Etude du vieillissement de matériaux hautes températures pour machines tournantes et définition de méthodes d'essais accélérées

Vincent Boucher (1)

1 G2ELab - Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble

Conductor bars of large rotating electrical machines are insulated with a composite material. This material contains an epoxy matrix, reinforced with glass fabric and mica paper. Insulation systems are classified in thermal classes according to the highest temperature they can tolerate without major deterioration in long time usage (at least 20 000 h). In this study, an experimental device was developed in order to realize very accelerated ageing under increased oxygen pressure, at class temperature (155°C and 180°C). The results of these ageing experiments were compared with results obtained by ageing in air at atmospheric pressure. Two new materials have been studied and compared with a reference. The progress of ageing was studied by changes of electrical properties (dielectric spectroscopy and partial discharges measurements), thermo-mechanical properties (Dynamic Mechanical Analysis - DMA) and the mass loss. Samples with different dimensions were studied, allowing to observe the effects of material anisotropy. Different kinetics could be distinguished for degradation within the mica plan and perpendicular to it. The evolution of mass loss can be well described by kinetics of order zero and 1. Using these models and referring to actual standards, lifetimes were evaluated for the three materials, when used in an industrial context, under oxygen pressure and under air at atmospheric pressure.

L'isolation des barres conductrices des grandes machines électriques tournantes, de type alternateur de puissance, est assurée par un matériau composite époxyde/tissu de verre/papier de mica. Ces isolations sont définies en fonction de leur classe thermique qui caractérise la température maximale tolérable sans détérioration majeure à long terme (au moins 20 000 h). Au cours de cette étude, il a été mis au point un dispositif expérimental permettant de réaliser un vieillissement très accéléré de ces matériaux sous pression d'oxygène et à leur température de classe (155°C et 180°C). Ce vieillis sement a été comparé à un vieillissement sous air à pression atmosphérique à la même température. Deux nouveaux matériaux ont été évalués en comparaison avec un matériau de référence. L'évolution de ces matériaux a été suivie au travers de leurs caractéristiques électriques (spectroscopie diélectrique et mesures de décharges partielles), thermo-mécaniques (Analyse Mécanique Dynamique - DMA) et des évolutions de leurs masses. L'utilisation de plusieurs dimensions et formes d'échantillon a permis de prendre en compte l'anisotropie des matériaux et de distinguer les cinétiques de dégradation selon les orientations parallèles et perpendiculaires aux plans tissus de verre/mica. Les évolutions des masses des matériaux sont bien décrites par des cinétiques d'ordre zéro et d'ordre 1. Ces modèles ont permis de proposer des durées de vie pour les trois matériaux évalués dans le contexte d'utilisation industriel et selon les critères normatifs en vigueur, aussi bien sous pression d'oxygène qu'à pression atmosphérique.

Mots clés: Epoxy; rotating machines; thermo-oxidation; accelerated ageing; electrical insulation

Mots clés: Epoxyde; alternateurs; composite; thermo-oxydation; vieillissement accéléré; isolant électrique

Domaines: Sciences de l'ingénieur [physics]

Vincent Boucher. Etude du vieillissement de matériaux hautes températures pour machines tournantes et définition de méthodes d'essais accélérées. Sciences de l'ingénieur [physics]. Université de Grenoble, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00585496⟩