PROPRIÉTÉS ÉLECTRIQUES DE LA GLACE

PROPRIÉTÉS ÉLECTRIQUES DE LA GLACE

REVUE DE LITERATURE

Les phénomènes de contoumement électrique des isolateurs haute tension recouverts de glace ont été rapportés dans plusieurs régions nordiques à travers le monde [Chisholm W.A. et al., 1996] [Farzaneh M, Melo, O.T., 1993] [Kannus K. et al., 1998] [Zheng B., 2008] [Frazaneh M., 2008] [Farzaneh M. et Chisholm W.A., 2009]. Généralement, les accumulations de glace le long des isolateurs ne sont pas uniformes, avec la présence d’intervalles d’air. Ces intervalles d’air sont le siège de la formation et du développement d’arcs partiels qui peuvent conduire, sous certaines conditions, au contoumement électrique. Afin de mieux comprendre les phénomènes de contoumement, un nombre important d’études a été réalisé à partir de l’observation en temps réel du courant de fuite circulant à la surface d’isolateurs pollués et, plus récemment, d’isolateurs recouverts de glace en vue de déterminer leur performance diélectrique et de prédire leur contoumement électrique [Meghnefi F. et al, 2005]. Cependant, ces études se sont limitées à l’évolution des paramètres temporels (enveloppe, déphasage, impédance) ou fréquentiels (harmoniques) constituants le courant de fuite. Au regard des études antérieures et au meilleur de nos connaissances, peu de recherches ont été effectuées en vue d’observer les phénomènes électriques à la surface d’une couche de glace en présence d’un arc électrique partiel. Dans un tel contexte, ce chapitre fera l’état de la littérature scientifique liée au présent sujet de recherche en commençant par la formation de la glace artificielle en laboratoire. La synthèse bibliographique se poursuivra par un rappel des caractéristiques électriques de la glace, sans oublier les caractéristiques électriques du film d’eau présent à sa surface. Nous présenterons également des phénomènes de développement d’arc sur une surface jusqu’au contournement électrique de celle-ci. Enfin, une synthèse des recherches portant sur l’élaboration d’outils d’analyse des phénomènes électriques sur une surface de glace (ou de pollution) au pied d’un arc électrique sera présentée.

Formation de la glace

Dépendamment des conditions atmosphériques et environnementales, différents types de glace peuvent être formés, dont les principaux sont : le givre léger, le givre lourd, et le verglas. Les caractéristiques principales des différents types de glace sont résumées dans le Le givre léger ressemble à une fine neige granulaire blanchâtre et moelleuse. Le givre lourd, contenant moins d’air entre ses cristaux, est plus lourd et dur. Le verglas, le plus dangereux des dépôts de glace tant du point de vue mécanique qu’électrique, est une glace transparente et dense. Le verglas peut se former pendant une pluie verglaçante, à partir de neige fondue ou de l’eau de fonte d’un dépôt de neige accumulé, etc. [Farzaneh M., 2008]. La grosseur des gouttelettes d’eau constitue un des paramètres principaux qui défini le type de glace [Farzaneh M., Drapeau J.F., 1995] [Farzaneh et Kiemicki, 1995] [Farzaneh M., 2008]. En effet, plus les gouttelettes ont un diamètre important, plus leur chaleur latente prend du temps à s’échapper. Si une gouttelette d’eau a le temps de geler avant l’arrivée de la prochaine, on dit que le dépôt de glace se forme en régime sec ; c’est du givre. Si une gouttelette n’a pas le temps de geler complètement avant l’arrivée de la suivante, on parle de régime humide ; c’est du verglas. Le régime humide est caractérisé par la présence d’un film d’eau continuellement présent à la surface du dépôt de glace. Son écoulement le long d’un isolateur donne naissance à la formation de glaçons entre les jupes de l’isolateur.
Bien que l’étude du givrage sur des sites naturels soit préférable, les recherches scientifiques uniquement basées sur de telles observations seraient beaucoup trop longues et onéreuses à poursuivre, car les observations ne pourraient s’effectuer qu’en période hivernale. Une méthodologie expérimentale pour étudier le comportement de la glace a été développée [Farzaneh M. et Melo, O.T., 1993] [Farzaneh M. et Kiemicki J., 1997-1,1997- 2]. Elle comprend les trois phases suivantes: 0 Phase d’accumulation : croissance rapide du volume du dépôt de glace. 0 Phase d’endurance : période où le volume du dépôt de glace croît ou décroît lentement. 0 Phase de délestage : période où le volume du dépôt de glace décroît rapidement, soit par bris mécanique, soit par fonte. Les processus peuvent s’alterner. Il se peut que la phase d’endurance soit suivie d’une autre période de croissance rapide de la glace. Un autre exemple serait une phase de délestage après une forte accumulation et des décharges électriques, sans phase d’endurance. En outre, le type et la densité de la glace accumulée ainsi que sa quantité dépendent également des paramètres électriques qui interviennent [Farzaneh M. et Laforte J.-L., 1991]. En somme, la formation de la glace en laboratoire requiert une régulation adéquate de certains paramètres. Pendant que les températures sont atteintes grâce aux salles climatiques (isolées et munies d’un système de refroidissement), les précipitations sont générées par un système d’arrosage. Selon les objectifs de recherche, l’isolateur peut être mis sous tension pendant les périodes d’accumulation. La salle climatique est premièrement préparée à la température et à la vélocité du vent désiré. Lorsque les conditions initiales sont satisfaites, l’isolateur est mis sous tension et les gicleurs commencent l’arrosage au débit requis suivant un balayage de haut en bas et de bas en haut. La phase d’accumulation progresse ainsi jusqu’à ce que la glace soit assez épaisse. L’isolateur est ensuite mis hors tension en attendant que la température remonte au point de congélation.
Lorsque la température monte au-dessus du point de congélation, une mince couche d’eau, le film d’eau, se forme à la surface du dépôt de glace. Il est important de distinguer le film d’eau de la couche quasi liquide, et ce, même si la couche quasi liquide et le film d’eau sont situés à la surface de la glace. La couche quasi liquide existe sous le point de congélation et le film d’eau existe au-dessus du point de congélation. Le film d’eau provient vraiment d’une fonte de la glace. Bien sûr, il existe d’autres phénomènes climatiques, souvent combinés, qui conduisent à la formation d’un film d’eau : 0 Un régime d’accumulation humide 0 Une fonte de la glace par la présence de rayonnement solaire 0 Une condensation de l’humidité ambiante à la surface de la glace 0 Un arc électrique partiel ou des décharges de couronne 0 Un courant de fuite Que ce soit pour une colonne isolante ou pour une chaîne d’isolateurs suspendus, les glaçons formés autour des jupes d’une chaîne d’isolateurs ne peuvent ponter l’intervalle d’air entre la dernière jupe et l’électrode haute tension si la structure isolante est énergisée. Cela est dû au fait que la région autour des électrodes sera soumise à une forte activité électrique due au champ électrique intense dans cette zone, ce qui fait fondre la glace [Kannus K. et Lahti K., 2007]. Par contre, rien n’empêche la formation de glaçons entre la dernière unité d’isolation et la borne de haute tension si elle n’est pas énergisée. Il est plus dangereux de mettre une ligne, qui a subi un régime d’accumulation de glace, sous tension que de glacer une ligne déjà sous tension [Kannus et Lahti K., 2007].

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Table des matières

RÉSUMÉ
ABSTRACT
AVANT-PROPOS
TABLE DES MATIÈRES
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES SCRIPTS
CHAPITRE I INTRODUCTION
1.1 PROBLÉMATIQUE
1.2 OBJECTIFS DE RECHERCHE
1.3 STRUCTURE DU MÉMOIRE
1.4 ORIGINALITÉ DE LA RECHERCHE
CHAPITRE II REVUE DE LITTÉRATURE
II.IFORMATIONDELAGLACE
II.2PROPRIÉTÉS ÉLECTRIQUES DE LA GLACE
II.3PROCESSUS DE PROPAGATION D’UN ARC ÉLECTRIQUE SUR UNE SURFACE DIÉLECTRIQUE
II.4OUTILS D’ANALYSE DES PHÉNOMÈNES ÉLECTRIQUES SUR UNE COUCHE CONDUCTRICE
CHAPITRE III DÉVELOPPEMENT D’UN OUTIL D’ANALYSE NUMÉRIQUE
III.lMlSE EN ÉQUATIONS
III.2MÉTHODE DES ÉLÉMENTS FINIS (MEF)
CHAPITRE IV MÉTHODOLOGIE EXPÉRIMENTALE
IV.l MODÈLE SIMPLIFIÉ D’ISOLATEUR RECOUVERT DE GLACE
IV.2 DÉVELOPPEMENT D’UN OUTIL DE MESURE
IV.3 QUALITÉ MÉTROLOGIQUE ET VALIDATION DE L’OUTIL DE MESURE
IV.4 PROCÉDURE EXPÉRIMENTALE
CHAPITRE V RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX
V.l PRÉSENTATION DES MESURES ET DE LEUR INTERPRÉTATION
V.2 DISCUSSION DES RÉSULTATS
CHAPITRE VI CONCLUSION
VI.l OUTIL D’ANALYSE NUMÉRIQUE
VI.2 SYSTÈME MULTiMESURES
1.1 RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX
VI.3 RECOMMANDATIONS
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXE MANUEL DU PROGRAMMEUR