Rôle des interfaces métal / diélectrique et diélectrique / diélectrique dans la formation des charges d'espace dans les polymères sous contrainte continue

Abstract

Dans ce travail, nous étudions la formation et l'évolution de la charge d'espace en fonction du temps, du champ et de la température pour une couche diélectrique (polyéthylène) ou une double couche (PE et FEP), avec une attention particulière portée aux interfaces entre électrode et diélectrique, entre deux diélectriques de même nature et entre deux diélectriques de nature différente. La technique de mesure de la charge d'espace est la méthode électro-acoustique pulsée. Nous avons montré que la description classique de la charge d'interface par l'effet Maxwell-Wagner-Sillar n'est pas adéquate pour décrire les phénomènes de charge d'espace même lorsque deux diélectriques identiques constituent l'interface. L'accumulation de charge aux interfaces est gouvernée par l'injection de charges aux électrodes lorsque le matériau ne contient pas de charge interne et que les processus de génération par dissociation sont inexistants. La mesure et la simulation de l'injection, du transport et de l'extraction des charges sont donc essentielles pour développer des dispositifs haute tension contenant des matériaux thermoplastiques. Ce travail est structuré en cinq parties qui sont les suivantes: Le premier chapitre présente le contexte de l’étude et précise l'exemple considéré qui est celui des câbles de transport d'énergie isolées au polyéthylène. Dans un premier temps, nous définissons les objectifs de l’étude. Nous décrivons ensuite les éléments théoriques et bibliographiques nécessaires à la compréhension de cet ouvrage en introduisant les notions de transport électrique et de charge d'espace dans les matériaux polymères, par essence désordonnés. Les phénomènes de charge d'espace sont traités pour des matériaux homogènes et pour des associations de diélectriques (phénomènes de polarisation interfaciale de type Maxwell-Wagner-Sillar). Le deuxième chapitre décrit les matériaux utilisés et la technique expérimentale mise en œuvre pour la mesure de la distribution spatio-temporelle des charges d'espace dans des diélectriques sous forme de films de quelques centaines de microns d'épaisseur. Nous y détaillons la méthode électro acoustique pulsée (PEA) et le traitement mathématique post-mesure. Cette méthode, très versatile dans son utilisation, repose sur le principe d'une perturbation transitoire et réversible de la charge d'espace par percussion électrostatique, ce qui donne ensuite naissance à une onde acoustique qui est ensuite détectée et analysée afin en déduire la quantité et la localisation des charges. La sensibilité typique de la mesure est de 0.1 C.m-3, et sa résolution spatiale de 10 microns. Nous traitons des problèmes de réflexion acoustique aux interfaces entre matériaux de nature différente et on introduit la procédure de calibrage. Dans le troisième chapitre, nous décrivons les résultats expérimentaux obtenus sur des films diélectriques simples de polyéthylène réticulé (XLPE) et nous nous intéressons au comportement d'une interface physique constituée par la juxtaposition de deux films de XLPE de même nature. Dans un tel cas, la charge interfaciale dérivée de la formulation de Maxwell-Wagner-Sillar devrait être nul. Nous verrons qu'il n'en est rien puisque l'interface est constituée par le contact entre deux surfaces dont les propriétés électriques sont différentes de celles de volume, bien qu'il s'agisse d'un même matériau. Le quatrième chapitre traite les multi diélectriques non homogènes constitués de la juxtaposition de films diélectriques de natures différentes. Même dans ce cas où les diélectriques n'ont pas les mêmes propriétés, nous verrons que la formulation de Maxwell-Wagner-Sillar ne permet pas une description adéquate des phénomènes de charge interfaciale et qu'il convient de prendre en considération les phénomènes d'injection aux électrodes que nous mettrons en évidence expérimentalement. Dans les chapitres 3 et 4, nous mettrons en oeuvre différents protocoles visant à étudier l’influence de plusieurs paramètres tels que la nature du matériau d’électrode, le champ électrique, la température, le temps, l'influence d'une charge accumulée à l'interface, etc. Le dernier chapitre sera axé particulièrement sur deux procédés numériques. Le premier modèle est basé sur le calcul de la charge d’espace et du champ électrique dans les isolants non homogènes avec des géométries planes. Le deuxième modèle est basé sur la théorie de Maxwell- Wagner pour la polarisation interfaciale. L'apport global de ce travail est de montrer que les phénomènes d'injection de charges doivent être pris en compte dans le calcul des structures isolantes. Nous montrons que ces phénomènes dépendent très fortement du champ et de la température. Les prédictions théoriques de polarisation interfaciale se révèlent erronées dans la plupart des cas et l'étude du comportement des charges d'espace est indispensable.