Dans les câbles à courant alternatif, la distribution des contraintes du champ électrique est uniforme et le choix des matériaux isolants repose principalement sur leur constante diélectrique, indépendante de la température. En revanche, dans les câbles à courant continu, la distribution des contraintes est maximale dans la couche interne de l'isolant et dépend de la résistivité de ce dernier. Les matériaux isolants présentent un coefficient de température négatif : leur résistivité diminue lorsque la température augmente.
Lorsqu'un câble est en service, les pertes dans le noyau entraînent une élévation de température, ce qui modifie la résistivité du matériau isolant. Cette modification provoque une variation des contraintes du champ électrique au sein de la couche isolante. Autrement dit, à épaisseur d'isolant égale, la tension de claquage diminue lorsque la température augmente. Pour les lignes principales à courant continu des centrales électriques distribuées, le vieillissement du matériau isolant est nettement plus rapide que pour les câbles enterrés en raison des fluctuations de température ambiante ; il s'agit d'un point crucial à prendre en compte.
Lors de la fabrication des couches isolantes des câbles, des impuretés sont inévitablement introduites. Ces impuretés présentent une résistivité d'isolation relativement faible et sont réparties de manière hétérogène le long du rayon de la couche isolante. Il en résulte une résistivité volumique variable selon l'emplacement. Sous tension continue, le champ électrique au sein de la couche isolante varie également, ce qui accélère le vieillissement des zones de plus faible résistivité volumique et les rend potentiellement vulnérables aux défaillances.
Les câbles à courant alternatif ne présentent pas ce phénomène. En d'autres termes, les contraintes sur les matériaux des câbles à courant alternatif sont uniformément réparties, tandis que dans les câbles à courant continu, les contraintes d'isolation sont toujours concentrées aux points les plus faibles. Par conséquent, les procédés de fabrication et les normes applicables aux câbles à courant alternatif et à courant continu doivent être différents.
Polyéthylène réticulé (XLPE)Les câbles isolés sont largement utilisés dans les applications en courant alternatif (CA) en raison de leurs excellentes propriétés diélectriques et physiques, ainsi que de leur rapport coût-performance élevé. Cependant, lorsqu'ils sont utilisés comme câbles en courant continu (CC), ils sont confrontés à un problème majeur lié aux charges d'espace, particulièrement critique pour les câbles CC haute tension. Lorsque des polymères sont utilisés comme isolant, un grand nombre de pièges localisés au sein de la couche isolante provoquent l'accumulation de charges d'espace. L'impact de ces charges d'espace sur les matériaux isolants se manifeste principalement par deux effets : la distorsion du champ électrique et les effets de distorsion non liés au champ électrique, tous deux très préjudiciables au matériau isolant.
La charge d'espace désigne la charge excédentaire au-delà de la neutralité électrique au sein d'une unité structurale d'un matériau macroscopique. Dans les solides, les charges d'espace positives ou négatives sont liées à des niveaux d'énergie localisés, induisant des effets de polarisation sous forme de polarons liés. La polarisation par charge d'espace se produit en présence d'ions libres dans un matériau diélectrique. Du fait du mouvement des ions, les ions négatifs s'accumulent à l'interface proche de l'électrode positive, et les ions positifs s'accumulent à l'interface proche de l'électrode négative. Dans un champ électrique alternatif, la migration des charges positives et négatives ne peut suivre les variations rapides du champ électrique à la fréquence du réseau, et les effets de charge d'espace sont donc négligeables. En revanche, dans un champ électrique continu, le champ électrique se distribue en fonction de la résistivité, ce qui entraîne la formation de charges d'espace et modifie la distribution du champ électrique. L'isolation XLPE contient un grand nombre d'états localisés, ce qui rend les effets de charge d'espace particulièrement importants.
L'isolation en polyéthylène réticulé (XLPE) est réticulée chimiquement, formant une structure réticulée intégrée. Ce polymère non polaire confère au câble un comportement similaire à celui d'un condensateur de grande capacité. L'arrêt de la transmission de courant continu équivaut à la charge d'un condensateur. Bien que l'âme du conducteur soit mise à la terre, aucune décharge efficace ne se produit, laissant une quantité importante d'énergie continue stockée dans le câble sous forme de charges d'espace. Contrairement aux câbles d'alimentation en courant alternatif, où les charges d'espace sont dissipées par pertes diélectriques, ces charges s'accumulent ici au niveau des défauts du câble.
Au fil du temps, avec des coupures de courant fréquentes ou des fluctuations de l'intensité du courant, les câbles isolés XLPE accumulent de plus en plus de charges spatiales, accélérant le vieillissement de la couche isolante et réduisant la durée de vie du câble.
Date de publication : 10 mars 2025