Analyses électriques

5.1. Analyses diélectriques

L’analyse diélectrique a été réalisée avec un analyseur d’impédance Programma IDA200 (Figure 29a) permettant l’utilisation d’une tension jusqu’à 200 Veff. L’utilisation d’un amplificateur haute tension (Figure 29b) permet l’extension de la gamme de tension à 20 kVeff. La gamme de fréquence disponible est 1mHz-1kHz jusqu’à 200 Veff et 1mHz-100Hz au-delà de 200 Veff. Cet appareil alimente un système d’isolation électrique placé dans une étuve régulée en température de l’ambiante à 250°C.

Le dispositif permet donc de mesurer les propriétés diélectriques d'un tronçon de câble, à tension et température nominales, dans la gamme de fréquence de 1 mHz à 100 Hz.

a) b)

Figure 29 : Dispositif Programma IDA200: a) IDA200, b) IDA200 HVU (High Voltage Unit). Les propriétés électriques du matériau étudié permettent de déterminer sa conductivité via les mesures de spectroscopie électrique : la valeur de conductivité à 1 mHz est identique à la valeur de conductivité mesurée en courant continu. La justification de cette extrapolation est présentée au chapitre 3, §1.4.1.

Lorsque les mesures ont été réalisées en température, le protocole défini pour ces mesures était le suivant :

- Mise en chauffe de l’étuve à la température choisie pendant 1h30 ;

- Mise en place de l’échantillon dans l’étuve et chauffage de l’échantillon pendant 1h30 ;

- Réalisation de la mesure (≈ 1h05) ;

- Si besoin : réglage de l’étuve sur une autre température (supérieure à la température précédente) ;

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- Chauffage pendant 1h30 ;

- Réalisation de la mesure (≈ 1h05).

Dans le cas où les mesures sont réalisées sur des échantillons déjà chauds (en vieillissement artificiel), l’échantillon est d’abord refroidi à température ambiante avant d’être placé dans l’étuve conformément à la deuxième étape décrite ci-dessus.

5.2. Réflectométrie

Le principe de cette méthode est l’injection d’une onde dans un matériau qui, en présence d’une discontinuité électrique, verra une partie de son énergie renvoyée vers le point d’injection. Cette énergie est à l’origine d’un signal réfléchi qui peut alors être capté et analysé pour obtenir des informations sur la discontinuité.

Deux familles principales composent cette technique :

- la réflectométrie temporelle (Time Domain Reflectometry : TDR) ;

- la réflectométrie fréquentielle (Frequency Domain Reflectometry : FDR).

La méthode est la même dans les deux cas (injection d’un signal), la différence provient de la procédure d’injection et du traitement de la réponse. En TDR, c’est l’analyse des signaux réfléchis qui donne des informations sur le réseau tandis qu’en FDR c’est l’analyse de l’onde stationnaire qui donne accès à ces informations.

Les discontinuités électriques pouvant être détectées peuvent provenir de divers types de défauts. On peut distinguer deux grandes familles :

- les défauts francs, localisés, qui produisent un signal renvoyé de forte amplitude avec un coefficient de réflexion égal à ±1 (ex. : un court-circuit renvoie la totalité de l’énergie et inverse la polarité, un circuit ouvert renvoie la totalité de l’énergie et conserve la polarité) ;

- les défauts non francs qui peuvent être localisés ou répartis sur une certaine longueur. Pour ceux-ci les signaux renvoyés peuvent être très faibles (ex. : une variation d’impédance renvoie une partie de l’énergie et modifie la forme du signal).

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Les essais ont été réalisés en utilisant deux appareils de mesures :

- un générateur d’impulsion courte de référence Agilent 81150A (Figure 30a), prêté par la société MB électronique, couplé à un oscilloscope numérique Lecroy Wave Runner 44Xi - 400 MHz (5MS/s) (Figure 30b) ;

- le système LIRA (Figure 31). Le LIRA (Line Impedance Resonance Analysis) est un système de diagnostic et de surveillance de l'état des câbles. La longueur du câble testé peut varier de quelques mètres à plusieurs centaines de kilomètres (d’après la documentation fabricant (46)), en fonction de la structure du câble et de l'atténuation électrique. Le système LIRA peut potentiellement surveiller la dégradation globale du câble, la dégradation progressive de l'isolation du câble lorsqu'il est utilisé dans des conditions environnementales sévères (haute température, humidité, rayonnement). Il peut aussi détecter la dégradation locale de l'isolant lorsque le câble est soumis à une contrainte mécanique ou à des conditions environnementales locales anormales. Dans ce dernier cas, le système LIRA peut localiser la partie dégradée avec une erreur de mesure inférieure à 0,3% de la longueur du câble. Le LIRA est fondé sur la théorie des lignes de transmission, grâce à l'estimation et à l'analyse de l'impédance de ligne complexe en fonction de la fréquence du signal appliqué.

Figure 30 : (a) : générateur d'impulsion Agilent 81150A et (b) : oscilloscope numérique Lecroy Wave Runner 44Xi

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Figure 31 : système LIRA : à gauche : ordinateur et boitier de génération de signaux, modulateur au milieu et à droite

Les conditions de mesures en utilisant le générateur d’impulsion Agilent 81150A et l’oscilloscope sont les suivantes :

- Injection d’impulsion d’amplitude comprise entre 2 et 4Veff et de largeur comprise entre 4,1ns (minimum de l’appareil) et 20ns.

- visualisation de la réflexion à l’écran de l’oscilloscope avec détermination des durées pour estimer la vitesse de propagation.

En complément des essais de réflectométrie avec l’Agilent, des essais de prise en main avec le LIRA ont été réalisés.

5.3. Décharges partielles

La mesure de décharges partielles est une technique qui permet notamment de détecter la présence de cavités dans le matériau ou un décollement entre le matériau et les couches qui l’entourent. Les mesures sont réalisées à l’aide du dispositif mis en place au laboratoire et présenté Figure 32 . La détection des décharges partielles est réalisée avec un détecteur ICM system de Power Diagnostic.

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Figure 32 : dispositif de mesure des décharges partielles

Dans notre cas la cellule de mesure est le câble lui-même. Une préparation différente de celle réalisée pour les mesures au Programma IDA200 a dû être mise en place : suppression des électrodes de garde, prolongation des deux côtés du ruban de cuivre du câble par une couche de laque d’argent, recouverte à son extrémité par une bande de pâte à joint en silicone pour parer aux effluves. L’extrémité des câbles est toujours protégée pas les déflecteurs. Une extrémité d’un câble ainsi préparée, sans le déflecteur, est présentée Figure 33.

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