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RÉSUMÉ
Les polymères et composites à matrice polymère sont aujourd'hui très largement répandus pour des fonctions d'isolation électrique et de stockage d'énergie dans le domaine de l'électrotechnique. Ils le sont notamment pour des raisons liées entre autres à leurs qualités intrinsèques, à la variabilité des propriétés selon leur nature, aux conditions de mise en œuvre, aux évolutions des architectures des systèmes eux-mêmes et à des considérations économiques. L'objectif de cet article est de présenter les spécificités de ces matériaux en termes de performances et de durabilité vis-à-vis des exigences et des contraintes électriques et environnementales rencontrées dans l'électrotechnique.
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Gilbert TEYSSEDRE : Ingénieur INSA Toulouse - Docteur en Physique des Polymères - Directeur de Recherches au CNRS - Laboratoire Plasma et Conversion d'énergie LAPLACE, Toulouse
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Laurent BOUDOU : Docteur en Génie électrique - Maître de conférences à l'Université Toulouse III - Laboratoire Plasma et Conversion d'énergie LAPLACE, Toulouse
INTRODUCTION
Les composants et systèmes du génie électrique intègrent nécessairement des éléments d'isolation électrique entre des éléments portés à des potentiels différents ou dans un souci de protection des biens et des personnes. Parmi ces matériaux, les polymères et les composites à matrice polymère occupent une place très importante, se substituant à des matériaux purement inorganiques (isolateurs verre ou porcelaine) ou à des associations type papier huilé, dont la maintenance et l'écocompatibilité sont des points faibles. Pour diverses raisons liées :
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aux performances intrinsèques des matériaux et à la variabilité des propriétés selon leur nature ;
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aux évolutions des systèmes eux-mêmes ;
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aux conditions de mise en œuvre ;
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à la recyclabilité ;
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à des considérations économiques ;
on s'oriente en priorité vers ces matériaux, dans l'électrotechnique comme dans bon nombre d'autres domaines (constructions aéronautique et automobile, bâtiment…). Au sein même des systèmes électriques, les fonctions qu'ils assurent et les contraintes qu'ils doivent endurer en complément de l'isolation électrique sont très variables. La résistance des matériaux organiques à ces diverses contraintes étant elle-même très variable selon leur nature et leur formulation, il en résulte une multitude de possibilités offertes dans laquelle il est effectivement difficile d'identifier les solutions optimales.
Au cours du temps, la conception des systèmes a évolué en prenant en compte des possibilités offertes par la souplesse de mise en forme de ces matériaux. Parallèlement, les critères de tests se sont adaptés, et les matériaux eux-mêmes ont évolué dans une certaine mesure pour s'adapter aux contraintes du domaine. Cependant, les performances des matériaux du point de vue de la tenue diélectrique ne se déduisent pas de façon déterministe de leur structure ou de leur formulation. Cela, combiné au fait que les marchés potentiels sont relativement modestes en comparaison à d'autres domaines, fait que l'on reste tributaire des produits offerts par l'industrie chimique, et condamnés à réaliser des séries de tests multiples avec des contraintes et des géométries proches des conditions de service pour valider des choix de conception.
L'objectif de ce dossier est de fournir au lecteur des éléments d'information sur la tenue des matériaux aux contraintes environnementales et de service dans le domaine de l'électrotechnique, et les raisons pour lesquelles certaines familles de matériaux peuvent convenir plus que d'autres. Au-delà de la fonction isolation, sont considérées également les applications dans le domaine du stockage d'énergie (condensateurs).
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Caractéristiques des polymères et composites en électrotechnique
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1. Définitions
1.1 Polymères
Un polymère est un matériau composé de longues chaînes moléculaires appelées macromolécules. Une macromolécule est une molécule résultant de l'enchaînement covalent de motifs —A— appelés monomères :
n représentant le degré de polymérisation.
La structure chimique du polymère, c'est-à-dire la nature des atomes le constituant, est donnée par la structure de l'unité constitutive. Selon les définitions, on appelle macromolécule une molécule de masse molaire supérieure à 5 000 g/mol, ou 100 unités monomères. Au-dessous de 1 000 g/mol, il s'agit de molécules, et de 1 000 à 5 000 g/mol, on parle d'oligomères.
le polyéthylène se définit pour n > 100 ; pour n < 100, ce sont des n-paraffines, n représentant dans ce cas le nombre d'atomes de carbone.
Nous donnons dans le tableau 1 quelques exemples de polymères parmi les plus communs (avec leurs abréviations), utilisés dans l'électrotechnique et dont les domaines d'application sont repris dans ce dossier :
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le polyéthylène (PE) est largement utilisé comme isolant dans les câbles car il a peu de pertes diélectriques, une faible permittivité, une résistivité élevée, et un coût matière modéré ;
-
le polytétrafluoroéthylène (Téflon®) est également un bon isolant et a surtout une bonne tenue en température ;
-
le polypropylène, qui est une polyoléfine comme le PE est utilisé principalement dans les condensateurs ;
-
les polyesters type PET et PEN, utilisés dans les condensateurs, ont une bonne tenue en température ;
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les polyamides (Nylon®), dont on a plusieurs types en fonction de la longueur des espaceurs ;
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le...
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Définitions
BIBLIOGRAPHIE
-
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(2) - HUGHES (R.C.) - The electronic properties of the metal-insulator contact : Space-charge induced switching. - J. Appl. Phys., vol. 51, p. 5933-5944 (1980).
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(3) - O'DWYER (J.J.) - The Theory of Electrical Conduction and Breakdown in Solid Dielectrics. - Clarendon Press, Oxford (1973).
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(4) - ABKOWITZ (M.A.), MIZES (H.A.), FACCI (J.S.) - Emission limited injection by thermally assisted tunneling into trap-free transport polymer. - Appl. Phys. Lett., 66, p. 1288-1290 (1995).
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(5) - GILBERT (R.), CRINE (J.P.), NOIRHOMME (B.), PÉLISSOU (S.) - Measurement of organic and inorganic ions in cable insulation and shields. - Proc. IEEE Conf. Electr. Insul. Dielectr. Phenomena (CEIDP), p. 235-240 (1992).
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(6) - PAI (D.M.), ENCK (R.C.) - Onsager...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Comsol : outils de calcul multiphysique par éléments finis http://www.comsol.fr
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CEI 93 (1982), Méthodes pour la mesure de résistivité transversale et superficielle des matériaux isolants électriques solides
CEI 243 (1988), Méthodes d'essai pour la détermination de la rigidité diélectrique des matériaux isolants solides
CEI 989 (1991), Transformateurs d'isolement à enroulements séparés, autotransformateurs, transformateurs variables et bobines d'inductance
CEI 270 (2000), Techniques des essais à haute tension – Mesures de décharges partielles, 3e Édition
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