Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Dans le cadre de la demande mondiale croissante en électricité, le transport et la distribution d'énergie se font par des systèmes électriques destinés à fournir de l’électricité soit de manière continue (courant continu), soit alternative (courant alternatif), en fonction des besoins des utilisateurs. Les systèmes de transport d’électricité, qu’ils soient aériens ou souterrains, sont constitués de divers éléments comme les isolateurs, les supports (poteaux ou pylônes), et les conducteurs (câbles), qui assurent la transmission sécurisée de l’électricité. Cependant, le transport sur de longues distances entraîne des défis, notamment les pertes électriques et les coûts élevés des équipements. Pour remédier à cela, l’introduction des dispositifs de haute tension à courant continu (HTCC) a permis de réduire les pertes et les coûts liés aux réseaux. Toutefois, leur conception et leur maintenance demeurent complexes comparées aux réseaux en courant alternatif (HTCA).

Les isolateurs, qui sont essentiels pour assurer l’isolation électrique et mécanique entre les conducteurs et les pylônes, jouent un rôle central dans la sécurité des réseaux. Parmi les différentes technologies disponibles, les isolateurs composites ont progressivement remplacé ceux en céramique, car ils sont plus légers, plus performants et plus résistants à la pollution atmosphérique. Cependant, bien qu'ils présentent des avantages significatifs, leur utilisation dans les réseaux HTCC reste limitée en raison de la dégradation plus rapide des matériaux sous les contraintes électriques, mécaniques et climatiques.

Cette dégradation rapide des isolateurs composites dans les réseaux HTCC peut entraîner des défaillances internes ou externes, affectant ainsi la stabilité du réseau et augmentant les coûts de maintenance. Il est donc essentiel de développer des méthodes fiables pour détecter et diagnostiquer ces défauts. Les méthodes existantes, telles que la détection électro-acoustique, l’utilisation des infrarouges (IR), des ultra-hautes fréquences, et la mesure du courant de fuite, ont montré des résultats satisfaisants pour la détection des défauts externes des isolateurs. Toutefois, pour détecter des défauts internes, la mesure du champ électrique reste la méthode la plus fiable.

Ce mémoire s’inscrit dans la continuité de travaux antérieurs réalisés à l’Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) et porte sur le développement d’une méthode de détection des défauts internes des isolateurs composites, basée sur la mesure électro-optique du champ électrique. Alors que cette approche a montré des résultats probants pour les réseaux à courant alternatif HTCA, son application aux réseaux HTCC demeure peu explorée, notamment en raison de la présence des ondulations résiduelles et des harmoniques superposées à la tension continue.

La démarche adoptée repose sur une approche numérique approfondie, appuyée par une étude expérimentale préliminaire. L’étude expérimentale vise principalement à caractériser les conditions électriques réelles des sources HTCC disponibles au laboratoire de l’UQAC, en identifiant le contenu harmonique et l’ondulation résiduelle de la tension continue. Ces mesures permettent de définir des paramètres réalistes pour la modélisation numérique et d’observer qualitativement le comportement du champ électrique mesuré à l’aide d’un capteur électro-optique sur un prototype d’isolateur composite imprimé en 3D.

L’étude numérique, réalisée à l’aide du logiciel COMSOL Multiphysics version 6.1, constitue le coeur de ce travail. Elle permet d’analyser de manière systématique l’influence de la présence d’un défaut interne, de sa taille et de sa position, ainsi que de la position du capteur électro-optique, sur la distribution des composantes axiale et radiale du champ électrique. Différents modèles d’isolateurs composites représentatifs des réseaux HTCC sont étudiés afin d’évaluer la sensibilité de la méthode en fonction de la longueur de l’isolateur et des conditions de mesure.

Les résultats numériques montrent que la mesure électro-optique du champ électrique est particulièrement sensible à la présence de défauts internes, même de petite taille (jusqu’à 4,25 % de la taille de l’isolateur), et que la précision de la détection dépend fortement de la position du capteur par rapport à la surface de l’isolateur. Les observations expérimentales, bien que limitées par les contraintes de laboratoire, présentent des tendances cohérentes avec les résultats numériques et confirment la pertinence de l’approche proposée.

Ce travail met en évidence le potentiel de la mesure électro-optique du champ électrique comme outil de diagnostic des défauts internes des isolateurs composites soumis à une tension continue. Il ouvre la voie à des travaux futurs visant l’intégration de conditions de service plus réalistes, telles que la pollution, le vieillissement des matériaux et les contraintes environnementales, en vue d’une application industrielle de la méthode.