fluides pour application aux composants et s

Ecole Centrale de Lyon - INSA de Lyon – Université Claude Bernard Lyon 1
Laboratoire Ampère
Unité Mixte de Recherche du CNRS - UMR 5005
Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale
et Applications
Etude des phénomènes de préclaquage et de claquage des nanofluides pour application aux composants et systèmes de transport
de l’énergie électrique sous haute tension : Elaboration,
Expérimentation et Modélisation
Laboratoire :
Ampère, UMR CNRS 5005
Domaine scientifique principal :
Sciences de la matière et des matériaux,
Ingénierie haute tension, Energie
Domaine scientifique secondaire :
Transport pour le domaine énergie
Mots clés (5 max) :
Matériaux, Haute tension, Électronique de puissance
Directeurs de thèse :
BEROUAL Abderrahmane (encadrant principal)
[email protected]
HADDOUR Naoufel (co-encadrant)
[email protected]
Départements concernés :
- Département Energie Electrique
- Département Bioingénierie
Groupes concernés :
- Groupe Matériaux
- Groupe Microsystèmes
Collaboration(s)/partenariat(s) extérieurs :
Contexte Scientifique (5 lignes max)
La recherche de nouveaux matériaux pour l’isolation électrique de plus en plus performants permettant
d’améliorer la tenue diélectrique des composants intégrés dans les systèmes de transport et de distribution de
l’énergie électrique et de réduire leurs dimensions, leur poids et leurs coûts est une tâche permanente. Aussi, les
nanotechnologies et plus particulièrement les nano- fluides diélectriques constituent un axe de recherche
novateur présentant un potentiel et un avenir prometteurs.
Objectif de la thèse, verrous scientifiques et contribution originale attendue (1 page max)
L’effet des nano- particules sur les propriétés électriques des matériaux diélectriques et en particulier sur leur
capacité à relever la tension d’initiation des décharges partielles et à ralentir la propagation des décharges
électriques (arborescences dans les polymères et streamers dans les liquides) conduisant au claquage fait l’objet
actuellement de nombreuses études à travers le monde. Les quelques résultats rapportés récemment dans la
littérature sont fragmentaires et contradictoires. Si les diélectriques solides assurent une fonction surtout
d’isolation et de support mécanique (enveloppe d’appareillage, isolateurs de support, traversée …), les
diélectriques liquides doivent, en plus de leur rôle d’isolant, assurer le transfert thermique pour un meilleur
refroidissement des composants haute tension et plus spécialement les transformateurs de puissance. C’est à la
recherche de nouveaux diélectriques liquides assurant ces fonctions que s’inscrit cette étude.
Ce travail de thèse porte sur la mise au point de nano- fluides à base d’huiles minérales, végétales et
synthétiques dont les propriétés seraient meilleures que celles des huiles de base et qui permettrait d’améliorer
la fiabilité des composants. Il s’agit d’ajouter des suspensions de nano- particules spécifiques à une huile
donnée et d’analyser les caractéristiques isolantes et thermiques du composite ainsi obtenu. L’une des
difficultés à résoudre est celle de l’homogénéité du liquide. En effet, les nano- particules ayant tendance à
s’agréger et par conséquent à réduire de la tenue diélectrique, la recherche d’un moyen (solution) efficace
Ecole Centrale de Lyon - INSA de Lyon – Université Claude Bernard Lyon 1
Laboratoire Ampère
Unité Mixte de Recherche du CNRS - UMR 5005
Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale
et Applications
permettant d’éviter cette tendance est fondamentale. L’autre verrou scientifique est celui de la compréhension
des phénomènes d’interface entre la matrice mère et les particules nonométriques. Les mécanismes physicochimiques impliqués dans ce type de composite sont complexes et on ne dispose que de peu de connaissances
en la matière. Aussi, des études systématiques doivent être menées pour comprendre l’effet des nano- particules
sur les phénomènes de génération et de propagation des streamers, et leurs interactions avec les électrons.
L’influence de ces nano- particules sur le phénomène d’électrisation statique (résultant de la circulation du
liquide isolant et du contact avec l’isolation solide), phénomène dont les conséquences sur le composant et le
système dont il fait partie peuvent être graves (mise à feu du transformateur par exemple) doit être également
analysée.
La mise au point de ces nouveaux matériaux (nano- fluides) de très hautes performances devrait permettre
d’envisager la conception de nouveaux composants (transformateurs de puissance, condensateurs …) compacts
et à coût de fabrication réduit et leur intégration dans les réseaux de transport HT, THT et UHT ainsi que dans
les futures lignes HVDC.
Programme de recherche et démarche scientifique proposée (1/2 page max)
Le programme de recherche comportera plusieurs parties :
- Une étude bibliographique sur l’état de l’art et plus particulièrement les phénomènes d’interface, les
techniques (méthodes) d’homogénéisation des nano- fluides à base d’huiles isolantes (utilisation de
surfactants, ultra sons …), le comportement de nano- particules sous l’effet d’un champ électrique,
l’influence de la forme de la tension (DC, AC et tension impulsionnelle) et de la polarité des
électrodes, les phénomènes de génération et de propagation des streamers, l’action des additifs
capteurs d’électrons et à bas potentiel d’ionisation sur les streamers ainsi que sur la tension de
claquage, l’influence de particules conductrices …
- La deuxième étape sera consacrée à la mise au point de nano- fluides à base d’huiles minérales,
végétales (esters naturels) et synthétiques (tétratester et autres) et la mono- dispersion des nanoparticules sera vérifiée par des mesures granulométriques. Plusieurs types de nano- particules seront
considérés : TiO2, Al2O3, SiO2, ZnO, MgO, FeO3 ...
- La troisième phase sera consacrée à l’étude des phénomènes de pré- claquage et de claquage de ces
nano- fluides. Il s’agit de la mesure de la tension de génération des streamers dans ces nano- fluides, la
vitesse de propagation des streamers, la tension de claquage, la stabilité à l'oxydation, le facteur de
dissipation ... L’élaboration d’un modèle électrohydrodynamique (EHD) fait également l’objet de cette
étape.
- La quatrième étape sera dédiée à l’étude de la tendance à la charge statique (ECT) des nano- fluides
mis au point. L’étude sera réalisée sur deux systèmes : le mini-testeur et la cellule à disque tournant.
L’influence de la vitesse et de la température sur l’ECT sera également considérée.
- La phase finale sera la synthèse de cette étude. Elle devra arriver à la proposition d’un nano- fluide dont
les propriétés sont optimales. Un dépôt de brevet est envisagé.
Profil du candidat recherché (prérequis) :
Le candidat doit avoir des bases dans le domaine des matériaux diélectriques et de la physique de la décharge
ainsi que des techniques de caractérisation. Des compétences en ingénierie haute tension sont souhaitables.
Compétences développées au cours de la thèse et perspective professionnelle (5 lignes max)
Les compétences développées au cours de cette thèse seront ! (1) la maîtrise de la fabrication des nano- fluides
et des techniques de mesures et de caractérisation des diélectriques et plus particulièrement des liquides
isolants ; et (2) une connaissance des composants utilisant les liquides comme isolant et comme produit de
remplissage / d’imprégnation. Les demandes de telles compétences sont pressantes, surtout dans les secteurs de
la recherche et le développement. Les perspectives de recrutement dans des centres de recherches industriels et
universitaires sont réelles.
Bibliographie sur le sujet de thèse
[1] V. Segal and K. Raj, ”An Investigation of Power Transformer Cooling with Magnetic Fluids,” Indian J. Eng.
Mater. Sci., Vol. 5, No. 6, 1998, pp. 416-422.
Ecole Centrale de Lyon - INSA de Lyon – Université Claude Bernard Lyon 1
Laboratoire Ampère
Unité Mixte de Recherche du CNRS - UMR 5005
Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale
et Applications
[2] V. Segal, A. Hjortsberg, A. Rabinovich, D. Nattrass and K. Raj, ”AC(60Hz) and Impulse Breakdown
Strength of a Colloidal Fluid Based on Transformer Oil and Magnetite Nanoparticles,” in IEEE International
Symposium on Electrical Insulation ISEI98, Arlington, VA, USA, June 7-10, 1998, pp. 619-622.
[3] F. M. O’Sullivan, “A Model for the Initiation and Propagation of Electrical Streamers in Transformer Oil and
Transformer Oil Based Nanofluids,” Ph.D. dissertation, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA,
USA, 2007
[4] F. O’Sullivan, J. G. Hwang, M. Zahn, O. Hjortstam, L. Pettersson, R. Liu and P Biller, “A Model for the
Initiation and Propagation of Positive Streamers in Transformer Oil,” in IEEE International Symposium on
Electrical Insulation ISEI08, Vancouver, BC, Canada, June 2008.
[5] M. Zahn, “Electromagnetic Field Theory: A Problem Solving Approach,” Robert E. Krieger Publishing
Company, Inc., Malabar, Florida, 1987, pp. 257-297.
[6] J. M. D. Coey, A. E. Berkowitz, LI. Balcells, F. F. Putris and F. T. Parker, “Magnetoresistance of
Magnetite,” Appl. Phys. Letts., Vol. 72, No. 6, 1998, pp. 734-736.
[7] A. Dey, A. De and S. K. De, “Electrical Transport and Dielectric Relaxation in Fe3O4-Polypyrrole Hybrid
Nanocomposites,” J. Phys.: Condens. Matter, Vol. 17, 2005, pp. 5895-5910.
[8] F. J. W. Whipple and J. A. Chalmers, ”On Wilson’s Theory of the Collection of Charge by Falling Drops,”
Quart. J. Roy. Met. Soc., Vol. 70, 1944, p. 103.
[9] J. R. Melcher, “Continuum Electromechanics,” The MIT Press, Cambridge, Massachusetts, 1981, pp 5.2-5.5,
5.9-5.16.
[10] IEC Standard #60897 “Methods for the Determination of the Lightning Impulse Breakdown Voltage of
Insulating Liquids.”
Demande de cofinancement Labex IDEX : Oui / non (rayer mention inutile)
Il faut pour cela que le projet soit pluridisciplinaire et rentre dans les domaines de iMUST
D1: Catalysis & catalytic processes: "from atom to process, towards clean technologies"
D2: Functional materials, synthesis and design of objects
D3: Complex fluids, flows and interfaces: a “multiscale fluid laboratory”
D4: Theory, modelling and simulation
D5: Instrumentation and characterization
Il faut en outre qu’il fasse l’objet d’une collaboration entre au moins deux équipes de disciplines
différentes, dont l’une au moins soit membre du labex iMUST.
Rq : Le tout doit tenir sur deux pages max. Supprimer les remarques en italique dans le texte qui sont
là pour vous guider