Doctorat ParisTech T H È S E. l École Nationale Supérieure d'arts et Métiers

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1 N : 2009 ENAM XXXX École doctorale n 432 : Science des Métiers de l Ingénieur 2012-ENAM-00XX Doctorat ParisTech T H È S E pour obtenir le grade de docteur délivré par l École Nationale Supérieure d'arts et Métiers Spécialité Mécanique-Matériaux Présentée et soutenue publiquement par Ines MKACHER 05 octobre 2012 Vieillissement thermique des gaines PE et PVC de câbles électriques Directeur de thèse : Xavier COLIN Jury Mme Sophie COMMEREUC, Professeure, ENS de chimie de Clermont Ferrand Rapporteur M. Lasâad DAMMAK, Professeur, ICMPE, Université Paris-Est Examinateur M. Laurent GONON, Professeur, SPrAM, CEA Grenoble Président Mme Valérie MURIN, Docteur, LME, EDF R&D Examinateur Mme Isabelle ROYAUD, Professeure, Institut Jean Lamour Rapporteur T H È S E Arts et Métiers ParisTech - Centre de Paris PIMM

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234 VIEILLISSEMENT DES GAINES DES CABLES ELECTRIQUES RESUME : En France, environ 35% des liaisons électriques sont enterrées. Ces liaisons sont constituées, entre autre, par des câbles souterrains où le système d isolation est un polymère. Ces câbles sont chers à enterrer et à remplacer en cas de défaut de la liaison. Par conséquent, la prédiction précise de la durée de vie des câbles est un enjeu économique et stratégique important. Or, la gaine externe est la première barrière de protection du câble contre la pénétration d eau. Elle est aussi considérée comme le composant le plus vulnérable au vieillissement. Pour cette raison, le vieillissement thermique de deux types de gaine de câbles électriques synthétiques du réseau électrique souterrain a été étudié entre 80 et 160 C dans l air. Dans le cas de la gaine en PE, on observe une oxydation brutale du polymère dès la disparition de la totalité des antioxydants par évaporation et consommation chimique. En revanche, dans le cas de la gaine en PVC, on observe une disparition progressive du plastifiant par évaporation, entrainant la vitrification du polymère et sa fragilisation lorsque la fraction massique en plastifiant atteint une valeur critique de l ordre de 8 %. Oxydation et fissuration conduisent à une perte d étanchéité à l eau de la gaine. Dès lors, on soupçonne que l eau va entrainer une corrosion et une rupture locale de l écran métallique et, par la suite, la formation d arborescences humides dans l isolant électrique provoquant le claquage du câble. Un modèle cinétique de vieillissement thermique des gaines a été dérivé de l ensemble de ces mécanismes physiques et chimiques. Ce modèle permet de prédire la durée de vie des gaines (par perte d étanchéité) tant que la diffusion des additifs moléculaires (antioxydants et plastifiants) est négligeable. Mots clés : polyéthylène, poly(chlorure de vinyle), antioxydants, plastifiants, vieillissement thermique, modélisation cinétique, prédiction de durée de vie. ELECTRICAL CABLES OUTER SHEATH AGEING ABSTRACT: In France, about 35% of the electric connections are buried. These connections are, among other, constituted of synthetic cables where the insulating system is a polymer. The high costs for replacing the underground electrical cables make their lifetime prediction an important economic and strategic challenge. However, the outer sheath is the first barrier protecting the cable against water penetration. It is also considered as the most sensitive component with respect to ageing. For this reason, the thermal ageing of two types of sheaths of synthetic electrical cables used in the underground electricity network have been studied between 80 and 160 C in air. In the case of PE sheath, it is observed a violent polymer oxidation as soon as the totality of antioxidants disappears by evaporation and chemical consumption. In contrast, in the case of PVC sheath, it is observed a progressive disappearance of plasticizer by evaporation, leading to polymer vitrification and its embrittlement when the mass fraction of plasticizer reaches a critical value of the order of 8%. Oxidation and cracking induce a loss of water sealing of the sheath. From this moment, it is suspected that water will induce corrosion and local breaking of metallic screen and, thereafter, the formation of water treeing inside the electrical insulator leading cable breakdown. A kinetic model for sheath thermal ageing has been derived from all these physical and chemical mechanisms. This model allows to predict the sheath lifetime (by sealing loss) as long as the diffusivity of molecular adjuvants (antioxidants and plasticizers) is negligible. Keywords : polyethylene, poly (vinyl chloride), antioxidants, plasticizers, thermal ageing, kinetic modeling, lifetime prediction.

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