DOI: 10.1051/jp3:1994111
J. Phys. III France 4 (1994) 35-53

An investigation into electrical ageing of insulating polymers by detection of charge injection under alternative divergent field

A. Hadid¹, C. Laurent¹, M. Mammeri¹, R. Clavreul¹, F. Duchateau² and J. Berdala<sup>3

1</sup>  Laboratoire de Génie Electrique, CNRS URA 304, Université Paul Sabatier, Toulouse, France
²  Electricité de France, Direction des Etudes et Recherches, Les Renardières, Moret-sur-Loing, France
³  Câbles-Pirelli, Direction des Recherches et Développement, Paron, France

(Received 21 June 1993, revised 28 September 1993, accepted 7 October 1993)

Abstract
Our aim is to understand the electrical ageing of insulating polymeric materials under a.c. voltage and in discharge-free situation, i.e. in the absence of any pre-existing gaseous cavities in the bulk of the dielectric. In this report, we use a needle electrode moulded into the insulant to simulate defects producing local field enhancement. An experimental technique for measuring the charge flow injected by the needle into the dielectric under a.c. voltage is described. The transition between the discharge-free electroluminescent state to micro-partial discharge state (early electrical tree propagation phase) is investigated with a sensitivity reaching 0.01 pC. Optical diagnosis is carried out simultaneously. Special emphasis is given to synthetic insulation of power cables. Low-density polyethylene is used as a dielectric with moulded metallic needle electrode. Semi-conducting electrodes prepared from the shield of a cable are also used in this investigation. Statistics on times to tree inception show that the needle tip cannot be considered as a homogeneous injecting surface. The conclusion is double : (i) the onset field for massive charge transfer derived from the measured curvature radius of the needle is not the absolute value and (ii) the discussion of the results obtained by a needle test must include a Weibull statistical analysis with determination of the location parameter.

Résumé
Le but de l'étude est la compréhension du vieillissement électrique des isolants polymères sous tension alternative et en l'absence de toute décharge partielle, i.e. lorsqu'il n'existe aucune cavité gazeuse interne à l'isolant. Nous avons utilisé des électrodes de type aiguille afin d'augmenter localement les gradients de tension moyens et de simuler les défauts amplificateurs de champ. Une technique de mesure de la quantité de charge injectée sous tension alternative dans l'isolant a été mise au point. Elle permet l'étude de la transition entre le régime électroluminescent exempt de décharges électriques et la phase dans laquelle sont détectées des décharges partielles de très faible amplitude (premiers instants de la propagation de l'arborescence électrique). Le seuil de détection des phénomènes électriques est de 0,01 pC. La transition à l'arborescence est aussi étudiée par une méthode optique. L'isolant est un polyéthylène basse densité utilisé dans le domaine des câbles de transport d'énergie tandis que les électrodes sont soit métalliques, soit semiconductrices. L'étude statistique des temps de transition à l'arborescence montre que l'extrémité de l'électrode ne peut pas être considérée comme une surface injectante homogène. Il en découle que la valeur des champs électriques calculée à partir du rayon de courbure mesuré des électrodes n'est qu'une valeur macroscopique. Les essais par la méthode de l'aiguille doivent être analysés par la statistique de Weibull en prenant en compte l'existence du paramètre de localisation.

© Les Editions de Physique 1994