Matériaux cellulosiques pour améliorer les transformateurs de puissance

Avec l'invention de l'ampoule et le développement des machines électriques, le monde industriel a développé un appétit pour une consommation d'énergie électrique. Pour répondre à cette demande, des réseaux électriques ont été construits pour transporter l'électricité des producteurs aux consommateurs. Au centre du réseau électrique se trouvent les transformateurs, ce sont des dispositifs électriques passifs qui peuvent monter et descendre la tension dans les réseaux électriques dans le but de transporter l'électricité avec un minimum de pertes. Les Transformateurs de Puissance (TP) sont un type de transformateurs que l'on trouve au début des réseaux électriques, ils nécessitent un système d'isolation avec d'excellentes propriétés thermiques et diélectriques. Une combinaison d'huile minérale et d'isolant cellulosique (papier kraft et carton immergés dans l'huile) est utilisée dans les TP. L'isolation papier-huile dans le TP se dégradera avec le temps et, dans des conditions de travail normales, le composant avec la plus faible durée de vie est l'isolation en papier. Par conséquent, les méthodes d'évaluation de TP se concentrent sur l'évaluation de l'état de l'isolant cellulosique.

Cette thèse porte sur le comportement de vieillissement de l'isolation des TP, centrée sur le papier Kraft, avec l'idée générale de développer de nouvelles méthodes d'évaluation de l'état de l'isolation dans des équipements réels.

Une première partie se concentre sur l'utilisation du méthanol comme marqueur de vieillissement dans la dégradation de la cellulose. Il s'agit d'une méthode indirecte qui relie le dosage d'une substance dissoute (méthanol) à l'état de dégradation de l'isolant cellulosique à l'intérieur d'un TP. Une revue de la littérature pertinente sur le sujet et une description des méthodes expérimentales qui ont été utilisées pour valider le méthanol comme marqueur du vieillissement sont présentées. Dans notre étude, une attention particulière a été portée sur le rôle chimique des principaux composants du papier (cellulose, hémicelluloses, lignine) dans la production de méthanol au cours du vieillissement. L'origine du méthanol généré en tant que marqueur de vieillissement de la dépolymérisation de la cellulose et le rôle de chaque composant du papier dans la production de méthanol ont été étudiés par l'étude de molécules modèles. La lignine a une contribution majeure à la libération de méthanol en raison de la présence de groupes méthoxyle.

Dans une deuxième partie, le même ensemble d'échantillons a été étudié. Il a été choisi pour représenter les variations possibles de la composition organique et inorganique du papier. La variation de la composition organique a été obtenue en utilisant des échantillons de papier de différents types. Des variations de compositions inorganiques ont été obtenues par échange d'ions, pour remplacer certains cations présents dans les pâtes kraft et enrichir le papier avec d'autres ions métalliques. Une fois le vieillissement commencé, la lignine protège la pâte de l'oxydation, non seulement en réduisant la valeur globale des dégats oxydatifs, mais également la proportion de composants acides dans l'oxydation. Ce phénomène était corrélé à la permittivité et à la dépolymérisation car, dans les deux cas, les échantillons avec une oxydation acide correspondaient à la dépolymérisation la plus rapide et aux pertes des propriétés diélectriques les plus importantes. Les métaux alcalins et alcalino-terreux (même en concentration ppm) se sont avérés avoir un effet important sur la dépolymérisation et l'oxydation. Le calcium, le magnésium et, dans une moindre mesure, le sodium, ont montré une proportion plus faible d'oxydation acide du plomb qui est corrélée à une cinétique de dépolymérisation plus lente, tandis que les métaux de transition comme le fer et le cuivre ont montré une importante oxydation acide qui est corrélée à une cinétique de dépolymérisation rapide.

Thèse disponible sur : https://cnrs.hal.science/LGP2/tel-04210645v1