Modélisation des phénomènes physiques en jeu dans les câbles de transport d'énergie aéronautique HVDC

This work contributes to the more electric aircraft, more particularly in the extension of high-voltage direct current (HVDC) networks in the aeronautic field and the development of materials-insulated cable that meet aeronautic constraints. Its aim is to study and understand the physical phenomena involved in the cables used to transport energy in these networks, but also to predict the electric field distribution within insulating materials under HVDC stresses. In this study, an experimental characterisation part has been carried out on each of the two cable insulations (Polyimide, PI and Polytetrafluoroethylene, PTFE) and focuses on calorimetric analyses (DSC) and current measurements. The DSC analyses enabled us to validate the use of the samples for current measurements. Indeed, PTFE samples undergo a heat treatment (sintering) to have a structure identical to that of an aeronautic cable. Thanks to the DSC analyses, the thermal transitions of PTFE and PI were studied and the impact of sintering on these transitions evaluated. Current measurements were carried out on PI and PTFE samples to characterise their behaviour as a function of the electric field and temperature. The results of these measurements are used to develop an electrical conductivity model for each insulation as a function of electric field and temperature. Current measurements have also been performed on two-layer flat PI/PTFE samples. Using this electrical conductivity model as an input, the electric field distribution in the cables was predicted using finite element numerical simulation software. A macroscopic two-layer (PI and PTFE) planar model was developed and validated by comparing the measurement results on two-layer samples with the simulation results. The comparison enabled the model to be validated over a range of electric fields from 1 kV/mm to 60 kV/mm and temperatures from 20°C to 200°C. Interfacial phenomena at the insulation/insulation interface were addressed with the bilayer model by studying the sign of the interface charge, its density, and its establishment dynamics as a function of temperature and electric field. The second part of the modelling was based on cylindrical geometries, considering the real structure of the cable (geometry of the insulation and the multi-stranded conductor, etc.). These models initially give the distribution of the electric field in a type of cable according to the applied thermal and electrical constraints. The validation of the model is carried out by comparing the simulation results on a type of cable with a diameter of 3.85 mm and a thickness of 50 µm of PI and 200 µm thick of PTFE with the measurement results obtained on the same type of cable. The cable model is validated over a range of electric fields from 1 kV/mm to 20 kV/mm and temperatures between 20°C and 90°C. Representative models of real cases of cable configurations were proposed and allowed to decide on the issues to be considered in cables under stress on the voltage limits and critical electric field values in the cable.Ce projet s'inscrit dans la perspective de l'avion plus électrique plus particulièrement dans l'extension de réseaux haute tension continue (HVDC) du domaine aéronautique et du développement des matériaux isolants de câbles répondant aux contraintes aéronautiques. Il a pour but l'étude et la compréhension des phénomènes physiques en jeu dans les câbles utilisés pour le transport de l'énergie dans ces réseaux mais également la prédiction de la distribution du champ électrique dans les matériaux isolants sous contraintes HVDC. Dans cette étude, une partie de caractérisation expérimentale a été effectuée sur chacun des deux isolants de câbles (Polyimide, PI et Polytétrafluoroéthylène, PTFE) et porte essentiellement sur des analyses calorimétriques (DSC) et des mesures de courant. Les analyses DSC nous ont permis de valider l'utilisation des échantillons pour les mesures de courant. En effet les échantillons PTFE subissent un traitement thermique (frittage) afin d'avoir une structure identique à celle d'un câble aéronautique. Grâce aux analyses DSC, les transitions thermiques du PTFE et du PI ont été étudiées et l'impact du frittage sur ces transitions évalué. Des mesures de courant ont été effectuées sur échantillons PI et PTFE, afin de caractériser leur comportement en fonction du champ électrique et la température. Les résultats issus de ces mesures sont utilisés pour élaborer un modèle de conductivité électrique pour chaque isolant fonction du champ électrique et de la température. Des mesures de courant ont été également réalisées sur des échantillons bicouches plans PI/PTFE. L'utilisation de ce modèle de conductivité électrique comme donnée d'entrée a permis de prédire la distribution du champ électrique dans les câbles grâce à un logiciel de simulation numérique basé sur la méthode des éléments finis. Un modèle macroscopique bicouche (PI et PTFE) plan a été développé et validé en confrontant les résultats de mesure sur des échantillons bicouches et les résultats de simulation. La comparaison a permis de valider le modèle sur une plage de champ électrique de 1 kV/mm à 60 kV/mm et de température allant de 20°C à 200°C. Les phénomènes à l'interface isolant/isolant ont été abordés avec le modèle bicouche plan en étudiant le signe de la charge d'interface, sa densité ainsi que sa dynamique d'établissement en fonction de la température et du champ électrique. La deuxième partie de la modélisation a porté sur des géométries cylindriques avec la prise en compte de la structure réelle du câble (géométrie de l'isolation et du conducteur multibrins...). Ces modèles donnent dans un premier temps la distribution du champ électrique dans un type de câble suivant les contraintes thermiques et électriques appliquées. La validation du modèle est effectuée grâce à la confrontation des résultats de simulation sur un type de câble de 3,85 mm de diamètre et 50 µm d'épaisseur PI et 200 µm d'épaisseur de PTFE et les résultats de mesures obtenus sur ce même type de câble. Le modèle câble est validé sur une plage de champ électrique allant de 1 kV/mm à 20 kV/mm et de température comprise entre 20°C et 90°C. Des modèles représentatifs de cas réels de configurations de câbles ont été proposés et ont permis de statuer sur les enjeux à considérer dans les câbles sous contraintes sur les limites en tension et les valeurs critiques de champ électrique dans le câble