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

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.