Brevet FR2906073A1 — publié le 20080321

SUPPORT ISOLANT POUR DISPOSITIF HAUTE- OU MOYENNE- TENSION ET DISPOSITIF LE COMPRENANT DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention a trait au domaine des supports isolants utilisés notamment dans l'appareillage électrique moyenne-ou haute-tension sous enveloppe métallique. Ces dispositifs peuvent être notamment des transformateurs d'alimentation, des transformateurs de mesure, des disjoncteurs, des sectionneurs et également des barres omnibus (intitulé également jeux de barres). ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les dispositifs de haute- ou moyenne-tension présentent généralement un ou plusieurs éléments conducteurs internes, au niveau desquels est appliquée la haute- ou moyenne-tension, et une enveloppe destinée à isoler le ou les éléments conducteurs de l'extérieur et reliée à la terre. Les éléments conducteurs sont séparés de l'enveloppe par le biais de supports isolants disposés régulièrement sur le pourtour des éléments conducteurs. L'espace vacant entre l'enveloppe, le ou les éléments conducteurs internes et le ou les supports isolants est occupé par un gaz diélectrique tel que SF6 ou un mélange composé de différents gaz diélectriques. Comme leur nom l'indique, les supports isolants sont destinés à relier les éléments conducteurs internes à l'enveloppe, de façon à ce 2906073 2 qu'ils restent fixes dans le dispositif. Ils doivent être constitués majoritairement d'un matériau isolant pour supporter la différence de potentiel électrique entre le(les) élément(s) conducteur(s) et l'enveloppe, 5 afin d'éviter les phénomènes de claquage électrique. Au niveau des points triples (dénommés également triple jonction ), à savoir à la jonction du support isolant, de l'élément conducteur et/ou l'enveloppe et de l'atmosphère chargée en gaz diélectrique, il se produit 10 couramment un renforcement du champ électrique, qui peut occasionner, à l'usage, et en particulier en présence de particules conductrices métalliques l'apparition de décharges partielles et, par voie de conséquence, une dégradation du dispositif à moyenne- 15 ou à haute-tension par cheminement et érosion électrique pouvant conduire à la diminution de la qualité d'isolement du support, voire dans des cas extrêmes, au claquage disruptif de la pièce isolante. Pour pallier ces inconvénients, plusieurs 20 solutions ont été proposées basées principalement sur l'ajout d'inserts métalliques, afin de modifier et diminuer le champ électrique au voisinage du point triple. Egalement, certains auteurs ont travaillé sur la structure du matériau destiné à constituer le 25 support isolant. Par exemple, US 3,610,947 décrit un support isolant comprenant un insert métallique massique, afin de contrôler le champ électrique au niveau du point triple. Néanmoins, après une exposition répétée à des cycles de température (différences de température répétées), ce type de support a tendance à subir une 2906073 3 dilatation différentielle entre le support et l'insert en raison de la différence de matériaux entre le support isolant et l'insert métallique, pouvant générer une délamination ou décohésion de l'insert métallique 5 par rapport au support isolant du côté de l'élément conducteur interne et/ou de l'enveloppe. Ce type de décohésion peut conduire à l'apparition de décharges partielles à l'interface (insert métallique/support isolant). 10 Il a été proposé, également, d'inclure dans le matériau isolant constitutif du support, en particulier à proximité de la zone de contact formant le point triple, des particules conductrices de l'électricité, plus particulièrement des particules 15 organiques telles que du noir de carbone (décrit dans US 3,448,202) ou inorganiques telles que du dioxyde de titane (décrit dans DE 4007335). La présence de ces particules conductrices permet de diminuer la valeur du champ électrique et ainsi les dégradations résultant de 20 l'exposition à des champs électriques élevés. Toutefois, à l'usage, les particules conductrices de l'électricité, en particulier, lorsqu'elles sont en noir de carbone, peuvent polluer l'enceinte du dispositif. Les particules peuvent également être 25 soumises à un phénomène de déplacement et se regrouper ainsi à la surface du support isolant, pouvant provoquer une diminution de la résistance de surface et mener dans un cas ultime à un phénomène de court-circuit. 2906073 4 Il a été également proposé d'adjoindre au support isolant des éléments massifs de surface ou internes. Par exemple, US 3,801,725 décrit un support 5 isolant sur lequel sont déposés des anneaux en métal, en résine époxy ou encore en peinture contenant, par exemple, des particules d'argent. Ce type de configuration peut engendrer soit une décohésion entre les anneaux métalliques et le support isolant, soit 10 l'apparition de poussières conductrices de l'électricité et ainsi conduire à des courts-circuits à la surface du support isolant. Il existe donc un véritable besoin concernant des supports isolants pour des dispositifs à 15 haute- et à moyenne-tension permettant de diminuer le gradient de champ électrique local au niveau de la triple jonction (support isolant/élément conducteur (ou enveloppe)/gaz diélectrique) (ou point triple) sans les inconvénients inhérents aux supports isolants de l'art 20 antérieur, à savoir : - des phénomènes de décohésion/délamination entre les supports isolants et les inserts métalliques du côté conducteur interne et/ou les enveloppes ; - la création de poussières conductrices 25 pouvant s'accumuler dans l'enceinte ; - des phénomènes d'agrégation des particules conductrices à la surface des supports isolants. Les inventeurs ont découvert, de manière 30 surprenante, des supports isolants présentant des zones comprenant des particules conductrices particulières 2906073 5 permettant de surmonter les inconvénients mentionnés ci-dessus, lesdites zones permettant d'abaisser le gradient du champ électrique. EXPOSÉ DE L'INVENTION 5 Ainsi, l'invention a trait, selon un premier objet, à un support isolant pour dispositif haute- ou moyenne-tension comprenant un matériau polymère isolant, ledit support comprenant au moins à l'une de ses extrémités destinée à être en contact avec 10 une partie conductrice de l'électricité, une zone comprenant un matériau composite, lequel matériau composite comprenant une matrice en un matériau polymère isolant identique ou différent de celui mentionné précédemment et une charge comprenant en tout 15 ou partie une charge conductrice de l'électricité, caractérisé en ce que tout ou partie de ladite charge conductrice de l'électricité est une charge polymère, enrobant éventuellement une charge minérale. Avantageusement, le taux de charge 20 conductrice de l'électricité est supérieur au seuil de percolation électrique. La zone mentionnée ci-dessus du fait qu'elle comprend une charge conductrice de l'électricité présente des propriétés diélectriques 25 différentes par rapport aux parties du support ne les comprenant pas, ces propriétés diélectriques ayant pour effet de modifier les lignes de champ électrique et d'abaisser le gradient électrique à cet endroit. De plus, la charge conductrice est une 30 charge polymère dispersée dans une matrice polymérique, ce qui a pour effet d'endiguer les phénomènes de 2906073 6 décohésion du fait de la bonne compatibilité chimique des deux matériaux, de permettre d'égaler les coefficients de dilatation entre la partie conductrice du support isolant et le support isolant en tant que 5 tel et de supprimer la création de poussières conductrices et de décharges partielles inhérente aux réalisations de l'art antérieur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description 10 non limitative détaillée ci-dessous, en référence aux figures annexées. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 représente une coupe transversale d'un dispositif comprenant un support 15 isolant selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 2 représente une coupe transversale d'un dispositif comprenant un support isolant selon un second mode de réalisation de 20 l'invention. La figure 3 représente une coupe transversale d'un dispositif comprenant un support isolant selon une variante du second mode de réalisation de l'invention. 25 Des symboles de référence identiques désignant des éléments correspondants ou similaires ont été utilisés sur les différentes figures concernées. 2906073 7 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le premier mode de réalisation va être tout d'abord décrit. Sur la figure 1 est représenté un dispositif de moyenne- ou haute-tension 1 comprenant 5 une enveloppe métallique 3 de forme sensiblement cylindrique et une partie conductrice de l'électricité 5 se présentant sous forme d'un cylindre métallique, ladite enveloppe étant disposée de manière coaxiale par rapport à la partie conductrice, laquelle partie étant 10 soumise lors du fonctionnement du dispositif à une haute- ou moyenne tension. Afin d'assurer l'isolement électrique du dispositif, l'espace vacant entre la partie conductrice de l'électricité 5 et l'enveloppe 3 est remplie d'une couche comprenant un gaz diélectrique 15 7. Selon l'invention, ce gaz diélectrique constituant cette couche peut être de l'air, de l'azote, du protoxyde d'azote, du dioxyde de carbone, CF4r de l'hexafluorure de soufre (SF6) ou les mélanges de ceux-ci. 20 Pour assurer l'ancrage de la partie conductrice de l'électricité dans l'enveloppe, il est prévu un support isolant 9 se présentant sous la forme d'un disque ou d'un cône à travers lequel passe la partie conductrice de l'électricité 5, cette partie 25 conductrice étant fixée également à ce support, et ce disque ou cône étant ancré dans l'enveloppe par le biais d'une bride 11. Conformément à l'invention, ce support isolant présente deux zones 13,15 destinées à diminuer 30 le champ électrique, ces zones se présentant sous d'un revêtement sur la surface externe du support, ce 2906073 8 revêtement étant situé, selon ce mode de réalisation, respectivement : - à la jonction support isolant-partie conductrice de l'électricité (point triple référencé 5 17) ; et/ou - à la jonction support isolant-enveloppe (point triple référencé 19), étant entendu que les revêtements sont respectivement reliés électriquement à la partie conductrice de 10 l'électricité et à l'enveloppe. Conformément à l'invention, les zones 13, 15 destinées à diminuer le champ électrique se présentent sous la forme d'un matériau composite comprenant une matrice en un matériau polymère isolant 15 identique ou différent de celui de la partie médiane du système isolant (à savoir la partie située entre les deux extrémités) et une charge conductrice de l'électricité, consistant en une charge polymère. Que ce soit pour ce mode de réalisation ou 20 d'autres modes de réalisation, le matériau polymère isolant constitutif du support isolant peut être choisi parmi les polymères thermoplastiques, les polymères thermodurcissables. Parmi les polymères thermoplastiques, on 25 peut citer le poly(éthylène téréphtalate) (connu sous l'abréviation PETP), un polyamide-imide (connu sous l'abréviation PAI), un polyétherimide (connu sous l'abréviation PEI), un polyamide, une polyétheréthercétone, un polyimide ou un polycarbonate. 30 Par polymère thermodurcissable, on entend, généralement, au sens de l'invention, un matériau 2906073 9 résultant de la réaction d'une résine avec un durcisseur. On peut citer comme résines susceptibles d'être utilisées, les résines époxydes bisphénol-A, les 5 résines époxydes bisphénol-F, les résines cycloaliphatiques. On peut citer comme durcisseur susceptible d'être utilisé des anhydrides d'acide, tels que l'anhydride phtalique (connu sous l'abréviation PA), 10 l'acide tétrahydrophtalique (connu sous l'abréviation THPA), l'acide hexahydrophtalique (connu sous l'abréviation HHPA), l'acide méthyltétrahydrophtalique (connu sous l'abréviation HHHPA), l'anhydride méthylhexahydrophtalique (connu sous l'abréviation 15 MHHPA), l'anhydride dodécénylsuccinique (connu sous l'abréviation DDSA), l'anhydride méthylnorbornène-2,3-dicarboxylique (connu sous l'abréviation MNA). Selon l'invention, la matrice est constituée d'un matériau polymère isolant identique ou 20 différent de celui mentionné ci-dessus, à savoir un matériau choisi parmi les polymères thermoplastiques ou les polymères thermodurcissables. De préférence, la matrice est constituée d'un matériau polymère isolant identique à celui du support isolant, de préférence, 25 avec une température de transition vitreuse proche de celui-ci, un coefficient de dilation proche de celui du support isolant (par exemple de l'ordre de 30 pm/m/ K pour un support en résine époxyde chargée en alumine, ou de l'ordre de 60 pm/m/ K pour un support en polymère 30 thermoplastique de type PETP). 2906073 10 Comme mentionné ci-dessus, la matrice comprend une charge conductrice de l'électricité du type charge polymère. La conductivité électrique résultante est généralement comprise dans la plage 5 allant de 10-4 à 10+4 S . cm-1. Cette charge polymère, que ce soit pour le mode de réalisation mentionné ci-dessus ou pour d'autres modes, peut se présenter sous la forme d'un système organique conjugué comprenant l'association 10 d'un polymère conducteur intrinsèque et d'un dopant. On peut citer comme polymère conducteur intrinsèque des polymères hétérocycliques tels que des polyanilines, des polypyrroles. On peut citer comme dopants de polymère 15 conducteur intrinsèque l'acide camphre sulfonique, des diesters d'acide sulfosuccinique, des diesters d'acide sulfophtalique. Des systèmes conjugués polymère conducteur intrinsèques/dopant particuliers peuvent être choisis 20 parmi les systèmes suivants : - polyaniline/acide camphre sulfonique ; polyaniline/diesters d'acide sulfosuccinique ; polyaniline/diesters d'acide 25 sulfophtalique ; polypyrrole/diesters d'acide sulfophtalique. Le taux de la charge polymère conductrice 30 de l'électricité dans le matériau composite peut être compris dans une plage allant de 0,1 à 10%, de 2906073 11 préférence de 1 à 5% en poids par rapport au poids total du matériau composite. D'un point de vue pratique, le matériau composite peut être réalisé par incorporation dans la 5 matrice de la charge polymère conductrice de l'électricité en voie solution. Cette charge polymère conductrice de l'électricité peut se présenter notamment sous la forme d'une poudre minérale, telle que du talc, de l'alumine, de la silice, enrobée d'un 10 polymère conducteur intrinsèque dopé (système tel que ceux défini ci-dessus). Cette alternative permet notamment de diminuer la quantité de polymère conducteur utilisée. En plus de la charge polymère conductrice 15 de l'électricité, il peut être prévu un mélange d'une charge polymère conductrice avec d'autres charges conductrices, en particulier d'au moins une charge métallique pouvant consister, par exemple, en une poudre d'un métal conducteur de l'électricité tel que 20 l'argent et/ou des particules de noir de carbone. Enfin, il peut être prévu également des charges destinées à renforcer le matériau composite, telles que des charges minérales, comme le talc, la silice ou l'alumine, ces charges minérales étant généralement 25 enrobées par la charge polymère. La présence de charges minérales dans le matériau composite permet notamment de diminuer le coefficient de dilatation du matériau composite et d'égaler le coefficient de dilatation du matériau du support. 30 Selon un second mode de réalisation, les zones destinées à diminuer le champ électrique peuvent 2906073 12 se présenter sous forme d'une cavité usinée à l'intérieur du matériau isolant constituant le support isolant, ladite cavité étant : - soit revêtue d'une couche de matériau 5 composite tel que défini ci-dessus (références 21, 23 sur la figure 2) ; - soit remplie du matériau composite tel que défini ci-dessus (auquel cas, lesdites zones forment un insert dans le support) (références 25, 27 10 sur la figure 3) ; la cavité étant, selon ce mode de réalisation, pratiquée à proximité de la zone des points triples (références 17 et 19 sur les figures 2 et 3). Lorsque les zones forment un insert, le 15 système isolant peut être réalisé également par surmoulage du matériau polymère isolant constitutif du système sur l'insert. Les supports isolants décrits ci-dessus 20 sont destinés à entrer dans la constitution de dispositifs de moyenne- ou haute-tension. L'invention a ainsi trait également à un dispositif de haute- ou moyenne-tension comprenant une 25 partie conductrice de l'électricité, une enveloppe entourant ladite partie conductrice de l'électricité et un système isolant tel que défini ci-dessus reliant par ses extrémités la partie conductrice de l'électricité à l'enveloppe. 30 2906073 13 Quel que soit le mode de réalisation, lesdites zones peuvent présenter une teneur en charge polymère conducteur croissante en direction de l'extrémité du support. L'invention va maintenant être décrite par rapport aux exemples suivants annexés, donnés à titre illustratif et non limitatif. EXEMPLE 1 Cet exemple illustre la préparation d'un matériau composite destiné à entrer dans la constitution des zones de protection des points triples des supports isolants de l'invention. Ce matériau composite est réalisé à partir 15 des ingrédients suivants : une résine époxyde liquide à base de bisphénol-A Araldite CY228 commercialisée par Huntsman (100 parties en poids) ; - un durcisseur anhydride liquide Aradur 20 HY 918 commercialisé par Huntsman (85 parties en poids) ; - un activateur amine tertiaire DY 061 commercialisé par Huntsman (1 partie en poids) ; une charge polymère conductrice 25 Paniplast COMP TP 30 commercialisée par Paniplast (120 parties en poids), cette charge étant une poudre de talc enrobée de polyaniline dopée par un dérivé d'acide sulfonique. 30 Dans un premier temps, on procède à un étuvage de la résine époxyde CY 228 et de la charge 5 10 2906073 14 polymère conductrice Paniplast COMP TP 30 à une température de 60 C pendant 5 heures. Il est procédé parallèlement également à un étuvage du moule destiné à accueillir les ingrédients du matériau composite à une 5 température 60 C pendant également 5 heures. On mélange ensuite la résine CY 228 et la charge polymère conductrice Paniplast COMPT TP 30 sous vide pendant 15 minutes puis on introduit dans ledit mélange le durcisseur HY 918 et l'accélérateur DY 061, 10 l'ensemble obtenu étant mélangé sous vide pendant 15 minutes. On moule le mélange résultant par gravité et réticulation dans le moule étuvé pendant 8 heures à 60 C puis on procède à une étape de post-cuisson du 15 matériau à l'extérieur du moule pendant 8 heures à une température de 80 C. EXEMPLE 2 Cet exemple illustre la préparation d'un 20 matériau composite destiné à entrer dans la constitution des zones de protection des points triples des supports isolants de l'invention. Ce matériau composite est réalisé à partir des ingrédients suivants : 25 - une résine époxyde bisphénol-A Araldite CY228 commercialisée par Huntsman (100 parties en poids) ; - un durcisseur anhydride liquide Aradur HY 918 commercialisé par Huntsman (80 parties en 30 poids) ; 2906073 15 - un activateur amine tertiare DY 061 commercialisé par Huntsman (1 partie en poids); une charge polymère conductrice Paniplast COMP TP 30 commercialisée par Paniplast 5 (120 parties en poids), cette charge étant une poudre de talc enrobée de polyaniline dopée par un dérivé d'acide sulfonique ; une charge minérale alumine Alodur commercialisée par Treibacher (100 parties en poids). 10 Dans un premier temps, on procède à un étuvage de la résine époxyde CY 228 et de la charge polymère conductrice Paniplast COMP TP 30 à une température de 60 C pendant 5 heures ainsi qu'à 15 l'étuvage de l'alumine Alodur et du durcisseur HY 918 pendant également 5 heures à 60 C. Il est procédé parallèlement également à un étuvage du moule destiné à accueillir les ingrédients du matériau composite à une température 60 C pendant également 5 heures. 20 On procède ensuite au mélange de la résine CY 228 et de la charge polymère conductrice Paniplast COMP TP 30 dans le moule sous vide pendant 15 minutes (mélange 1) et parallèlement au mélange du durcisseur HY 918 et de l'alumine Alodur également sous vide 25 pendant 15 minutes (mélange 2). On introduit l'accélérateur DY 061 dans le mélange (2) et on introduit le mélange résultant dans le mélange (1), l'ensemble étant mélangé sous vide pendant 15 minutes. On moule le mélange résultant par gravité 30 et réticulation dans le moule étuvé pendant 8 heures à 60 C puis on procède à une étape de post-cuisson du 2906073 16 matériau à l'extérieur du moule pendant 8 heures à une température de 80 C. REVENDICATIONS 1. Support isolant pour dispositif haute-ou moyenne-tension comprenant un matériau polymère isolant, ledit support comprenant au moins à l'une de ses extrémités destinée à être en contact avec une partie conductrice de l'électricité, une zone comprenant un matériau composite, lequel matériau composite comprenant une matrice en un matériau polymère isolant identique ou différent de celui mentionné précédemment et une charge composée en tout ou partie d'une charge conductrice de l'électricité, caractérisé en ce que tout ou partie de ladite charge conductrice de l'électricité est une charge polymère enrobant éventuellement une charge minérale. 2. Support isolant selon la revendication 1, dans lequel le matériau polymère isolant est choisi parmi les polymères thermoplastiques et les polymères thermodurcissables. 3. Support isolant selon la revendication 2, dans lequel le polymère thermoplastique est choisi parmi un poly(éthylène téréphtalate), un polyamide- imide, un polyétherimide, un polyamide, une polyétheréthercétone, un polyimide ou un polycarbonate. 4. Support isolant selon la revendication 2, dans lequel le polymère thermodurcissable est un polymère résultant de la réaction d'une résine avec un durcisseur. 2906073 18 5. Support isolant selon la revendication 4, dans lequel la résine est une résine époxyde bisphénol-A, une résine époxyde bisphénol-F ou une 5 résine cycloaliphatique. 6. Support isolant selon la revendication 4 ou 5, dans lequel le durcisseur est un anhydride d'acide. 10 7. Support isolant selon la revendication 6, dans lequel l'anhydride d'acide est choisi parmi l'anhydride phtalique, l'acide tétrahydrophtalique, l'acide hexahydrophtalique, l'acide 15 méthyltétrahydrophtalique, l'anhydride méthylhexahydrophtalique, l'anhydride dodécénylsuccinique, l'anhydride méthylnorbornène-2,3-dicarboxylique. 8. Support isolant selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la charge polymère est un système organique conjugué comprenant l'association d'un polymère conducteur intrinsèque et d'un dopant. 9. Support isolant selon la revendication 8, dans lequel le polymère conducteur intrinsèque est un polymère hétérocyclique. 20 25 2906073 19 10. Support isolant selon la revendication 9, dans lequel le polymère hétérocyclique est une polyaniline ou un polypyrrole. 5 11. Support isolant selon la revendication 9 ou 10, dans lequel le dopant est choisi parmi l'acide camphre sulfonique, les diesters d'acide sulfosuccinique, les diesters d'acide sulfophtalique. 10 12. Support isolant selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la charge conductrice de l'électricité est un mélange d'une charge polymère conductrice de l'électricité et d'au moins une charge métallique et/ou des particules de 15 noir de carbone. 13. Support isolant selon la revendication 12, dans lequel la charge métallique est de la poudre d'argent. 14. Support isolant selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la charge minérale est choisie parmi le talc, l'alumine, la silice. 15. Support isolant selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite zone se présente sous la forme d'un revêtement sur la surface externe dudit support. 20 25 30 2906073 20 16. Support isolant selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel ladite zone se présente sous d'une revêtement interne sur une cavité ménagée dans ledit support isolant. 17. Support isolant selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel ladite zone se présente sous forme d'un insert dans ledit support. 10 18. Support isolant selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, dans lequel ladite zone présente une teneur en charge polymère conducteur croissante en direction de l'extrémité du support. 15 19. Dispositif de haute- ou moyenne-tension comprenant une partie conductrice de l'électricité, une enveloppe entourant ladite partie conductrice de l'électricité et un système isolant tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 18 20 reliant par ses extrémités la partie conductrice de l'électricité à l'enveloppe. 5