M. OMBICK BOYEKONG Gérard a soutenu sa thèse ce Vendredi 22 septembre 2023 à 15h00 dans la salle de lecture de l'IUT de Douala.
Intitulé: Impact du vieillissement sur les performances diélectriques du complexe esters naturels/papiers.
Le jury :
Président :
· Monsieur NJEUNA Ebenezer, Professeur, Université de Douala ;
Rapporteurs :
· Monsieur FOFANA Issouf, Professeur, Université de Québec à Chicoutimi;
· Monsieur NDZANA Benoit, Professeur, Université de Yaoundé 1;
· Monsieur NYOBE YOME Jean Maurice, Maitre de Conférences, Université de Douala;
Membre :
· Monsieur MOUKENGUE IMANO Adolphe (Directeur de thèse), Professeur, Université de Douala;
· Monsieur MENGATA MENGOUNOU Ghislain (Co-Directeur de thèse), Maitre de Conférences, Université de Douala.
Résumé:
Cette thèse porte sur l’étude expérimentale de l’impact du vieillissement sur les performances du complexe esters naturels/papier, utilisé dans le système d’isolation des transformateurs de puissance. Deux monoesters naturels ont été utilisés, les esters méthyliques d’huiles de palmiste (EMHP) et de ricin (EMHR). L’élaboration de ces deux esters prototypes de bioisolants a été précédemment effectuée au sein de l’Equipe de Recherche en Systèmes d’Energie Electrique (ERSEE). A titre comparatif, une huile minérale (HM) actuellement en service dans les transformateurs de puissance au Cameroun, le Nynas NYTRO, a été utilisée. Concernant l’isolant solide, deux types de papiers ont été utilisés, le papier Kraft thermiquement amélioré (TUK) et le papier Nomex-910. Dans l’objectif de simuler le fonctionnement du transformateur, des tests de vieillissement accéléré ont été effectués. Ces tests permettent d’estimer en quelques temps le comportement réel d’un transformateur après plusieurs années de fonctionnement. Selon la norme ASTM D1934, la température minimale dans les tests de vieillissement accéléré devrait être 110 °C. Dans nos travaux, plusieurs températures de vieillissement accéléré ont été utilisées : 110 °C, 130 °C et 150 °C, afin de simuler le fonctionnement d’un transformateur suite à de brusques augmentations de la charge. Un vieillissement à une température constante de 115 °C a aussi été effectué. Plusieurs durées de vieillissement ont été employées, notamment la période initiale de vieillissement soit 100 heures environ, ensuite la période intermédiaire de 250 à 500 heures de vieillissement, et enfin la période finale, au-delà de 1000 heures. A la fin de chaque période de vieillissement, les propriétés diélectriques, physicochimiques et thermofluidiques du complexe d’isolation ont été analysées.
Les propriétés diélectriques étudiées sont l’évolution de la tension de claquage du papier isolant à l’aide du standard ASTM D149, ainsi que le facteur de dissipation et la constante diélectriques des liquides sur la base du standard ASTM D924. Les propriétés physicochimiques qui ont étudiées dans ce travail sont l’indice d’acide (IA) à l’aide du standard ASTM D974, la quantité de produits de dégradation dissous générés dans l’huile (PDD) grâce à la spectroscopie UV-visible en se basant sur le standard ASTM D6802, l’évolution des liaisons fonctionnelles à l’aide de la spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier Rapide (spectroscopie IRTF) par application du standard ASTM D2144, et l’évolution physique et microscopique du complexe d’isolation. Ces propriétés permettent de déterminer la résistance à l’oxydation des liquides isolants. La propriété thermofluidique étudiée est la viscosité cinématique des trois liquides isolants, par application du standard ASTM D445.
Les mesures effectuées ont démontré que le processus d’imprégnation augmente la TC du papier, quel que soit le type d’huile utilisée pour l’imprégnation. Les TC des papiers imprégnés des deux types d’esters naturels sont supérieures à celle du papier imprégné d’HM, tout au long des périodes considérées. Ces résultats s’expliquent par le fait que les esters naturels ont une TC et une limite de saturation en eau supérieures à celles de l’HM. Une comparaison entre les deux types de papier utilisés indique que le papier Nomex présente une tension de claquage supérieure à la tension de claquage du TUK. Cependant, le processus d’imprégnation augmente beaucoup plus la TC du TUK par rapport au Nomex. Ce résultat a été attribué à la nature purement cellulosique du TUK, par opposition au Nomex-910 qui est constitué d’une association de composants cellulosiques et synthétiques. Les FDD des esters naturels sont supérieurs à celui des huiles minérales, ce qui laisse entrevoir un dégagement de chaleur plus important dans les esters naturels. Ce comportement a été attribué à la nature polaire des esters et à leur faible résistance à l’oxydation comparativement aux huiles minérales. La permittivité des EMHR est supérieure à celle des EMHP elle-même supérieure à des HM, indiquant que l’utilisation des esters naturels permet de réduire les contraintes électriques subies par le papier isolant, grâce à une meilleure répartition des contraintes électriques entre le liquide et le papier isolant. Globalement le processus de vieillissement augmente ces deux paramètres.
L’IA des esters méthyliques est supérieur à celui des HM. Cependant, le vieillissement des esters méthyliques donne lieu à une réaction de transestérification avec papier isolant qui ralentit la diminution de son degré de polymérisation, contrairement aux huiles minérales dont le vieillissement génère une quantité importante d’acides carboxyliques à faible poids moléculaires qui accélèrent la dépolymérisation du papier, et par conséquent diminution de sa rigidité diélectrique. Au début du vieillissement, l’absorbance UV-visible et la quantité de produits de dégradation dissous générés dans les esters naturels sont supérieures aux grandeurs analogues produites dans les huiles minérales. Cependant, l’augmentation de la température et/ou de la durée de vieillissement inverse cette tendance. La spectroscopie IRTF a permis de de déterminer les liaisons fonctionnelles responsables de ce changement. Une comparaison entre les deux esters utilisés montre qu’au début du vieillissement, les EMHP se comporte mieux que les EMHR. Cependant, cette tendance s’inverse après 500 h de vieillissement accéléré.
Les EMHR et les HM ont des valeurs de viscosité cinématique proches en fin de vieillissement ; par contre, l’EMHR a une viscosité cinématique supérieure à celles des deux autres. Une tendance observée dans le cas des trois liquides isolants est que la viscosité augmente avec le vieillissement. Cependant, la viscosité finale des deux esters n’a pas excédé la valeur critique de 50 cSt. Les résultats de la présente étude démontrent que les monoesters naturels constituent une solution non négligeable au remplacement partiel voire total des HM comme diélectrique liquide des TPs.
Mots-clés : esters méthyliques, papier isolant, vieillissement thermique, tension de claquage, facteur de dissipation diélectrique, résistance à l’oxydation, liaisons fonctionnelles.
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