La répartition des contraintes du champ électrique dans les câbles CA est uniforme, et les matériaux d'isolation des câbles se concentrent sur la constante diélectrique, qui n'est pas affectée par la température. En revanche, dans les câbles CC, la répartition des contraintes est maximale au niveau de la couche interne de l'isolant et est influencée par la résistivité de l'isolant. Les matériaux isolants présentent un coefficient de température négatif, ce qui signifie que la résistivité diminue lorsque la température augmente.
Lorsqu'un câble est en service, les pertes dans le noyau provoquent une élévation de température, ce qui entraîne des modifications de la résistivité du matériau isolant. Ceci, à son tour, entraîne une variation de la contrainte du champ électrique au sein de la couche isolante. Autrement dit, pour une même épaisseur d'isolant, la tension de claquage diminue à mesure que la température augmente. Sur les lignes principales CC des centrales électriques décentralisées, le vieillissement du matériau isolant est nettement plus rapide en raison des fluctuations de température ambiante que sur les câbles enterrés, ce qui est un point crucial à noter.
Lors de la production des couches d'isolation des câbles, des impuretés sont inévitablement introduites. Ces impuretés présentent une résistivité d'isolation relativement faible et sont inégalement réparties radialement. Il en résulte des variations de résistivité volumique à différents endroits. Sous tension continue, le champ électrique au sein de la couche d'isolation varie également, ce qui accélère le vieillissement des zones présentant la résistivité volumique la plus faible et les rend potentiellement vulnérables à la défaillance.
Les câbles CA ne présentent pas ce phénomène. En termes simples, la contrainte sur les matériaux des câbles CA est uniformément répartie, tandis que dans les câbles CC, la contrainte sur l'isolant est toujours concentrée aux points les plus faibles. Par conséquent, les procédés et les normes de fabrication des câbles CA et CC doivent être gérés différemment.
Polyéthylène réticulé (XLPE)Les câbles isolés sont largement utilisés dans les applications CA en raison de leurs excellentes propriétés diélectriques et physiques, ainsi que de leur excellent rapport qualité-prix. Cependant, lorsqu'ils sont utilisés comme câbles CC, ils sont confrontés à un défi majeur lié à la charge d'espace, particulièrement critique pour les câbles CC haute tension. Lorsque des polymères sont utilisés comme isolants pour câbles CC, de nombreux pièges localisés dans la couche isolante provoquent l'accumulation de charges d'espace. L'impact des charges d'espace sur les matériaux isolants se manifeste principalement par deux aspects : la distorsion du champ électrique et les effets de distorsion non électrique, tous deux très préjudiciables à l'isolation.
La charge d'espace désigne l'excès de charge 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, produisant des effets de polarisation sous forme de polarons liés. La polarisation de la charge d'espace se produit lorsque des ions libres sont présents dans un matériau diélectrique. Du fait du mouvement des ions, les ions négatifs s'accumulent à l'interface près de l'électrode positive, et les ions positifs à l'interface près 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 fréquence industrielle, de sorte que les effets de la charge d'espace ne se produisent pas. En revanche, dans un champ électrique continu, le champ électrique se répartit en fonction de la résistivité, ce qui entraîne la formation de charges d'espace et affecte la distribution du champ électrique. L'isolation XLPE contient un grand nombre d'états localisés, ce qui rend les effets de la charge d'espace particulièrement importants.
L'isolation XLPE est réticulée chimiquement, formant une structure réticulée intégrée. En tant que polymère apolaire, le câble lui-même peut être comparé à un grand condensateur. L'arrêt du courant continu équivaut à charger un condensateur. Bien que l'âme conductrice soit reliée 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 CA, où les charges d'espace sont dissipées par les pertes diélectriques, ces charges s'accumulent au niveau des défauts du câble.
Au fil du temps, avec des interruptions 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