Soutenance mémoire
ÉTUDE NUMÉRIQUE DE L’INFLUENCE DU NOMBRE D’ANNEAUX DE
GARDE SUR LES DISTRIBUTIONS DU POTENTIEL
Problématique
Les équipements H.T. présents dans les réseaux aériens de transport de l’énergie électrique sont supposés opérer de façon fiable quelles que soient les conditions environnementales et météorologiques (tropical, arctique, côtier, atmosphère polluée, etc..) auxquelles ils sont soumis. Cela s’applique tout particulièrement aux isolateurs que Ton trouve en très grand nombre sur les réseaux électriques aériens et dont le rôle est d’assurer l’isolement électrique entre les parties portées à la H.T. ou entre les parties H.T. et les parties mises à la terre. Bien que le prix des isolateurs ne représentent qu’un faible pourcentage du coût total associé à la construction des lignes de transport, la fiabilité de ces derniers sous diverses conditions météorologiques est primordiale afin d’éviter toute interruption intempestive de la distribution en énergie électrique. Depuis plusieurs décennies, l’une des principales cibles des travaux de recherche et de développement dans le domaine de la transmission et de la distribution électrique a été la diminution du nombre et de la durée des interruptions de l’alimentation en énergie électrique des consommateurs dont une grande majorité est attribuable aux contournements des isolateurs qui sont directement exposés aux conditions atmosphériques.
Parmi les conditions atmosphériques auxquelles sont soumis les isolateurs, ce sont les accumulations de glace qui sont les plus dangereuses en terme de contournement électrique [1-5]. Dans plusieurs régions froides telle que le Québec, les accumulations de glace sur les isolateurs employés dans les réseaux aériens de transport de l’énergie électrique peuvent entraîner non seulement des dommages mécaniques sur les pylônes et les conducteurs, mais elles peuvent aussi affecter considérablement les performances électriques de ces derniers et entraîner des contournements électriques. Ces derniers se caractérisent principalement par un court-circuit complet de l’isolateur s’établissant entre la partie énergisée et la partie mise à la terre. Les coupures engendrées par les contournements électriques des isolateurs recouverts de glace sont souvent difficiles à identifier car certaines se produisent dans des lieux très éloignés et inhabités. Par conséquent, ceci rend leur observation très aléatoire et difficile. De plus, les interruptions issues de ces contournements surviennent dans la majorité des cas lors de périodes froides où le besoin en énergie électrique est vital. Les études menées sur les phénomènes de contournement électrique des isolateurs recouverts de glace ont permis de mettre en évidence les paramètres principaux pouvant influencer le contournement de ces derniers [1-13]. Ainsi, les accumulations de glace réalisées en régime humide représentent les conditions les plus dangereuses en terme de contournemen télectrique, surtout au cours d’une période de réchauffement ou de fonte. En effet, au cours de cette période, un film d’eau conducteur se forme à la surface de la glace et modifie considérablement les distributions du potentiel et du champ électrique le long de l’isolateur recouvert de glace, comme il a été démontré dans plusieurs études antérieures [7- 11]. Ceci mène à une augmentation importante de la chute de tension le long des intervalles d’air, les parties de l’isolateur non recouvertes de glace créée au cours de la période d’accumulation, entraînant ainsi la formation de décharges partielles le long de ces derniers qui sont des les zones de concentration élevée de champ électrique créée par la non linéarité de la distribution du potentiel [8]. Les intervalles d’air ont donc un rôle important dans le processus de contournement des isolateurs recouverts de glace puisqu’ils sont le lieu d’initiation des arcs électriques partiels [7-10]. Si les conditions requises sont présentes, ces arcs électriques partiels peuvent se propager à la surface du dépôt de glace et entraîner le contournement complet de l’isolateur, provoquant ainsi un court-circuit entre l’électrode H.T. et l’électrode de mise à la terre [1, 12].
Au cours de la dernière décennie, les chercheurs et manufacturiers d’équipements d’isolation ont essayé d’améliorer les performances des isolateurs sous conditions de givrage atmosphériques sévères. Un intérêt particulier a cependant été porté sur les isolateurs T.H.T de poste standard en porcelaine puisque plusieurs études expérimentales et observations sur sites ont montré que ces derniers sont les plus vulnérables en terme de contournement lors d’accumulations de glace importantes [1-2]. Cette plus grande vulnérabilité est principalement due au fait que les isolateurs de poste sont soumis à un gradient de tension par unité de distance d’arc plus élevé et une distance inter-jupes plus faible que les isolateurs de ligne. Ainsi, quelques solutions ont été proposées, expérimentées en laboratoire ou encore utilisées sur les sites naturels, comme expliqué plus en détail dans la revue de littérature présentée au chapitre suivant [3, 5, 14-15]. Ces méthodes dites passives ont toutes un point commun, celui d’éviter la formation du pont de glace complet le long de l’isolateur et cela, par la création de plusieurs intervalles d’air artificiels. En effet, la présence de plusieurs intervalles d’air de longueur suffisante permet d’augmenter la rigidité diélectrique de l’isolateur et par conséquent, d’augmenter la tension de contournement sous condition de glace sévère [3, 5, 8].
Parmi les méthodes proposées et éprouvées sur sites naturels, de nouveaux types d’isolateur de poste ayant une géométrie de jupes spécifiques de type « triple alternance » sont actuellement utilisés. La géométrie spécifique de ces jupes et leur espacement important permet de retarder la formation du pont de glace pour des accumulations de glace importantes [3, 5, 14]. Une autre stratégie proposée et testée en laboratoire vise à ajouter des jupes auxiliaires aux isolateurs de poste dans le but de créer artificiellement des intervalles d’air et inhiber ainsi la formation du pont de glace [5, 14]. De plus, afin d’accroître la rigidité diélectrique des isolateurs « triple alternance » sous conditions de glace sévères, il a été aussi proposé de recouvrir ces derniers d’un revêtement semiconducteur dans le but d’uniformiser leur distribution du potentiel et du champ électrique qui agissent directement sur la formation des intervalles d’air, tel qu’expliqué précédemment [14].
En effet, d’après certains tests expérimentaux, le fait d’avoir une distribution plus uniforme du potentiel le long de l’isolateur permet une meilleure répartition des intervalles d’air et donc peut contribuer à améliorer les performances électriques sous condition de glace [3]. Dans cette optique, il apparaît intéressant de s’attarder sur l’utilisation des anneaux de garde dont sont équipés certains isolateurs de poste. Ces anneaux de garde sont généralement utilisés pour uniformiser la distribution du potentiel le long de l’isolateur afin de réduire voir éliminer l’activité des décharges couronnes qui sont nuisibles pour l’isolateur et génèrent des perturbations électromagnétiques importantes [16-22]. Cependant, aux meilleurs de nos connaissances, il existe très peu de recherches systématiques entreprises pour étudier leur influence sur le comportement électrique des isolateurs de poste dans des conditions sévères de givrage atmosphérique. D’après les quelques observations réalisées sur sites et en laboratoire, il a été constaté, sans pour autant être démontré, que les anneaux de garde seraient en mesure de produire une distribution uniforme de glace, mais que cette dernière ne mènerait pas nécessairement à l’amélioration des performances électriques des isolateurs qui en sont équipés [5]. Dans une autre mesure, il a été avancé que les anneaux de garde pourraient être employés pour créer des intervalles d’air suffisamment grands pour permettre à l’isolateur glacé d’avoir une tension de tenue sous condition de glace plus élevée que la tension de service, mais cela reste encore à être démontré [3, 5].
Il existe donc un certain intérêt dans l’utilisation des anneaux de garde comme méthode probable permettant d’améliorer les performances électriques des isolateurs standard de poste sous conditions de glace sévères mais le peu d’études réalisées à ce sujet sont contradictoires et une étude systématique doit donc être entreprise pour en démontrer la validité. En effet, l’ajout d’anneaux de garde aux isolateurs de poste standard demeure actuellement, lorsque cela est possible, une solution économique à condition que leur influence positive sur les performances électriques des isolateurs sous condition de glace sévère soit démontrée.
Objectifs et méthodologie de la recherche
Objectifs
Au regard des différentes études menées à ce jour sur l’utilisation des anneaux de garde, la revue de littérature réalisée sur le sujet montre qu’il existe un manque de connaissances certain sur l’utilisation et l’application des anneaux de garde aux isolateurs de poste standard et de surcroît, sous conditions de givrage atmosphérique sévère. La majorité des études recensées sont, au meilleur de nos connaissances, orientées vers l’optimisation des anneaux de garde pour des applications exclusives aux isolateurs composites de ligne propres (exempts de dépôts polluants) dans la majorité des cas. Très peu d’études se sont concentrées sur les isolateurs de poste, mêmes propres, et encore moins sous conditions de pollution atmosphérique et précipitations froides. Ce travail a donc pour objectif général d’accroître les connaissances relatives à l’utilisation des anneaux de garde équipant des isolateurs de poste standard sous conditions de glace. Plus spécifiquement, il s’agit, dans un premier temps, d’étudier expérimentalement l’influence d’un seul anneau de garde sur les performances électriques des colonnes isolantes standard soumis à des conditions d’accumulation de glace sévère.
Cette étude se poursuit, dans un second temps, par une étude numérique paramétrique dans le but de déterminer les paramètres optimales d’un anneau de garde, à savoir son diamètre extérieur, le nombre ainsi que la position permettant d’obtenir la distribution de potentiel la plus uniforme. Enfin, à partir des résultats expérimentaux et numériques obtenus, il s’agit de proposer des solutions permettant d’augmenter la tension de tenue des colonnes isolantes standard sous conditions d’accumulation de glace sévères en utilisant de nouvelles configurations d’anneaux de garde. De telles pistes de solutions permettront d’initier des recherches plus poussées qui seront d’un grand intérêt pour l’industrie du transport et de la distribution de l’énergie électrique ainsi que celle des fabricants d’équipements. Ces derniers particulièrement bénéficieront directement des retombées reliées à ce projet puisque actuellement, il n’existe aucune règle particulière ou norme relative au dimensionnent et au positionnement des anneaux de garde le long des isolateurs propres et encore moins lorsque ces derniers sont sujets aux accumulations de glace.
Méthodologie
L’atteinte des objectifs de ce projet de recherche nécessite à la fois une approche numérique et expérimentale relative au comportement des colonnes isolantes sous condition de glace équipées d’anneaux de garde. Compte tenu des infrastructures disponibles actuellement à la CIGELE, les recherches sont réalisées sur une colonne isolante standard en porcelaine soumises à des accumulations de glace réalisées en régime humide qui s’apparente le plus au verglas. La méthodologie proposée peut se décrire selon les quatre étapes suivantes :
Détermination de la tension de tenue maximale sous condition de glace sévère d’une colonne isolante standard équipée d’un anneau dé garde standard Cela représente le point de départ de cette recherche puisqu’il s’agit de vérifier l’influence d’un anneau de garde de géométrie standard sur la tension de tenue d’une colonne isolante soumise à une accumulation de glace sévère correspondant à 15mm d’épaisseur de glace (radiale) mesurée à l’aide du cylindre témoin. Il s’agit ici de déterminer la tension de tenue maximale en période de fonte et de vérifier l’influence de la présence de l’anneau de garde sur l’uniformité du dépôt de glace obtenu en fin d’accumulation.
Calcul des distributions du potentiel et du champ électrique avec un anneau de garde
Cette étape est entièrement complémentaire à la partie expérimentale puisqu’elle permet d’étudier théoriquement et numériquement les distributions du potentiel et du champ électrique le long de la colonne isolante équipée d’un anneau de garde dont le comportement électrique a été étudié expérimentalement lors de l’étape précédente. Les études proposées sont réalisées exclusivement au début de la période d’accumulation puisque c’est au cours de cette période que sont créés les intervalles d’air qui régissent l’uniformité du dépôt de glace. Étant donné que l’accumulation de glace est réalisée en régime humide, les simulations doivent tenir compte de la présence de glaçons entre les jupes de la colonne isolante et du film d’eau à leur surface en suivant le principe de modélisation déjà utilisée dans une étude antérieure [6]. Les simulations sont réalisées à l’aide du logiciel commercial d’éléments finis COMSOL Multyphysics© qui a été utilisé dans une étude antérieure pour modéliser les distributions du potentiel et du champ électrique le long de colonnes isolantes recouvertes de glace en période de fonte [6, 12]. À cet effet, une configuration 2D axisymétrique est utilisée afin d’obtenir des résultats plus rapides comparée aux simulations 3D, avec une bonne précision, comme il a été démontré dans [12].
Études paramétriques relatives à l’utilisation des anneaux de garde
À partir de la modélisation de la colonne isolante recouverte de glace proposée à l’étape 2, une étude paramétrique est proposée. Cette étape consiste, dans un premier temps, à étudier numériquement l’influence des paramètres géométriques principaux de l’anneau de garde sur la distribution du potentiel et du champ électrique le long de la colonne isolante en début de période d’accumulation, à savoir le rayon R de l’anneau, le diamètre d du tube de l’anneau et enfin sa position H par rapport à l’électrode H.T. Il est important de mentionner que pour les différentes études paramétriques réalisées, la topologie globale de l’anneau de garde, c’est-à-dire sa forme géométrique globale qui est un anneau tubulaire de forme circulaire, est conservée et que seuls les paramètres R,detH sont modifiés. Ce choix conservateur est basé sur l’étude paramétrique présentée par [18] pour laquelle différentes formes de tubes constituant l’anneau ont été étudiés et les résultats obtenus ont montrés qu’un tube de forme circulaire permettait d’obtenir la meilleure répartition du potentiel le long de l’isolateur.Pour chacune des variations des trois paramètres étudiés i?, d et H de l’anneau de garde, les distributions du potentiel, du champ électrique ainsi que la chute de tension le long des différents intervalles d’air formés par les glaçons sont déterminées et la configuration optimale de l’anneau de garde est retenue en vue de produire une distribution du potentiel la plus uniforme possible le long de la colonne isolante. La seconde partie de cette étude paramétrique reprend la même démarche que l’étude paramétrique précédente mais en prenant en compte la présence de deux puis trois anneaux de garde. Les études paramétriques sont conduites après validation de la ou des configurations initiales retenues parmi les suivantes : • Un anneau de garde sur l’électrode H.T. et un sur l’électrode flottante (électrode du milieu), • Un anneau de garde sur l’électrode H.T. et un sur l’électrode mise à la terre, • Un anneau de garde sur l’électrode flottante (électrode du milieu) et un sur la mise à la terre, • Un anneau de garde sur chaque électrode métallique. L’étude paramétrique proposée est réalisée avec les mêmes outils utilisés à l’étape précédente, à savoir COMSOL Multyphysics© et Matlab.
Analyse des résultats et proposition de solutions d’amélioration
Cette dernière étape présente une analyse des différents résultats issus des études expérimentales et numériques réalisées aux étapes précédentes dans le but de proposer des solutions permettant d’améliorer la performance des colonnes isolantes sous conditions de glace sévère par l’ajout d’anneaux de garde. Pour ce faire, une étude conjointe numérique et expérimentale a été réalisée dans le but de proposer une solution efficace et innovante.
Originalité de la recherche
Au meilleur de nos connaissances, il existe actuellement aucune étude dédiée exclusivement au comportement électrique sous conditions de glace sévère des isolateurs de poste standard équipés d’anneaux de garde. Cela est un manque important dans le domaine de la fîabilisation des réseaux électriques puisqu’un grand nombre d’isolateurs de poste, qui sont les plus susceptibles d’être responsable de contournement électrique sous glace, en sont équipés. Les interruptions de service inhérentes aux contournements sous glace des ces derniers sont d’autant plus graves qu’elles surviennent à des moments où l’approvisionnement continu en énergie électrique est essentielle au bien être des citoyens canadiens. Les récentes tempêtes de verglas ont clairement démontré que les accumulations de glace demeurent un élément essentiel dans la conception des équipements d’isolation afin d’assurer la fiabilité des réseaux aériens de distribution et de transmission de l’énergie électrique. De ce fait, le projet de recherche proposé est une contribution importante à la
conception et l’utilisation des anneaux de garde sur les lignes T.H.T en service dans les régions froides. L’expertise qui sera développée dans ce projet pourra ainsi être transférée à l’industrie canadienne de l’électricité, lui permettant de diversifier ses choix sur une base solide et scientifique afin de soutenir de manière innovatrice la qualité de la distribution d’électricité aux utilisateurs. De plus, ces résultats permettront de fournir des pistes de solution et recommandations quant à la mise en place d’un projet de recherche plus important sur l’optimisation des anneaux de garde en région froides employés non seulement sur les isolateurs de postes mais, à plus grand échelle, sur les différents isolateurs de lignes qui en sont équipés. Une approche similaire d’optimisation pourra aussi être appliquée aux cornes de garde qui peuvent être utilisées sur les lignes moyenne et haute
tension.
Structure du mémoire
Le présent mémoire de maîtrise est organisé en sept chapitres qui se présentent comme suit : Le premier chapitre est une introduction du travail de .recherche. Il explique la problématique, les objectifs, la méthodologie adoptée et l’originalité de cette étude. Le deuxième chapitre présente la revue de littérature pertinente en lien direct avec la présente recherche. Un intérêt particulier a été porté sur le processus de formation de la glace sur les isolateurs ainsi que les différents paramètres influençant le processus de contournement sous glace de ces derniers. De même, une revue détaillée des études relatives à l’utilisation et l’optimisation des anneaux de garde est présentée avec une majorité dédiée aux isolateurs composite de ligne.
Les équipements du laboratoire de la CIGELE, les procédures expérimentales employées dans cette recherche, les types d’isolateurs utilisés et le système d’acquisition, ainsi que les résultats des tests de contoumement de l’isolateur de poste sans anneau de garde sont exposés au troisième chapitre. Quant au quatrième chapitre, nous effectuons une comparaison de la distribution du potentiel et du champ électrique obtenue dans les premiers instants de la période d’accumulation de glace pour une colonne isolante avec et sans anneaux de garde. Le cinquième chapitre présente les résultats relatifs à l’optimisation de l’utilisation de l’anneau de garde sur l’électrode H.T. sous des conditions de glace à l’aide d’un alogorithme développé à cet effet. De plus, nous exposons la validation expérimentale des tests de contoumement de la colone isolante recouverte de glace équipée d’un anneau de garde.
Par la suite, le sixième chapitre et consacré à la proposition des solutions pour l’amélioration de l’utilisation des anneaux de garde sous conditions de glace. Les configurations proposées sont validées expérimentatlement par des tests réalisés au laboratoire de la CIGELE et via une modélisation numérique. Enfin, le septième chapitre présente les conclusions générales ainsi que des recommandations pour les travaux futurs.
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Table des matières
RÉSUMÉ II
ABSTRACT . Ill
REMERCIEMENTS IV
TABLES DES MATIERES V
LISTE DES ABREVIATIONS ET DES SYMBOLES VII
LISTE DES FIGURES VIII
LISTE DES TABLEAUX XII
CHAPITRE : 1 INTRODUCTION
1.1. .Problématique
1.2. .Objectifs et méthodologie de la recherche
1.2.1. Objectifs
1.2.2. Méthodologie
1.2.2.1. Détermination de la tension de tenue maximale sous condition de glace sévère isolante standard équipée d’un anneau de garde standard
1.2.2.2. Calcul des distributions du potentiel et du champ électrique avec un anneau de garde
1.2.2.3. Études paramétriques relatives à l’utilisation des anneaux de garde
1.2.2.4. Analyse des résultats et proposition de solutions d’amélioration
1.3.. Originalité de la recherche
1.4. .Structure du mémoire
CHAPITRE 2: REVUE DE LITTÉRATURE
2.1.. Processus de formation des dépôts de glace sur les isolateurs de poste
2.2.. Influence des intervalles d’air sur la tenue diélectrique des isolateurs de poste standard
2.3.. Définition et utilisation des anneaux de garde pour les isolateurs
2.3.1. Présentation générale des anneaux de garde
2.3.2. Fonctionnalité des anneaux de garde
2.4.. Utilisation des anneaux de garde sous différentes conditions atmosphériques
2.5.. Optimisation des anneaux de garde
2.6. .Conclusion
CHAPITRE 3 : PROCÉDURES ET TESTS EXPÉRIMENTAUX
3.1. .Équipements
3.1.1. Isolateur testé
3.1.2. Anneau de garde
3.1.3. Chambre climatique
3.1.4. Générateur de gouttelettes d’eau
3.1.5. Système de refroidissement
3.1.6. Système haute tension
3.1.7. Système d’acquisition de données
3.2.. Protocole de test
3.2.1. Séquence d’accumulation
3.2.2. Séquence de refroidissement
3.2.3. Séquence de fonte
3.2.4. Séquence d’évaluation
CHAPITRE 4 : ÉTUDE NUMÉRIQUE DE L’INFLUENCE DU NOMBRE D’ANNEAUX DE
GARDE SUR LES DISTRIBUTIONS DU POTENTIEL ET DU CHAMP ÉLECTRIQUE D’UNE COLONNE ISOLANTE EN DÉBUT DE PÉRIODE D’ACCUMULATION .
4.1.. Modélisation du début de la période d’accumulation
4.2.. Étude avec un anneau de garde sur l’électrode H.T
4.3.. Étude avec deux anneaux de garde
4.4.. Étude avec trois anneaux de garde
4.5.. Discussion des résultats
CHAPITRE 5 : ÉTUDE PARAMÉTRIQUE ET ESSAIS EXPÉRIMENTAUX AVEC UN ANNEAU
DE GARDE SUR L’ÉLECTRODE H.T
5.1.. Présentation de l’algorithme développé
5.2.. Application à un anneau de garde sur l’électrode H.T
5.3.. Comparaison des résultats numériques avec et sans glaçons
5.4. .Validation expérimentale avec un anneau de garde standard
5.5.. Discussion des résultats
CHAPITRE 6 : PROPOSITIONS DE MODIFCATION ET D’UTILISATION DES ANNEAUX DE
GARDE SOUS CONDITIONS DE GLACE SÉVÈRE
6.1. .Solution avec un seul anneau de garde modifié
6.2. .Amélioration avec deux anneaux de garde modifiés
6.1.. Discussion des résultats obtenus
CHAPITRE 7 : CONCLUSIONS GÉNÉRALES ET RECOMMANDATIONS SUR LES TRAVAUX À
VENIR
7.1. .Conclusions
7.2. .Recommandations
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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