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THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE LA COMMUNAUTE UNIVERSITE GRENOBLE ALP

THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE LA COMMUNAUTE UNIVERSITE GRENOBLE ALPES Spécialité : 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie Arrêté ministériel : 25 mai 2016 Présentée par Quentin PELZER Thèse dirigée par Lionel FLANDIN, Professeur, USMB et co-dirigée par Xavier COLIN, Professeur, ParisTech. et co-encadrée par Lara PERRIN, Maître de conférences, USMB et co-encadrée par Petru NOTINGHER, Professeur, UM2 Préparée au sein du Laboratoire d’Electrochimie et physico- chimie des Matériaux et des Interfaces dans l'École Doctorale I-MEP2 - Ingénierie – Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production. Etude du vieillissement des isolants synthétiques des câbles moyenne tension « HTA » Thèse soutenue publiquement le 21 juin 2019, devant le jury composé de : Monsieur Lionel FLANDIN Professeur, Université Savoie Mont-Blanc, Directeur de thèse Monsieur Sombel DIAHAM Maître de Conférences, Université de Toulouse, Rapporteur Monsieur Frédéric VIDAL Professeur, Université de Cergy-Pontoise, Rapporteur Madame Jannick DUCHET-RUMEAU Professeur, Université de Lyon, Examinateur, Président du jury Monsieur Xavier COLIN Professeur, Arts et Métiers ParisTech, Co-directeur Monsieur Petru NOTINGHER Professeur, Université de Montpellier 2, Membre Madame Lara PERRIN Maître de Conférences, Université Savoie Mont-Blanc, Membre Monsieur Adrien RESMOND Ingénieur recherche, EDF, Membre Monsieur Houssam TANZEGHTI Ingénieur recherche, ENEDIS, Membre 2 3 Avant-propos, La majeure partie de ce travail de thèse s’est déroulée au sein du laboratoire LEPMI, et plus particulièrement au sein de l’équipe LMOPS, au Bourget-du-lac. Ainsi, j’adresse mes premiers remerciements à M. Jean-Claude LEPRETRE (Professeur, LEPMI, Université Grenoble-Alpes) et M. Lionel FLANDIN (Professeur, LEPMI, Université Savoie Mont-Blanc), respectivement directeur et directeur adjoint du LEPMI, pour avoir bien voulu m’accueillir au sein de leur laboratoire. Je remercie une seconde fois M. Lionel FLANDIN pour avoir accepté de diriger ces travaux et pour m’avoir permis d’acquérir une méthode de travail rigoureuse et exigeante. Je souhaite également adresser mes plus profonds remerciements à Mme Lara PERRIN (Maître de conférences, LEPMI, Université Savoie Mont-Blanc), qui a encadré la majeure partie de ce travail. Je la remercie particulièrement pour sa disponibilité, pour les nombreux échanges que nous avons eus et pour son souci des détails qui m’ont notamment permis d’acquérir une meilleure maturité scientifique et un sens de la pédagogie. Cette thèse est à l’initiative de l’entreprise EDF. Ainsi, je tiens à remercier M. Adrien RESMOND (Ingénieur de Recherche, LME, EDF R&D) et Mme Mouna BEN-HASSINE (Docteur-Ingénieur, MMC, EDF R&D) pour leurs fortes implications et les très nombreux échanges que nous avons eus au cours de ce projet. Je remercie également M. Philippe BARATON et M. Elie DURCIK pour leur accueil au sein du groupe M24 du département LME. J’adresse mes remerciements particuliers à Mme Claire LEMARCHAND pour son aide précieuse sur l’organisation de mes très nombreux déplacements. Enfin, une partie de ces travaux ont été réalisés au sein de l’IES de Montpellier et du Laboratoire PIMM à Paris. Ainsi, j’adresse mes remerciements à M. Petru NOTINGHER (Professeur, IES, Université de Montpellier 2) et M. Xavier COLIN (Professeur, PIMM, Arts et Métiers ParisTech), pour leurs implications ainsi que leurs accueils respectifs au sein de leurs laboratoires. Je remercie vivement M. Olivier GUILLE pour son aide précieuse concernant la mise en œuvre expérimentale des vieillissements thermoélectriques réalisés à l’IES. Je remercie M. Sombel DIAHAM, (Maître de conférences, LAPLACE, Université de Toulouse) et M. Frédéric VIDAL (Professeur, LPPI, Université de Cergy-Pontoise) pour avoir été les rapporteurs de ce travail de thèse. Je remercie également Mme Jannick DUCHET- RUMEAU (Professeur, INSA, Université de Lyon) pour avoir accepté d’être examinatrice de ce travail. Enfin, je remercie M. Houssam TANZEGHTI (Ingénieur de recherche, Enedis), pour avoir accepté de participer à ce jury. Mes remerciements vont également à toute l’équipe LMOPS avec qui j’ai pu échanger aussi bien d’un point vue scientifique que personnel au cours de mes trois années passées au sein de l’équipe. Ainsi je remercie M. Nicolas CHARVIN, M. Gilles DE-MOOR, Mme Emilie PLANES, Mme Florence DUBELLEY, M. Christophe CARRAL, Mme Marjorie ESNAULT, M. Ali NOURDINE pour toute l’aide que chacun a pu apporter au cours de ce projet. Un merci particulier à mes co-bureaux : Johann, Donia et Julien qui ont apporté de la joie et de la bonne humeur tous les jours! 4 Je remercie également les membres du personnel de l’IUT de Chambéry pour leur accueil au sein de l’établissement : M. Patrice MELE, M. Sylvain CARRIER, M. Antonio DI- LISIO, Mme Nadège GUIGUET. Un merci tout particulier à M. Vincent WATON pour son aide lors de la mise en œuvre des plaques en PE et PRC. Je n’oublie pas de remercier mes collègues et amis thésards du laboratoire LEPMI, avec qui j’ai passé de très bons moments au cours de ces trois années. Merci à Zeinab (je n’oublierai pas notre escapade à Genève!), à Sacha (pour son humour), à Manon (les tacos, c’est la vie!), Thibault (pour son éternelle bonne humeur), Mirella (pour son sourire), François-Xavier (aux multiples surnoms, mais quel est le surnom officiel?!), Saman (à qui je souhaite la bienvenue en France) et Marwen (mon mentor et compagnon de la salle de sport!). Je n’oublie pas de remercier les stagiaires du LMOPS : Rachel, Diana et Simon. Je leur souhaite réussite et prospérité dans leurs futurs projets d’études! Je remercie vivement Luc Becker, stagiaire que j’ai eu la chance d’encadrer, pour son travail et sa bonne humeur qui ont permis d’apporter de bons résultats supplémentaires à ce travail de thèse. Je souhaite également remercier mes amis et anciens camarades de l’ENSCCF avec qui j’ai passé énormément de bons moments (voyages, restaurants, bar, ski etc…). Merci à Yvain et Gregory, mes deux compagnons de voyages. Je n’oublierais jamais notre escapade en Italie! Merci à Marion (pour tous ces week-ends marseillais!) et Amélie (je n’oublierais jamais le ski aux Ores!). Merci à Loïc, mon alsacien préféré! Je remercie également Elodie et Florian et je les félicite encore pour ce mariage grandiose! Je remercie également Thomas et Marion pour m’avoir convié à leur mariage tout aussi exceptionnel! Enfin, une pensée particulière à ma famille. Retourner dans les Ardennes, département de mon enfance, fut toujours une vraie bouffée d’oxygène et c’est toujours avec plaisir que j’y retrouve mon frère et ma sœur. Je remercie ma Maman et mon Papa, qui ont toujours su m’apporter leurs soutiens lors de mes différents projets d’étude malgré la distance qui nous séparent. C’est pourquoi je leur dédie ce travail. 5 TABLE DES MATIERES INTRODUCTION .....................................................................................................................................9 A. CONTEXTE .......................................................................................................................................... 10 B. OBJECTIFS DE L’ETUDE ........................................................................................................................ 11 C. ORGANISATION DU TRAVAIL ET STRUCTURE DU MEMOIRE .................................................................... 12 D. CONSORTIUM ...................................................................................................................................... 14 CHAPITRE I : BIBLIOGRAPHIE ..........................................................................................................17 A. LES CABLES DE PUISSANCE .................................................................................................................. 20 A.1. L’isolation des câbles électriques ................................................................................................... 20 A.1.1. L’isolation humide ................................................................................................................................. 20 A.1.2. L’isolation sèche .................................................................................................................................... 20 A.2. La fabrication des câbles électriques .............................................................................................. 23 A.2.1. Le conducteur central ............................................................................................................................ 23 A.2.2. L’isolation et les semi-conducteurs ......................................................................................................... 23 A.2.3. L’écran métallique et la gaine extérieure ................................................................................................ 23 B. LE POLYETHYLENE : STRUCTURE ET PROPRIETES ................................................................................. 24 B.1. Généralités ................................................................................................................................... 24 B.1.1. Les grades du polyéthylène ..................................................................................................................... 24 B.1.2. Microstructure du polyéthylène : un polymère semi-cristallin ................................................................. 33 B.2. Les propriétés des différents grades du polyéthylène ....................................................................... 36 B.2.1. Propriétés physico-chimiques et mécaniques ........................................................................................... 36 B.2.2. Propriétés électriques ............................................................................................................................. 38 C. LE VIEILLISSEMENT DU POLYETHYLENE ............................................................................................... 49 C.1. Généralités ................................................................................................................................... 49 C.1.1. Vieillissement physique .......................................................................................................................... 49 C.1.2. Vieillissement chimique.......................................................................................................................... 54 C.2. Cas particulier du polyéthylène et modèles de durée de vie existants ................................................ 60 C.2.1. Vieillissement thermique ........................................................................................................................ 60 C.2.2. Vieillissement et phénomènes électriques ................................................................................................ 75 C.2.3. Couplage des contraintes ....................................................................................................................... 83 D. CONCLUSION ...................................................................................................................................... 86 CHAPITRE II : MATERIAUX ET METHODES ................................................................................... 89 A. MATERIAUX ETUDIES .......................................................................................................................... 91 A.1. Les échantillons de câbles ............................................................................................................. 91 A.1.1. Les câbles « réels » (HTA) ...................................................................................................................... 91 A.1.2. Le mini-câble modèle ............................................................................................................................. 91 A.2. Les granulés et les plaques ............................................................................................................ 92 A.3. Les formulations des isolants et semi-conducteurs .......................................................................... 93 B. TECHNIQUES DE CARACTERISATION ET METHODES DE PREPARATION DES ECHANTILLONS ...................... 94 B.1. Méthodes de caractérisation de la composition chimique ................................................................ 94 B.1.1. Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) ..................................................................... 94 B.1.2. Résonnance magnétique nucléaire (RMN) .............................................................................................. 96 B.1.3. Chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (Extraction-GC/MS) .............................. 97 B.1.4. Pyrolyse couplée à l’analyse GCMS (Pyrolyse-GCMS)............................................................................ 97 B.1.5. Analyse multiéléments (ICP/AES) .......................................................................................................... 98 B.1.6. Extraction Soxhlet ................................................................................................................................. 98 B.2. Outils d’analyse des propriétés physico-chimiques .......................................................................... 99 B.2.1. Calorimétrie différentielle à balayage (DSC)........................................................................................... 99 B.2.2. Temps d’induction à l’oxydation (TIO) ................................................................................................ 100 B.2.3. Analyse thermogravimétrique (ATG) ................................................................................................... 101 B.2.4. Fraction de gel ..................................................................................................................................... 102 B.2.5. Densitomètrie....................................................................................................................................... 103 B.3 Méthodes de caractérisation des propriétés fonctionnelles .............................................................. 104 B.3.1. Traction uniaxiale ................................................................................................................................ 104 B.3.2. Spectroscopie diélectrique .................................................................................................................... 105 C. CONDITIONS DE VIEILLISSEMENT ....................................................................................................... 108 C.1. Vieillissement Thermique ............................................................................................................ 108 C.2. Vieillissement Thermique sous humidité ...................................................................................... 108 6 C.3. Vieillissement Thermoélectrique .................................................................................................. 108 C.3.1. Conditions de vieillissement et échantillonnage ..................................................................................... 108 C.3.2. Description des montages réalisés ......................................................................................................... 110 C.3.3. Préparation et mise en place des tronçons de câbles modèles et des jonctions ........................................ 113 D. RECAPITULATIF DES CONDITIONS DE VIEILLISSEMENT ET DES ECHANTILLONS ..................................... 114 CHAPITRE III : CARACTERISATIONS INITIALES DES MATERIAUX D’ETUDE ....................... 117 uploads/Geographie/ pelzer-2019-archivage.pdf