02-Session2_02-IES&UM-Expose_MOT_calais_hvdc2012.pdf

22/10/2012
Auteurs :
OAI : oai:www.see.asso.fr:2991:3004
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Résumé

02-Session2_02-IES&UM-Expose_MOT_calais_hvdc2012.pdf

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1 HVDC 2012 Calais 23-24 octobre 2012 Contrôle en réseau du diélectrique des câbles HVDC par la MOT Alain TOUREILLE toureille.alain@orange.fr Institut d’Electronique du Sud, Group « Energy et Materials » 2 Plan 1- Les charges d’espace 2- Les méthodes de mesures 3- La MOT (Méthode de l’Onde Thermique) 4- Application R et D aux câbles HVDC 5- Application aux câbles HVDC en réseau 6- Conclusions et Prospectives 3  Electrons: injection ou rejection aux electrodes  Ionisation: molécules dans le diélectrique  Dégradation: cassures de liaisons  Fabrication,extrusion : - impuretés, défaux physiques - hétérogénéités, gradient de matières -gradient thermique lors du refroidissement • charge separation • polarisation gradient 1-Les charges d’espace 4 2-Les méthodes de mesures • Ondes de Pression: – LIPP, PEA Méthodes Thermiques -LIMM, TP, FLIMM, TSM ou MOT, MOTA, 5 3-MOT ou TSM • -Créée en 1986 • -Appliquée dans de nombreux isolants solides purs et composites • -En Génie Electrique: plaques, films, cables • -Installée dans l’Industrie • -Compréhension des isolants 6 Principe de la MOT • Capacité en court-circuit d=d1+d2, Q charge Q d1 d2 Q2=-Q d1/d 7 1. Echantillon en court-circuit 2. Application du front de T dx dx T T x' ( ) ' ( ) 1 1 Balance changed Re-balancing t Q tI 1 )( I t C E x T x t t dx D 0 , I(A) t(s) x xE x pA Measurement Electrode Thermal diffuser I (t) T T Measured PE Sample MOT en court circuit Echantillon non déchargé = 100% Répétabilité 8 MOT sous champ électrique appliqué Principe du “Double Condensateur” pA CompensationPE sample Measurement Electrode Thermal diffuser I (t) T T Measured PE Sample Middle Electrode 2 )(, 0 2 tI dx t txT xECtI D UF avec 2 2 C C Le courant est divisé par 2: 2 C en série 2 échantillons ayant la même capacité C Dans ce cas -80 -40 0 40 80 120 160 200 240 280 320 0 1 2 3 4 5 Time (s) I(pA) Single Capacitance (Short Circuit) I0 = Double Capacitance (Voltage Off) -80 -40 0 40 80 120 160 200 240 280 320 0 1 2 3 4 5 Time (s) I(pA) Single Capacitance (Short Circuit) I0 = Double Capacitance (Voltage Off) 9 MOT sous Tension Continue Mesure Step 1: Tension appliquée à Electrode centrale High DC Voltage Measurement Electrode Thermal diffuser Compensation PE sample Measured PE Sample pA CompensationPE sample Measurement Electrode Thermal diffuser I (t) T T Measured PE Sample Step 2: mesure de I Source déconnectée  Le courant MOT est acquis via l’ échantillon de “compensation”  Avantages du « double condensateur » : compensation des courants dus à la polarisation et à la conduction sous fort champ électrique 10MOT sous champ électrique appliqué Calibration - Validation experimentale • « Sous champ » signaux MOT obtenus sur une plaque de XLPE 1 mm-d’épaisseur et 40 mm de diamètre non conditioné -210 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180 210 0 1 2 3 4 5Time (s) I(pA) -8kV DC -4kV DC (If) -2kV DC -1kV DC Voltage Off +1kV DC +2kV DC +4kV DC +8kV DC V<0 V>0 -210 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180 210 0 1 2 3 4 5Time (s) I(pA) -8kV DC -4kV DC (If) -2kV DC -1kV DC Voltage Off +1kV DC +2kV DC +4kV DC +8kV DC V<0 V>0 11MOT sous champ aprés conditionement Distribution du champ électrique et des charges d’espace résiduels • Distributions des Champ électrique et charge d’espace residuels en court circuit et puis sous champ appliqué de 2 kV/mm Space charge distribution very few affected by the application of the external field Electric field within the sample under +2kV DC is quasi equal to the “Voltage Off” field increased by +2kV/mm -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Thickness(mm)Spacechargedensity(C/m3 ) +2kVDCapplied Voltage Off -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Thickness(mm)Spacechargedensity(C/m3 ) +2kVDCapplied Voltage Off 12 MOT (TSM) Faits principaux o 10-4 – 10-3, diffusivité thermique o Quelques degres par sec sont suffisants sur une Capa de 10-20 pF o La MOT analyse des épaisseurs de10 nm à 25 mm o Tres lente dynamique (bonne precision) en quelques secondes o Bon rapport "Signal/Bruit" (> 50) o Tres haute sensibilité (E>100V/m, >1mC/m3, defaux charges >1010/cm3) o Application à diverses geométries (films, plaques, cables…) o Application à de nombreux materiaux ( = /ᵧ> temps d’acquisition ) o Applications sur sites (HVDC cable length , power alternators, …) o Tres bonne répétabilité o Controle non destructif dT dC C 1 13 4-APPLICATIONS R et D VV CHOIX DES MATERIAUX Control of Manufacturing Process Controle de Qualité Design Fabrication En fonctionnement (Cables) 14 Applications R et D de la MOT aux Cables HVDC 15 Thermal Step measurement bench (OCT) Thermal diffuser Current amplifier Tank with warm liquid Tank with cold liquid Valves Computer Institut d’Electronique du Sud, Groupe « Energie et Matériaux » 16MOT : Application R et D au Cable • Radiateur adapté aux dimensions des câbles Joint JointAl part Al partPVC Radiator Cold liquid • Front thermique négatif par liquide froid coulant directementsur le semicon externe I(A) dr t trT rECtI i e R R , )( r E r rE r 17 Measure sous tension : Principe HighDCVoltage disconnected Thermal Diffuser Compensation Cable Measured Cable pA I (t) T T Step 2: measure MOT (Source déconnectée) Step 1: Tension appliquée sur l’ame HighDC Voltage Thermal Diffuser Compensation Cable MeasuredCable 18 A : Measured Cable, B : Compensation Cable, 1 : HVDC Source, 2 : HV relay, 3 : Current Amplifier, 5 : Thermal Sources, 6 : Thermal Diffuser, 7 : Computer, 10 : Control panel Experimental Setup at 19 Evaluation de charges d’espace résiduelles dans un cable modèle HVDC apres un long vieillissement TSM currents - no voltage applied (short-circuit) -150 -50 50 150 250 350 450 550 0 10 20 30 40 t (s) ITSM(pA) I (pA) 4d I (pA) 52d I (pA) 85d I (pA) 129d 4 days 52 days 85 days 129 days Space Charge Distribution under short circuit -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 6,8 7,3 7,8 8,3 8,8 9,3 9,8 10,3 10,8 11,3 11,8 insulation radius (mm) SpaceChargeDensity(C/m3 ) Rau 4d (C/m3) Rau 52d (C/m3) Rau 85d (C/m3) Rau 129d (C/m3) inner SC (-) outer SC (+) 4 days 52 days 85 days 129 days Model cable aged under -230 kV (63 kV/mm) @ 80 degC with T = 15 degC and measured under short-circuit to determine the residual steadily trapped space charge distribution • Study of trapped charge dynamics : – Ability to evacuate space charge over long DC testing duration is looked for Institut d’Electronique du Sud, Groupe « Energie et Matériaux » 20 Prospects : nanodielectrics for cable insulation Institut d’Electronique du Sud, Groupe « Energie et Matériaux » The introduction of nanofillers within an insulating polymer matrix to produce a nanodielectric material. PE + Nanofillers (nature, shape, quantity, dispersion…) = nanodielectric OBJECTIVES: To improve the charges mobility within the material avoiding charge trapping without changing drastically the electrical conductivity  To control the conductivity threshold To maintain high breakdown strength. 21 5- Câble HVDC en réseau • Il est courant d’analyser en R et D des longueurs faibles de câble HVDC par la jacquette de 20 à 40 cm, • En réseau, il est possible d’analyser toutes les longueurs de câbles en chauffant légèrement l’âme par effet joule grace aux 2 cables + et – • Cette opération peut-être faite à l’occasion d’une maintenance. 22 Câble HVDC en réseau • A l’occasion de cette maintenance les câbles sont mis à la masse • Ensuite on va relier les deux âmes des deux câbles + et – entre elles aux deux bouts de la ligne de longueur L, • Ainsi on a un circuit de faible résistance qui peut être alimenté par un fort courant en tant que secondaire d’un transformateur 23 Analyse des câbles HVDC + et - • I=1000A AC ,t= 1,2,3 sec A I=1000A A L 24 Valeurs numériques 1 • Chauffage adiabatique de l’âme : courant I • Avec I=1000A et s=600mm²de Cu on a 0,016deg par sec • Avec 2000mm² de Cu 0,0016deg/sec csItT ²/²/ 25 Valeurs numériques 2 • Avec I=1000A, sur L=60 km • Pour 600mm² de Cu, 2L=120 km, P=3,4Mw • Pour 600mm² de Al , P=5,2Mw • Pour 2000mm² de Cu, P=1,0Mw • Pour 2000mm² de Al, P=1,6Mw • On voit que ces valeurs sont réalisables en AC 26 Valeurs numériques 3 • Le courant imot est créé par le chauffage de l’âme : l’onde de dilatation du diélectrique concerne d’abord les charges d’espace proches de l’âme : elles sont révélées par effet capacitif • On peut donc d’abord chauffer pendant un temps court (1 sec): imot donne un courant proportionnel au champ électrique résiduel prés de l’âme, puis augmenter l’observation en chauffant plus longtemps 3, 4 secondes 27 Valeurs numériques 4 • Le signal imot est proportionnel à la capacité du câble donc à sa longueur et à la vitesse de chauffage • Ainsi pour des grandes longueurs de câbles on n’a pas besoin de chauffer fortement • L’analyse concerne la totalité de chaque câble: c’est un effet de moyenne qui témoigne du vieillissement du diélectrique. • La calibration est faite en laboratoire ( mesure sous tension ) 28 Valeurs numériques 5 • Ainsi des abaques peuvent être donnés aux techniciens lors de ces contrôles non destructifs afin de vérifier l’état électrique du diélectrique. • Les courants imot mesurés seront alors de l’ordre de qq dizaines de pA/m soit de l’ordre de qq microAmpere sur 60 km ce qui est facilement mesurable sans perturber le câble 29 6- Conclusion et prospectives • L’installation de câbles HVDC extrudés va se développer grâce à de nouvelles technologies, en particulier la fiabilité du diélectrique est accrue ( nanodiélectriques) • Nous avons montré qu’il existe une technique de contrôle non destructif du diélectrique du câble HVDC en réseau qui peut être normalisée 30 Thanks to my Collaborators • Academic: – Professor Serge Agnel – Professor Petru Notingher – Associate Professor Jerome Castellon Industrial: Pierre Mirebeau, Arnaud Allais (Nexans) Jerome Matallana (Stattnet) Gerard Platbrood (Laborelec) 31 Thank You for your attention