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Modélisation physique et numérique par la méthode des éléments finis de frontière de la distribution du potentiel et du champ électrique le long d'un isolateur standard de poste 735 KV recouvert de glace

Volat Christophe. (2002). Modélisation physique et numérique par la méthode des éléments finis de frontière de la distribution du potentiel et du champ électrique le long d'un isolateur standard de poste 735 KV recouvert de glace. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

L'objectif principal de cette recherche était de calculer les distributions du potentiel et du champ électrique le long d'un isolateur de poste standard recouvert de glace accumulée en régime humide. En particulier, cette recherche visait à accroître les connaissances sur les phénomènes précédant les contournements électriques des isolateurs de poste qui se produisent généralement en période de fonte. Comme il était très difficile de mesurer de façon précise la distribution du potentiel et surtout du champ électrique le long d'un isolateur de poste glacé, l'utilisation d'une méthode numérique par l'intermédiaire d'un logiciel commercial s'est avérée être une des meilleures solutions compte tenu de la difficulté des mesures. À cet effet, la Méthode des Éléments Finis de Frontière était la mieux adaptée aux contraintes imposées par le problème. De plus, cette méthode numérique avait été appliquée avec succès dans le calcul du potentiel et du champ électrique autour des isolateurs pollués dont le comportement électrique est semblable de celui des isolateurs recouverts de glace. Par conséquent, des simulations numériques ont été entreprises en 2-D et 3-D.

Les simulations 2-D ont servi principalement de base et de soutien aux simulations tridimensionnelles puisqu'il a fallu commencer par une modélisation simple de l'isolateur de poste recouvert de glace compte tenu du fait qu'il n'existait pas, à notre connaissance, d'études numériques portant sur le sujet de cette recherche. La modélisation 2-D de l'isolateur recouvert de glace s'est faite suivant le plan de symétrie séparant l'isolateur et le dépôt de glace en deux parties égales puisqu'il a été supposé que la glace s'accumulait sur la moitié de l'isolateur. Ainsi, les simulations 2-D ont permis de mettre en évidence l'influence d'un film d'eau conducteur et de sa conductivité, l'influence de la position d'un intervalle d'air le long de l'isolateur, l'influence de la longueur de l'intervalle d'air et la présence d'un arc électrique partiel le long d'un intervalle d'air sur les distributions du potentiel et du champ électrique le long d'un isolateur de poste recouvert de glace. Cependant, la comparaison des résultats numériques aux résultats expérimentaux a démontré que la modélisation 2-D n'était pas tout à fait adaptée à la géométrie de l'isolateur puisque l'erreur relative moyenne était d'environ 22,5 %, d'où la nécessité d'effectuer les simulations en 3-D afin d'améliorer la précision des résultats.

Pour les simulations 3-D et pour des fins de simplification, il a été supposé que la glace s'était accumulée sur la totalité de l'isolateur, c'est-à-dire sur 360°. Cette considération faite, la modélisation d'une portion de 15° de l'isolateur de poste recouvert de glace a suffi à simuler le comportement général de ce dernier. La comparaison des résultats numériques aux résultats expérimentaux ont permis de démontrer la validité du modèle tridimensionnel. Ainsi, une erreur relative moyenne entre les résultats expérimentaux et numériques de 2,6 % a été obtenue démontrant ainsi la fiabilité et la pertinence de la M.E.F.F dans la prédiction de la distribution du potentiel et du champ électrique le long d'une géométrie aussi compliquée qu'est un isolateur de poste recouvert de glace. Les simulations 3-D pour une période d'accumulation et pour deux périodes de fonte ont été réalisées d'après les observations expérimentales réalisées en chambre climatique et à partir desquelles les différents modèles ont été élaborés. De plus, l'étude de l'influence des intervalles d'air ainsi que la présence d'un arc électrique partiel sur la distribution du potentiel et du champ électrique a été entreprise.

Les simulations d'une période d'accumulation ont permis de démontrer que la position des intervalles d'air était principalement déterminée par la distribution du potentiel et du champ électrique le long de l'isolateur de poste propre. En effet, pour l'isolateur propre, une chute de tension importante a été observée le long des trois premières jupes situées près de l'électrode H.T, c'est-à-dire exactement à l'endroit précis où se sont formés les intervalles d'air. De plus, ces simulations ont permis de mettre en évidence l'influence du film d'eau ainsi que la quantité en eau servant à l'accumulation qui est principalement responsable de la création de l'intervalle d'air situé entre la dernière jupe et l'électrode à la terre.

En période de fonte, la présence d'un film d'eau très conducteur à la surface du dépôt de glace entraîne une forte chute de tension le long des différents intervalles d'air. Pour de fortes conductivités du film d'eau, environ 96 % de la tension appliquée se retrouve aux bornes des différents intervalles d'air et ce, indépendamment de leur nombre et de leur longueur. Cependant, plus la longueur est importante, plus le champ électrique moyen le long des intervalles d'air, Egm, diminue. Lorsque la chute de parties de glace survient, cela modifie considérablement les distributions du potentiel et du champ électrique le long de l'isolateur glacé. En comparant les deux périodes de fonte simulées, on a pu observer que le nombre d'intervalles d'air présents après la chute de glace avait un rôle important dans le processus de redistribution de la tension appliquée le long des intervalles d'air, pouvant ainsi inhiber ou provoquer le contournement de l'isolateur. Cette remarque est aussi valide dans le cas où un arc électrique partiel est présent le long d'un des intervalles d'air. Pour un dépôt de glace présentant deux intervalles d'air situés respectivement près des électrodes, la position d'un troisième intervalle d'air intercalé entre ces deux derniers n'a pas d'influence sur le champ électrique moyen Egm. C'est uniquement la chute de tension le long de chaque intervalle d'air qui se modifie en fonction de la position du troisième intervalle d'air. De plus, il a été démontré que pour une même distance d'arc répartie sur un, deux et trois intervalles d'air, le champ électrique moyen le long des intervalles d'air, Egm, variait peu.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2002
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:306
ISBN:1412309972
Identifiant unique:10.1522/14282906
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
Gakwaya, Augustin
Mots-clés:Isolateurs électriques, Glace--Prévention--Modèles mathématiques, Simulation par ordinateur, Électricité--Distribution, Méthode des éléments finis, Verglas, Champs électriques, Electric insulators and insulation, Ice prevention--Mathematical models, Computer simulation, Electric power distribution, Finite element method, Glaze (Meteorology), Electric fields, CHAMP, DISTRIBUTION, ELECTRIQUE, ELEMENT, FINI, FONTE, FRONTIERE, GLACE, ISOLATEUR, MATHEMATIQUE, METHODE, MODELISATION, NUMERIQUE, PHYSIQUE, POSTE, POTENTIEL, SIMULATION, THESE
Déposé le:01 janv. 2002 12:34
Dernière modification:03 juin 2011 13:33
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