En plus de leur utilisation dans les appareillages électriques supraconducteurs les systèmes d'isolation électriques cryogéniques seront également utiles dans des applications comme les réacteurs de fusion, les grands accélérateurs de particules et l'industrie.

Domaine couvert et Méthodologie

Le GT D1.64 avait pour programme l'étude des aspects fondamentaux des techniques d'isolation électrique, et de leurs utilisations dans les équipements électriques supraconducteurs et les autres applications à températures cryogéniques, c. à d. :

1. Faire un point sur les phénomènes de décharges aux températures cryogéniques, dans les milieux solides, liquides et gazeux, dans le vide, et dans les systèmes d'isolation composites.
2. Etudier les principes et les mécanismes des phénomènes se produisant dans les systèmes d'isolation aux températures cryogéniques.
3. Dégager les principaux problèmes de conception et d'essai des systèmes d'isolation électrique des équipements électriques supraconducteurs, des aimants à supraconducteurs et de leurs composants utilisés à température cryogénique.

Le GT a non seulement étudié les propriétés diélectriques, et les mécanismes physiques, des matériaux isolants aux températures cryogéniques, mais aussi les leurs propriétés thermomécaniques. L'état de l'art du sujet est également exposé, avec les retours d'expériences de projets R&D d'équipements électriques, de leur conception, de leurs essais et de leurs défaillances.

Description de la BT

La BT comporte deux grandes parties, l'une traitant respectivement des aspects fondamentaux (Chapitres 2, 3 et 4) et des applications (Chapitres 5 et 6).

Le Chapitre 2 traite des propriétés diélectriques des matériaux isolants aux températures cryogéniques. On y présente de façon résumée les propriétés diélectriques et les données des matériaux isolants (gaz, liquides, solides et matériaux isolants nouveaux). A température cryogénique les gaz continuent à suivre la loi de Paschen, si on prend en compte la densité du gaz, en lieu et place de la pression; une nouvelle approche de diagrammes de Paschen universels pour les gaz cryogéniques typiques est présentée. Pour certaines applications des mélanges de gaz conviennent mieux que leurs composants purs. L'azote liquide est le plus étudié et le plus utilisé des matériaux isolants liquides pour les applications électriques HTS. La tenue diélectrique de l'azote liquide est fortement réduite par l'apparition, en cours de fonctionnement, de bulles qui se déplacent dans le liquide du fait de leur flottabilité ou sous l'influence du champ électrique. Les matériaux isolants, et les techniques, utilisés à température ambiante ne peuvent pas convenir pour les températures cryogéniques, principalement du fait des contraintes additionnelles et des modifications micro-structurelles qui apparaissent aux températures cryogéniques. La plupart des nouveaux matériaux solides sont des nano-composites polymères. Des progrès significatifs ont été réalisés dans la préparation et l'amélioration des propriétés électriques des matériaux polymères classiques chargés de particules de taille nanométrique utilisés dans des applications cryogéniques. D'autres composites peuvent également améliorer les propriétés diélectriques, comme par exemple la combinaison de Tyvek et de polyéthylène et de matériaux fonctionnellement dopés.

Le Chapitre 3 traite plus particulièrement des caractéristiques des décharges et de leurs mécanismes. Les processus de décharge dans le milieu isolant, qui ont été identifiés et qui influencent le claquage et les caractéristiques des décharges partielles, et l'influence de la non uniformité du champ électrique, sont discutés. La non uniformité est définie en utilisant le facteur  : champ uniforme (> 0,9), quasi uniforme (0,9 ≥ > 0,6), faiblement non uniforme (0,6 ≥ > 0,3) et fortement non uniforme (≤ 0,3). Dans le chapitre on commence par décrire comment le mécanisme de claquage du gaz change entre la température ambiante et les températures cryogéniques, et quels sont les facteurs influents aux températures cryogéniques. Bien que la théorie des décharges dans les liquides soit moins bien appréhendée, on présente l'état de l'art des mécanismes de décharge dans l'azote liquide, respectivement pour des champs électriques uniforme, quasi uniforme et non uniforme. Les processus de décharge dans les matériaux isolants solides sont présentés, et les effets de la structure, de la température, de la tension appliquée, du champ magnétique, de l'irradiation et des interfaces entre matériaux différents, sont discutés. On aborde la question du vieillissement, à un horizon d'une trentaine d'années, provoqué par les contraintes électriques et les conditions de température, avec des statistiques et des calculs de durée de vie.

Le Chapitre 4 parle des propriétés mécaniques et de l'effet des contraintes thermiques. On y décrit les mécanismes des ruptures mécaniques induites par la température. Le contrôle précis du comportement thermomécanique lors des cycles refroidissement-réchauffement est important pour une exploitation normale des systèmes supraconducteurs. Très souvent la conception du système d'isolation de l'équipement supraconducteur relève d'un compromis entre l'obtention de propriétés diélectriques adaptées et un comportement thermomécanique déterminé par la conductivité thermique, la dilation thermique et les propriétés mécaniques à température cryogénique. On présente de façon résumée les propriétés thermiques et mécaniques des matériaux cryogéniques, avec leur tenue sous contrainte thermique. On présente aussi des exemples concrets, par ex. la forte conductivité thermique des saphirs dans la technologie des limiteurs de courants de défaut (SFCL), l'ajustement de la dilatation de la résine époxyde pour les bobines supraconductrices redondantes et pour la stabilité aux cycles de température, et l'effet de l'isolation polyimide sur l'amélioration du transfert de la chaleur.

Le Chapitre 5 donne le retour d'expériences de la conception des systèmes d'isolation et de dispositifs. On commence par l'isolation des fils et de rubans supraconducteurs, et on poursuit avec des équipements et des systèmes supraconducteurs. Le polyimide est utilisé dans une variété d'utilisations cryogéniques et en particulier pour isoler des fils et des rubans supraconducteurs. Le polyimide de haute performance peut offrir des qualités électriques et mécaniques supérieures, avec une utilisation facile et une facilité à répondre à différents besoins de tenue de tension. L'émail fabriqué avec des vernis d'acétate de polyvinyle, du polyétherimide ou de polyuréthane est utilisé pour les enroulements des moteurs électriques, des transformateurs, des aimants des imageries par résonance magnétique (MRI) ou des dispositifs de résonance magnétique nucléaire (NMR), et des accélérateurs de particules ou des équipements de la physique des hautes énergies.

Les expériences de conception de dispositifs et de systèmes supraconducteurs viennent en premier lieu de la réalisation de câbles et de SFCL. Pour les câbles supraconducteurs comportant des couches isolantes constituées d'azote liquide et de papier laminé polypropylène (PPLP), il existe un grand nombre d'expériences de conception, à la fois CA et CC. Récemment des câbles supraconducteurs refroidis par gaz ont été étudiés, pour lesquels un mélange 4% mol GH2 et 96% mol GHe a démontré, en CA et CC, une tenue de tension supérieure de 80% à celle obtenue avec
du GHe pur, ceci pour différentes pressions à 77K. Le rétrécissement des câbles de grande longueur est également décrit dans le chapitre. Parmi les différents types de SFCL, les SFCL résistifs sont les plus exigeants en termes de conception de l'isolation. Quand le courant de défaut circule dans le SFCL résistif, une trempe des matériaux peut se produire et se traduire par des bulles dans l'azote liquide, et de là des claquages dynamiques peuvent, à la tension de fonctionnement du SFCL, être induites par la présence de ces bulles. L'hypothèse d'une contrainte thermique permanente peut être trop restrictive. Pour rationaliser la conception de l'isolation électrique des SFCL l'étude du claquage dynamique est par conséquent importante.

Les expériences de conception d'autres dispositifs supraconducteurs, tels que des transformateurs, des machines tournantes et des aimants, sont présentées, de façon résumée, avec l'état des projets les plus intéressants au plan mondial.

Le Chapitre 6 traite des essais diélectriques des systèmes d'isolation cryogéniques. Des méthodes d'essais des dispositifs et systèmes supraconducteurs ont été mis en place essentiellement pour les câbles et les SFCL. On décrit les essais de sortie d'usine et les essais de fonctionnement sur site des câbles supraconducteurs. La tenue diélectrique des SCFL résistifs doit être vérifiée en régime permanent et en régime dynamique, c. à d. lors de la limitation du courant. Le retour d'expérience des essais diélectriques des SCFL en régime permanent CA et CC est exposé. Vérifier la tenue diélectrique en régime dynamique demande des essais de puissance en condition de court-circuit et lors de ces essais de puissance l'isolation interne doit être contrôlée simultanément avec le bon fonctionnement de la limitation de courant et la tenue globale du dispositif, ce qui n'a pas encore été autorisé dans la méthode d'essai des SCFL. Le retour d'expérience des essais de transformateurs, d'inductances CC et d'aimants de fusion est présenté.

Dans de nombreux cas, et pas seulement pour les technologies d'isolation à basses températures, les rapports traitant de la mise au point des conceptions, de la recherche expérimentale, ou du fonctionnement d'un dispositif ou d'un équipement, ne parlent que de résultats positifs obtenus en concordance avec les objectifs de la conception initiale, ou dans les délais prévus. Par contre peu de rapports relatent des problèmes inattendus. Certes quand ces problèmes se manifestent il est souvent difficile de les analyser et d'en identifier la cause, mais pour la suite de la R&D il est important de tirer parti des expériences de défaillance. Dans le chapitre on a rassemblé des analyses de défaillances en rapport avec l'isolation cryogénique.

Conclusions

Les données, les expertises et les retours d'expérience concernant l'isolation électrique pour les températures cryogéniques utilisées en supraconductivité, sont de plus en plus nombreux, avec de plus en plus de chercheurs et de communications, dans les dernières conférences internationales et dans les publications académiques. On attend d'eux qu'ils continuent et accentuent leurs efforts pour contribuer à une future société durable servie par des réseaux électriques respectueux de l'environnement, efficients et fiables.