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For future smart grid infrastructures, utilizing the capabilities of recently introduced wide band gap (WBG) devices can significantly reduce the weight, volume and maturation cost of power electronic applications. However, the presence of these devices in the power network will introduce a new electrical constraint in the form of repetitive fast rising square voltage waveforms characterized by high repetition rate. These waveforms might influence the discharge mechanism of insulation system of power equipment in a way, different than AC. Under such circumstances, it becomes necessary to investigate the reliability of power conversion equipment of the future transmission network such as medium frequency transformer (MFT). For high power application, the insulation system of MFT is expected to incorporate dielectric liquid as its primary insulation medium. However, the discharge mechanism of dielectric liquid under fast repetitive square voltage is not very clear today. Therefore, this thesis aims to investigate the partial discharge (PD) mechanism under square voltage waveform to address power electronic applications like MFT. For this, the specifications of a test bench are defined and developed during this thesis to reproduce the electrical stresses in the form of a fast rising unipolar square voltage and switching frequencies above 50 Hz. As the PD measurement under fast rising square voltages is difficult due to electromagnetic interferences caused by high speed switching, the PD detection by optical detection is chosen, which detects the photons emitted during discharge events. To achieve the goal, in the first step the optical detection technique is validated under AC 50 Hz by comparing it to the standard electrical measurement. Then, PD measurements are performed under square voltage waveforms and the results are compared to the AC excitations to understand the impact of non-sinusoidal stress. This work presents the development of a test bench which can generate unipolar square voltage (USV) waveforms with dV/dt between 10-100 kV/µs at 20 kV. It demonstrated optical sensor as a decent partial discharge indicator under high dV/dt. Further, the test bench is assessed to measure partial discharges under varying USV parameters such as changing rise times, repetition rates and duty cycles., Pour les futures infrastructures de réseaux intelligents, l'utilisation des capacités des dispositifs à large bande interdite (LBI) récemment introduits peut réduire considérablement le poids, le volume et le coût de maturation des applications électroniques de puissance. Cependant, la présence de ces dispositifs dans le réseau électrique introduira une nouvelle contrainte électrique sous la forme de formes d'ondes de tension carrées à montée rapide et répétitives caractérisées par un taux de répétition élevé. Ces formes d'onde peuvent influencer le mécanisme de décharge du système d'isolation de l'équipement électrique d'une manière différente du courant alternatif. Dans ces circonstances, il devient nécessaire d'étudier la fiabilité des équipements de conversion de puissance du futur réseau de transmission, tels que les transformateurs à moyenne fréquence (MFT). Pour les applications à haute puissance, le système d'isolation du MFT devrait incorporer un liquide diélectrique comme principal moyen d'isolation. Cependant, le mécanisme de décharge du liquide diélectrique sous une tension carrée répétitive rapide n'est pas très clair aujourd'hui. Par conséquent, cette thèse a pour but d'étudier le mécanisme de décharge partielle (DP) sous une forme d'onde de tension carrée afin d'aborder les applications électroniques de puissance. Pour cela, les spécifications d'un banc d'essai sont définies et développées au cours de cette thèse pour reproduire les contraintes électriques sous la forme d'une tension carrée unipolaire à croissance rapide et des fréquences de commutation supérieures à 50 Hz. Comme la mesure de DP sous des tensions carrées à montée rapide est difficile à cause des interférences électromagnétiques causées par la commutation à haute vitesse, on choisit la détection de DP par capteur optique, qui détecte les photons émis pendant les événements de décharge. Pour atteindre cet objectif, dans un premier temps, la technique de détection optique est validée sous une tension alternative de 50 Hz en la comparant à la mesure électrique standard. Ensuite, des mesures de DP sont effectuées sous des formes d'ondes de tension carrées et les résultats sont comparés aux excitations AC pour comprendre l'impact des contraintes non sinusoïdales. Ce travail présente le développement d'un banc d'essai qui peut générer des formes d'onde de tension carrée unipolaire (TCU) avec des dV/dt entre 10-100 kV/µs à 20 kV. Il démontre que le capteur optique est un indicateur de qualité raisonnable pour confirmer l'activité de DP sous haute dV/dt. De plus, le banc d'essai est évalué pour mesurer les DPs sous des paramètres USV variables tels que les temps de montée, les taux de répétition et les rapport cyclique.

National audience; RESUME-Les calibres en tension attendus des futurs composants de puissance en carbure de silicium, au-delà de 15 kV, nécessitent d'adapter le système d'isolation électrique des modules de puissance afin de permettre leur utilisation pour les applications Moyenne et Haute Tension. Le papier présente l'étude d'une nouvelle structure de substrat céramique fonctionnalisé pour accompagner cette montée en tension. Ce substrat céramique, intégrant une poche résistive, permet de réduire le renforcement du champ électrique en périphérie des pistes métalliques portant les puces, et d'atténuer ainsi la contrainte électrique limitant la montée en tension de l'ensemble du module. L'intérêt de cette structure est d'abord démontré par une simulation numérique, puis sa faisabilité est prouvée grâce à l'élaboration d'un substrat isolant (en AlN) intégrant une poche nano-composite à matrice AlN incluant des nano-feuillets de graphène. Les résultats de caractérisation sous haute tension des substrats fabriqués, avec et sans poche résistive, sont présentés. Une amélioration significative de la tension de rupture, et le report de la contrainte électrique maximale en bord de poche sont confirmés pour les substrats fonctionnalisés. En revanche, les seuils de tension d'apparition de décharges partielles sont plus bas que ceux mesurés pour les substrats sans poche. La réalisation de ce substrat fonctionnalisé ouvre de nouvelles opportunités pour les problématiques liées à la montée en tension des composants de puissance.

The introduction of SiC-based components in the electromechanical chain presents numerous advantages, but has consequences on the reliability of the insulation systems in the machine. For switching frequencies up to 5 kHz, and dV/dt varying from 15 to 30 kV/µs, a system lifetime of around 40 years (or 200 000 hours) must be guaranteed. The question that arises is to know what margin insulation systems of the current equipment have. It is thus necessary to determine whether, under normal operating conditions, phenomena that did not previously exist or were not completely apprehended will appear with the transition to SiC-based inverters. One of these phenomena is Partial Discharge (PD) and its development in machines, and more precisely in the turn-to-turn, turn-to-ground, and phase-to-phase insulation systems. Therefore, the objective of the thesis is to study the influence of the electrical stress imposed by SiC-based components on the insulation of machines. To do so, a first phase of electrical stress identification allows accounting for the constraints undergone by the machine. In a second phase, these constraints are reproduced on representative samples, which are thus subject to accelerated aging, in order to establish aging laws and to study the degradation of the insulation systems under stress.; L'introduction de composants à base de SiC dans les chaînes de conversion électromécanique du ferroviaire, si elle présente de nombreux avantages, peut avoir des conséquences sur la fiabilité de l'ensemble des systèmes d'isolation des machines. Il s'agit donc, pour des fréquences de commutation de 1 à 5 kHz, et des dV/dt variant de 15 à 30 kV/µs, d'être capable de garantir des durées de vie des systèmes de l'ordre de 40 ans (ou 200 000 h). La question qui se pose est donc de savoir de quelle marge disposent les systèmes d'isolation des équipements actuels en prévision du passage aux composants à base de SiC. Il s'avère donc nécessaire de déterminer si dans les conditions normales de fonctionnement de la chaîne des phénomènes qui n'existaient pas préalablement (ou dont les conséquences n'avaient pas forcément été appréhendées de manière spécifique) vont apparaître avec le passage aux composants à base de SiC. Il s'agit principalement des Décharges Partielles et de leur développement dans les machines et plus précisément dans l'isolation entre spires, entre phases ou par rapport à la masse. L'objectif de la thèse consiste donc à étudier l'influence des contraintes électriques imposées par les composants SiC sur les isolants des machines. Pour cela, une première phase de caractérisation des contraintes électriques permet de rendre compte des contraintes réellement subies par la machine. Ces contraintes sont ensuite reproduites dans une seconde phase sur des échantillons représentatifs qui sont ainsi soumis à un vieillissement accéléré, et qui permettent d'établir des lois de vieillissement ainsi que d'étudier la dégradation des isolants sous l'effet des contraintes appliquées.

Reducing CO2 emissions is a major challenge for Europe in the years to come. Nowadays, transport is the source of 24% of global CO2 emissions. Aviation accounts for only 2% of global CO2 emissions. However, air traffic is booming and concerns are emerging. For instance, CO2 emissions from air traffic have increased by 61% in Sweden since the 1990s. This explains the emergence of the "Flygskam" movement which is spreading in more and more European countries. It is in this context that the European Union launched in September 2016 the project Hybrid Aircraft Academic research on Thermal and Electrical Components and Systems (HASTECS). The consortium brings together different laboratories and Airbus. This project is part of the program "Clean Sky 2" which aims to develop a greener aviation. The ambitious goal is to reduce CO2 emissions and the noise produced by aircraft by 20% by 2025. To do that, the consortium is studying a serial hybrid architecture. Propulsion is provided by electric motors. Two targets are defined. In 2025, the engines must reach a power density of 5kW/kg, including the cooling system. In 2035, the power density of the engines will be doubled to reach 10kW/kg. To reach these targets, the voltage level will be considerably increased, beyond one kilovolt. The risk of electric discharges in the stators of electric motors is considerably increased. The objective of this thesis is to develop a tool to assist in the design of the primary Electrical Insulation System (EIS) of the stator of an electric motor controlled by a converter. It is organized in 5 parts. The first part begins by clarifying the issues and challenges of a greener aviation. The electric motor stator EIS is developed. Finally, the constraints that apply to the EIS in the aeronautical environment are identified. The second part presents the different types of electric discharges that can be found. The main risk comes from Partial Discharges (PD) which gradually deteriorate the EIS. The main mechanism for explaining the appearance of PD is the electronic avalanche. The Paschen criterion makes it possible to evaluate the Partial Discharge Inception Voltage (PDIV). Different techniques are used to detect and measure the activity of PD. Numerical models are used to evaluate the PDIV. The third part presents an original method for determining the electric field lines in an electrostatic problem. It only uses a scalar potential formulation. The fourth part presents an experimental study to establish a correction of the Paschen criterion. An electric motor winding is very far from the hypotheses in which this criterion was originally defined. Finally, the fifth part is devoted to the development of the SIE design aid tool. Graphs are generated to provide recommendations on the sizing of the various insulators in a stator slot. A reduction in the PDIV due to a combined variation in temperature and pressure is taken into account.; La réduction des émissions de CO2 est un enjeu majeur pour l'Europe dans les années à venir. Les transports sont aujourd'hui à l'origine de 24% des émissions globales de CO2. L'aviation ne représente que 2% des émissions globales de CO2. Cependant, le trafic aérien est en pleine expansion et, déjà, des inquiétudes apparaissent. A titre d'exemple, en Suède, depuis les années 1990, les émissions de CO2 dues au trafic aérien ont augmenté de 61%. Ce constat explique l'apparition du mouvement "Flygskam" qui se repend dans de plus en plus de pays Européen. C'est dans ce contexte que l'Union Européenne a lancé en septembre 2016 le projet Hybrid Aircraft Academic research on Thermal and Electrical Components and Systems (HASTECS). Le consortium regroupe différents laboratoires et Airbus. Ce projet s'inscrit dans le programme "Clean Sky 2" qui vise à développer une aviation plus verte. L'objectif ambitieux est de réduire de 20% les émissions de CO2 et le bruit produits par les avions d'ici 2025. Pour cela, le consortium étudie une architecture hybride de type série. La propulsion est assurée par des moteurs électriques. Deux cibles ont été définies. En 2025, les moteurs doivent atteindre une densité de puissance de 5kW/kg, système de refroidissement inclus. En 2035, la densité de puissance des moteurs sera doublée pour atteindre 10kW/kg. Pour atteindre ces cibles, le niveau de tension sera considérablement augmenté, au-delà du kilovolt. Le risque de décharges électriques dans les stators des moteurs électriques est considérablement accru. L'objectif de cette thèse est de mettre au point un outil d'aide au design du Système d'Isolation Electrique (SIE) primaire du stator de moteur électrique piloté par convertisseur. Elle est découpée en cinq parties. La première partie commence par préciser les enjeux et défis d'une aviation plus verte. Le SIE du stator de moteur électrique est développé. Enfin, les contraintes qui s'appliquent sur le SIE dans l'environnement aéronautique sont identifiées. La deuxième partie présente les différents types de décharges électriques que l'on peut retrouver. Le principal risque vient des Décharges Partielles (DP) qui détériorent peu à peu le SIE. Le principal mécanisme pour expliquer l'apparition des DP est l'avalanche électronique. Le critère de Paschen permet d'évaluer le Seuil d'Apparition des Décharges Partielles (SADP). Différentes techniques permettent de détecter et mesurer l'activité des DP. Des modèles numériques permettent d'évaluer le SADP. La troisième partie présente une méthode originale pour déterminer les lignes de champ électrique dans un problème électrostatique. Elle n'utilise qu'une formulation en potentiel scalaire. La quatrième partie présente une étude expérimentale pour établir une correction du critère de Paschen. Un bobinage de moteur électrique est très loin des hypothèses dans lesquelles ce critère a été originellement défini. Enfin, la cinquième partie est consacrée à l'élaboration de l'outil d'aide au design du SIE. Des abaques sont construites afin de fournir des recommandations sur le dimensionnement des différents isolants dans une encoche de stator. Une réduction du SADP due à une variation combinée de la température et de la pression est prise en compte.

The introduction of SiC-based components in the electromechanical chain presents numerous advantages, but has consequences on the reliability of the insulation systems in the machine. For switching frequencies up to 5 kHz, and dV/dt varying from 15 to 30 kV/µs, a system lifetime of around 40 years (or 200 000 hours) must be guaranteed. The question that arises is to know what margin insulation systems of the current equipment have. It is thus necessary to determine whether, under normal operating conditions, phenomena that did not previously exist or were not completely apprehended will appear with the transition to SiC-based inverters. One of these phenomena is Partial Discharge (PD) and its development in machines, and more precisely in the turn-to-turn, turn-to-ground, and phase-to-phase insulation systems. Therefore, the objective of the thesis is to study the influence of the electrical stress imposed by SiC-based components on the insulation of machines. To do so, a first phase of electrical stress identification allows accounting for the constraints undergone by the machine. In a second phase, these constraints are reproduced on representative samples, which are thus subject to accelerated aging, in order to establish aging laws and to study the degradation of the insulation systems under stress., L'introduction de composants à base de SiC dans les chaînes de conversion électromécanique du ferroviaire, si elle présente de nombreux avantages, peut avoir des conséquences sur la fiabilité de l'ensemble des systèmes d'isolation des machines. Il s'agit donc, pour des fréquences de commutation de 1 à 5 kHz, et des dV/dt variant de 15 à 30 kV/µs, d'être capable de garantir des durées de vie des systèmes de l'ordre de 40 ans (ou 200 000 h). La question qui se pose est donc de savoir de quelle marge disposent les systèmes d'isolation des équipements actuels en prévision du passage aux composants à base de SiC. Il s'avère donc nécessaire de déterminer si dans les conditions normales de fonctionnement de la chaîne des phénomènes qui n'existaient pas préalablement (ou dont les conséquences n'avaient pas forcément été appréhendées de manière spécifique) vont apparaître avec le passage aux composants à base de SiC. Il s'agit principalement des Décharges Partielles et de leur développement dans les machines et plus précisément dans l'isolation entre spires, entre phases ou par rapport à la masse. L'objectif de la thèse consiste donc à étudier l'influence des contraintes électriques imposées par les composants SiC sur les isolants des machines. Pour cela, une première phase de caractérisation des contraintes électriques permet de rendre compte des contraintes réellement subies par la machine. Ces contraintes sont ensuite reproduites dans une seconde phase sur des échantillons représentatifs qui sont ainsi soumis à un vieillissement accéléré, et qui permettent d'établir des lois de vieillissement ainsi que d'étudier la dégradation des isolants sous l'effet des contraintes appliquées.

The insulation of electrical machines driven by power converters with pulse width modulation are subjected to repetitive surges due to fast changing voltage pulses and reflection phenomena in supply cable, as well as non-uniform voltage distribution in the stator winding. The overvoltage at motor terminals may lead to partial discharge inception accelerating winding insulation degradation and causing its premature failure. The implementation of wide bandgap power semiconductors as Silicon Carbide allows to create converters with high power density for variable frequency drive applications. The fast and high frequency switching of electronic devices based on wide bandgap semiconductors increase electrical stresses caused by steep voltage changing rates in controlled electrical machine. It may increase a risk of partial discharges and accelerate insulation aging and destruction. The experimental investigation and numerical simulation study performed in this work is essentially focused on the effects of impulse voltage with high dV/dt and high switching frequency on winding insulation robustness of inverter-fed electrical machines. Therefore, the work covers a number of issues related to electric drives, power electronics, electrical machines, dielectric materials and partial discharges., L’isolation des bobinages des moteurs alimentés par des convertisseurs statiques basés sur la modulation de largeur d'impulsion est soumise à des contraintes électriques provenant de la forme d'onde de la tension d'alimentation. Les phénomènes de nuisances électromagnétiques sur l’ensemble de la chaîne de conversion, les ondes réfléchies dans le câble d’alimentation, ainsi que la non adaptation des impédances du câble et de l’enroulement de la machine peuvent conduire à l’apparition de surtensions aux bornes de la machine suffisamment élevées pour dépasser la tension d’apparition des décharges partielles. Il en résulte une dégradation de l’isolation entre les spires qui, à terme, peut engendrer la défaillance de la machine. La mise en œuvre de composants à semi-conducteurs grand gap, tel que le Carbure de Silicium, permet la réalisation de convertisseurs de forte densité de puissance pour les systèmes d’entraînement à vitesse variable des machines électriques. Les vitesses et les fréquence de commutation élevées de ces composants conduisent à des contraintes électriques en dV/dt plus sévères sur l'isolation des enroulements des moteurs alimentés par de tels convertisseurs. L’étude expérimentale et les simulations numériques réalisées dans le cadre de cette thèse se concentrent essentiellement sur les effets des ondes de tension à forts dV/dt et de la fréquence de commutation élevée sur la robustesse de l’isolation du bobinage des machines électriques alimentées par des onduleurs. Par conséquent, les travaux touchent un certain nombre de questions liées à l’entraînement à vitesse variable, à l’électronique de puissance, aux machines électriques, aux matériaux diélectriques et aux décharges partielles.

Reducing CO2 emissions is a major challenge for Europe in the years to come. Nowadays, transport is the source of 24% of global CO2 emissions. Aviation accounts for only 2% of global CO2 emissions. However, air traffic is booming and concerns are emerging. For instance, CO2 emissions from air traffic have increased by 61% in Sweden since the 1990s. This explains the emergence of the "Flygskam" movement which is spreading in more and more European countries. It is in this context that the European Union launched in September 2016 the project Hybrid Aircraft Academic research on Thermal and Electrical Components and Systems (HASTECS). The consortium brings together different laboratories and Airbus. This project is part of the program "Clean Sky 2" which aims to develop a greener aviation. The ambitious goal is to reduce CO2 emissions and the noise produced by aircraft by 20% by 2025. To do that, the consortium is studying a serial hybrid architecture. Propulsion is provided by electric motors. Two targets are defined. In 2025, the engines must reach a power density of 5kW/kg, including the cooling system. In 2035, the power density of the engines will be doubled to reach 10kW/kg. To reach these targets, the voltage level will be considerably increased, beyond one kilovolt. The risk of electric discharges in the stators of electric motors is considerably increased. The objective of this thesis is to develop a tool to assist in the design of the primary Electrical Insulation System (EIS) of the stator of an electric motor controlled by a converter. It is organized in 5 parts. The first part begins by clarifying the issues and challenges of a greener aviation. The electric motor stator EIS is developed. Finally, the constraints that apply to the EIS in the aeronautical environment are identified. The second part presents the different types of electric discharges that can be found. The main risk comes from Partial Discharges (PD) which gradually deteriorate the EIS. The main mechanism for explaining the appearance of PD is the electronic avalanche. The Paschen criterion makes it possible to evaluate the Partial Discharge Inception Voltage (PDIV). Different techniques are used to detect and measure the activity of PD. Numerical models are used to evaluate the PDIV. The third part presents an original method for determining the electric field lines in an electrostatic problem. It only uses a scalar potential formulation. The fourth part presents an experimental study to establish a correction of the Paschen criterion. An electric motor winding is very far from the hypotheses in which this criterion was originally defined. Finally, the fifth part is devoted to the development of the SIE design aid tool. Graphs are generated to provide recommendations on the sizing of the various insulators in a stator slot. A reduction in the PDIV due to a combined variation in temperature and pressure is taken into account., La réduction des émissions de CO2 est un enjeu majeur pour l'Europe dans les années à venir. Les transports sont aujourd'hui à l'origine de 24% des émissions globales de CO2. L'aviation ne représente que 2% des émissions globales de CO2. Cependant, le trafic aérien est en pleine expansion et, déjà, des inquiétudes apparaissent. A titre d'exemple, en Suède, depuis les années 1990, les émissions de CO2 dues au trafic aérien ont augmenté de 61%. Ce constat explique l'apparition du mouvement "Flygskam" qui se repend dans de plus en plus de pays Européen. C'est dans ce contexte que l'Union Européenne a lancé en septembre 2016 le projet Hybrid Aircraft Academic research on Thermal and Electrical Components and Systems (HASTECS). Le consortium regroupe différents laboratoires et Airbus. Ce projet s'inscrit dans le programme "Clean Sky 2" qui vise à développer une aviation plus verte. L'objectif ambitieux est de réduire de 20% les émissions de CO2 et le bruit produits par les avions d'ici 2025. Pour cela, le consortium étudie une architecture hybride de type série. La propulsion est assurée par des moteurs électriques. Deux cibles ont été définies. En 2025, les moteurs doivent atteindre une densité de puissance de 5kW/kg, système de refroidissement inclus. En 2035, la densité de puissance des moteurs sera doublée pour atteindre 10kW/kg. Pour atteindre ces cibles, le niveau de tension sera considérablement augmenté, au-delà du kilovolt. Le risque de décharges électriques dans les stators des moteurs électriques est considérablement accru. L'objectif de cette thèse est de mettre au point un outil d'aide au design du Système d'Isolation Electrique (SIE) primaire du stator de moteur électrique piloté par convertisseur. Elle est découpée en cinq parties. La première partie commence par préciser les enjeux et défis d'une aviation plus verte. Le SIE du stator de moteur électrique est développé. Enfin, les contraintes qui s'appliquent sur le SIE dans l'environnement aéronautique sont identifiées. La deuxième partie présente les différents types de décharges électriques que l'on peut retrouver. Le principal risque vient des Décharges Partielles (DP) qui détériorent peu à peu le SIE. Le principal mécanisme pour expliquer l'apparition des DP est l'avalanche électronique. Le critère de Paschen permet d'évaluer le Seuil d'Apparition des Décharges Partielles (SADP). Différentes techniques permettent de détecter et mesurer l'activité des DP. Des modèles numériques permettent d'évaluer le SADP. La troisième partie présente une méthode originale pour déterminer les lignes de champ électrique dans un problème électrostatique. Elle n'utilise qu'une formulation en potentiel scalaire. La quatrième partie présente une étude expérimentale pour établir une correction du critère de Paschen. Un bobinage de moteur électrique est très loin des hypothèses dans lesquelles ce critère a été originellement défini. Enfin, la cinquième partie est consacrée à l'élaboration de l'outil d'aide au design du SIE. Des abaques sont construites afin de fournir des recommandations sur le dimensionnement des différents isolants dans une encoche de stator. Une réduction du SADP due à une variation combinée de la température et de la pression est prise en compte.

Partial discharges (PD) are one of the key drivers of degradation and ageing of insulating materials used in high-voltage switchgear. Consequently, partial discharges measurement has become an essential assessment tool for the monitoring of insulation systems. Given the continuing growth of renewable energy, the transport under direct current (DC) is economically advantageous. However, the relationship between partial discharges characteristics and the degradation of cables insulation under high voltage direct current (HVDC) remains unclear. In this work, a methodology is proposed for ageing state recognition of electrical insulation systems based on PD measurements under DC. For this purpose, original measuring devices have been developed and PD measurements were performed within different cable types under HVDC. In order to ensure a reliable monitoring and diagnosis of the insulation, noise signals must be eliminated. This thesis tackles the problem of the discrimination of partial discharge and noise signals acquired in different environments by applying machine learning methods. The techniques developed are a promising tool to improve the diagnosis of HV equipment under HVDC, where the need to discard automatically noise signals with high accuracy is of great importance. Once disturbances were eliminated from the databases, ageing state recognition was performed on different cable types. The feature extraction, ranking and selection methods, combined with classification techniques allowed to obtain recognition rates up to 100%., Le phénomène de décharges partielles (DP) est considéré comme l'une des principales causes de dégradation des matériaux isolants utilisés dans l’appareillage haute tension. La mesure de DP constitue un outil d’évaluation efficace pour le contrôle et le diagnostic des systèmes d’isolation électriques. Dans la perspective de stimuler le développement des énergies renouvelables, le transport de l’énergie électrique sous courant continu est économiquement avantageux. Cependant, la relation entre les caractéristiques des décharges partielles et l'état de dégradation de l'isolation des câbles sous haute tension continue (HVDC) n'est à ce jour, pas clairement établie. Dans cette thèse, une méthodologie a été développée pour la reconnaissance de l’état de dégradation des matériaux isolants à partir de la mesure de DP sous tension continue. Plusieurs dispositifs expérimentaux ont été conçus pour la mesure de DP au sein de différents types de câbles sous HVDC. Afin de collecter des signaux utiles au diagnostic des systèmes d’isolation, les signaux parasites doivent être éliminés. La discrimination des signaux de décharges partielles des signaux de bruit a été effectuée au sein de systèmes d’isolation électriques variés, à travers l’implémentation de méthodes d’apprentissage artificiel. Une fois les bases de données exemptes de signaux parasites, des techniques d’extraction, de classement et de sélection de variables, combinées à l’utilisation de méthodes de classification, ont été mises en œuvre pour la reconnaissance de l'état de dégradation des systèmes d'isolation électrique sous DC. Des scores de reconnaissance proches de 100% ont été obtenus.

This project aims to adapt an electric motor used for vehicle to high voltage, where this rise in voltage level is a requirement for the improvement of the electric traction chain: battery and converter. The electric motor is little affected by this increase in voltage level, but a study of adaptation and evaluation of reliability are required. The magnetic adaptation of the high voltage motor is based on the ampere turns: keeping the same magnetomotive force between a basic motor (low voltage) and the high voltage motor, keeps the electromagnetic performance the same: therefore a power constant. On the other hand, the electrical insulation system in the motor is very impacted by this lifting in voltage level; it can increase the risk of occurrence of partial discharges between conductors, rupture and degradation of the different insulators. For electrical adaptation of the motor to the high voltage, it is necessary to use inter-phase insulating paper in the coil heads or to increase the value of the insulating layer. A use of the pin conductors is considered because they have the advantage of being manageable to manage the distances between conductors in the coil heads to avoid partial discharges. The insulation system of the notch bottom is also impacted by the increase in the voltage level which means the increase of the intensity of the electric field and which can approximate the dielectric strength of this insulator.; Ce projet a pour but d’adapter un moteur électrique utilisé pour véhicule à la haute tension, où cette élévation du niveau de tension est une exigence pour l’amélioration de la chaine de traction électrique : batterie et convertisseur. Le moteur électrique est peu impacté par cette augmentation de niveau de tension, mais une étude d’adaptation et évaluation de la fiabilité sont exigées. L’adaptation magnétique du moteur à haute tension est basée sur les ampères tours : en gardant la même force magnétomotrice entre un moteur de base (à basse tension) et le moteur à haute tension, on maintient les performances électromagnétiques identiques, donc une puissance électromagnétique / mécanique constante. D’un autre côté, le système d’isolation électrique dans le moteur est très impacté par cette levée en niveau de tension ; elle peut augmenter le risque d’apparition des décharges partielles entre conducteurs, rupture et dégradation des différents isolant. Pour une adaptation électrique du moteur à la haute tension, il est nécessaire d’utiliser du papier isolant entre phases dans les têtes de bobine ou d’augmenter la valeur de la couche isolante. Une utilisation des conducteurs épingles est envisagées car ils présentent l’avantage d’être maitrisable pour gérer les distances entre conducteurs dans les têtes de bobine afin d’éviter les décharges partielles. Le système d’isolation du fond d’encoche est aussi impacté par l’augmentation du niveau de tension qui signifie l’augmentation de l’intensité du champ électrique et qui peut rapprocher à la rigidité diélectrique de cet isolant.

Since the development of power electronic components, which allowed the manufacturing of reliable and efficient inverters, variable speed drives using inductive motors have become more and more popular. The PWM technique has proven to be a very effective method of rotational speed control. However, the fast changing voltage pulses, with very steep slopes (in the order of a few kV/µs), has brought new hazards for the electrical insulation system of such motors. Very high frequency harmonic components of PWM voltage will result in significant overvoltage due to an impedance mismatch between the cable and the motor. As an effect, the voltage seen by some parts of the insulation system may exceed the Partial Discharge Inception Voltage (PDIV) stating localized partial discharges activity. The insulation system in low-voltage machines (called type I) is based almost entirely on polymer materials, which are not able to support partial discharge activity throughout their lives. Due to the use of frequency inverters especially the primary insulation of the magnet wire is endangered in comparison with system-powered machines. As a result this is often the weakest link of the insulation system leading to a premature breakdown of the machine. The aim of this thesis is to investigate and analyze the aging process of the enameled wire exposed to different factors and to propose a method allowing to predict their lifespans in given conditions. This study introduces a prediction based on the Design of Experiments method and the statistical Weibull distribution. Thanks to the model obtained with short multi-stress (temperature, voltage, frequency) aging tests, it is possible to predict the results of significantly longer ones. Moreover, the adapted methodology is proposed that allows to predict the scatter of the long tests basing on the short-time results dispersion. The predictions are compared with the experimental data in order to prove the model accuracy.; Depuis le développement des composants d'électronique de puissance qui ont permis la fabrication d'onduleurs fiables et efficaces, les entraînements à vitesse variable utilisant des moteurs asynchrones sont devenus de plus en plus populaires. La technique MLI s'est avérée être une méthode très efficace de contrôle de la vitesse de rotation. Cependant, les impulsions de tension, avec des pentes très raides (de l'ordre de quelques kV/µs), ont apporté de nouveaux risques pour le système d'isolation électrique des moteurs. La richesse harmonique de la tension MLI entraînera une surtension significative due à une différence d'impédance entre le câble et le moteur. En effet, la tension observée par certaines parties du système d'isolation peut dépasser la tension d'apparition des décharges partielles (ang. PDIV); ce qui amorcera une activité de décharges partielles localisée. Le système d'isolation des machines basse tension (appelé type I) est basé presque entièrement sur des matériaux polymères qui ne sont pas conçus pour supporter des décharges partielles tout au long de leur vie. En raison de l'utilisation de variateurs de fréquence, l'isolation primaire du fil émaillée est en danger par rapport aux machines alimentées par réseau. En conséquence, c'est souvent le point le plus faible du système d'isolation qui conduira à la panne prématurée d'une machine. Le but de cette thèse est d'étudier et d'analyser le processus de vieillissement du fil émaillé exposé aux différents facteurs et de proposer une méthode permettant de prédire les durées de vie dans des conditions fixées. Cette étude introduit une prédiction basée sur la méthode des plans d'expériences et la distribution statistique de Weibull. Grâce au modèle obtenu avec des tests de vieillissement courts multicontraintes (température, tension, fréquence) il est possible de prédire les résultats de tests significativement plus longs. De plus, la méthodologie proposée permet de prédire la dispersion des essais longs en se basant sur la dispersion des résultats à court terme. Les prédictions sont comparées avec les données expérimentales afin de prouver la précision du modèle.

Since the development of power electronic components, which allowed the manufacturing of reliable and efficient inverters, variable speed drives using inductive motors have become more and more popular. The PWM technique has proven to be a very effective method of rotational speed control. However, the fast changing voltage pulses, with very steep slopes (in the order of a few kV/µs), has brought new hazards for the electrical insulation system of such motors. Very high frequency harmonic components of PWM voltage will result in significant overvoltage due to an impedance mismatch between the cable and the motor. As an effect, the voltage seen by some parts of the insulation system may exceed the Partial Discharge Inception Voltage (PDIV) stating localized partial discharges activity. The insulation system in low-voltage machines (called type I) is based almost entirely on polymer materials, which are not able to support partial discharge activity throughout their lives. Due to the use of frequency inverters especially the primary insulation of the magnet wire is endangered in comparison with system-powered machines. As a result this is often the weakest link of the insulation system leading to a premature breakdown of the machine. The aim of this thesis is to investigate and analyze the aging process of the enameled wire exposed to different factors and to propose a method allowing to predict their lifespans in given conditions. This study introduces a prediction based on the Design of Experiments method and the statistical Weibull distribution. Thanks to the model obtained with short multi-stress (temperature, voltage, frequency) aging tests, it is possible to predict the results of significantly longer ones. Moreover, the adapted methodology is proposed that allows to predict the scatter of the long tests basing on the short-time results dispersion. The predictions are compared with the experimental data in order to prove the model accuracy., Depuis le développement des composants d'électronique de puissance qui ont permis la fabrication d'onduleurs fiables et efficaces, les entraînements à vitesse variable utilisant des moteurs asynchrones sont devenus de plus en plus populaires. La technique MLI s'est avérée être une méthode très efficace de contrôle de la vitesse de rotation. Cependant, les impulsions de tension, avec des pentes très raides (de l'ordre de quelques kV/µs), ont apporté de nouveaux risques pour le système d'isolation électrique des moteurs. La richesse harmonique de la tension MLI entraînera une surtension significative due à une différence d'impédance entre le câble et le moteur. En effet, la tension observée par certaines parties du système d'isolation peut dépasser la tension d'apparition des décharges partielles (ang. PDIV); ce qui amorcera une activité de décharges partielles localisée. Le système d'isolation des machines basse tension (appelé type I) est basé presque entièrement sur des matériaux polymères qui ne sont pas conçus pour supporter des décharges partielles tout au long de leur vie. En raison de l'utilisation de variateurs de fréquence, l'isolation primaire du fil émaillée est en danger par rapport aux machines alimentées par réseau. En conséquence, c'est souvent le point le plus faible du système d'isolation qui conduira à la panne prématurée d'une machine. Le but de cette thèse est d'étudier et d'analyser le processus de vieillissement du fil émaillé exposé aux différents facteurs et de proposer une méthode permettant de prédire les durées de vie dans des conditions fixées. Cette étude introduit une prédiction basée sur la méthode des plans d'expériences et la distribution statistique de Weibull. Grâce au modèle obtenu avec des tests de vieillissement courts multicontraintes (température, tension, fréquence) il est possible de prédire les résultats de tests significativement plus longs. De plus, la méthodologie proposée permet de prédire la dispersion des essais longs en se basant sur la dispersion des résultats à court terme. Les prédictions sont comparées avec les données expérimentales afin de prouver la précision du modèle.

In future "more electric" aircraft, the increase in on board electrical power will result in an increase in voltage. The voltages envisaged today are lower than 1000 V DC, but higher values can be considered in the medium to long term. It is therefore essential to study possible premature degradation of existing equipment induced by this rise in voltage. This thesis work, specifically on aeronautical cables, is a contribution to this goal. The examined cables, consisting of a multi-stranded core on which PTFE and PI layers are wound, have undergone various static and dynamic accelerated thermal aging, under humidity, without or with electrical stress. Aging has been carried out in some cases for more than 9000 hours. Partial discharges (DP) were studied on these cables in terms of the appearance voltage PDIV and RPDIV. These DPs can occur outside the cable but alsoinside (for higher voltages) in the air gaps between the insulation and the conductive strands. This location has been confirmed by an electrostatic model. The effect of aging was only found in the case of internal discharges, with in some cases a significant reduction in RPDIV values.Physicochemical analyses of the electrical insulation system were carried out as well as x-ray radiography. Chemical modifications of the interfaces of the insulation system occur during aging. For the most advanced aging (after 9000h under thermal stress at 240°C), these changes result in the formation of cavities where DP can then take place. Finally, electrostatic measurements of surface potential (decline and return after neutralization) have shown, well before the observation of cavities, an increase in conductivity of one of the layers of the insulation., Dans la perspective de l’aéronef « plus électrique », l’augmentation de puissance électrique embarquée se traduit par une augmentation de tension. Les tensions envisagées aujourd’hui sont inférieures à 1000 V DC. Mais des valeurs plus élevées peuvent être considérées pour le futur. Il est donc indispensable d’étudier les dégradations prématurées induites par cette élévation de tension sur les équipements existants. Ce travail de thèse, portant spécifiquement sur les câbles aéronautiques, constitue une contribution à cette étude. Les câbles examinés, constitués d’une âme multibrins sur laquelle sont rubanées des couches de PTFE et PI, ont subi différents vieillissements accélérés thermiques statiques et dynamiques, sous humidité, et ce sans ou avec contrainte électrique. Certains vieillissements ont été effectués sur une durée supérieure à 9000 heures. Les décharges partielles (DP) ont été étudiées sur ces câbles en termes de tension d’apparition PDIV et RPDIV. Ces DP peuvent intervenir à l’extérieur ducâble mais également à l’intérieur (pour des tensions plus élevées) dans les interstices d’air entre l’isolant et les brins conducteurs. Cette localisation a été confirmée par un modèle électrostatique. L’effet du vieillissement n’a pu être constaté que sur les décharges internes, avec dans certains cas une réduction significative des valeurs de RPDIV.Des analyses physicochimiques du système d’isolation électrique ont été effectuées ainsi que des radiographies par rayons X. Des modifications chimiques des interfaces du système d’isolation interviennent au cours des vieillissements. Pour les vieillissements les plus poussés (après 9000h sous contrainte thermique à 240°C), ces modifications résultent en la formation de cavités où des DP peuvent prendre place. Enfin, des mesures électrostatiques de potentiel de surface (déclin et retour après neutralisation) ont mis en évidence, bien avant l’observation de cavités, une augmentation de conductivité d’une des couches de l’isolation.

National audience; Dans cet article, la méthodologie d’un outil (programme) donnant des instructions pour le design du bobinage de machines basse tension alimentées par onduleur est présentée. L’objectif de cet outil est d’apporter des informations utiles au bobineur qui doit, d’abord, respecter les dimensions de l’encoche, la section totale de cuivre (remplissage) et la tension appliquée à la bobine, imposés par le motoriste. Ensuite, d’augmenter le seuil d’apparition des décharges partielles (SADP) entre spires et entre spire et fond d’encoche jusqu’à la valeur la plus élevée. Pour cela, en utilisant une simulation numérique qui prend en compte la loi de Paschen, le logiciel développé devra choisir et arranger les fils émaillés dans l’encoche: bobinage en vrac ou préformé, forme des conducteurs (fils ronds ou méplats), nombre de conducteurs en parallèle par spire, épaisseur du vernis d’émail (grade), disposition des spires… ce jusqu’à trouver la meilleure solution qui permet de respecter les contraintes données par le motoriste et le SADP. Des exemples seront donnés pour démontrer l’efficacité d’un tel outil.

International audience; L'emploi des composants de puissance à semiconducteur grand gap dans les modules de puissance est un défi pour le système d'isolation électrique des modules de puissance. Plus particulièrement, une zone appelée « point triple », située à la jonction entre trois matériaux (substrat / métallisation / encapsulation), est sujette à de forts champs électriques. Des solutions pour contenir cette contrainte sont proposées dans la littérature le plus souvent par action sur l'encapsulant. La solution étudiée ici repose sur un profilage particulier de la céramique, en forme de plateau (mesa). La structure a été mise en œuvre par un usinage ultrason. Les résultats présentés montrent une amélioration significative du seuil de tension d'apparition de décharges partielles.

The objective of the more electrical aircraft project is the replacement certain of the hydraulic and pneumatic systems by electrical ones. This drastic technological transition will require the increase of the onboard electrical power, which will result in the increase of voltage levels of the embedded networks. Current systems of 28 VDC and 115 VAC (400 Hz) are to be replaced by +/- 270 VDC and 230 VAC (360 to 1000 Hz). These new conditions of voltage levels will have a significant impact on the appearance of partial discharges that were almost absent up until present. Aeronautical grade electrical connectors being one of the major elements of embedded networks, the aim of this thesis is to study the conditions of occurrence of partial discharges in them. In this work, electrostatic modeling is carried out in order to identify the zones within the connectors where there is a strong electric field facilitating the appearance of partial discharges. Also presented are the results of experiments under both DC and AC voltage in which the ignition voltages of partial discharges and their location within the structure of the connector were studied., Dans le cadre du projet d’avion plus électrique entamé depuis quelques années, l’objectif visé est le remplacement des énergies hydraulique et pneumatique par l’énergie électrique. Cette transition technologique drastique nécessite une augmentation de puissance électrique à bord des avions, qui se traduit par une élévation des niveaux de tension du réseau embarqué (+/- 270 VDC et 230 VAC). Dans ces conditions, les phénomènes de décharges électriques doivent être considérés, en particulier pour les systèmes présents dans les zones non pressurisées des appareils. Les travaux de thèse ont porté sur l’étude des décharges partielles dans des connecteurs aéronautiques aujourd’hui exploités et susceptibles d’être mis en oeuvre dans les nouvelles conditions de tension. Une modélisation électrostatique du connecteur a été effectuée dans le but de mettre en évidence les zones où règne un fort champ électrique pouvant être à l’origine de l’apparition de décharges partielles. L’influence de paramètres, tels que la géométrie des conducteurs, la pression et la température, a été examinée d’un point de vue théorique par adaptation de la courbe de Paschen. Des mesures expérimentales, effectuées dans différentes conditions d’alimentation électrique, de pression, de température et d’état de vieillissement des connecteurs, ont permis de déterminer les tensions seuil d’apparition des décharges partielles. Ces mesures ont également permis de localiser les décharges au sein du connecteur, et ainsi d’identifier les points faibles de la structure. Des solutions visant à repousser les seuils d’apparition de décharges partielles sont alors proposées.

The objective of the more electrical aircraft project is the replacement certain of the hydraulic and pneumatic systems by electrical ones. This drastic technological transition will require the increase of the onboard electrical power, which will result in the increase of voltage levels of the embedded networks. Current systems of 28 VDC and 115 VAC (400 Hz) are to be replaced by +/- 270 VDC and 230 VAC (360 to 1000 Hz). These new conditions of voltage levels will have a significant impact on the appearance of partial discharges that were almost absent up until present. Aeronautical grade electrical connectors being one of the major elements of embedded networks, the aim of this thesis is to study the conditions of occurrence of partial discharges in them. In this work, electrostatic modeling is carried out in order to identify the zones within the connectors where there is a strong electric field facilitating the appearance of partial discharges. Also presented are the results of experiments under both DC and AC voltage in which the ignition voltages of partial discharges and their location within the structure of the connector were studied.; Dans le cadre du projet d’avion plus électrique entamé depuis quelques années, l’objectif visé est le remplacement des énergies hydraulique et pneumatique par l’énergie électrique. Cette transition technologique drastique nécessite une augmentation de puissance électrique à bord des avions, qui se traduit par une élévation des niveaux de tension du réseau embarqué (+/- 270 VDC et 230 VAC). Dans ces conditions, les phénomènes de décharges électriques doivent être considérés, en particulier pour les systèmes présents dans les zones non pressurisées des appareils. Les travaux de thèse ont porté sur l’étude des décharges partielles dans des connecteurs aéronautiques aujourd’hui exploités et susceptibles d’être mis en oeuvre dans les nouvelles conditions de tension. Une modélisation électrostatique du connecteur a été effectuée dans le but de mettre en évidence les zones où règne un fort champ électrique pouvant être à l’origine de l’apparition de décharges partielles. L’influence de paramètres, tels que la géométrie des conducteurs, la pression et la température, a été examinée d’un point de vue théorique par adaptation de la courbe de Paschen. Des mesures expérimentales, effectuées dans différentes conditions d’alimentation électrique, de pression, de température et d’état de vieillissement des connecteurs, ont permis de déterminer les tensions seuil d’apparition des décharges partielles. Ces mesures ont également permis de localiser les décharges au sein du connecteur, et ainsi d’identifier les points faibles de la structure. Des solutions visant à repousser les seuils d’apparition de décharges partielles sont alors proposées.

International audience; L’augmentation des niveaux de tension dans les réseaux aéronautiques embarqués peut engendrer le phénomène de décharges électriques. Il est montré que sur un câble aéronautique neuf, les décharges partielles peuvent être amorcées et entretenues à l’interface entre la surface externe de l’isolant avec un conducteur de masse (décharges externes), et entre l’âme et la face interne de l’isolant du câble (décharges internes). La localisation des décharges internes est confirmée par la dépendance des tensions d’amorçage avec la pression imposée et par les relevés électriques.

Electrical machine used in variable speed drives are usually fed by a converter using fast switching power electronics devices. Thus, each stator winding of the machine is subjected to steep-fronted voltage pulses whose distribution over its various turns depends on the parasitic capacitances between turns or between turns and slot walls. Therefore, local areas of high electric field appear within the coil, often resulting in partial discharges activity. This thesis aims to provide accurate and quantified information regarding partial discharge inception when various parameters related to the machine power supply and winding topology so as to help develop expertise with respect to problems related to partial discharges, as well as to deduce machine design rules in this regard., Une machine électrique utilisée pour un entraînement à vitesse variable est généralement alimentée par un convertisseur statique dont les composants électroniques de puissance commutent extrêmement rapidement. De ce fait, chaque enroulement statorique de la machine est soumis à des fronts raides de tension dont la répartition sur les différentes spires qui le constituent dépend notamment des capacités parasites entre spires ou entre spires et carcasse. Des zones locales de fort champ électrique apparaissent dans le bobinage conduisant souvent la création d'une activité de décharges partielles. Ce travail de thèse a pour but de fournir des informations quantifiées et précises quant aux risques encourus lorsque divers paramètres liés à l'alimentation de la machine et la topologie du bobinage varient permettant de contribuer à acquérir une expertise vis à vis des problèmes liés à l’apparition de décharges partielles au sein des bobinages, et à en déduire des règles de conception.

The development of power electronics in recent years has led to increase power density and to decrease pulse width modulation (PWM) voltage inverter cost. These developments have expanded the use of power converters for variable speed drive applications which enabled the development of the concept of "more electric aircraft". This concept consists in replacing one of energy carriers (pneumatic or hydraulic) with electrical energy. However, the deployment of electrical energy has increased the onboard voltage, which leads to premature aging of onboard electrical equipment. The shape of the PWM voltage consists of pulse trains. With the application of these pulses, the voltage is no longer homogeneously distributed along the coil. In this case, large differences in potential between the strands are present. In addition, another important parameter derived from the winding type motor used in industry. The random winding is the most common technique for low voltage motors due to its lower cost. The risk generated by this type of winding is that the first and the last turns of the first coil can be facing one another. In this case, up to 80% of the voltage will be supported by a few tens of microns of enamel, and existing insulation systems are not designed to withstand such severe constraints. The use of long cable connecting the inverter to the motor can also cause significant overvoltage at the motor terminals. This phenomenon is explained by the fact that the cable behaves as a transmission line to which the motor coils is not adapted in terms of impedance. In addition, these large potential differences associated with low pressures in the depressurized areas of the aircraft, may cause the occurrence of partial discharge. Partial discharges are electrical discharges that short-circuited partially the gap between two conductors. There are many detection methods well known under AC and DC voltage, however, in the case of the detection under PWM like voltage in low-voltage motors, the detection is much more complex. Partial discharge signals are embedded in the electromagnetic noise generated by the switching. The aim of this thesis is to develop a detection method and filtering method enabling a non-intrusive and an "on-line" partial discharges detection in the aeronautical field in order to qualify the electrical insulation systems used in aircraft.; L'évolution de l'électronique de puissance ces dernières années a entraîné une augmentation de la densité de puissance et une diminution du coût des onduleurs de tension à modulation de largeur d'impulsion (MLI). Ces évolutions ont répandu l'utilisation de convertisseurs de puissance pour les applications de variateurs de vitesse ce qui a permis le développement du concept d' " avion plus électrique ". Ce concept consiste à remplacer un des vecteurs énergétiques (pneumatique ou hydraulique) par l'énergie électrique. Cependant, le développement du réseau électrique a entraîné une augmentation de la tension embarquée, ce qui a conduit à un vieillissement prématuré des équipements électriques embarqués. La forme de tension appliquée, appelée "modulation de largeur d'impulsion" (MLI), est constituée de trains d'impulsions. Avec l'application de ces impulsions, la tension n'est plus distribuée de manière homogène le long du bobinage. Dans ce cas, on pourra observer d'importantes différences de potentiel entre les spires d'une même phase voire entre deux phases du bobinage. En outre, un autre paramètre important provient du type d'enroulement des moteurs utilisés par l'industrie. L'enroulement aléatoire est la technique de bobinage la plus courante pour les moteurs basses tensions car cette méthode présente un faible coût. Le risque induit par ce type d'enroulement est que la première et une des dernières spires de la première bobine peuvent être proches l'une de l'autre. Dans ce cas, jusqu'à 80% de la tension sera supportée par quelques dizaines de microns d'émail, et les systèmes d'isolation existants ne sont pas dimensionnés pour résister à de telles contraintes. L'utilisation de longs câbles reliant l'onduleur au moteur peut aussi provoquer des surtensions importantes aux bornes du moteur. Ce phénomène s'explique par le fait que le câble se comporte comme une ligne de transmission qui n'est pas adaptée en termes d'impédance au bobinage du moteur. De plus, ces importantes différences de potentiel associées à de faibles pressions, présentes dans les zones dépressurisées de l'aéronef, peuvent entraîner l'apparition de décharges partielles. Les décharges partielles sont des décharges électriques qui court-circuitent partiellement l'intervalle entre deux conducteurs. Il existe de nombreuses méthodes de détection bien connues pour les tensions AC et DC, cependant, la détection sous tension de type MLI dans des moteurs basse tension est beaucoup plus complexe. Les signaux de décharge partielle sont en effet intégrés dans le bruit électromagnétique généré par la commutation. Le but de cette thèse est donc de développer un procédé de détection et un procédé de filtrage permettant une détection non intrusive et en fonctionnement (on-line) des décharges partielles dans le domaine aéronautique afin de qualifier les systèmes d'isolation électrique utilisés dans les aéronefs.

The development of power electronics in recent years has led to increase power density and to decrease pulse width modulation (PWM) voltage inverter cost. These developments have expanded the use of power converters for variable speed drive applications which enabled the development of the concept of "more electric aircraft". This concept consists in replacing one of energy carriers (pneumatic or hydraulic) with electrical energy. However, the deployment of electrical energy has increased the onboard voltage, which leads to premature aging of onboard electrical equipment. The shape of the PWM voltage consists of pulse trains. With the application of these pulses, the voltage is no longer homogeneously distributed along the coil. In this case, large differences in potential between the strands are present. In addition, another important parameter derived from the winding type motor used in industry. The random winding is the most common technique for low voltage motors due to its lower cost. The risk generated by this type of winding is that the first and the last turns of the first coil can be facing one another. In this case, up to 80% of the voltage will be supported by a few tens of microns of enamel, and existing insulation systems are not designed to withstand such severe constraints. The use of long cable connecting the inverter to the motor can also cause significant overvoltage at the motor terminals. This phenomenon is explained by the fact that the cable behaves as a transmission line to which the motor coils is not adapted in terms of impedance. In addition, these large potential differences associated with low pressures in the depressurized areas of the aircraft, may cause the occurrence of partial discharge. Partial discharges are electrical discharges that short-circuited partially the gap between two conductors. There are many detection methods well known under AC and DC voltage, however, in the case of the detection under PWM like voltage in low-voltage motors, the detection is much more complex. Partial discharge signals are embedded in the electromagnetic noise generated by the switching. The aim of this thesis is to develop a detection method and filtering method enabling a non-intrusive and an "on-line" partial discharges detection in the aeronautical field in order to qualify the electrical insulation systems used in aircraft.; L'évolution de l'électronique de puissance ces dernières années a entraîné une augmentation de la densité de puissance et une diminution du coût des onduleurs de tension à modulation de largeur d'impulsion (MLI). Ces évolutions ont répandu l'utilisation de convertisseurs de puissance pour les applications de variateurs de vitesse ce qui a permis le développement du concept d' " avion plus électrique ". Ce concept consiste à remplacer un des vecteurs énergétiques (pneumatique ou hydraulique) par l'énergie électrique. Cependant, le développement du réseau électrique a entraîné une augmentation de la tension embarquée, ce qui a conduit à un vieillissement prématuré des équipements électriques embarqués. La forme de tension appliquée, appelée "modulation de largeur d'impulsion" (MLI), est constituée de trains d'impulsions. Avec l'application de ces impulsions, la tension n'est plus distribuée de manière homogène le long du bobinage. Dans ce cas, on pourra observer d'importantes différences de potentiel entre les spires d'une même phase voire entre deux phases du bobinage. En outre, un autre paramètre important provient du type d'enroulement des moteurs utilisés par l'industrie. L'enroulement aléatoire est la technique de bobinage la plus courante pour les moteurs basses tensions car cette méthode présente un faible coût. Le risque induit par ce type d'enroulement est que la première et une des dernières spires de la première bobine peuvent être proches l'une de l'autre. Dans ce cas, jusqu'à 80% de la tension sera supportée par quelques dizaines de microns d'émail, et les systèmes d'isolation existants ne sont pas dimensionnés pour résister à de telles contraintes. L'utilisation de longs câbles reliant l'onduleur au moteur peut aussi provoquer des surtensions importantes aux bornes du moteur. Ce phénomène s'explique par le fait que le câble se comporte comme une ligne de transmission qui n'est pas adaptée en termes d'impédance au bobinage du moteur. De plus, ces importantes différences de potentiel associées à de faibles pressions, présentes dans les zones dépressurisées de l'aéronef, peuvent entraîner l'apparition de décharges partielles. Les décharges partielles sont des décharges électriques qui court-circuitent partiellement l'intervalle entre deux conducteurs. Il existe de nombreuses méthodes de détection bien connues pour les tensions AC et DC, cependant, la détection sous tension de type MLI dans des moteurs basse tension est beaucoup plus complexe. Les signaux de décharge partielle sont en effet intégrés dans le bruit électromagnétique généré par la commutation. Le but de cette thèse est donc de développer un procédé de détection et un procédé de filtrage permettant une détection non intrusive et en fonctionnement (on-line) des décharges partielles dans le domaine aéronautique afin de qualifier les systèmes d'isolation électrique utilisés dans les aéronefs.

La fiabilité constitue aujourd’hui un enjeu important dans le contexte du passage aux systèmes plus électriques dans des secteurs critiques tels que l’aéronautique, l’espace ou le nucléaire. Il s’agit de comprendre, de modéliser et de prédire les mécanismes de vieillissement susceptibles de conduire les composants à la défaillance et le système à la panne. L’étude des effets des contraintes opérationnelles sur la dégradation des composants est indispensable pour la prédiction de leur durée de vie. De nombreux modèles de durée de vie ont été développés dans la littérature dans le contexte du génie électrique. Cependant, ces modèles présentent des limitations car ils dépendent du matériau étudié et de ses propriétés physiques et se restreignent souvent à un ou deux facteurs de stress, sans intégrer les interactions pouvant exister entre ces facteurs. Cette thèse présente une nouvelle méthodologie pour la modélisation de la durée de vie des composants du génie électrique. Cette méthodologie est générale ; elle s’applique à différents composants sans a priori sur leurs propriétés physiques. Les modèles développés sont des modèles statistiques estimés sur la base de données expérimentales issues de tests de vieillissement accéléré où plusieurs types de stress sont considérés. Les modèles visent alors à étudier les effets des différents facteurs de stress ainsi que de leurs différentes interactions. Le nombre et la configuration des tests de vieillissement nécessaires à construire les modèles (bases d’apprentissage) sont optimisés de façon à minimiser le coût expérimental tout en maximisant la précision des modèles. Des points expérimentaux supplémentaires aléatoirement configurés sont réalisés pour valider les modèles (bases de test). Deux catégories de composants sont testées : deux types d’isolants couramment utilisés dans les machines électriques et des sources de lumière OLED. Différentes formes des modèles de durée de vie sont présentées : les modèles paramétriques, non paramétriques et les modèles hybrides. Tous les modèles développés sont évalués à l’aide de différents outils statistiques permettant, d’une part, d’étudier la pertinence des modèles et d’autre part, d’évaluer leur prédictibilité sur les points des bases de test. Les modèles paramétriques permettent de quantifier les effets des facteurs et de leurs interactions sur la durée de vie à partir d’une expression analytique prédéfinie. Un test statistique permet ensuite d’évaluer la significativité de chacun des paramètres inclus dans le modèle. Ces modèles sont caractérisés par une bonne qualité de prédiction sur leurs bases de test. La relation entre la durée de vie et les contraintes est également modélisée par les arbres de régression comme méthode alternative aux modèles paramétriques. Les arbres de régression sont des modèles non paramétriques qui permettent de classifier graphiquement les points expérimentaux en différentes zones dans lesquelles les contraintes sont hiérarchisées selon leurs effets sur la durée de vie. Ainsi, une relation simple, graphique, et directe entre la durée de vie et les contraintes est obtenue. Cependant, à la différence des modèles paramétriques continus sur le domaine expérimental étudié, les arbres de régression sont constants par morceaux, ce qui dégrade leur qualité de prédiction sur la base de test. Pour remédier à cet inconvénient, une troisième approche consiste à attribuer un modèle linéaire à chacune des zones identifiées avec les arbres de régression. Le modèle résultant, dit modèle hybride, est donc linéaire par morceaux et permet alors de raffiner les modèles paramétriques en évaluant les effets des facteurs dans chacune des zones tout en améliorant la qualité de prédiction des arbres de régression.

Design and validation of a new electric motor require an examination of the behavior of the electrical insulating materials under different stresses. Characterizations were performed during aging, thermal, hydrothermal, thermomechanical and electrical, both on the materials, with a special focus on the impregnating resins: a polyesterimide and a filled epoxy, and on models of the electrical system. Other materials have also been characterized such as the enamel covering the copper, with a formulation based on polyesterimide and polyamide-imide, and two 3-layer insulating papers based on Nomex® and Kapton® for the first and on Nomex® and PET for the second. Physicochemical analyses (mass loss, IR and dielectric spectroscopies, optical microscopy) and mechanical characterizations (3-points bending) allowed the identification of the degradation mechanisms during thermal and hydrothermal aging. The effects of the applied stresses on the motorettes were evidenced by measurements of partial discharges. Correlations with the observed behaviors of the materials were underlined, such as the loss of enamel adhesion or the delamination of the epoxy resin. The influence of the waveform on the PDIV has also been studied and it revealed no significant difference between sinus wave and square wave. Simulations of electric fields on the motorettes are in agreement with the measurements of partial discharge inception voltages (PDIV) and with the influence of temperature on these PDIV., La conception et la validation d’un nouveau moteur électrique nécessitent d’examiner les comportements dans le temps des différents matériaux d’isolation électrique face aux multiples contraintes qu’ils subissent. Les caractérisations au cours des vieillissements thermiques, hygrothermiques, thermomécaniques et électriques, ont porté sur les matériaux seuls , avec un focus particulier sur les résines d’imprégnation : une à base de polyesterimide et une à base d’époxy chargé, mais également sur les systèmes d’isolation électrique complets. Les autres matériaux sont l’émail des fils de cuivre, constitué de polyesterimide et de polyamide-imide, et deux papiers d’isolation tri-couches à base de Nomex® et de Kapton® pour l’un, et de Nomex® et de PET pour l’autre. Des caractérisations physico-chimiques (suivi de masse, spectroscopies IR et diélectrique, microscopie optique) et mécanique (flexion 3 points) ont permis de mettre en évidence des mécanismes de dégradations des matériaux lors des vieillissements thermiques et hygrothermiques tels que la perte d’adhérence de l’émail ou bien la délamination de la résine époxy. La caractérisation électrique des motorettes par des mesures de décharges partielles, a permis une évaluation des impacts des différents vieillissements et également de les corréler avec certains comportements des matériaux. L’influence de la forme d’onde sur la TADP a été étudiée. Il n’apparait aucune différence significative dans nos conditions entre des mesures sous signaux sinusoïdaux et sous signaux carrés. Les simulations de champs électriques sur les motorettes sont en accord avec les tensions d’apparition de décharges partielles (TADP) mesurées et avec l’influence de la température sur ces TADP.

International audience; Both dielectric and mechanical properties of pure, micro-filled and nano-filled Polyetherimide varnish are measured and analyzed. Experimental results of lifetime versus temperature (-55 to 180°C), frequency (5 to 15 kHz) and level of bipolar symmetrical square voltage (+/-1kV to +/-3kV) clearly show the efficiency of nano-fillers. Electrical conductivity, DC and AC dielectric strengths and bonding strength, which are crucial properties for a varnish, are estimated. Almost all the properties of micro-filled varnish are found to be the worst, due to the presence of micro-sized aggregates, and the corresponding lifetime, when it is submitted to a partial discharge activity, is not really increased. On the contrary, nanofilled varnish exhibits promising properties.; Les propriétés électriques et mécaniques de vernis polyesterimide purs, nanochargés et micro-chargés sont mesurées et analysées. Les mesures de durée de vie en fonction de la température (-55 à 180 °C), de la fréquence (5 à 15 kHz) et des créneaux de tensions bipolaires symétriques (de +/-1kV à +/-3kV) montrent clairement l’efficacité des nanocharges. La conductivité électrique, la rigidité diélectrique (en continu et en alternatif 50 Hz) et la force de collage qui sont des propriétés cruciales pour un vernis, sont estimées. Presque toutes les propriétés des vernis microchargés sont moins bonnes à cause de la présence d’aggrégats de taille micrométrique pour une durée de vie sous régime de décharges partielles faiblement augmentée. Au contraire le vernis nanochargé présente des propriétés prometteuses.

The more electrical airplane concept led industrial companies to focus a part of their efforts on risks linked to the use of high voltage in a severe environment (Low pressure, wide range of temperature and humidity …). Associated risks are the existence and the growing of partial discharges ultimately leading to the breakdown of the system in which they occur. Considering this problematic, the Liebherr Elektronik GmbH group, in collaboration with the Laplace laboratory, launched the study of a method allowing partial discharges detection in converters intended to be used in aeronautical applications. The results of this work are the subject of this thesis. The first part brings the status of the current knowledge about partial discharges from their physical nature to the detection methods which are used. In the second part, three measurement phases assessing the efficiency of the studied method are introduced and their results discussed. Finally, in the third part, the conclusionsof our works and their perspectives are presented.; Le concept de l'avion plus électrique a conduit les industriels à focaliser une partie de leurs efforts sur les risques liés à l'utilisation de la haute tension dans un environnement sévère (Basse pression, large plage de température et d'humidité …). Les risques associés sont l'existence et le développement de décharges partielles conduisant à terme à la défaillance du système dans lequel, elles se produisent. Considérant cette problématique, le groupe Liebherr Elektronik GmbH, en collaboration avec le laboratoire Laplace, a lancé l'étude d'une méthode permettant de détecter les décharges partielles dans des convertisseurs destinés à des applications aéronautiques. Ce sont les résultats de ce travail qui font l'objet de cette thèse. La première partie fait état des connaissances actuelles sur les décharges partielles, de leur nature physique aux méthodes de détection utilisées. Dans la seconde partie, trois phases de mesures validant l'efficacité de la méthode étudiée sont présentées et leurs résultats sont discutés. Enfin, dans une troisième partie, les conclusions de nos travaux et leurs perspectives sont présentées.

This work has for main goal to study and set suitable techniques to deal with the two aspects of transient signals detection and localization in power distribution cable networks. Thus, the proposed methods are related to the problems issued from signal propagation in cables, the physical aspects being considered to set these methods. For detection aspect, we introduce the specific criteria of whole transients detection from the received signal. This is a very important point in so far as the signal measurement may be composed of the direct propagated pulse but also of reflections and other sort of transients. For analysis and localization, it is essential to detect all the transients, regardless of their energy. First, the well known methods of – spectrogram, wavelets and higher order statistics – are studied. These methods are shown to be suitable and robust in the context of electrical transitory signals, but they cannot easily detect low amplitude transients. The complex time distribution is then proposed as a concept able to detect transients via the signal phase derivation. We show that this technique succeeds in good detection results of whole transients thanks to the consideration of the instantaneous phase which is a very distinctive tool in so far as it is regardless of the amplitude. The localization step is based on the consideration of two major difficulties. The first one is the pulse propagation complexity and its physical modelling; the second one is the problematic and restricting need of measurements synchronization for multi-sensor on-line diagnostic. We propose a localization technique which measures the pulses distortion, issued from their propagation, in function of their propagation time. This low cost technique interest is proved by tests in simulated and real context.; Cette thèse a pour objectif principal d'étudier et de proposer des techniques adéquates aux problématiques de détection et de localisation des sources de signaux transitoires dans un réseau de câbles de transport d'énergie. Ainsi, les méthodes proposées tiennent compte de l'ensemble des problématiques liées à la propagation des signaux dans les câbles, les aspects physiques étant pris en compte lors de la mise en place de ces méthodes. Nous proposons pour la détection, d'introduire un critère spécifique de détection de l'ensemble des transitoires du signal reçu. Ce point est très important car un enregistrement peut contenir le transitoire propagé par le trajet direct mais également des réflexions ainsi que d'autre type de transitoires. Pour l'étape d'analyse et de localisation, il est donc très important de pouvoir détecter tous les transitoires, indépendamment de leur énergie. Nous étudions, dans un premier temps, les méthodes les plus connues – la détection à partir du spectrogramme, des ondelettes et des statistiques d'ordre supérieur. Nous prouvons la robustesse de ces méthodes dans le contexte des transitoires électriques mais également leur difficulté à détecter les transitoires de faible amplitude. Nous proposons ainsi l'utilisation du concept de distribution à temps complexe qui effectue la détection des transitoires via la dérivation de la phase du signal. Nous montrons que cette technique fournit de bonnes performances de détection de l'ensemble des transitoires, grâce à l'étude de la phase instantanée qui constitue un très bon élément pertinent en raison de son invariance par rapport à l'amplitude. La phase de localisation repose sur la prise en compte de deux difficultés majeures. La première étant la complexité de propagation d'une impulsion dans un câble et la modélisation physique de cette propagation, la seconde étant la nécessité contraignante d'acquisition synchrone pour un diagnostique on-line multi-capteur. Notre contribution consiste à proposer une technique de localisation qui quantifie la déformation relative subie par les transitoires propagés, en fonction de leur durée de propagation. L'intérêt de cette technique peu coûteuse est prouvé par des tests en configuration simulée ainsi que réelle.

This work has for main goal to study and set suitable techniques to deal with the two aspects of transient signals detection and localization in power distribution cable networks. Thus, the proposed methods are related to the problems issued from signal propagation in cables, the physical aspects being considered to set these methods. For detection aspect, we introduce the specific criteria of whole transients detection from the received signal. This is a very important point in so far as the signal measurement may be composed of the direct propagated pulse but also of reflections and other sort of transients. For analysis and localization, it is essential to detect all the transients, regardless of their energy. First, the well known methods of – spectrogram, wavelets and higher order statistics – are studied. These methods are shown to be suitable and robust in the context of electrical transitory signals, but they cannot easily detect low amplitude transients. The complex time distribution is then proposed as a concept able to detect transients via the signal phase derivation. We show that this technique succeeds in good detection results of whole transients thanks to the consideration of the instantaneous phase which is a very distinctive tool in so far as it is regardless of the amplitude. The localization step is based on the consideration of two major difficulties. The first one is the pulse propagation complexity and its physical modelling; the second one is the problematic and restricting need of measurements synchronization for multi-sensor on-line diagnostic. We propose a localization technique which measures the pulses distortion, issued from their propagation, in function of their propagation time. This low cost technique interest is proved by tests in simulated and real context., Cette thèse a pour objectif principal d'étudier et de proposer des techniques adéquates aux problématiques de détection et de localisation des sources de signaux transitoires dans un réseau de câbles de transport d'énergie. Ainsi, les méthodes proposées tiennent compte de l'ensemble des problématiques liées à la propagation des signaux dans les câbles, les aspects physiques étant pris en compte lors de la mise en place de ces méthodes. Nous proposons pour la détection, d'introduire un critère spécifique de détection de l'ensemble des transitoires du signal reçu. Ce point est très important car un enregistrement peut contenir le transitoire propagé par le trajet direct mais également des réflexions ainsi que d'autre type de transitoires. Pour l'étape d'analyse et de localisation, il est donc très important de pouvoir détecter tous les transitoires, indépendamment de leur énergie. Nous étudions, dans un premier temps, les méthodes les plus connues – la détection à partir du spectrogramme, des ondelettes et des statistiques d'ordre supérieur. Nous prouvons la robustesse de ces méthodes dans le contexte des transitoires électriques mais également leur difficulté à détecter les transitoires de faible amplitude. Nous proposons ainsi l'utilisation du concept de distribution à temps complexe qui effectue la détection des transitoires via la dérivation de la phase du signal. Nous montrons que cette technique fournit de bonnes performances de détection de l'ensemble des transitoires, grâce à l'étude de la phase instantanée qui constitue un très bon élément pertinent en raison de son invariance par rapport à l'amplitude. La phase de localisation repose sur la prise en compte de deux difficultés majeures. La première étant la complexité de propagation d'une impulsion dans un câble et la modélisation physique de cette propagation, la seconde étant la nécessité contraignante d'acquisition synchrone pour un diagnostique on-line multi-capteur. Notre contribution consiste à proposer une technique de localisation qui quantifie la déformation relative subie par les transitoires propagés, en fonction de leur durée de propagation. L'intérêt de cette technique peu coûteuse est prouvé par des tests en configuration simulée ainsi que réelle.

Epoxy resin filled with silica has been used for years in electrical insulation. Several studies have been carried out in order to identify the mechanisms of degradation of the material. Here, we studied the effect of humidity at a temperature above Tg. An hygrothermal conditioning at 80°C/80% RH led to a drop of the breakdown voltage of a decade after a few months. With silane treated silica, the drop is by a factor of 2. Partial discharges preceded these breakdowns. In order to better characterize the phenomena occurring at the interfaces, an experimental model of the resin/filler interface has been defined and set up with inter-digitised electrodes deposited at the glass/epoxy interface. Dielectric spectroscopy analysis led to an estimate thickness of the interface in the micrometer range. Water uptake analysis, thermogravimetric analysis (TGA) and mechanical analysis (DMA, tensile strength) allowed the quantification on our materials, either filled or not, of known physical and chemical effects of water on epoxy systems (diffusion, plasticisation, hydrolysis). Degradation phenomena leading to the drop of the electrical properties have been described, even if the various sample shapes (sheets and mouldings) did not allow a proper description of the successive phenomena in time. An original mechanism of electrical breakdown of composite materials have been proposed: the electrical treeing leading to breakdown is issued from discharges occurring in cavities of water vapour resulting from the heating of the conductive channel at the interfaces due to electrical conduction., La résine époxyde renforcée avec des grains de silice est utilisée comme isolant électrique. Un certain nombre d'études ont été menées afin d'identifier les mécanismes de dégradation. Dans ce travail, l'effet de l'humidité à une température supérieure à la Tg du matériau a été privilégié. Un conditionnement hygrothermique à 80°C/80%HR conduit à une chute d'une décade de la tension de claquage du matériau en quelques mois. Avec une silice silanisée, la chute est d'un facteur 2. Ce claquage est précédé de décharges partielles (DP). Afin de quantifier les phénomènes aux interfaces résine/silice, un modèle expérimental d'interface a été réalisé. L'analyse par spectroscopie diélectrique, grâce aux électrodes inter-digitées déposées, conduit à une estimation de l'épaisseur de la couche d'eau à l'interface de l'ordre du micromètre. Analyses de prise de masse, thermogravimétrique (ATG) et mécanique (AMD, essais de traction), menées avec ou sans charges de renfort, ont permis de quantifier sur le système étudié les phénomènes physiques et chimiques connus de l'action de l'eau sur les époxydes (diffusion, plastification, hydrolyse). Les phénomènes de dégradation du composite à l'origine de la chute des propriétés électriques ont ainsi été décrits, bien que la différence nécessaire des formes d'échantillons n'ait pas permis de transposer dans le temps les mesures physico-chimiques aux mesures électriques. Un mécanisme original de rupture d'isolation d'un composite a été proposé : l'arborescence électrique à l'origine du claquage résulte de décharges au sein de cavités de vapeur d'eau, celles-ci étant créées par l'échauffement du à la conduction dans les canaux d'eau interfaciaux.

International audience

This work provides a better understanding of the dielectric properties of the gels insulation in the particular context of its use in power electronics. Different measuring techniques which, for the most part have been developed in the characterization of insulating liquids (visualization streamers, optical detection of discharges, charge measuring apparent) were used. An optical method permitting partial discharge measurements under non-sinusoidal voltage (steep-fronted waves) has been developed. Discharges into cavities and ones attributed to the corona have been identified. A regime of reversible discharges and a regime of degradation where the properties of self-healing material are reduced were highlighted. The frequency of discharges increases with temperature. They could contribute to the acceleration of aging assembling in the long term. The partial discharge appears to be easier on impulse voltage in comparison to alternative. The visualization of phenomena generated by high field (generation and propagation of "streamers") allows to better characterize the mechanisms responsible for discharges. The conventional measures of partial discharges in alternative according to IEC are not relevant in the case of the characterisation of the gel under constraints impulse. A study of the breakdown of the silicone gel in various configurations electrode (sizes, shapes) as a function of temperature and the shape of the voltage waveform shows that depends on the electrode surface. The gel comes close much of a non-polar liquid than a solid., Ce travail apporte une meilleure compréhension des propriétés diélectriques des gels isolants dans le contexte particulier de son utilisation en électronique de puissance. Différentes techniques de mesures qui, pour la plupart ont été développées dans la caractérisation des liquides isolants (visualisation de streamers, détection optique des décharges, mesure de la charge apparente) ont été utilisées. Une méthode optique permettant des mesures de décharges partielles sous tension nonsinusoïdale (ondes à front raide) a été développée. Des décharges dans des cavités et les décharges attribuées à l'effet couronne ont été identifiées. Un régime de décharges réversibles et un régime de dégradation où les propriétés d'auto-cicatrisation du matériau sont réduites ont été mis en évidence. La fréquence des décharges augmente considérablement avec la température. Elles pourraient contribuer à l'accélération du vieillissement des assemblages à long terme. Les décharges partielles apparaissent plus facilement sous tension impulsionnelle qu'en alternatif. La visualisation des phénomènes générés sous champ élevé (génération et propagation de “streamers”) permet de mieux caractériser les mécanismes mis en jeu. Les mesures conventionnelles de décharges partielles en alternatif selon la norme CEI ne sont pas pertinentes dans le cas de la caractérisation du gel sous contraintes impulsionnelle. Une étude du claquage du gel silicone dans diverses configurations d'électrodes (tailles, formes) en fonction de la température et de la forme de l'onde de tension montre qu'il dépend de la surface des électrodes. Le gel se rapproche beaucoup plus d'un liquide non polaire que d'un solide.

Various partial discharges (PD) sources were characterized by measurement of electncal data such as discharge currents, PD charge, etc. From mis characterization, the errors affecting charge measurements are determined when inappropriate RLC circuits are used. The propagation of high frequency electrical signais was studied on a winding modei, and also on a real power transformer. Thèse experiments show the fundamental rôle of the détection impédance on measurements made at the winding terminais, and illustrate the complexity of propagation modes. Two localization methods of PD sources were tested on the winding model. This allows to assess their inhérent limitations. Then we propose a new localization method based on the study of the ratios of PD current spectra measured at the winding terminais. Thèse ratios are characteristic of the PD source position, whatever its nature. This technique requires the comparison of expérimental measurements with référence curves. Such curves are obtained by numerical simulation of the winding high frequency response, up to some MHz. The comparison of measurements and calculations shows the feasibility of the method proposed., Différentes sources de décharges partielles ont été caractérisées par la mesure de grandeurs électriques telles que les impulsions de courant de DP, la charge des DP, etc. A travers cette caractérisation, les erreurs de mesure de charge dues à l'utilisation de circuits intégrateurs inadaptés ont été mises en évidence. Différentes études de la propagation des signaux électriques ont été menées sur une maquette d'enroulement mais aussi sur un transformateur de puissance de la centrale thermique de Montereau. Les mesures ont montré le rôle fondamental de l'impédance de mesure sur la qualité des mesures effectuées en bout de bobinage. Elles ont aussi démontré la complexité des modes de propagation. Deux méthodes de localisation de sources de décharges partielles ont été mises en œuvre sur la maquette d'enroulement. Nous avons ainsi pu révéler leurs limites d'application. Pour remédier à ces inconvénients, nous proposons une nouvelle méthode de localisation des sources de DP. Son principe est basé sur l'étude des rapports des spectres des courants terminaux, qui sont caractéristiques de la position du défaut. Cette technique nécessite de pouvoir comparer les résultats expérimentaux à des courbes de référence. Celles-ci sont obtenues à l'aide d'un outil de simulation hautes fréquences efficace jusqu'à quelques MHz. La comparaison des résultats mesurés et simulés a mis en évidence la faisabilité de la méthode que nous avons développée.

Partial discharge measurements hâve been carried out on ail-film capacitor models made of impregnated polypropylène (PP) and fed with a high alternating voltage. The influence of the dielectric and the électrode thickness as well as the température and aging effects hâve been pointed out. The représentation of the number and the magnitude of discharges in the voltage phase (n(O) and QmoyW) allows a characterization of the discharge source rdischarges located on the électrode edges in a defect-free capacitor or discharges induced by defects artificially introduced in the test cell (imprégnation defect, contact defect, a cavity in a PP film, a folded PP film). The purpose of this characterization is to build a data base that enable us to recognize a discharge source on an industrial apparatus and hence to estimate the apparatus life time. This characterization task is full-filled by using the partial discharge inception and extinction voltages (PDIV and PDEV), the discharge évolution with time and applied voltage as well as some parameters calculated from the n(O) and Qmoy(^) distributions. Thèse parameters are the 3rd and the 4* order moments or those we hâve introduced in this study which are the position parameters and the energy efficiency parameter. Our parameters are more useful because they allow a distinction between most of the cases we have studied., Les décharges partielles ont été mesurées sur des modèles de condensateurs tout-film dont le diélectrique est du polypropylène (PP) imprégné. Ces cellules ont été alimentées en haute tension alternative. L'influence de l'épaisseur de diélectrique ou des armatures ainsi que les effets de la température et du vieillissement ont été examinés. Les représentations n(O) et Q,™>y(0) du nombre et de l'amplitude des décharges dans la phase de la tension alternative servent à caractériser la source de ces décharges : décharges en bord d'armature dans un modèle de condensateur sans défaut ou décharges générées par des défauts artificiellement introduits dans la cellule d'étude (défaut d'imprégnation, défaut de contact, cavité dans un film de PP, film de PP plié). Le but de cette caractérisation est la constitution d'une base de données qui servira à la reconnaissance de la source des décharges sur des appareils industriels et permettra d'estimer la durée de vie de ces appareils. Les tensions d'apparition et d'extinction des décharges partielles (TADP et TEDP), l'évolution des décharges en fonction du temps ou de la tension appliquée sont des éléments qui servent à la caractérisation des décharges. Cette tâche se fait également au moyen de paramètres calculés à partir des distributions n() et QmoyC^). Ces paramètres peuvent être les moments d'ordre 3 et 4 ou bien les paramètres que nous avons introduits dans cette étude et qui sont les paramètres de position et le paramètre d'efficacité énergétique. Ces deux derniers paramètres sont les plus efficaces car ils permettent à eux seuls de différencier la plupart des cas étudiés.

In order to investigate the ability of metaliized polypropylene capacitors to be impregnated, we hâve first of ail studied discharges that occur at the edge of metallization. This study showed that the use of a dielectric liquid, sucb as benzyl/dibenzyltoluene, râpe oil or silicone oil, allows a substantial increase of partial discharges inception voltage compared to dry metaliized capacitors. We showed up the existence of two discharges modes : the first mode discharges are due to électron avalanches in the liquid, whereas the second mode discharges occurs in gazeous bubbles and quickly lead to breakdown. We also examined the effect of dielectric thickness, pressure and nature of dielectric liquid on partial discharges.Afterwards, we hâve developed an expérimental device for the measurement of the current puise and the light emitted during self-healing. This device was initially validated by expériences on non-impregnated films and by determining the effect of polypropylene film thickness, nature and thickness of the metallization and pressure. Then, we studied how the imprégnant changes the self-healing process. Thèse electrical and optical measurements were complemented by observations with scanning électron microscope, chemical analysis and a thermodynamic study in order to détermine the kind of deposits formed during self-healing. The breakdown of benzyi/dibenzyitoulene or râpe oil impregnated metaliized polypropylene film lead to the formation of a thick graphite layer which impede the electrical insulation of the defect. On the other hand, the self-healing successfully works with silicone oil, thanks to the SiOn formation which prevents the formation of conducting bridges., Afin de déterminer s'il est possible d'imprégner les condensateurs au polypropylene métallisé, nous avons tout d'abord étudié les décharges se produisant au voisinage du bord de métallisation. Cette étude a montré que l'utilisation d'un liquide diélectrique tel que le M/DBT, l'huile de colza ou l'huile silicone, permet une élévation considérable de la tension d'apparition des décharges partielles par rapport aux condensateurs métallisés secs. Nous avons mis en évidence l'existence de deux régimes de décharges : les décharges du 1er régime sont dues à des avalanches électroniques dans le liquide, tandis les décharges du 21"1 régime se produisent dans des bulles de gaz et conduisent très rapidement au claquage. Nous avons également examiné l'influence de l'épaisseur de l'isolant, de la pression d'appui et de la nature de l'imprégnant.Nous avons ensuite mis au point un dispositif expérimental permettant de mesurer l'impulsion de courant et la lumière émise au cours de l'autocicatrisation. Ce dispositif a été validé dans un premier temps par des mesures sur des films non imprégnés et en étudiant l'influence de l'épaisseur du film de polypropylene, de la nature et de l'épaisseur de la métallisation ainsi que de la pression. Nous avons ensuite étudié comment la présence d'un imprégnant modifie le déroulement de l'autocicatrisation. Ces mesures électriques et optiques ont été complétées par des observations au MEB, par des analyses chimiques et par une étude thermodynamique visant à déterminer la nature des dépôts formés au cours de l'autocicatrisation, en présence ou non d'un imprégnant. Ces expériences ont montré que lors du claquage du polypropylene métallisé imprégné au M/DBT ou à l'huile de colza, il y a formation de ponts de graphite qui empêchent l'isolement du défaut. En revanche, dans l'huile silicone Y autocicatrisation fonctionne parfaitement, grâce à la formation dHin dépôt de S1O2 qui empêche la formation d'un dépôt conducteur.

This study contributes to the modeling of partial discharges (P.D.) occuring within a power transformer. The shell form transformer is at the heart of this study. The P.D. phenomenon is investigated with an electrical point of view. To study the phenomenon, the transformer behaviour was simulated using équivalent circuits as electrical représentations. Because of the geometrical complexity, we found it interesting to use a 3D finite élément package (FLUX3D) to compute the parameters of the transformer équivalent circuit. A study in time and frequency domain is perfomed in order to find résonance frequencies. The influence of the discretization on the pass band of the electrical équivalent circuit was examined. Finally, we présent a study of the P.D. propagation along the the transformer windings. First, the P.D. signal is composed of one puise and then of two puises. This study is completed by an investigation of the différent electromagnetic disturbances influencing the transformer behaviour. Among thèse disturbances, the "Corona" noise is simulated in association of the P.D. puises., Cette étude est une contribution à la modélisation des phénomènes de décharges partielles (D.P.) se produisant dans un transformateur de puissance de type cuirassé. Le phénomène de D.P. est étudié sous un aspect purement électrique. Pour simuler le comportement du transformateur soumis à des D.P., des représentations par schémas électriques équivalents sont utilisées. A cause de la complexité de la géométrie du transformateur, nous avons jugé intéressant d'utiliser un logiciel d'éléments finis tri-dimensionnel (FLUX3D) pour calculer les paramètres du schéma équivalent du transformateur. Une étude temporelle et fréquentielle, est réalisée afin de déterminer les fréquences de résonance. Nous analysons ensuite, l'influence de la discrétisation sur la bande passante du schéma équivalent. Finalement, une étude de la propagation d'un signal DP le long des enroulements du transformateur est présentée. Le signal de D.P. simulé, est d'abord composé d'une seule décharge,- puis de deux décharges successives. Cette étude est complétée, par une recherche bibliographique concernant les différentes perturbations électromagnétiques présentes dans l'environnement du transformateur. Parmi celles-ci la perturbation par effet Couronne en association avec un signal de D.P. est examinée.

The study concerns partial discharges (D.P.) in gaseous cavities between planar and parallel electrodes, under high alternating voltage, one of the electrodes being covered with solid or liquid insulators. The amplitude and number of discharges, measured using a four-capacitance bridge and the spatial distribution of the light emission, recorded using an image intensifier are obtained simultaneously. The instantaneous current measurements are recorded with a 400 MHz memory oscilloscope. For gas thicknesses ranging from 0.05 to 1 mm, we study the influence of the following parameters: gas renewal, U.V illumination, presence of insulating surfaces, on the appearance of three types of discharges called A-D.P. (high amplitude), B-D.P. (average amplitude) and C-D.P. (amplitude not measurable). We show that the A and B-D.P. correspond to a regime of streamers and C-D.P. to a Townsend diet. The three types of D.P. are also observed in gaseous cavities surrounded by capacitor impregnation liquids. We interpret their gassing properties, i.e. their gas absorption properties under the effect of D.P., using observations made on the phenomena of discharges in gases., L'étude concerne les décharges partielles (D.P.) dans des cavités gazeuses entre électrodes planes et parallèles, sous haute tension alternative, une des électrodes étant recouverte d'isolants solides ou liquides. L'amplitude et le nombre des décharges, mesurés à l'aide d'un pont à quatre capacités et la répartition spatiale de l'émission lumineuse, enregistrée à l'aide d'un intensificateur d'image sont obtenus simultanément. Les mesures de courants instantanés sont enregistrées avec un oscilloscope à mémoire de 400 MHz. Pour des épaisseurs de gaz variant de 0,05 à 1 mm, nous étudions l'influence des paramètres suivants: renouvellement du gaz, illumination U.V., présence de surfaces isolantes, sur l'apparition de trois types de décharges appelés A-D.P. (forte amplitude), B-D.P. (amplitude moyenne) et C-D.P. (amplitude non mesurable). Nous montrons que les A et B-D.P. correspondent à un régime de streamers et les C-D.P. à un régime de Townsend. Les trois types de D.P. sont aussi observés dans des cavités gazeuses entourées de liquides d'imprégnation des condensateurs. Nous interprétons leurs propriétés de gassing, i.e. leurs facultés d'absorption des gaz sous l'effet des D.P., à l'aide des observations faites sur les phénomènes de décharges dans les gaz.