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Ice shedding from cables and conductors : a cracking model of atmospheric ice = Délestage de glace des câbles et des conducteurs : un modèle de rupture fragile de la glace atmosphérique

Kermani Koosheh Majid. (2007). Ice shedding from cables and conductors : a cracking model of atmospheric ice = Délestage de glace des câbles et des conducteurs : un modèle de rupture fragile de la glace atmosphérique. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Le givrage atmosphérique est à la source de sérieux problèmes d'origine électrique et mécanique sur les réseaux de transport et de distribution de l'énergie électrique. Le délestage naturel de glace de câbles et conducteurs, une conséquence du givrage atmosphérique, est à la source de nombreux problèmes, d'où la nécessité de l'étude de la rupture fragile de la glace atmosphérique. Des pannes majeures sur les réseaux électriques pendant les tempêtes de verglas seraient évitables par l'amélioration des méthodes de déglaçage et de prévention du givrage. Pour ce faire, il est nécessaire d'approfondir nos connaissances sur les propriétés mécaniques de la glace atmosphérique.

Les objectifs de cette recherche, dans le cadre de la problématique générale du délestage de glace, sont l'étude et l'estimation des contraintes s'appliquant à la glace atmosphérique accumulée sur un câble, la mesure des de ses propriétés mécaniques et le développement d'un modèle de rupture fragile de la glace atmosphérique.

Les forces exercées par le vent et la charge de glace sont les facteurs les plus importants dans le délestage. La force du vent crée trois types d'oscillation sur les lignes de transport d'énergie : galop (haute amplitude, basse fréquence), vibration éolienne (basse amplitude, haute fréquence) et oscillation de sillage (wake-induced oscillation). Le changement des caractéristiques aérodynamiques du câble cause des oscillations de grande amplitude (galop). Au cours de la vibration éoîienne, l'alternance de vortex causés par le vent sur le câble est la cause de cette vibration. L'oscillation de sillage se produit dans les conjoncteurs empaquetés et à une amplitude moyenne. La charge de la glace peut causer sa fissuration ou accélérer sa rupture en augmentant l'inertie de masse. Quelques facteurs indirects fournissent des conditions appropriées pour la rupture de la glace par réduction de force ou élimination de l'adhérence au câble.

Afin d'estimer les contraintes développées dans la glace accumulée sur un câble pendant le galop ou la vibration éolienne, deux modèles d'éléments finis ont été développés. La vibration éolienne et celle du galop sur un câble recouvert de glace ont été simulées pour déterminer les données de déplacement et de charge, qui servent d'intrants pour ces modèles. Les équations de mouvement du câble ont été appliquées à un câble recouvert de glace et résolues avec MATLAB pour obtenir des séries temporelles des mouvements du câble, des forces aérodynamiques, de la tension horizontale additionnelle agissant sur le câble pendant la vibration et le moment causé par le retour élastique. Le modèle ABAQUS a indiqué que, au cours du galop, les contraintes les plus élevées dans le sens du diamètre vertical de la glace sont atteintes lorsque le point médian du câble se situe aux positions les plus élevées et les plus basses de sa trajectoire.

Pour étudier la morphologie des grains et des bulles d'air de la glace atmosphérique, la glace a été accumulée sur un cylindre rotatif dans la soufflerie réfrigérée du CIGELE. Pour l'accumulation de la glace atmosphérique, on a utilisé une teneur en eau liquide de 2,5 g/m 3, une vitesse du vent de 10 m/s, de même que trois températures d'accumulation de -6 °C, - 10 °C et -20 °C, L'étude de minces sections de glace atmosphérique a indiqué que la taille des grains de glace diminue avec la température d'accumulation de la glace. La taille moyenne des grains de glace atmosphérique est approximativement de 1.5 mm, 0.5 mm et de 0.4 mm pour la glace accumulée à -6 °C, -10 °C et -20 °C, respectivement. Pour des épaisseurs de glace plus grandes que 2 mm, les grains sont allongés et perpendiculaires à l'axe du cylindre, pour la glace accumulée à -10 °C et -6 °C. Les expériences sur les effets du champ électrique à haute tension sur la glace atmosphérique confirment que la présence d'un champ électrique à haute tension affecte la structure, la densité et la quantité de la glace accumulée sur les conducteurs.

La résistance à la compression de la glace atmosphérique augmente avec la diminution de la température d'essai. En outre, on a constaté que la résistance de la glace augmente avec l'augmentation du taux de déformation jusqu'à une valeur de 10 "3 s ~l, et puis diminue à des taux plus élevés de contrainte. La résistance à la compression de la glace atmosphérique augmente également avec la décroissance de la température d'accumulation. À des taux plus élevés de contrainte, cependant, dû à l'activation des fissures, la résistance à la compression de la glace accumulée à -20 °C est moindre que celle accumulée à -10 °C. Les résultats de la résistance à la flexion de la glace atmosphérique indiquent qu'aux taux inférieurs de contrainte, la résistance à la flexion de la glace augmente avec le décroissetnent de la température, mais qu'aucun effet de la température n'est observé aux taux plus élevés de contrainte. Dépendamment de la température, augmenter le taux de contrainte peut augmenter ou diminuer la résistance à la flexion de la glace atmosphérique. La résistance à la flexion de la glace atmosphérique accumulée à -10 °C s'est avérée plus élevée que celle des deux autres types de glace atmosphérique à cause de sa structure plus forte, de la plus petite taille de ses grains et de son manque relatif de cavités. Le module effectif de la glace atmosphérique s'est avéré augmenter avec l'augmentation des taux de déformation. Les résultats des essais de résistance à la rupture de la glace atmosphérique prouvent qu'elle diminue au fur et à mesure que la température de l'accumulation de glace décroît.

Pour l'étude du comportement de rupture fragile de la glace atmosphérique, un modèle ABAQUS a été développé pour analyser la progression d'une fissure quasi statique d'une poutre bidimensionnelle à trois-points. Des surfaces potentielles de fissuration ont été modelées en tant que surfaces de contact maîtresses et assujetties. On a assumé que les surfaces prédéterminées de fissuration sont partiellement collées au départ de sorte que les extrémités des cassures puissent être identifiées explicitement par ABAQUS/Standard.

Pour la modélisation du comportement de fissuration de la glace atmosphérique, le taux de contrainte a été décomposé en deux parties : taux de contrainte élastique et de fissuration. La contrainte élastique récupérable est associée à la déformation de treillis et liée à l'effort appliqué correspondant selon la loi de Hooke. La relation entre les contraintes locales et les contraintes de fissuration aux interfaces de fissures a été définie par une matrice de fissurations diagonale qui dépend de l'état des fissures existantes. Un critère de Rankine a été utilisé pour détecter le déclenchement des fissures. Les composantes de la matrice de fissurations diagonale ont été déterminées expérimentalement en tenant compte des propriétés mécaniques du matériel.

Un modèle tridimensionnel a été développé en utilisant ABAQUS pour étudier le comportement fragile et la fissuration de la glace atmosphérique. La force calculée par le modèle d'ABAQUS pour la rupture de la poutre est en écart de 2% par rapport à la valeur moyenne de la force de rupture observée en laboratoire. Toutefois, la deflection de la poutre à la rapture montre l'erreur de 19% par rapport à la glace testée. L'erreur est attribuée à l'inexactitude de la mesure du débattement du faisceau, aux différences entre les dimensions du faisceau et le module de Young des échantillons de glace et les valeurs correspondantes dans le modèle d'ABAQUS, et au manque d1 analyse de plasticité dans le modèle.

Un autre modèle basé sur ABAQUS a été développé pour simuler la fissuration fragile de la glace atmosphérique sur un câble. Les résultats montrent une erreur de 14% et de 47% dans la prévision de la force de rupture et de la deflection à la rupture, respectivement. A part les causes des erreurs mentionnées pour le modèle de trois-points, la différence entre la rigidité flexural du câble et le cylindre, la différence entre la forme de glace dans le modèle et les essais expérimentaux, et l'inégalité de la surface de la glace sont quelques sources des erreurs.

La rupture des poutres de glace lors des essais à trois-points a été étudiée en utilisant une caméra vidéo à haute vitesse. L'initiation, la propagation des fissures et la rupture mécanique de la glace atmosphérique ont été étudiées avec trois vitesses différentes de formation d'images (20000 IPS, 75000 IPS et 150000 IPS). Les vitesses maximales pour ces essais étaient de 360, 750 et 1275 m/s et les vitesses moyennes de fissuration était de 253, 427 et 563 m/s.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2007
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:224
ISBN:9781412314640
Identifiant unique:10.1522/030012625
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie électrique et génie électronique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Farzaneh, Masoud
Gagnon, Robert
Mots-clés:Mécanique des glaces, Lignes électriques--Givrage--Prévention, Glace--Fissuration--Modèles mathématiques, Ice mechanics, Electric lines--Ice prevention, Ice--Cracking--Modèles mathématiques, THESE, VIBRATION, GALOP, EOLIEN, GLACE, ATMOSPHERIQUE, DELESTAGE, CABLE, CONDUCTEUR, ELECTRIQUE, LIGNE, GIVRAGE, RUPTURE, FRAGILE, MODELE, MODELISATION, MATHEMATIQUE, PROPRIETE, MECANIQUE
Déposé le:01 janv. 2007 12:34
Dernière modification:03 mai 2013 00:42
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