Brevet FR2672422A1 — publié le 19920807

PROCEDE DE REDUCTION DES RISQUES DE CLAQUAGE DE L'ISOLANT SOLIDE DIELECTRIQUE DES CABLES ET DISPOSITIFS FONCTIONNANT SOUS HAUTE TENSION ELECTRIQUE La présente invention se rapporte d'une manière généra le 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. Les câbles et les lignes de transmission présentent une grande diversité selon les gammes de tensions, de courants et de fréquences où i Is 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 et on constate que le risque s'aggrave au cours du temps, selon un processus de vieillissement. Ce problème de fiabilité et de durée de vie 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 d'onde 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'à 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 auxquels on s'intéressera plus particulièrement dans le cadre de la présente invention. Jusqu'à présent, on s'est surtout intéressé aux défauts de volume. 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 hélicoidal. 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. 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 en traitant uniquement les surfaces de la masse diélectrique isolante en contact avec les conducteurs sous tension. Ce 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 lignes multifilaire ou le conducteur central et l'enveloppe externe métallique d'une ligne coaxiale, se caractérise en ce que l'on crée, dans la masse de l'isolant diélectrique au voisinage de son interface avec le ou les conducteurs, une zone de permittivité variable depuis une valeur pLus élevée que celle de l'isolant massif à l'interface et décroissante vers l'intérieur de l'isolant. En effet, 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 E appliqué à un diélectrique et la polarisation t de ce même diélectrique qui résulte de l'application de ce champ, sont liés par la formule P = formule dans laquelle s 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 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. 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 de surface au contact des conducteurs. Ce second point est capital, car il concourt à l'obtention d'une transition sans discontinuité des champs dans le conducteur et dans l'isolant. C'est pourquoi l'invention consiste à chercher à obtenir une variation progressive de la permittivité depuis l'interface isolant-conducteur (permittivité élevée) jusqu'au volume de l'isolant. Selon l'invention, les moyens à l'aide desquels on crée dans la masse de l'isolant diélectrique au voisinage de son interface avec le ou les conducteurs une zone de permittivité variable, dépend de la nature du diélectrique. Selon un premier mode de mise en oeuvre de L'invention, lorsque l'isolant diélectrique est réfractaire, par exemple constituée par une céramique, on crée la zone de permittivité en dopant la surface de l'isolant à l'aide d'un oxyde d'un métal choisi parmi le chrome, le titane et le manganèse, 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 10000C à 15000C. 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 crée la zone de permittivité en dopant la surface de l'isolant avec des impurtés 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 de préférence 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, en se référant au schéma de la figure 1 qui montre la loi de variation de la permittivité obtenue en fonction de la distance de la zone de jonction entre le conducteur métallique et le diélectrique d'une part sans dopant et d'autre part avec l'utilisation selon l'invention, d'un corps métallique dopant. 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 polylmères 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 d'aluminium Al2O3 de pureté 99%. Cette céramique étant évidemment réfractaire, le dopage peut se faire à température élevée. De façon pratique, il a lieu avec une peinture d'oxyde de chrome que l'on dépose 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 10000C à 15000C.La température et la durée du chauffage dépendent des dimensions de la céramique. A titre indicatif, pour un passage de diamètre d'un centimètre et une tension électrique de service de 100 kV en continu, la diffusion se fait à 12000C pendant 5 minutes. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention, l'isolant diélectrique utilisé est un polymère que l'on dope en surface à une température relativement modérée de l'ordre de 200 à 3000C 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 et que l'on choisit de dimensions inférieures au micromètre. A titre indicatif, cette injection peut se faire à l'aide de buses dirigées vers le conducteur central. La figure 1 permet de comprendre la variation de permittivité en fonction de la distance r en micromètres obtenue par application du procédé de l'invention à partir de l'interface métal-électrique qui est représenté sur cette figure par l'axe des ordonnées. Pour comprendre cette figure, on doit considérer que toute la partie gauche correspondant aux abscisses négatives correspond au métal et la partie droite aux abscisses positives correspond à l'isolant diélectrique. Cet isolant diélectrique, si on ne lui fait subir aucun traitement de surface particulier a une permittivité qui varie lorsque l'on passe de l'interface à des distances r à des valeurs croissant brutalement d'une valeur infinie à une valeur constante égale par exemple à 9 dans l'exemple de la figure.Si au contraire, on fait subir à ce matériau diélectrique le procédé de dopage objet de l'invention, la courbe d'évolution de la permittivité prend la forme 2 représentée en pointillé sur la figure 1, c'est-à-dire qu'elle passe de façon progressive et décroissante d'une valeur très élevée à la valeur 9 qui est celle de la masse du diélectrique non traité. On peut également noter que les études fondamentales effectuées par le demandeur et qui ont conduit au traitement de surface particulier, objet de la présente invention, permettent sur un diélectrique traité, de vérifier les qualités de son interface avec un conducteur sans qu'il soit besoin de mettre l'appareil sous tension. En effet, grâce aux corrélations établies de façon théorique entre les propriétés électriques, mécaniques et optiques du diélectrique, on peut caractériser l'effet produit par le procédé par des tests effectués à différentes étapes. Par exemple, dans le cas d'un passage avec des céramiques, on étudie le matériau de base par une mesure de tenacité et ensuite on recherche les effets du traitement de diffusion du dopant par réflectance sur des coupes faites sur des échantillons. Ce contrôle de caractérisation garantit que les phases du procédé ont été correctement réalisées, sans qu'il soit nécessaire de mettre le dispositif sous tension. REVENDICATIONS 1. 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 crée, dans la masse de l'isolant diélectrique au voisinage de son interface avec le ou les conducteurs, une zone de permittivité variable depuis une valeur plus élevée que celle de l'isolant massif à l'interface vers l'intérieur de l'isolant. 2. Procédé de réduction des risques de claquage selon la revendication 1, caractérisé en ce que, l'isolant diélectrique étant réfractaire, on crée la zone de permittivité en dopant la surface de l'isolant à l'aide d'un oxyde d'un métal choisi parmi le chrome, le titane et le manganèse, que l'on dépose sous la forme d'une peinture sur l'une au moins des surfaces de l'isolant et du conducteuer et que l'on fait ensuite diffuser dans l'isolant par chauffage à température élevée, de l'ordre de 10000C à 15000C. 3. Procédé de réduction des risques de claquage selon la revendication 1, caractérisé en ce que, l'isolant étant un polymère, on crée la zone de permittivité en dopant la surface de l'isolant avec des impuretés métalliques. 4. Procédé de réduction des risques de claquage selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dopage se fait par injection de poudre métallique pendant l'opération de coulée du polymère, les particules de la poudre ayant une dimension de préférence inférieure au micromètre.