ETUDE DES PROPRIETES DIELECTRIQUES DES MATERIAUX ISOLANTS SOUMIS A DES CHAMPS TRES INTENSES

Caractéristique des matériaux isolants D’une manière générale, les matériaux isolants sont caractérisés par 

Leur résistivité

La résistivité d’un matériau, généralement symbolisée par la lettre grecque rho (ρ), représente sa capacité à s’opposer à la circulation du courant électrique. Elle correspond à la résistance d’un tronçon de matériau d’un mètre de longueur et d’un mètre carré de section et est exprimée en ohms-mètres (Ω⋅m). Sur la figure I.8 nous donnons à titre d’information l’échelle des résistivités pour quelques matériaux d’usage courant en électrotechnique. 

Leur permittivité

Elle permet de décrire la réponse d’un milieu donné à un champ électrique. Elle est exprimée en farad par mètre [F/m]. Dans la pratique on utilise de façon quasi exclusive la permittivité relative εr représentant le rapport de la permittivité absolue à la permittivité du vide εr . On peut la calculer selon la formule suivante : 𝜀𝑟 = 𝐶 𝐶0 (I-41) C : capacité d’un condensateur ayant le matériau comme diélectrique, C0 : capacité du même condensateur mais avec le vide. 

Leur facteur des pertes diélectriques

Ce facteur nous permet de connaitre la puissance dissipée dans le matériau lorsqu’un champ électrique variable lui est appliqué. Il est exprimé par la tangente de l’angle δ qui représente l’écart à la quadrature entre le courant et la tension d’un condensateur ayant le matériau considéré comme diélectrique. Supposant un dispositif constituant un condensateur réel (avec pertes) est représenté par le schéma équivalent parallèle tel que représenté sur la figure I.9 Figure I.9 : Schema equivalent dun condensateur Rp : Résistance due aux pertes dans le diélectrique. Elle dépend de la résistance de l’isolement Rs : Résistance en série due aux connexions des armatures Ls : Inductance en série Autrement dit l’angle de pertes δ est défini comme étant l’angle complémentaire du déphasage entre la tension U entre les conducteurs et le courant de fuite I traversant l’isolant figure I.10. Figure I.10 : Angle de perte Le facteur des pertes est donné par : tan 𝛿 = 1 𝜔𝐶𝑅 (I-42) : Vitesse angulaire du circuit oscillantangle parcouru par unité de temps rd/s C : Capacité entre les deux conducteurs R : Résistance d’isolement de l’isolant En conclusion la valeur tanδ est appelée facteur de dissipation diélectrique. Il caractérise la qualité d’un isolant, en pratique il varie entre 10−2 et 10−4 [9].

Leur rigidité diélectrique

La rigidité diélectrique d’un matériau est la valeur maximale du champ électrique que l’on peut appliquer sans qu’un claquage ou une perforation ou un contournement ou un amorçage d’arc se produit, rendant impossible une nouvelle application de la tension. Selon la norme CEI 60243-1 [10], la rigidité diélectrique d’un matériau se définit comme étant le rapport entre la tension à laquelle se produit le claquage et la distance séparant les électrodes entre lesquelles est appliquée la tension. La figure I.11 montre la tension de claquage de quelques matériaux utilisés pour l’isolation électrique [11]. Figure I.11 : Tension de claquage de quelques polymères (épaisseur e= 3 mm) [5].  Le domaine d’application des isolants organiques solides tel que les polymères ont un champ d’application très large dans le domaine électrique, tels que les lignes de transport d’énergie, la fibre optique, condensateurs, alternateurs, moteurs électriques, systèmes électroniques et composants de puissance terrestres et embarqués sur satellites etc.… de nombreux avantages ont contribué à l’utilisation de ces matériaux dans l’isolation électrique car ils ont une excellentes propriétés électriques (résistivité, rigidité, permittivité), une bonne tenue mécanique et tribologique et une stabilité dimensionnelle, la mise en œuvre facile, le faible poids et pour certains la possibilité de recyclage, voir tableau I.2.

 Isolations mixtes

L’isolation mixte est un mélange entre les isolants liquides et les isolants solides de tel sorte que les liquides isolants sont utilisés comme imprégnant d’isolations solides ou comme produits de remplissage de matériels électriques très divers : transformateurs, réactances, condensateurs, câbles etc . Leur rôle principal est d’éliminer l’air et les autres gaz de façon à améliorer la tenue diélectrique de l’isolation. Cependant, dans beaucoup d’application, ils servent à la fois à améliorer les propriétés diélectriques et à évacuer la chaleur d’un assemblage, comme dans le cas des transformateurs par exemple. Dans le chapitre III, nous présentons en détail le type d’isolant mixte utilisé dans notre travail. I.4 Polypropylène (PP) La molécule de polypropylène représentée sur la figure I.12 à la forme de celle de l’éthylène dans laquelle un atome hydrogène est remplacé par un groupement méthyl CH3. Le PP qui est produit par polymérisation en chaîne [13] a été découvert en 1957. Ce produit connaît toujours une très forte croissance et il présente de nombreux points forts comme : • Une rigidité élevée. • Une bonne résistance à la fissuration. • Une bonne transparence. Figure I.12 : Structure chimique de PP [12] Le PP est aussi un polymère semi-cristallin [13], il est très polyvalent et sert à la fois comme thermoplastique et comme fibre. Il est très facile à colorier et n’absorbe pas d’eau. Le PP film est l’un des plastiques usuels les plus difficiles à recycler, surtout s’il est imprimé. Le contrôle de la polymérisation par catalyse permet de jouer sur la structure afin de produire du polypropylène élastomère. Le PP est un solide qui fond à des températures de 160 à 170°C . Ses propriétés essentielles sont sa bonne résistance à la chaleur et à la plupart des agents chimiques. Il est totalement  insoluble à froid mais à une température de l’ordre de 80 °C, il commence à se dissoudre dans les hydrocarbures aromatiques et chlorés [14] I.4.1 Caractéristiques physiques Il a une structure extrêmement régulière et un caractère semi-cristallin. Il est brillant, présente une très grande résistance à la pliure, mais une résistance moyenne au choc. I.4.2 Utilisation du polypropylène En raison de ses bonnes propriétés électriques et mécaniques, le polypropylène est largement utilisé en particulier dans les domaines suivants : isolateur d’antennes, manchons de raccordement pour les câbles, boitiers divers, ailettes de refroidissement dans les moteurs. Le polypropylène est utile en combinaison avec le papier dans les condensateurs de puissance servant comme compensateurs d’énergie réactive.

Vieillissement des polymères

Le vieillissement c’est une altération lente et irréversible du matériau, dans les conditions de service, impliquant sa structure, sa morphologie ou sa composition, et conduisant à une perte de ses propriétés fonctionnelles. De plus, ces changements peuvent être causées par un déséquilibre propre du matériau ou à son milieu. [16] Deux grandes catégories de vieillissement sont à considérer : – Le vieillissement physique au sens large, dans lequel il n’y a pas d’altération de la structure chimique du matériau, des chaînes de polymères en particulier maintenant leur intégrité. Ce type de vieillissement présente par principe un caractère réversible. – Le vieillissement chimique à caractère irréversible, tel que la fonctionnalisation des chaînes de polymères (oxydation) ou la rupture de chaînes ou la réticulation. Plusieurs paramètres influençant le vieillissement des matériaux tel que :  Température.  L’hydrolyse.  L’oxydation.  L’érosion sous l’effet des décharges surfaciques.  La corrosion du matériau en présence d’atmosphère saline ou acide.  La modification de la structure chimique à la surface du matériau sous l’effet des UV.