Résumé
La fiabilité des systèmes du génie électrique où l’on rencontre des forts champs électriques continus et des températures élevées est liée au niveau des couches diélectriques de zones de charges électriques (dites « charges d’espace » car réparties dans des espaces isolants). Les champs électriques qu’elles induisent peuvent sur solliciter les matériaux, menant au vieillissement prématuré et/ou au claquage. La maîtrise de ces charges étant la clé pour des systèmes d’isolation haute performance, leur mesure est indispensable à la conception, la qualification et la surveillance de tels systèmes, notamment en haute tension à courant continu (HTCC). Les interfaces constituant le point faible des systèmes d'isolation, l'étude des champs aux interfaces est déterminante. D'autre part, une reproduction fidèle des phénomènes se produisant en pratique nécessite que l'interface et la structure de l'isolant soient proches de celles d'un composant réel. Ces deux exigences peuvent être antagonistes car des mesures à haute sensibilité/résolution nécessitent des films minces, tandis que la réalisation de structures proches de celles rencontrées en pratique dans des composants du génie électrique nécessite des couches semi-conductrices et isolantes plus épaisses, tant pour la représentativité que pour des raisons technologiques.Cette thèse porte sur la mesure directe des champs électriques aux interfaces par la méthode de l’impulsion thermique (MIT), qui consiste à exciter brièvement et faiblement l’objet d’essai avec une impulsion de chaleur, afin d’obtenir un signal dépendant de la répartition du champ au voisinage de la zone excitée. Le but du travail est d’étudier les possibilités offertes par cette technique non destructive a fort potentiel résolutif sur des échantillons isolants d’épaisseurs moyennes (50 à 150 µm) munis de couches conductrices et semi-conductrices. En même temps, est mise en œuvre une approche visant à augmenter la sensibilité et la résolution de la technique et à obtenir directement les valeurs des champs d’interface, en exploitant complètement la mesure simultanée de la température de l’interface et de la réponse due à la charge d’espace.La possibilité de réaliser de telles mesures sur des échantillons de polyéthylène de 50 à 100 μm avec des électrodes de fort diamètre (50 mm) est d’abord évaluée par des simulations. Les variations de température induites par des impulsions de diverses énergies et durées sont calculées, en considérant des électrodes conductrices métalliques minces et des électrodes semi-conductrices (noir de carbone/polyéthylène, à l’image des matériaux pour câbles haute tension) de 40 µm d’épaisseur. Les simulations de réponses électriques induites par des champs internes de quelques kV/mm suggèrent que de telles mesures pourraient être réalisables en volume avec des élévations de température de quelques dizaines de degrés, voire inférieures au degré pour les champs d’interface.L’étude expérimentale réalisée avec un laser impulsionnel nanoseconde démontre qu’on peut obtenir non seulement des réponses issues d’interfaces métal/isolant, mais aussi d’interfaces métal/semi-conducteur, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour la MIT. L’acquisition simultanée de signaux bolométriques issus de l’électrode excitée et du signal de charges d’espace, réalisée à l’aide d’une cellule appropriée, permet de calculer la vraie répartition de température dans l’échantillon (nécessaire pour le traitement des signaux de charge) sans connaître l’énergie absorbée par la surface excitée (extrêmement difficile à évaluer en pratique).