FR2976117A1

FR2976117A1 - Materiau electriquement isolant, notamment pour generateur haute tension

Info

Publication number: FR2976117A1
Application number: FR1101694A
Authority: FR
Inventors: Hans Jedlitschka
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-06-01
Filing date: 2011-06-01
Publication date: 2012-12-07
Anticipated expiration: 2031-06-01
Also published as: CN102831961A; US8911860B2; FR2976117B1; US20120305289A1; US20150069289A1

Abstract

Matériau électriquement isolant (10), notamment pour générateurs à haute tension (1), ledit matériau étant un matériau diélectrique du type à base de polymère (11) chargé de nanoparticules (12), par exemple moins de 1% massique de nanotubes de carbone, la tension à laquelle se déclenchent des décharges partielles dans ledit matériau étant supérieure à celle du même matériau non chargé. L'invention concerne également un générateur à haute tension comprenant un tel matériau électriquement isolant.

Description

DOMAINE DE l'INVENTION

L'invention concerne de manière générale le domaine des matériaux électriquement isolants, notamment de type diélectrique.

L'objet de la présente invention peut être appliqué notamment aux matériaux électriquement isolants pour générateurs à haute tension, utilisés par exemple dans le domaine de l'imagerie médicale.

ETAT DE LA TECHNIQUE De nombreux matériaux électriquement isolants ont été développés, notamment pour assurer l'isolation de générateurs à haute tension, alimentant par exemple des tubes à rayons X utilisés dans l'imagerie médicale.

Parmi les matériaux utilisés aujourd'hui, on trouve notamment un matériau diélectrique à base de polymère, typiquement du polypropylène associé à du talc. Ces types d'isolants peuvent résister à un champ électrique très important. Par exemple, ils peuvent être soumis à des tensions de l'ordre de 80kV/cm.

Cependant, à partir d'une certaine valeur de tension (dite tension « start »), il y a déclenchement de décharges partielles à travers la matière et le polymère se dégrade irrémédiablement, ainsi que ses qualités d'isolation. Du fait des courants qui creusent la matière en effet, certaines molécules du polymère subissent un réarrangement des molécules du polymère, qui dégradent progressivement les capacités d'isolation de celui- ci, jusqu'à son claquage. Or des puissances de plus en plus importantes sont requises pour augmenter la fréquence de prise d'images de ce type de dispositif, ce qui implique d'augmenter la tension délivrée par les générateurs à haute tension, tout en minimisant le poids de ceux-ci, car ils sont en général montés sur les scanners. 1 2 En outre, des dimensions de plus en plus faibles sont requises pour les générateurs à haute tension, et ce afin d'augmenter la vitesse de prise d'images des dispositifs d'imagerie sur lesquels ils sont montés. Ceci implique d'augmenter la tension délivrée par les générateurs, tout en minimisant le poids de ceux-ci, puisqu'ils sont montés sur les scanners. Il existe donc un besoin pour développer de nouveaux matériaux électriquement isolants, capables de supporter des champs électriques toujours plus importants sans pour autant surcharger les générateurs sur lesquels ils sont montés.

PRESENTATION DE L'INVENTION

Il est proposé un matériau électriquement isolant pour générateurs à haute tension, ledit matériau étant un matériau diélectrique du type à base de polymère. Le matériau est chargé de nanoparticules et la tension seuil à laquelle se déclenchent des décharges partielles (dite tension « start ») est supérieure à celle du même matériau non chargé. Son temps de vie après déclenchement des décharges partielles est 20 également augmenté. Il est en outre proposé un générateur à haute tension comprenant un isolant en un tel matériau.

DESCRIPTION DES FIGURES 25 D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, au regard des figures annexées, données à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquelles : 30 la figure 1 représente schématiquement un matériau proposé par l'invention, la figure 2 illustre un montage de test possible pour déterminer la tension « start » ou la durée de vie d'un matériau donné, la figure 3 représente schématiquement une vue en coupe d'un générateur à haute tension dont l'isolation est assurée par un matériau proposé par l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

En référence à la figure 1, est représenté un matériau 10 électriquement isolant utilisable par exemple dans des générateurs à haute-tension. Ce matériau est un diélectrique à base de polymère 11 par exemple à base de polypropylène ou encore de polyéthylène, d'autres résines étant envisageables. En outre, le matériau est chargé de nanoparticules 12 électriquement conductrices. Il peut s'agir de nanotubes de carbone, qui sont très bons conducteurs électriques, éventuellement complétés d'autres nanoparticules telles que par exemple des nano-oxydes de titane ou des nanoparticules de nitrite de bore. Dans le cas des applications à l'isolation électrique des générateurs haute tension, la permittivité diélectrique du polymère chargé est choisie aussi proche que possible de celle de l'huile d'isolation utilisée (permittivité diélectrique comprise entre 2.2 et 3, préférentiellement entre 2.3 et 2.8). Les nanoparticules ajoutées au matériau, qui possèdent de bonnes propriétés thermiques, lui permettent également d'être meilleur conducteur thermique qu'un matériau à base de polymère seul. A titre d'exemple, pour un matériau isolant 10 comprenant mois de 1% en masse de nanotubes de carbone, la conductivité thermique du matériau 10 est supérieure ou égale à 0.6 W.m 1.K"', tandis qu'un matériau isolant à base de polymère seul a une conductivité thermique de l'ordre de 0.2 W.m 1.K-'. L'ajout de nanoparticules de nitrile de bore permet d'augmenter d'avantage la conductivité thermique du matériau.

Comme évoqué ci-avant, un matériau à base de polymère non chargé subit un vieillissement quand il est soumis à un champ électrique dépassant une tension seuil, dite tension « start », à partir de laquelle des décharges électriques partielles se produisent dans le matériau, qui conduisent irrémédiablement au claquage de celui-ci. Ce phénomène est lié à un réarrangement des molécules du polymère 11 sous les contraintes du champ électrique. Or, les nanoparticules 12 électriquement conductrices du matériau 10 permettent que des courants de décharges partielles se propagent dans ce matériau 10 quand celui-ci est soumis à de forts champs électriques, ce qui diminue les contraintes appliquées sur les molécules de la base de polymère 11. II en résulte plusieurs propriétés intéressantes du matériau 10 chargé en nanoparticules 12. Tout d'abord, les nanoparticules « shuntent » l'isolation électrique et le matériau isolant 10 est en fait moins isolant qu'un matériau à base de polymère, mais non chargé. Par exemple, pour une proportion de nanoparticules inférieure à 1% en masse du matériau isolant total, la résistance d'isolation du matériau chargé 10 est de deux ordres de grandeur inférieure à la résistance d'isolation du polymère non chargé. Cependant, la résistance d'isolation du matériau chargé 10 reste suffisante pour assurer l'isolation de hautes tensions, de sorte que le matériau isolant 10 est toujours utilisable pour l'isolation de hautes tensions, par exemple dans des générateurs à haute tension. En contrepartie, ce « shunt » que permettent les nanoparticules, notamment celles à base de carbone, permet de faire intervenir les premières décharges partielles à des tensions qui sont plus élevées pour le matériau 10 chargé en nanoparticules 12 que pour le même matériau à base de polymère non chargé. Les courants de décharge permis par les nanoparticules 12 augmentent en effet la résistance du polymère 11 aux forts champs électriques. En l'occurrence, dans le cadre du test qui est décrit ci-dessous en référence à la figure 2, la tension « start » à laquelle les premières décharges étaient détectées était de l'ordre de 30 kV ou supérieure pour un matériau chargé en nanoparticules de carbone (proportion massique de 1% ou inférieure), tandis que cette tension « start » était de l'ordre de 27 kV pour le même matériau non chargé. En outre le matériau chargé présente une rigidité diélectrique supérieure de 30% à celle du même matériau non chargé. En outre, il a également été constaté sur les mêmes matériaux que la durée de vie avant claquage une fois les premières décharges déclenchées était considérablement augmentée pour des matériaux chargés en nanoparticules.

Les tests de détermination de la tension « start » à laquelle les décharges se déclenchent, ainsi que de détermination de la durée de vie une fois la tension « start » atteinte, sont par exemple effectués au moyen d'un testeur d'isolation d'huile de la société « BAUR Prüf- und Messtechnik GmbH » de la société Baur. Le montage est celui illustré sur la figure 2. Un échantillon EM du matériau à tester est placé entre les deux électrodes E métalliques en regard du testeur. L'échantillon EM est une plaque carrée de 2 mm de diamètre et de quelques centimètres de côté. Les électrodes E sont des électrodes. sphériques de 12 mm de diamètre qui terminent deux bras B qui plongent dans une cuve C en verre remplie d'huile d'isolation. Les deux électrodes E et l'échantillon de matériau EM sont ainsi baignés dans l'huile d'isolation, et alimentés en haute tension (50 Hz efficaces) via les deux bras B. Sur l'un des bras est monté un transformateur de courant T (sensibilité 100 mV/A), qui renvoie un signal d'entrée sur un oscilloscope O, équipé de moyens de détection de seuil.

Le test de détermination de la tension « start » consiste à augmenter la tension appliquée aux électrodes avec une rampe de 0,5 Kv / s. La tension « start » est celle à laquelle un courant est détecté pour la première fois au dessus d'un seuil d'intensité donné par l'oscilloscope O (premières décharges significatives). Dans une première variante d'expérimentation, il est ensuite possible de laisser monter la tension aux bornes des électrodes E avec la même rampe de 0,5 kV / s pour déterminer la tension - dite tension « stop » - à laquelle le claquage intervient. Dans une autre variante d'expérimentation, on fige la tension d'alimentation à la tension « start » et on détermine la durée de vie entre le déclenchement des premières décharges et le claquage définitif de l'échantillon. Sur la figure 3 est représenté un générateur à haute tension 1 dans lequel on utilise le matériau isolant 10 décrit ci-avant. Le générateur 1 comprend un ou plusieurs transformateur(s) placé(s) dans un bain d'huile, l'ensemble étant enfermé dans un ou plusieurs boîtier(s) en matériau isolant qui forme(nt) par exemple une chaussette d'isolation. Le matériau isolant du ou des boîtier(s) est du type de celui décrit ci-dessus, par exemple un matériau isolant à base de polypropylène ou de polyéthylène, voire d'autres résines, chargé avec moins de 1% en masse de nanotubes de carbone et présentant une tension « start » à laquelle apparaissent les premières décharges électriques dans le matériau supérieur au même matériau non chargé. Un tel matériau permet d'augmenter la fréquence de prise d'image 25 tout en minimisant le poids du générateur, tout en conservant une isolation efficace. On notera en outre que le refroidissement du générateur 1 est plus efficace avec ce matériau d'isolation 10, ce qui rallonge encore sa durée de vie.

Le refroidissement et cette isolation plus efficaces assurés par le matériau d'isolation 10 permettent de diminuer le volume d'isolation dans le générateur 1, et donc de diminuer la masse du générateur 1. Pour des applications de type médicales, telles que par exemple l'utilisation de générateurs hautes tensions pour des tubes à rayons X montés sur des scanners, le fait de diminuer la masse du générateur permet d'accélérer la vitesse de rotations des scanners et donc de diminuer le temps de l'examen d'un patient. Bien entendu, le matériau d'isolation 10 et le générateur haute tension 1 décrits ci-avant ne sont pour autant pas limités à des applications médicales.

Claims

REVENDICATIONS1. Matériau électriquement isolant (10) pour générateurs à haute tension (1), ledit matériau étant un matériau diélectrique du type à base de polymère (11), caractérisé en ce qu'il est chargé de nanoparticules (12), la tension à laquelle se déclenchent des décharges partielles dans ledit matériau étant supérieure à celle du même matériau non chargé.
2. Matériau selon la revendication 1, dans lequel les nanoparticules (12) sont électriquement conductrices.
3. Matériau selon la revendication 1, dans lequel les nanoparticules (12) comprennent des nanotubes de carbone.
4. Matériau selon la revendication 3, dans lequel les nanoparticules (12) comprennent en outre des nano-oxydes de titane ou des nanoparticules de nitrite de bore.
5. Matériau selon la revendication 1, dans lequel le polymère (11) est à base 20 de polypropylène ou du polyéthylène.
6. Matériau selon la revendication 1, dans lequel la quantité de nanoparticules (12) n'excède pas 1% en masse du matériau (10). 25
7. Matériau selon la revendication 1, dans lequel la permittivité diélectrique est comprise entre 2.2 et 3.
8. Matériau selon la revendication 7, dans lequel la permittivité diélectrique est comprise entre 2.3 et 2.8 30
9. Matériau selon la revendication 1, présentant une conductivité thermique supérieure à 0.6 W.m'.K"'.
10. Générateur à haute tension (1) comprenant un matériau électriquement isolant, caractérisé en ce que ledit matériau isolant est un matériau diélectrique du type à base de polymère (11) chargé de nanoparticules (12) la tension à laquelle se déclenchent des décharges partielles dans ledit matériau étant supérieure à celle du même matériau non chargé.