Remplacer les huiles synthétiques dans les condensateurs

Les murs diélectriques des condensateurs : une technologie à mettre à niveau

Le développement des différents matériaux isolants utilisés comme mur diélectrique dans les condensateurs a permis de révolutionner les technologies de fabrication de ces derniers. Ces matériaux jouent un rôle clé dans le contrôle de charge et le stockage d’énergie. Ainsi, avant les années 1970, le papier kraft imprégné d’huile minérale (diphénol polychloré) était le principal diélectrique utilisé dans les condensateurs. Cependant, en raison de leur faible facteur de dissipation, de leur rigidité diélectrique élevée, de leur bonne stabilité et de leur grande accessibilité, les films polymères ont progressivement remplacé le papier kraft dans les condensateurs. Le passage du papier au film polymère a également raccourci le processus de fabrication des condensateurs en réduisant le temps de séchage du papier nécessaire avant son imprégnation par l’huile (Hantouche, 1996; Qi, Petersson, & Liu, 2014).

Fig. 1. Différentes configurations de condensateur (pas à l’échelle)

La technologie actuellement utilisée pour la fabrication des condensateurs haute tension consiste à utiliser un empilement de rubans minces (électrodes et mur diélectrique) enroulés, dont les configurations peuvent changer (voir Fig. 1) en fonction des performances électriques attendues. Les bobines enroulées sont assemblées en série ou en parallèle, formant ce qu’on appelle la partie active du condensateur. Habituellement, pour protéger la partie active de l’air et de l’humidité et pour combler les vides possibles, elle est insérée dans un isolateur étanche et imprégnée d’une huile synthétique.

Fig 2 : Condensateurs à l’huile

Bien qu’actuellement les condensateurs imprégnés d’huile synthétique aient une fiabilité électrique élevée, il est nécessaire de mettre à niveau la technologie pour remplacer les huiles synthétiques en raison de leur effet nocif sur l’environnement et des risques pour la sécurité sur les lieux de travail. De plus, de nouvelles réglementations de protection et de préservation de l’environnement pourraient interdire l’utilisation d’huiles synthétiques dans quelques années. Il est donc urgent de relever les nouveaux défis en matière de matériaux diélectriques et de permettre aux condensateurs de répondre aux exigences sanitaires et écologiques (Samuel, Lucas, Fu, Howard, & Lafon-Placette, 2012).

Le projet de caractérisation de nouveaux murs diélectriques à base de résines thermodurcissables, sous l’encadrement des professeurs Éric David et Simon Joncas, une équipe de recherche du Département de génie mécanique et du Département de génie des systèmes de l’ÉTS, cherche des solutions afin de remplacer l’huile diélectrique par des résines thermodurcissables. Les propriétés du nouveau système diélectrique (films & résine) sont caractérisées principalement en utilisant des mesures de décharges partielles (DP). Cette technique permet de s’assurer que les condensateurs fabriqués sont dépourvus de cavités ou de délaminations. En effet, l’occurrence de DP pendant le fonctionnement du condensateur endommage son mur diélectrique. La mesure des DP sert donc comme méthode de contrôle de qualité du processus, un échantillon présentant des DP ne pouvant pas être accepté.

Tableau 1 : Mesures des DP, de la capacité et du facteur de dissipation à 60 Hz

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Fig. 3. Histogramme de DP sous une contrainte électrique de 40 kV/mm pour les différents échantillons de condensateur sans huile fabriqués; a) Condensateur monocouche avec traitement de surface, b) Condensateur multicouche sans traitement de surface, c) Condensateur multicouche avec traitement de surface.

La figure 3 montre les histogrammes des DP pour différentes configurations de mur diélectrique. En comparant les DP pour ces résultats, on remarque que des modèles de DP de type « oreilles de lapin » ont été observés dans le cas du condensateur multicouche n’ayant pas subi un traitement de surface (Figure 3b). Le condensateur monocouche n’ayant pas subi un traitement de surface montre un faible niveau de DP. Le condensateur multicouche ayant subi un traitement de surface ne présente pas de DP sous la contrainte électrique appliquée de 40 kV/mm. Ces résultats confirment donc la qualité de l’imprégnation, le choix du matériau et des traitements de surface ainsi que le potentiel d’utilisation de cette nouvelle technologie.

Conclusion

Ces résultats préliminaires montrent une augmentation significative des performances du mur diélectrique grâce au traitement effectué à la surface des films imprégnés d’une résine commerciale thermodurcissable. De plus, pour la suite du développement, un mur diélectrique monocouche ne semble pas convenir aux applications sans huile.

Informations supplémentaires

Cet article a été présenté lors de la conférence IEEE 2020 International Conference on Dielectrics (ICD 2020) (bientôt disponible).