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Design of booster shed parameters for improving the electrical performance of post insulators under icing conditions

Ale-Emran Sayyed Mahdi. (2013). Design of booster shed parameters for improving the electrical performance of post insulators under icing conditions. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

The optimized design of outdoor insulators that consider heavy icing and pollution conditions is a significant concern for the reliability of power networks. Based on field observations, the probability of flashover of EHV post insulators is higher than line insulators under the same heavy icing conditions. The flashover along the insulators is caused mainly by the presence of a water film on the ice surfaces (melting period) and partial arcs in ice-free zones (air gaps).

One of the mitigation options is the use of booster sheds (BSs) to create air gaps along the iced insulator. A booster shed (BS) is a flexible c-shape device made of highquality insulating materials. Since BSs are easy to use, they seem to be simpler alternatives to upgrading insulators to those designed for cold climate regions. Despite the promising results of BS applications, still an important work must be achieved to propose optimized design of BS configurations.

This project aims to provide a generic design approach to the use of BSs by optimizing their main parameters (number, diameter, inclination angle, position, and permittivity) on post insulators under heavy icing conditions. This approach is based on analyzing previous BS tests in CEGELE, an improved hypothesis of BS effects, numerical analysis using commercial software (e.g. Comsol Multiphysics?, Matlab, and Minitab), geometric modeling of ice-covered post insulator with BSs, and finally experimental validation tests.

The improved hypothesis states that the major effect of BSs is the creation of air gaps and their minor effect is the increase in dry arcing distance. Moreover, among total length of the air gaps, dry arcing distance, and total ice-free leakage distance (IFLDtot), the IFLDtot is a good indicator to quantify the BS effects on standard post insulators. Simulation analyses of BS configurations during the melting period demonstrate that the optimized relative permittivity of BS is an arbitrary value in its feasible variation range (2-15). The proper positions of BSs close to the HV electrode should be determined based on the probability of electrical breakdown. In contrast, the positions close to the ground electrode are determined based on ice-bridging effect. The geometric model and Taguchi method analysis show that the optimized value of BS inclination angle is equal to the upper shed angle of the insulator. Also, it indicates that generally the maximum feasible values for diameter and number of BSs are the best options. The feasibility in this regard, depends mainly on the minimum required distances between BSs as well as the mechanical forces of heavy ice and strong wind that may deform BSs. PVC sheet was deemed an effective solution for fabricating BS prototypes to perform the final validation tests. The experimental tests completely confirmed the improved hypothesis, the effectiveness of the geometric model, and the simulation analysis.

La conception optimisée des isolateurs externes sous des conditions sévères de givrage et de pollution est une préoccupation importante, surtout pour la fiabilité des réseaux électriques dans les régions au climat froid. Basée sur la pratique des transporteurs d'énergie électriques, la probabilité de contournement des isolateurs de poste THT est plus élevée que celle des isolateurs de ligne dans les mêmes conditions de givrage. Le contournement le long des isolateurs est essentiellement dû à la présence d'un film d'eau sur les surfaces de glace (période de fonte) et d'arcs partiels le long de zones sans glace (intervalles d'air).

L'une des alternatives pour diminuer la probabilité de contournement des isolateurs recouverts de glace est l'utilisation des jupes auxiliaires (JAs), ce qui permet de créer de plus grands intervalles d'air le long des isolateurs. Une jupe auxiliaire (JA) est un dispositif en forme de C flexible fabriqué à partir de bons isolants. En plus d'être faciles à utiliser, les JAs semblent être une alternative relativement simple, puisqu'elles permettent d'éviter de concevoir des isolateurs spéciaux pour les régions froides. Même si les résultats des applications de JA sont prometteurs, il y a encore un important travail à faire pour proposer une conception optimisée de leur configuration.

Ce projet vise à optimiser les paramètres principaux ( nombre, diamètre, l'angle d'inclinaison, la position et la permittivité) des jupes auxiliaires pour fin de leur utilisation sur les isolateurs de poste sous des conditions sévères de givrage. Cette approche est basée sur plusieurs éléments tels que l'analyse des tests précédents des JAs à la CEGELE, une hypothèse améliorée des effets des JAs, des analyses numériques utilisant des logiciels commerciaux tels que Comsol, MATLAB, et Minitab, ainsi que la modélisation géométrique de l'isolateur glacé avec JAs et sur des tests de validation expérimentaux.

Selon l'hypothèse améliorée, l'effet majeur de JAs est la création d'intervalles d'air et leur effet mineur est l'augmentation de la distance de l'arc. De plus, parmi la longueur totale des intervalles d'air, la distance d'arc et la distance totale de fuite dans les intervalles libres de glace (IFLDtot), le IFLDtot est un bon indicateur pour quantifier les effets des JAs sur des isolateurs de poste standard. Les analyses de simulation de configurations des JAs en période de fonte montrent que la permittivité relative optimisée d'une JA est une valeur arbitraire dans sa gamme de variation possible (2-15). Les positions appropriées des JAs proches de l'électrode de haute tension devraient être déterminées à partir de la probabilité de décharge électrique. Par ailleurs, les positions proches de l'électrode reliée à la masse sont déterminées à partir de l'effet de pontage de la glace. Le modèle géométrique et la méthode Taguchi montrent que la valeur optimale de l'angle d'inclinaison des JAs est égale à l'angle de la jupe supérieure de l'isolateur. Ceci indique aussi que les valeurs réalisables maximales pour le diamètre et le nombre de JAs sont généralement les meilleures options. La faisabilité à cet égard, dépend principalement des distances minimales requises entre les JAs, ainsi que des forces mécaniques de la glace et du vent qui peut déformer les JAs. La feuille de PVC a été considérée comme une solution efficace pour fabriquer des prototypes de JA afin d'effectuer les tests de validation finale. Il s'est avéré que les tests ont complètement confirmé l'hypothèse améliorée, l'efficacité du modèle géométrique et les analyses de simulation.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2013
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:160
ISBN:9781412319966
Identifiant unique:10.1522/030610012
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie électrique et génie électronique
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Mots-clés:Isolateurs électriques, Glace--Prévention, Givrage, Tension électrique--Modèles mathématiques, Électricité--Transport--Modèles mathématiques, Electric insulators and insulation, Ice prevention and control, Electromotive force--Mathematical models, Icing (Meteorology), Electric power transmission--Icing (Meteorology)
Déposé le:11 mars 2014 09:33
Dernière modification:11 mars 2014 13:33
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