Endurance et tenue diélectrique de l’isolation de câbles électriques pour l’aéronautique

L’architecture des futurs aéronefs comportera de nouvelles fonctions électriques, en remplacement des circuits hydrauliques et pneumatiques. L’augmentation de l’énergie électrique permet d’obtenir une réduction des masses (élimination du réseau hydraulique) et donc une économie de carburant (et par conséquent une réduction des émissions), un asservissement plus précis, une maintenance plus aisée résultant en plus de sécurité et de confort. Il est alors nécessaire d’augmenter la puissance électrique soit en augmentant l’intensité, soit en augmentant la tension. De façon à ne pas pénaliser le rendement (pertes ou augmentation de masse), il est nécessaire de monter en tension. Or, l’effet des « hautes » tensions sur les systèmes électriques est très peu étudié en aéronautique. Ces travaux ont été effectués pour et à la demande d’Airbus Helicopters. Même si dans l’ensemble les contraintes aéronautiques avions et hélicoptères sont prises en compte, les travaux se sont surtout concentrés sur les environnements hélicoptères. Actuellement, les tensions de distribution sont généralement de 28 V DC et 270 V DC séquencé et jusqu’à 230 V AC pour les hélicoptères et les avions. Les tensions envisagées sont aujourd’hui inférieures à 1000 VDC. Toutefois, dans un futur plus éloigné, la possibilité d’augmenter encore ce niveau de tension reste ouverte. L’augmentation de tension peut entraîner des dégradations prématurées des matériaux habituellement utilisés qu’il est indispensable de connaitre pour assurer la sécurité des systèmes. Ces dégradations peuvent conduire à :

• des évolutions des propriétés électriques : sous de fortes tensions, le risque de déclenchement de décharges partielles est plus élevé, ce qui peut engendrer des dégradations de l’isolation et des caractéristiques fonctionnelles des câbles ;
• des évolutions des propriétés telles que des modifications des propriétés diélectriques, mécaniques, chimiques des isolants sont possibles sous fortes tensions. Cela peut être aggravé par une susceptibilité accrue sous contraintes environnementales (pression, humidité et température).

Les évolutions de ces propriétés peuvent apparaître sous contraintes électriques et environnementales, telles que les cycles hydriques qui peuvent aussi faire évoluer les câbles et entrainer des dégradations plus rapides que prévues, voire non prévues. Actuellement, différents matériaux sont utilisés pour le câblage des systèmes aéronautiques et leurs limites d’utilisation sous fortes tensions ne sont pas connues. Cependant quelques essais préliminaires ont mis en évidence les risques de dégradation des isolants sous haute tension avec apparition d’arc électrique pouvant entraîner un risque d’un point de vue sécurité et/ou utilisation à long terme des câbles. Les câbles sont généralement installés dans des zones difficiles d’accès et peuvent faire plusieurs mètres de long. Il est pratiquement impossible de les changer au cours de la vie opérationnelle d’un avion ou d’un hélicoptère et ce pour des durées pouvant facilement atteindre 40 ans.

L’amélioration de l’efficacité énergétique des systèmes aéronautiques passe par une utilisation accrue de l’énergie électrique en remplacement des systèmes pneumatiques, hydrauliques et mécaniques traditionnels. Ce remplacement permet des mesures internes et une maintenance plus aisées des systèmes d’actionnement, une économie de carburant par la réduction des masses embarquées, et offre ainsi des systèmes plus performants, moins polluants, avec plus de sécurité et de confort.

Matériels et matériaux concernes par l’étude

Tensions

D’une part, les systèmes existants seront impactés par l’augmentation de la tension électrique dans les aéronefs. D’autre part, de nouveaux systèmes nécessitent une augmentation de tension.
– Les systèmes de dégivrage requièrent 330 V DC intermittent voire 400 V DC ;
– L’hybridation des moteurs (association des moteurs électriques avec moteurs thermiques existants) nécessite 540 V DC ou +/-270 V DC ;

Matériel (câbles)

Le câble étudié dans le cadre de ce travail est un câble unipolaire, avec une âme au potentiel, recouverte d’un ou plusieurs isolants, sans blindage externe. Il s’agit d’un câble de type DR (Figure I-1) dont le système d’isolation est hybride Polyimide (PI)/Polytétrafluoroéthylène (PTFE), avec une âme en cuivre (ou cuivre plaqué nickel). D’après [1] et [2], ils sont utilisés dans les systèmes électriques sous une tension de 115 V dans une gamme de températures d’utilisation comprise entre -55°C et +260°C.

Contraintes Environnementales et d’utilisation de l’hélicoptère

Contraintes Environnementales 

Les câbles de type DR sont notamment mis en œuvre dans les hélicoptères. C’est la raison pour laquelle les contraintes environnementales ici retenues seront principalement relatives à l’exploitation de ce type d’aéronef. Le fonctionnement des systèmes électriques embarqués dans les hélicoptères est soumis à de nombreuses variations des paramètres environnementaux liés notamment aux changements d’altitude et de conditions extérieures. Le document SPX902A0002E01 [9], qui est extrait de la norme [10] citant toutes les conditions environnementales pour tous les équipements aéronautiques, donne les différentes conditions environnementales auxquelles sont soumises des équipements de l’hélicoptère.

Altitude
Comme l’hélicoptère peut voler jusqu’à 6000 m d’altitude, il peut subir des pressions allant de 1013,25 hPa à 471 hPa . La température normalisée de la troposphère est comprise entre 15°C au sol et -55°C à 11000 m d’altitude. A 6000 m, la température normalisée de l’air est de -24°C .

Autres contraintes environnementales
L’humidité relative de l’environnement de l’hélicoptère peut être présente dans l’habitacle, donc au contact des matériels et isolants en particulier. Il existe un certain nombre de normes ([9], [10], [12]) pour évaluer l’impact des variations d’humidité (condensation) sur les matériels. Enfin, ceux-ci peuvent aussi être exposés aux rayonnements UV.

Humidité 

Les molécules d’eau absorbées dans les matériaux facilitent les phénomènes de diffusion mais fournissent également des porteurs de charges supplémentaires issus de la dissociation des molécules d’eau : 2H2O = H3O + + HO- . Ainsi, l’absorption d’eau augmente la conductivité en masse, ainsi que les pertes diélectriques. Ainsi, Jian et Zhongfu [19] ont montré, par des mesures de potentiel sur une surface libre de PTFE après dépôt de charges par décharge couronne, que lorsque l’humidité augmente, la profondeur moyenne de charge d’espace se déplace vers l’électrode arrière sur près de 36% de l’épaisseur du matériau. Cette observation a été attribuée à une absorption d’eau plus élevée sous forte humidité. La permittivité de l’eau étant très élevée (εr = 78,5), celle du matériau ayant absorbé de l’eau augmente (par rapport au même matériau sec) .

Contraintes multiples 

Le PTFE est utilisé comme une couche externe protectrice contre l’humidité dans les câbles étudiés. C’est pourquoi l’étude de l’hydrophobicité de ce matériau sous plusieurs contraintes est une propriété importante. Des tests de perte d’hydrophobicité ont été réalisés par Syed et al. en mesurant l’ange de contact d’une goutte d’eau distillée sur la surface du PTFE [20]. Il est conclu que l’augmentation de la salinité d’une solution dans laquelle est immergé un câble et celle combinée de la température induisent une diminution de l’angle de contact, traduisant une perte partielle de l’hydrophobicité du PTFE. Ce résultat est interprété par une oxydation de surface. De plus, les mêmes auteurs montrent qu’après exposition (500 heures) du matériau à un champ électrique continu élevé (12,5 kV/mm), une faible diminution de l’angle de contact est constatée (de 108 ± 5° sous 0 kV/mm à 104 ± 5° sous 12,5 kV/mm). Cet effet est dû à un faible courant circulant sur la surface du PTFE.

Décharges partielles (DP) 

Définition

Les décharges partielles [35] sont des décharges électriques localisées, résultant d’une ionisation partielle du gaz compris entre au moins deux conducteurs imposant à l’intervalle les séparant un champ électrique, sans toutefois conduire à un court circuit entre ces conducteurs. Ces décharges sont caractérisées par une tension élevée et un courant moyen d’intensité faible. Le comportement non-disruptif des décharges partielles peut résulter des conditions de pression du gaz, de la géométrie des conducteurs, ou encore de la présence d’un isolant solide entre ces conducteurs. Dans les systèmes d’énergie électrique en exploitation, ces décharges sont dues en particulier à des imperfections (cavité, décollement, contaminants …) des diélectriques solides, liquides ou gazeux et apparaissent dès qu’une tension suffisante est appliquée. Généralement de telles décharges apparaissent sous la forme d’impulsions ayant des durées très inférieures à 1 μs.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETAT DE L’ART
I.1 INTRODUCTION
I.2 MATERIELS ET MATERIAUX CONCERNES PAR L’ETUDE
I.2.1 Tensions
I.2.2 Matériel (câbles)
I.2.3 Matériaux d’isolation concernés
I.3 CONTRAINTES ENVIRONNEMENTALES ET D’UTILISATION DE L’HELICOPTERE
I.3.1 Contraintes Environnementales
I.3.2 Contraintes d’utilisation
I.4 POLYTETRAFLUOROETHYLENE (PTFE)
I.4.1 Influence des paramètres de température, d’humidité et de contraintes multiples sur les propriétés du PTFE
I.4.2 Evolution des propriétés sous vieillissement
I.5 POLYIMIDE (PI)
I.5.1 Influence des paramètres température et humidité sur les propriétés des PI
I.5.2 Evolution des propriétés sous vieillissement
I.6 DECHARGES PARTIELLES (DP)
I.6.1 Définition
I.6.2 Classification des décharges partielles
I.6.3 Mécanismes de la décharge
I.6.4 Détection des décharges partielles
I.6.1 Vieillissement sous décharges partielles
I.7 CHARGES D’ESPACE
I.7.1 Définition
I.7.2 Origine
I.7.3 Effets des charges sur le comportement des isolants
I.7.4 Techniques de mesure
I.7.5 Potentiel de surface
I.8 CONCLUSION
CHAPITRE II : MATERIEL ET METHODES
II.1 INTRODUCTION
II.2 CABLES ETUDIES
II.3 LES VIEILLISSEMENTS
II.3.1 Les conditions
II.3.2 Mise en place des vieillissements
II.4 MESURES PHYSICOCHIMIQUES
II.4.1 FTIR
II.4.2 DSC
II.4.3 ATG
II.4.4 Radiographie à rayon X
II.5 BANC DE MESURE DECHARGES PARTIELLES
II.5.1 Méthode générale
II.5.2 Méthode sur support
II.5.3 Méthode avec électrode de masse tubulaire
II.5.4 Modèle fil/plan
II.6 BANC DE MESURE DE POTENTIEL DE SURFACE
II.7 CONCLUSION
CHAPITRE III : CARACTERISATION PHYSICOCHIMIQUE ET ETUDE DU COMPORTEMENT VIS-A-VIS DES DECHARGES PARTIELLES DES CABLES NEUFS ET VIEILLIS
III.1 INTRODUCTION
III.2 PROPRIETES DU CABLE DR16 A T0
III.2.1 Propriétés physicochimiques
III.2.2 Décharges partielles
III.2.3 Modélisation électrostatique
III.3 VIEILLISSEMENTS THERMIQUES STATIQUES
III.3.1 Vieillissement sous contrainte thermique seule (240°C)
III.3.2 Vieillissement sous contrainte thermique (240°C) et électrique (540 V DC / 1000 V DC)
III.4 VIEILLISSEMENT THERMIQUE DYNAMIQUE (VRT)
III.4.1 Effet du vieillissement sur les décharges partielles
III.4.2 Effets du vieillissement sur les propriétés physicochimiques
III.5 CONCLUSION
CHAPITRE IV : POTENTIEL DE SURFACE
IV.1 INTRODUCTION
IV.2 RESULTATS
IV.2.1 Câble neuf
IV.2.2 Comparaison des différents vieillissements
IV.3 DISCUSSION ET MODELE
IV.3.1 Remarques et mécanismes possibles
IV.3.2 Modèle de polarisation interfaciale
IV.4 CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE

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