Effets des décharges partielles sur la résine époxy utilisée

9ème conférence de la Société Française d’Electrostatique, 27-29 août 2014, Toulouse, France.
Effets des décharges partielles sur la résine époxy utilisée dans l’isolation
des machines électriques
F. Zeboudj1, M.A. Handala1*, E. Belhiteche1, N. Kireche1 and H. Goudjil1
1
Université Mouloud Mammeri, 15000 Tizi-Ouzou, Algérie
* E-mail : [email protected]
Résumé: Dans les machines électriques, particulièrement
celles utilisées dans la gamme des moyennes et hautes
tensions, les décharges partielles entre spires et entre
spires et masse constituent une cause significative du
vieillissement des isolants.
Dans ce travail, nous présentons les résultats d’une étude
expérimentale sur les effets des décharges partielles sur
les propriétés électriques et diélectriques de vernis utilisé
dans l’isolation des machines électriques. L’évolution
des propriétés diélectriques intrinsèques de ces matériaux
telle que la permittivité relative, la résistivité et le facteur
de dissipation sont mesurés par la technique de
spectrométrie diélectrique dans une gamme de fréquence
(1kHz – 10 kHz). Les résultats de ces mesures sont
discutés en fonction de la durée d’application de la
contrainte électrique. La permittivité relative, la
résistivité électrique et le facteur de pertes diélectriques
dépendent de la fréquence et de la durée de l’application
du champ électrique. L’état de dégradation de l’isolant
est évalué par des observations au microscope
électronique à balayage (MEB) et par des analyses par
spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier
(FTIR). Les micrographies ont montré qu’à partir d’une
certaine valeur de tension une importante érosion se
produit à la surface du diélectrique soumis aux décharges
électriques. Les courants de décharges dépendent de la
durée d’application et du niveau de tension appliquée.
La charge qui s’accumule à la surface du diélectrique a
une influence sur la nature de la décharge [5. 6].
Les décharges de surface, telles que celles qui se
produisent dans les isolateurs, les extrémités de
l’enroulement du stator des alternateurs, les
transformateurs à haute tension, sont néfastes pour ces
matériels. De façon générale, l’utilisation de l’air en
association avec un solide réduit la rigidité diélectrique
de l’isolation [7].
Beaucoup d’efforts ont été développés pour suivre le
comportement des décharges partielles, soit dans des
échantillons de résine époxy, ou directement dans
l’isolation des machines tournantes. Réf
A. Défauts dans l’isolation des machines électriques
La machine électrique occupe une place important dans
les applications industrielles. L’un des constituants les
plus critiques de ces machines et aussi l’une des
principales sources de leur défaillance est l’isolation de
leurs enroulements [8,9]. Plus de 30 % des défaillances
dans les machines électriques sont dues aux problèmes
liés à l’isolation [9].
Diverses contraintes peuvent être à l’origine de la rupture
de l’isolation, les principales sont, thermiques,
électriques, mécaniques et environnementales [10,11].
En outre, la classe d’isolation et les applications du
moteur ont une forte influence sur le vieillissement du
système d’isolation.
La contrainte électrique peut conduire à une rupture de
l’isolation pour différentes raisons : problèmes liés au
matériau diélectrique lui-même, aux tensions transitoires,
aux décharges partielles auxquelles la machine est
exposée.
Le type de matériau diélectrique qui est utilisé dans les
machines électriques, ainsi que la tension appliquée à ce
matériau influe d’une manière significative sur la durée
de vie de l’isolation. Donc les matériaux d’isolation
doivent être choisis d’une façon adéquate afin d’assurer
un bon fonctionnement et une durée de vie souhaitée.
L’effet couronne peut devenir un sérieux problème,
surtout dans le cas de bobinages qui fonctionnent dans
une plage supérieure à 5 kV [12]. Cet effet se manifeste
sous forme de décharges localisées qui est le résultat
d’une ionisation gazeuse transitoire dans un système
d’isolation ou la contrainte électrique a dépassé une
certaine valeur seuil.
Mots clés : Analyses FTIR, décharges partielles,
dégradation de surface, micrographies MEB, résine
époxy.
I. INTRODUCTION
La résine époxy est largement utilisée comme matériau
d’isolation électrique, pour ses excellentes propriétés
physiques, chimiques et électriques [1].
L’isolation des machines tournantes est essentiellement
située dans le stator qui est composé de fils émaillés
assemblés pour réaliser des bobines qui sont imprégnées
avec une résine afin d’augmenter leurs propriétés
mécaniques, électriques et chimiques [2].
La plupart des systèmes à haute tension sont soumis à un
certain niveau de décharge électrique durant leur
utilisation [3].
La mesure des décharges partielles dans les systèmes
d’isolation a été largement utilisée dans l’évaluation de
la performance d’un isolant [4].
1
figure 4. L’isolant solide est soumis à un champ
électrique entre deux électrodes planes auxquelles est
appliquée une tension alternative délivrée par un
transformateur d’essai de 100 kV, 10 kVA.
Electrodes H.T.
Fig.1. défaut multiple de spire
à spire
Fig.2. défaut entre deux phases
Solide isolant
La figure 1 présente plusieurs groupes de bobines qui
ont subi une surchauffe. Le mode de défaillance est un
court-circuit multiple de spire à spire.
Un moteur subit de fréquents démarrages et, en raison
des efforts électrodynamiques, des vibrations
mécaniques, l’isolant se détériore et u court-circuit entre
spires apparait. La bobine court-circuitée produit une
surchauffe excessive qui entraîne une détérioration de
l’isolation. Une chaleur de plus en plus intense sera
produite dans la zone affectée jusqu’à destruction de
l’isolement entre phases ou entre une phase et la terre.
Suite à ce défaut la fonctionnement de la machine se
trouve fortement perturbé.
Fig.4. Dispositif expérimental pour la mesure des
propriétés diélectrique
A. Préparation des échantillons de résine époxyde
Le matériau objet de cette étude est un polymère obtenu
à partir du mélange de deux produits liquides, une résine
époxyde et un durcisseur. Nous avons mélangé la résine
avec 50% de durcisseur. Un agitateur électrique est
utilisé pendant les premières minutes afin d’assurer une
homogénéité du mélange. Ensuite, le produit obtenu est
coulé dans un moule de 3mm d’épaisseur.
II. MONTAGE EXPERIMENTAL
Le dispositif expérimental utilisé dans notre étude est
présenté dans [13]. Les décharges partielles sont
obtenues dans un faible intervalle d’air en série avec une
plaque de résine (Fig. 3).
Après solidification complète du mélange (au bout de
deux jours), nous obtenons une plaque de forme
parallélépipédique de laquelle nous avons découpé des
échantillons carrés.
III.
A
Plaque de résine
époxyde
d’épaisseur «e»
RÉSULTATS EXPERIMENTAUX ET
DISCUSSION
A. Le courant maximum de décharge
Le courant de décharge présente trois composantes
distinctes: le courant capacitif, le courant synchrone et le
courant impulsionnel. Dans cette partie de notre travail,
nous étudions le courant impulsionnel qui correspond
aux décharges partielles dans la couche d’air en série
avec l’échantillon de résine époxyde. En faisant varier la
tension appliquée et l’épaisseur de l’intervalle d’air, nous
enregistrons les impulsions positives et négatives de plus
grande amplitude. La figure.5 montre une impulsion de
courant positive.
Le spectre de fréquence complexe 𝐼(𝑗𝜔) pour une
impulsion de courant donnée non périodique 𝑖(𝑡) peut
être obtenu par l’intégrale de fourrier :
Fig.3. Schéma du dispositif expérimental pour la mesure du
courant efficace de décharge
Afin d’étudier le courant de décharge, nous avons utilisé
deux appareils de mesure : un oscilloscope à mémoire et
un ampèremètre. L’oscilloscope est branché aux bornes
d’une résistance R de 940 Ω, il offre l’avantage de
faciliter l’acquisition de signaux de fréquence élevée et
de les enregistrer. L’ampèremètre nous permet de
mesurer la valeur efficace du courant de décharge. Il est
branché en série dans le montage comme indiqué dans la
figure 3.
Le schéma du dispositif expérimental utilisé pour la
mesure des propriétés diélectriques est représenté sur la
+∞
𝐼(𝑗𝜔) = � 𝑖(𝑡) exp(−𝑗𝜔𝑡)𝑑𝑡
−∞
𝑖(𝑡) = 𝐼0 exp(−𝑡�𝜏)
2
La charge apparente est donnée par :
La variation du courant de décharge en fonction de la
tension appliquée et pour différentes épaisseurs de la couche
d’air est donnée par la figure 7 en polarités positive.
∞
∞
𝑞 = ∫0 𝑖(𝑡) 𝑑𝑡 = ∫0 𝐼0 exp(−𝑡�𝜏) 𝑑𝑡 = 𝐼0 𝜏
24
Résine
20
18
Courant (mA)
Impulsion positive
g=5mm
g=4mm
g=3mm
g=2mm
22
16
14
12
10
8
6
7
8
9
10
11
12
Tension (kV)
Fig.7. Courant maximum de décharge en polarité
positive en fonction de la tension.
Fig.5. forme des impulsions positive
La figure 6 présente le courant maximum de décharge en
polarité positive et négative pour l’épaisseur de 3mm de
résine époxyde.
L’amplitude maximale des impulsions positives du
courant croit avec la tension et diminue avec
l’augmentation de l’épaisseur de l’intervalle d’air, ce qui
est dû à l’augmentation de l’impédance de la couche
d’air [15].
30
Impulsion positive
Impulsion négative
B. Valeur efficace du courant de décharge
25
Courant maximum (mA)
Résine 3mm+ 2mm d'air
20
La valeur efficace d’un courant variable au cours du
temps correspond à la valeur d’un courant continu qui
produirait un échauffement dans une résistance, cette
15
10
1
𝑇
0
6
7
8
9
10
11
𝑡 +𝑇 2
𝑖 (𝑡) 𝑑𝑡
valeur se calcule par : 𝐼𝑒𝑓𝑓 = � . ∫𝑡 0
5
12
0
Dans cette section, nous allons suivre l’effet de la tension
d’alimentation sur le courant efficace de décharge
électrique, en considérant plusieurs intervalles d’air.
Tension d'alimentation (kV)
Fig.6. Courant maximum de décharge en
fonction de la tension
0,06
Valeur efficace du courant de décharges (mA)
Nous remarquons que l’amplitude du courant augmente avec
la tension appliquée pour les deux polarités, cependant cette
augmentation est plus significative en polarité positive.
L’amplitude maximum des impulsions positives est
d’environ 10 fois supérieure à celle des impulsions
négatives.
Dans le cas où la pointe est négative, les électrons se
déplacent dans la direction du champ d’intensité
décroissante. Par conséquence, la vitesse de dérive et
l’efficacité d’ionisation diminuent en s’éloignant de la
pointe. Il est plus difficile pour une décharge électrique de se
propager à travers l’espace inter électrodes dans un champ
convergeant vers la cathode (pointe négative) que dans un
champ divergeant de l’anode (pointe positive). Le champ
électrique est aussi réduit par l’accumulation d’ions négatifs
formés par attachement d’électrons libres avec les molécules
d’oxygène dans l’intervalle d’air, l’oxygène étant
électronégatif [14].
g=5mm
g=4mm
g=3mm
g=2mm
g=1.5mm
0,05
résine époxyde de 3mm d'épaisseur
0,04
0,03
0,02
0,01
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Tension d'alimentation (kV)
Fig.8. Courant efficace en fonction de la tension
appliquée.
D’après les résultats de mesure présentés dans la figure8,
nous remarquons que la valeur efficace augmente avec la
tension appliquée. Cette valeur diminue quand
3
l’épaisseur de la couche d’air augmente. Ce courant
représente la quantité d’énergie active à laquelle est
soumise la surface du matériau.
4,2
résine époxyde
vierge
vieilli 2h
vieilli 4h
vieilli 6h
vieilli 8h
4,1
pérmitivité relative
4,0
C. Propriétés diélectriques:
Les figures 9, 10, 11, 12 et 13 montrent l’influence de la
fréquence et de la durée d’application de la tension
(temps de vieillissement) sur les paramètres diélectriques
(résistivité, permittivité relative et facteur de pertes) de la
résine époxyde. Les échantillons sont vieillis sous un
champ électrique de 3.33kV/mm.
3,9
3,8
3,7
3,6
3,5
1000
10000
fréquence [Hz]
Fig.11. Variation de la permittivité en fonction de
temps de vieillissement
La résistivité
Le facteur de perte
0,085
résine époxyde
vierge
vieilli 2h
vieilli 4h
vieilli 6h
vieilli 8h
0,080
facteur de pertes
0,075
0,070
0,065
0,060
0,055
0,050
0,045
0,040
1000
10000
fréquence [Hz]
Fig .9. Variation de la résistivité en fonction de la fréquence
Fig.12. Variation du facteur de pertes en fonction de la
fréquence
On remarque que l’augmentation de la fréquence induit
une diminution dans les valeurs de la résistivité.
La résistivité est déduite de la mesure de la résistance à
l’aide d’une relation qui dépend de la fréquence :
1
R=
C0 ε′′
rω
s
ρ = ′′
εr C0 ω e
500Hz
2000Hz
4000Hz
10000Hz
Facteur de pertes
0,08
Donc la résistivité diminue avec l’augmentation de la
fréquence.
Résine époxy
0,07
0,06
0,05
La permittivité
0
2h
4h
6h
8h
Temps de vieillissement
Permittivité
4,2
Résine époxy
Fig.13. Variation du facteur de pertes en fonction de temps de
vieillissement
500Hz
2000Hz
4000Hz
10000Hz
Les figures 10, 11, 12 et 13 montrent que les valeurs de
la permittivité réelle (εr’) et la permittivité imaginaire
(εr’’) qui représente physiquement le facteur de
dissipation (tangδ), diminuent avec l’augmentation de la
fréquence et la durée de vieillissement.
Cette diminution pourrait s’expliquer par le fait qu’en
faibles fréquences l’orientation des dipôles électriques
suit facilement la variation du champ électrique. Le
facteur de dissipation εr’’ tend à s’annuler. Avec
l’augmentation de la fréquence le facteur de dissipation
εr’’ augmente jusqu'à une valeur maximale. En hautes
3,9
3,6
0
2h
4h
6h
8h
Temps de vieillissement (Heures)
Fig.10. Variation de la permittivité en fonction de la
fréquence
4
fréquences l’orientation des dipôles ne suit plus la
variation du champ électrique (ils restent immobiles) et
le facteur de dissipation tend vers zéro. En fréquences
intermédiaires, les dipôles suivent difficilement la
variation du champ électrique, ce qui donne des pertes
diélectriques élevées. Dans notre étude nous avons pu
varier la fréquence de 500 à 104 Hz, situant ainsi dans
une zone de basses fréquences par rapport au diagramme
de Cole-Cole [16].
Pour une valeur de fréquence donnée, la permittivité et
la résistivité diminuent avec l’augmentation de la durée
d’application de la contrainte électrique.
E. Topographie de la surface du solide isolant
a
Fig .15. Micrographie MEB d’échantillons de résine époxy
a) vierge et b) vieilli sous décharges partielles durant 4h
D. Diagramme de Cole-Cole
La figure 15 montre les micrographies des échantillons
vierge et vieilli pendant 4 heures sous décharges
partielles. L’échantillon vierge présente une surface lisse
et homogène. Par contre, pour l’échantillon soumis aux
décharges couronne pendant 4h, nous pouvons observer
pour des profondeurs d’analyse correspondant à la
tension de 20 kV la topographie des zones ayant subi des
dégradations.
La permittivité complexe 𝜀 ∗ dépend de la permittivité
relative 𝜀𝑟 et de la fréquence f. La partie réelle 𝜀 ′ de la
permittivité complexe représente la permittivité relative.
La partie imaginaire 𝜀 ′′ de la permittivité complexe
représente les pertes dues au champ alternatif [17].
Le diagramme de Cole-Cole montre la dépendance de la
permittivité complexe, donc la permittivité relative et du
facteur de perte, de la fréquence de la tension alternative
d’essai. Aussi ce diagramme peut montrer des
changements dans la structure du matériau et des
mécanismes de polarisation [17].
Les systèmes d’isolation ont une influence importante
sur la durée de vie des machines, et la dégradation de
l’isolation cause des changements significatifs des
paramètres électriques et non électriques des machines.
[18].
Facteur de pertes
F. Analyses FTIR
La figure 16 montre les spectres des échantillons de la
résine en forme de films : un échantillon vierge et un
autre soumis aux décharges pendant 8 heures de temps.
résine époxy vierge
80
3
4
60
résine époxy
Transmittance (%)
Vierge
Vieilli 2H
Vieilli 4H
Vieilli 6H
Vieilli 8H
0,08
b
0,07
40
20
1
0
0,06
2
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
Nombre d'onde (cm-1)
0,05
Résine époxy vieilli 8h
60
0,04
3,6
3,7
3,8
3,9
4,0
4,1
4,2
Transmittance (%)
3,5
Permittivité
Fig.14. Variation du facteur de pertes en fonction de la
permittivité
La figure 14 montre le diagramme de Cole-Cole d’un
échantillon vierge et d’échantillons vieillis de 2h à 8h.
On peut remarquer l’évolution du facteur de pertes avec
l’augmentation de la permittivité. Ceci dans la gamme de
fréquence allant de 500Hz à 10kHz, soit es basses
fréquences, utilisées dans les machines électriques. Pour
les échantillons de résine époxy vieillis sous contrainte
électrique, le facteur de pertes diélectriques est plus
élevé.
50
40
30
20
10
0
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
Nombre d'onde (1/cm)
Fig.16. Spectre FTIR de résine époxyde vierge et vieilli
pendant 8 heures.
5
[4]
On remarque la diminution de l’intensité des pics, en
particulier les pics 1 et 2 correspondants respectivement
aux groupements OH et CH.
Le vieillissement électrique est engendré par la mobilité
moléculaire de la partie époxy du composite, ce
vieillissement entraine la rupture des liaisons covalentes
et liaisons simples, ainsi la structure chimique initiale du
matériau est modifiée. Ces modifications influent
directement sur les caractéristiques thermiques et
mécaniques du composites, il provoque une diminution
de la densité de réticulation et une diminution de la
rigidité mécanique de la résine époxyde.
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
IV. CONCLUSION
[10]
La mesure des caractéristiques électriques et
diélectriques de l’isolation des machines électriques
revêt une grande importance pour le diagnostique de ces
machines. Dans ce travail, nous avons suivi l’évolution
de l’amplitude maximum des impulsions de courant et de
la valeur efficace du courant de décharge partielle qui
pourrait apparaître dans un intervalle d’air en série avec
l’isolant du bobinage d’une machine électrique.
Ce travail a été aussi focalisé sur l’influence de la
contrainte électrique sur les propriétés diélectriques du
matériau isolant des spires. L’analyse des mesures de
spectroscopie d’impédance nous a montré l’évolution de
la permittivité, la résistivité et le facteur de pertes, en
fonction de la fréquence ainsi que de la durée
d’application du champ électrique.
La représentation de la variation de ces paramètres
indique une diminution significative de𝜀𝑟 , tg𝛿 et 𝜌, avec
l’accroissance de la fréquence, alors qu’on observe une
diminution de 𝜀𝑟 et 𝜌 avec l’augmentation du temps de
vieillissement.
Les méthodes spectroscopiques d’analyse (FTIR, MEB)
ont confirmé la dégradation de la résine époxy sous
l’action de la contrainte électrique.
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
REFERENCES
[1]
[2]
[3]
[18]
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