EP0570498B1 - Procede de reduction des risques de claquage de l'isolant des cables et lignes a haute tension electrique lors de leur vieillissement - Google Patents

Procede de reduction des risques de claquage de l'isolant des cables et lignes a haute tension electrique lors de leur vieillissement Download PDF

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EP0570498B1
EP0570498B1 EP92906377A EP92906377A EP0570498B1 EP 0570498 B1 EP0570498 B1 EP 0570498B1 EP 92906377 A EP92906377 A EP 92906377A EP 92906377 A EP92906377 A EP 92906377A EP 0570498 B1 EP0570498 B1 EP 0570498B1
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risks
reducing
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insulation
particles
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Claude Faure
Pierre Bach
Guy Blaise
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B9/00—Power cables
    • H01B9/02—Power cables with screens or conductive layers, e.g. for avoiding large potential gradients
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/02—Disposition of insulation
    • H01B7/0291—Disposition of insulation comprising two or more layers of insulation having different electrical properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/17—Protection against damage caused by external factors, e.g. sheaths or armouring
    • H01B7/28—Protection against damage caused by moisture, corrosion, chemical attack or weather
    • H01B7/2813—Protection against damage caused by electrical, chemical or water tree deterioration

Definitions

  • the present invention relates generally to cables and transmission lines called to operate under high electrical voltage.
  • Cables and transmission lines vary greatly depending on the range of voltages, currents and frequencies in which they are used.
  • the transport of significant energies to a place of use is often carried out by lines with 2, 3 or 4 wires in low frequency, 400 Hz, 60 Hz or 50 Hz for example, or even in direct current.
  • the signal transmission is generally carried out by a two-wire line or by a coaxial line depending on the frequencies to be transmitted and the conditions of transmission.
  • the conductors and insulators are not perfect and there are two types of faults: volume faults and interface faults.
  • the published patent FR-A-7703498 describes a transmission line comprising a device placed outside the dielectric region and intended to create a magnetic field so that the charged particles present in the dielectric undergo movement helical.
  • a transmission line comprising a device placed outside the dielectric region and intended to create a magnetic field so that the charged particles present in the dielectric undergo movement helical.
  • the probability for a charged particle to reach the energy level corresponding to ionization becomes very low.
  • This process is undoubtedly effective in the case of a cable with gaseous insulator (SF6 for example), but it is absolutely not justified for a solid insulator, which represents the most general case for industrial applications.
  • SF6 gaseous insulator
  • Patent FR-A-2 357 992 which describes an electric cable in which the insulator has a gradation of the permittivity from the central conductor to the external conductor. This gradation is obtained by using layers of insulation in which large quantities of oxides (80% to 100%) have been added.
  • the object sought in this document is to minimize the harmful effects on the breakdown of a lack of symmetry or concentricity of the cable.
  • Patent CH-A-669,277 describes a cable comprising several layers of insulating material having different permittivities. The goal is to improve manufacturing constraints by reducing the thickness of the insulation.
  • the present invention specifically relates to a process for reducing the risk of breakdown of insulators in electrical transmission systems which makes it possible to considerably improve the preceding situation.
  • This process for reducing the risk of breakdown of the insulation of cables and lines with high electric voltage during aging is characterized in that particles of elements with very high permittivity are added to the mass of the insulation. , the size of these particles being at most of the order of a micrometer and their abundance of the order of 3% of the mass of the insulator.
  • the properties of the dielectric material are modified by adding to it small quantities of particles made up of elements with very high permittivity and dimensions less than one micron.
  • the material thus doped not only has a higher breakdown threshold, but also has a high resistance to aging under normal service conditions, that is to say in the presence of an electric field. .
  • the best results have been obtained with metallic particles.
  • the electrical properties are modified by doping the insulating material using particles of an oxide of a metal chosen from chromium, titanium and manganese in the submicron state, which is deposited in the form of a paint on at least one of the surfaces of the insulator and the conductor and which is then diffuses into the insulation by heating at a high temperature, of the order of 1000 ° C. to 1500 ° C. At this temperature, the metal oxide is dissociated and the metal diffuses in the grain boundaries of the ceramic.
  • a high temperature of the order of 1000 ° C. to 1500 ° C.
  • the electrical properties are modified by doping the insulator with metallic impurities.
  • doping can be done, in accordance with the invention, by injection of metal powder during the polymer casting operation, the particles of the powder having a size necessarily less than a micrometer.
  • these dielectric insulators can be either polymers for making cables, or ceramics for making electrical passages and connectors, or more generally any other solid, organic or mineral insulator.
  • the dielectric insulating material chosen conditions the doping treatment used.
  • a coaxial insulating passage is produced using an Al2O3 alumina ceramic of 99% purity and consisting of a sintering of grains from 1 to 7 microns .
  • This ceramic is obviously refractory, doping can be done at high temperature. In practical terms, this involves diffusing a metal into the grain boundaries of the ceramic.
  • the metal being chromium
  • a chromium oxide paint is deposited either on the surface of the conductor, or on the surface of the insulator, or on both at the same time.
  • the chromium thus deposited is diffused by a heating operation at a temperature of the order of 1000 ° C to 1500 ° C.
  • the temperature and duration of heating depend on the dimensions of the ceramic. As an indication, for a passage of one centimeter diameter and a continuous electrical voltage of 100 kV, the diffusion takes place at 1200 ° C for 5 minutes.
  • the metal content in the joints is around 3%.
  • the effect of this treatment was measured over a 12 month period.
  • the measured parameter is the value of the electric shocks that the insulation can withstand in service without cracking.
  • the breakdown resistance is 800 kV / cm at the start of the use and 400 kV / cm after 12 months
  • the ceramic doped according to the process object of the invention supports 1.5 MV / cm at the start of use and still holds 1.2 MV / cm after 12 months of service.
  • the dielectric insulator used is a polymer which is doped at a relatively moderate temperature of the order of 200 to 300 ° C. for example with metallic impurities. These impurities are powders and doping takes place at the same time as the polymer is poured into the molding device in the form of an injection of metal particles which can for example be copper or iron and which dimensions are chosen. below the micrometer.

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  • Inorganic Insulating Materials (AREA)
  • Organic Insulating Materials (AREA)

Abstract

Procédé de réduction des risques de claquage de l'isolant diélectrique solide des câbles et lignes de transmission fonctionnant sous haute tension électrique, isolant qui sépare normalement les conducteurs d'une ligne multifilaire ou le conducteur central et l'enveloppe externe métallique d'une ligne coaxiale, caractérisé en ce que l'on ajoute, dans la masse de l'isolant diélectrique des faibles quantités de particules métalliques de dimensions inférieures au micron.

Description

  • La présente invention se rapporte d'une manière générale aux câbles et aux lignes de transmission appelés à fonctionner sous haute tension électrique.
  • Elle vise notamment à réduire les risques de claquage inhérents à tous les isolants diélectriques solides utilisés dans les dispositifs de transmission précédents, et surtout l'augmentation de ces risques lors du vieillissement de l'isolant.
  • Les câbles et les lignes de transmission présentent une grande diversité selon les gammes de tensions, de courants et de fréquences où ils sont utilisés. Le transport des énergies importantes jusqu'à un lieu d'utilisation est souvent effectué par des lignes à 2, 3 ou 4 fils en basse fréquence, 400 Hz, 60 Hz ou 50 Hz par exemple, soit même en courant continu.
  • La transmission de signaux est effectuée en général par une ligne bifilaire ou par une ligne coaxiale suivant les fréquences à transmettre et les conditions de transmission.
  • Pour des raisons de clarté et de simplification on limitera ici la description aux câbles coaxiaux, mais il est bien entendu que l'invention s'applique à tous les isolants utilisés dans les différents types de lignes, aux portions de lignes que constituent les "passages" isolants et les dispositifs à haute tension comportant des isolants solides.
  • Une des causes majeures de défaillance de ces dispositifs à haute tension est le claquage électrique : une disruption se produit entre les conducteurs à travers les isolants (précédée parfois d'une décharge électrique partielle) conduisant au percement de l'isolant et pouvant aller jusqu'à la destruction. La défaillance se produit de façon aléatoire, mais on constate que ce risque s'aggrave beaucoup au cours du temps, selon un processus de vieillissement.
  • Ce problème de fiabilité et de durée de vie des isolants préoccupe les fabricants de câbles depuis longtemps. La connaissance très limitée jusqu'à présent des phénomènes physiques mis en jeu n'a pas permis de trouver des solutions efficaces.
  • Du fait que par définition les lignes ont une grande longueur vis-à-vis de la longueur d'onde, on ne peut leur appliquer l'approximation des ondes stationnaires. L'étude des phénomènes de transmission, d'absorption d'énergie et donc de vieillissement ne peut être effectuée qu'a partir des équations de MAXWELL, des conditions aux limites définies par les surfaces de séparation entre le milieux différents, et des relations spécifiques aux milieux considérés.
  • Sans revenir de manière approfondie sur la théorie des lignes de transmission, on remarquera que pour un conducteur parfait, la densité locale de charges est nulle, alors que pour un diélectrique le champ électrique local peut être considéré comme la somme du champ électrostatique dû aux charges électriques qui s'y développent et du champ calculé par les équations de MAXWELL en milieu non chargé.
  • Si les milieux étaient parfaits, les champs électriques et magnétiques seraient nuls dans les conducteurs, et seraient en phase, non atténués, dans les isolants de telle sorte que les énergies électriques et magnétiques soient égales. Dans la pratique les conducteurs et les isolants ne sont pas parfaits et on rencontre deux types de défauts : les défauts de volume et les défauts d'interface.
  • Le procédé habituel pour augmenter le seuil de claquage d'un câble coaxial consiste à augmenter l'épaisseur de la matière diélectrique. Mais on est évidemment limité par des considérations de dimensions (encombrement et prix) et de toute façon les défauts de vieillissement demeurent. D'autres idées et plusieurs procédés ont été imaginés, tous fondés sur le fait que l'existence de charges dans la masse diélectrique isolante est inévitable et qu'on limite leurs effets néfastes par application d'autres champs destinés à les dévier, ou par réduction des champs à la suite de dispositions géométriques particulières.
  • A titre d'exemple, le brevet publié FR-A- 7703498 décrit une ligne de transmission comportant un dispositif placé à l'extérieur de la région diélectrique et destiné à créer un champ magnétique afin que les particules chargées présentes dans le diélectrique subissent un mouvement hélicoïdal. Ainsi la probabilité pour qu'une particule chargée atteigne le niveau d'énergie correspondant à l'ionisation devient très faible. Ce procédé est sans doute efficace dans le cas d'un câble à isolant gazeux (SF₆ par exemple), mais il est absolument non justifié pour un isolant solide, ce qui représente le cas le plus général pour les applications industrielles.
  • On a déjà cherché, par différentes techniques, à améliorer le fonctionnement des diélectriques de câbles électriques et à les rendre plus performants vis-à-vis des contraintes qu'ils subissent. On peut citer par exemple :
  • Le brevet FR-A-2 357 992 qui décrit un câble électrique dans lequel l'isolant présente une gradation de la permittivité depuis le conducteur central jusqu'au conducteur extérieur. Cette gradation est obtenue en utilisant des couches d'isolants dans lesquels de grandes quantités d'oxydes (80% à 100%) ont été ajoutées. L'objet recherché dans ce document est de minimiser les effets nuisibles sur le claquage d'un manque de symétrie ou de concentricité du câble.
  • Le brevet CH-A-669 277 décrit un câble comportant plusieurs couches de matière isolante ayant des permittivités différentes. Le but est d'améliorer les contraintes de fabrication en diminuant l'épaisseur de l'isolant.
  • Aucun de ces deux documents ne fait toutefois état de moyens mis en oeuvre pour lutter spécifiquement contre l'augmentation des risques de claquage en fonction du vieillissement.
  • La présente invention a précisément pour objet un procédé de réduction des risques de claquage des isolants des systèmes de transmission électriques qui permet d'améliorer considérablement la situation précédente.
  • Ce procédé de réduction des risques de claquage de l'isolant des câbles et lignes à haute tension électrique lors de leur vieillissement, se caractérise en ce que l'on ajoute dans la masse de l'isolant des particules d'éléments à très forte permittivité, la dimension de ces particules étant au plus de l'ordre du micromètre et leur abondance de l'ordre de 3% de la masse de l'isolant.
  • Une étude fondamentale des phénomènes de claquage effectuée par le demandeur a permis d'en donner une nouvelle interprétation en liant les phénomènes de claquage à la polarisation du diélectrique et à sa relaxation. On rappellera d'abord que le champ électrique
    Figure imgb0001
    appliqué à un diélectrique et la polarisation
    Figure imgb0002
    de ce même dielectrique qui résulte de l'application de ce champ, sont liés par la formule
    Figure imgb0003
    formule dans laquelle ε est une grandeur sans dimension que l'on désigne sous le nom de permittivité du diélectrique. Elle traduit en fait la plus ou moins grande facilité du diélectrique à se polariser, c'est-à-dire à accepter des charges électriques, sous l'influence d'un champ électrique appliqué. Or, l'étude fondamentale précédente a précisément mis à jour le fait que cette permittivité locale du diélectrique jouait un rôle essentiel dans les phénomènes de claquages.
  • Le rôle de la permittivité locale est d'autant plus important que les volumes concernés sont à l'échelle submicrométrique. A cette échelle la notion macroscopique de la permittivité n'a plus de sens et on doit considérer à la fois la charge électrique présente dans le diélectrique piégée dans un puits de potentiel, et le milieu environnant constitué d'un édifice d'une centaine d'atomes. L'ensemble constitue ce qu'on appelle un polaron.
  • Comme le diélectrique est soumis d'une part à des champs électriques et magnétiques et qu'il a d'autre part une densité de charge non nulle, on doit chercher soit à diminuer cette densité de charge, soit à mieux la répartir. Celle-ci est la superposition des charges volumiques (caractéristiques de la nature, et de l'état du matériau) et des charges injectées aux interfaces par la polarité des conducteurs. On peut donc jouer sur la nature du matériau et sur les modifications de ses propriétés.
  • C'est pourquoi, selon l'invention, on modifie les propriétés du matériau diélectrique en lui ajoutant de faibles quantités de particules constituées d'éléments à très forte permittivité et de dimensions inférieures au micron. A cette échelle, il se produit une interaction forte entre les charges électriques dans le puits de potentiel et les atomes environnants, ce qui assure une très grande statilité du piégeage des charges dont la mobilité est la cause essentielle du vieillissement. On constate que le matériau ainsi dopé, non seulement présente un seuil de claquage plus élevé, mais qu'il possède également une grande résistance au vieillissement dans les conditions normales de service, c'est-à-dire en présence d'un champ électrique. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec des particules métalliques.
  • Selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, lorsque l'isolant diélectrique est réfractaire, par exemple constituée par une céramique, on modifie les propriétés électriques en dopant le matériau isolant à l'aide de particules d'un oxyde d'un métal choisi parmi le chrome, le titane et le manganèse à l'état submicronique, que l'on dépose sous la forme d'une peinture sur l'une au moins des surfaces de l'isolant et du conducteur et que l'on fait ensuite diffuser dans l'isolant par chauffage à température élevée, de l'ordre de 1000°C à 1500°C. A cette température, l'oxyde métallique est dissocié et le métal diffuse dans les joints de grains de la céramique.
  • Selon un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention, lorsque l'isolant est constitué d'un polymère ou d'un solide organique, on modifie les propriétés électriques en dopant l'isolant avec des impuretés métalliques. Dans ce dernier cas, le dopage peut se faire, conformément à l'invention, par injection de poudre métallique pendant l'opération de coulée du polymère, les particules de la poudre ayant une dimension nécessairement inférieure au micromètre.
  • De toute façon, la présente invention sera mieux comprise en se référant à la description qui suit de plusieurs exemples de mise en oeuvre ainsi qu'à la figure 1 montrant les propriétés comparées d'un câble traité et d'un câble non traité.
  • D'une façon générale, on commençera par rappeler que tous les diélectriques isolants connus à ce jour peuvent être utilisés dans le cadre de la présente invention. En d'autres termes, ces isolants diélectriques peuvent être soit des polymères pour la réalisation de câbles, soit des céramiques pour la réalisation de passages et de connecteurs électriques, soit plus généralement de tout autre isolant solide, organique ou minéral.
  • Comme il a déjà été précisé précédemment, le matériau isolant diélectrique choisi conditionne le traitement de dopage utilisé. Ainsi par exemple dans un premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, on réalise un passage isolant coaxial à l'aide d'une céramique en alumine Al₂O₃ de pureté 99% et constituée d'un frittage de grains de 1 à 7 microns. Cette céramique étant évidemment réfractaire, le dopage peut se faire à température élevée. De façon pratique il s'agit de faire diffuser un métal dans les joints de grains de la céramique. Dans cet exemple le métal étant du chrome, on dépose une peinture d'oxyde de chrome soit sur la surface du conducteur, soit sur la surface de l'isolant, soit sur l'un et l'autre à la fois. Après montage du conducteur dans l'isolant, on fait diffuser le chrome ainsi déposé par une opération de chauffage à une température de l'ordre de 1000°C à 1500°C. La température et la durée du chauffage dépendent des dimensions de la céramique. A titre indicatif, pour un passage de diamètre un centimètre et une tension électrique de service de 100 kV en continu, la diffusion se fait à 1200°C pendant 5 minutes. Le taux de métal dans les joints est de l'ordre de 3%.
  • On a mesuré sur une période de 12 mois l'effet de ce traitement. Le paramètre mesuré est la valeur des chocs électriques que peut supporter l'isolant en service sans claquer. Alors que pour la céramique non traitée la tenue de claquage est de 800 kV/cm au début de l'utilisation et 400 kV/cm au bout de 12 mois, la céramique dopée suivant le procédé objet de l'invention, supporte 1,5 MV/cm au début de l'utilisation et tient encore 1,2 MV/cm au bout de 12 mois de service.
  • Selon un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention, l'isolant diélectrique utilisé est un polymère que l'on dope à une température relativement modérée de l'ordre de 200 à 300°C par exemple avec des impuretés métalliques. Ces impuretés sont des poudres et le dopage se fait au moment même de la coulée du polymère dans le dispositif de moulage sous forme d'une injection de particules métalliques qui peuvent par exemple être du cuivre ou du fer et que l'on choisit de dimensions inférieures au micromètre.
  • A titre d'exemple avec un câble dans lequel le polymère est du polyéthylène du commerce, on a ajouté 3% de particules de fer de dimensions comprises entre 0,1 et 0,5 micromètre. On a mesuré sur une période de 12 mois l'effet de ce traitement. Le résultat est porté sur la figure 1. Sur cette figure 1, le temps en mois est porté en abscisses et la tenue aux chocs électriques en MV/cm en ordonnées. La courbe 1 est celle d'un câble non traité et la courbe 2 celle d'un câble traité selon l'invention.

Claims (4)

  1. Procédé de réduction des risques de claquage de l'isolant des câbles et lignes à haute tension électrique lors de leur vieillissement, caractérisé en ce que l'on ajoute dans la masse de l'isolant des particules d'éléments à très forte permittivité, la dimension de ces particules étant au plus de l'ordre du micromètre et leur abondance de l'ordre de 3% de la masse de l'isolant.
  2. Procédé de réduction des risques de claquage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules sont métalliques.
  3. Procédé de réduction des risques de claquage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ajout est un métal que l'on fait diffuser dans les joints de grains d'un matériau fritté dont les grains ont des dimensions de l'ordre du micron, à partir d'une peinture d'oxyde métallique que l'on chauffe à haute température.
  4. Procédé de réduction des risques de claquage selon la revendication 2, caractérisé en ce que, l'isolant étant un polymère, le dopage se fait par injection de poudre métallique pendant l'opération de coulée du polymère, les particules de la poudre ayant une dimension inférieure au micromètre.
EP92906377A 1991-02-06 1992-02-05 Procede de reduction des risques de claquage de l'isolant des cables et lignes a haute tension electrique lors de leur vieillissement Expired - Lifetime EP0570498B1 (fr)

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