Analysis and characterization of weathering aging of high-voltage cable insulation

Abstract

تتناول هذه الأطروحة دراسة تأثير ظروفا لشيخوخة المناخية على كلٍّ من البولي إثيلين القابل للتشابك بالسيلان (silane-grafted LDPE) والبولي إثيلين المتشابك بالسيّلان (Si-XLPE). هذا الأخير يستخدم كمادة عازلة في كابلات الجهدالمتوسط (18/30 كيلوفولت) المصنعة من طرف المؤسسة الوطنية لصناعة الكوابل ببسكرة (ENICAB). يُعتبرهذا النوع ) بفضل مقاومته الممتازة لظروف الجوية والعوامل المناخية. تم تقسيم العمل إلى قسمين رئيسيين: يتناول القسم الأول سلوك مادة البولي إثيلين القابل للتشابك بالسيّلان (silane-grafted LDPE) تحت تأثيرالشيخوخة المناخية المسرعة، في حين يركّز القسم الثاني على مادة(Si-XLPE) البولي اثيلين المتشابك بالسيلان تحت تأثير طرق شيخوخة مختلفة تشمل الإشعاع فوق البنفسجي والشيخوخة المناخية. وقد تم استخدام مجموعة شاملة من التقنياتا لتحليلية لمتابعة تطور خصائص المواد طول الفترة الشيخوخة المناخية. أظهرت النتائج أن البولي إثيلين القابل للتشابك بالسيلان يميل إلى التشابك خلال فترة الشيخوخة مع حدوث تدهور في الخصائص الفيزوكيميائية المرافقة ،وهذا مايسمح بالحفاظ عل ىسلامة البنية الهيكلية بينما البولي إثيلين المتشابك بالسيلانSi-XLPEأظهر ديناميكيا تتدهور معقدة ناتجة ع نتفاعل آلي اتم تعارضة من التشابك والأكسدة .تُسهم هذه النتائج في فهمٍ أعمق لتأثير كيمياء التشابك على الأداء طويل الأمد وتساعد على تقدير عمر الخدمة للمواد العازلة القائمة على البولي إثيلين المستخدمة في الكابلات المخصصة للبيئات الخارجية.

This thesis investigates the influence of weathering aging conditions on two materials: the first is thecrosslinkable polyethylene (silane-grafted-LDPE) and the second is the silane-crosslinked polyethylene (Si-XLPE) used for the insulation of medium voltage cables (18/30 kV) manufactured by the Cables Industry Firm of Biskra (ENICAB). This is the most preferred material for use in renewable energy (photovoltaic) systems owing to its excellent resistance to weathering conditions. The work is divided into two main parts: the first focuses on the behavior of the silane-grafted-LDPE material under accelerated weathering aging, while the second examines the Si-XLPE counterpart under various aging stresses, including UV radiation and accelerated weathering aging. A comprehensive set of analytical techniques, employed to monitor the evolution of material properties throughout the weathering aging process. For crosslinkable polyethylene, it tends to crosslink during the weathering aging period, accompanied by degradation of physicochemical properties and maintenance of structural integrity. In contrast, Si-XLPE results revealed complex degradation dynamics involving competing mechanisms of crosslinking and oxidation. The obtained results contribute to a better understanding of how crosslinking chemistry affects the long-term performance and lifetime prediction of polyethylene-based insulating materials in outdoor cable applications.

Cette thèse porte sur l’étude de l’influence des conditions de vieillissement climatique sur deux matériaux : le premier est le polyéthylène greffé au silane (réticulable) et le deuxième c’est le polyéthylène réticulé au silane (PRS), utilisés comme matériau isolant dans les câbles de moyenne tension (18/30 kV) fabriqués par l’Entreprise Nationale des Industries du Câble de Biskra (ENICAB). Ce type de matériau est considéré comme l’un des plus privilégiés dans les applications liées aux énergies renouvelables (photovoltaïques), en raison de son excellente résistance aux conditions de vieillissement et aux agents climatiques. Le travail a été divisé en deux parties principales : la première traite du comportement du polyéthylène greffé au silane (silane-grafted LDPE) soumis à un vieillissement climatique accéléré, tandis que la seconde se concentre sur le polyéthylène réticulé au silane (PRS) exposé à différents types de vieillissement, notamment le rayonnement ultraviolet et le vieillissement climatique accéléré. Un ensemble complet de techniques analytiques a été mis en œuvre afin de suivre l’évolution des propriétés des matériaux tout au long du processus de vieillissement climatique. Les résultats ont montré que le polyéthylène greffé au silane a tendance à se réticuler durant la période de vieillissement, accompagné d’une dégradation des propriétés physicochimiques, tout en maintenant une intégrité structurelle satisfaisante. En revanche, le polyéthylène réticulé au silane (PRS) a présenté une dynamique de dégradation plus complexe, résultant de l’interaction entre des mécanismes concurrents de réticulation et d’oxydation. Ces résultats contribuent à une compréhension plus approfondie de l’influence de la chimie de la réticulation sur les performances à long terme et permettent une meilleure estimation de la durée de vie des matériaux isolants à base de polyéthylène utilisés dans les câbles destinés aux environnements extérieurs.