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

Résumé

L'objectif principal de cette recherche était d'étudier la variation du taux d'accumulation de pollution sur les isolateurs en fonction de la vitesse du vent sous des conditions hivernales. En particulier, cette recherche visait à accroître la connaissance du processus d'accumulation de pollution sur les isolateurs de haute tension durant l'hiver. Comme il n'existait pas encore de méthodes préétablies pour simuler l'accumulation de pollution hivernale sur les isolateurs, la réalisation de cette étude a nécessité le développement de nouvelles méthodes de simulation. Parmi les trois (3) catégories de méthodes de simulation connues, les développements d'une méthode de simulation numérique par ordinateur et d'une méthode d'accumulation artificielle en laboratoire furent retenus.

Le modèle développé pour la simulation numérique par ordinateur est une adaptation d'un modèle en 2D d'accumulation de glace sur un câble. En tenant compte de certaines restrictions, il a été démontré que cette adaptation constituait une bonne approche à la modélisation de l'accumulation de pollution sous des conditions hivernales. Ainsi, les simulations numériques réalisées en utilisant ce modèle ont permis de mettre en évidence la forte corrélation positive entre le taux journalier d'accumulation de pollution hivernale et la vitesse du vent. Les résultats des simulations numériques ont permis aussi de trouver que la relation entre ces deux (2) variables est régie par une loi de puissance selon l'expression ESDD = aVb, où a et b sont des paramètres dont les valeurs sont conditionnées par la forme de l'isolateur, la taille des particules de pollution et la quantité totale de particules en suspension dans l'air. Toutefois, la relation obtenue était différente de la fonction cubique, caractéristique de la pollution marine, compte tenu de la valeur de b trouvée. Et, à l'issue de la comparaison des résultats numériques avec ceux obtenus sur le terrain, il a été possible de valider partiellement le modèle numérique, en se limitant à des vitesses de vent qui n'excèdent pas 5 m/s associées à des particules de pollution de 20um de diamètre volumique médian (MVD) et de quantité totale de particules en suspension (TSP) égale à 30 ug/m3.

Pour l'accumulation artificielle en laboratoire, le développement du modèle expérimental était basé sur l'adaptation de la méthode de contamination « Dry-Mixing ». La réalisation du montage a nécessité la conception spéciale d'un générateur de pollution, composé d'un générateur d'aérosol solide et d'un système de gicleurs, afin de produire un mélange sec externe de polluants solides (poudre de kaolin), et de gouttelettes surfondues de saumure atomisée. Un écoulement d'air, produit par un ventilateur à vitesses variables à l'intérieur d'un tunnel de vent réfrigéré à circuit fermé ou ouvert, transportait les particules de pollution ainsi formées et les déposait à la surface d'un isolateur de test sous tension ou non, lequel a été installé à une distance spécifique de la buse du générateur de pollution. Des essais de contamination ont pu être effectués par la suite dans la soufflerie réfrigérée ainsi qu'à l'intérieur de la chambre climatique de la CIGELE. Les expériences en absence de source de tension se sont déroulées à la fois dans la soufflerie réfrigérée et dans la chambre climatique. Quant aux expériences en présence de source de haute tension AC, celles-ci se sont déroulées exclusivement dans la chambre climatique.

Les résultats expérimentaux obtenus nous ont permis d'étudier les effets du vent sur le taux d'accumulation de pollution sous des conditions hivernales ainsi que d'analyser l'influence de la haute tension AC sur le processus d'accumulation. Il a été trouvé que YESDD est aussi une fonction de puissance de la vitesse du vent selon l'expression ESDD = aVb, où a et b sont des paramètres dépendants des conditions expérimentales telles que la durée de l'accumulation, la température, la pression d'air du gicleur, le débit et la concentration de la saumure ainsi que de la tension appliquée. Cependant, la relation est loin d'être une fonction cubique avec les valeurs de b obtenues. Par ailleurs, il a été constaté que la pollution s'accumulait plus rapidement sur la surface supérieure du disque que sur la surface inférieure. Et en présence de la haute tension AC, l'effet de la force diélectrophorétique était seulement notable sur la surface supérieure du disque pour des vitesses de vent faibles contrairement sur la surface inférieure où son effet était plus considérable pour des vents de grande vélocité. En outre, en comparant les résultats expérimentaux aux résultats obtenus sur le terrain, il a été possible d'obtenir, dans ce sens, une validation du modèle de la chambre climatique en présence de haute tension AC, mais uniquement pour la surface supérieure.

En somme, les trois (3) modèles de simulation développés dans la présente étude concordaient sur le fait qu'en présence de conditions hivernales, il y a un accroissement rapide du taux d'accumulation de pollution sur les isolateurs lorsque la vitesse du vent est élevée et que généralement, la variation de YESDD en fonction de la vitesse du vent suit une loi puissance autre que la loi cubique V3.

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The main objective of this research was to study the variation in the accumulation rate of pollution on insulators according to the speed of the wind under the winter conditions. More specifically, this research aimed to further knowledge on the pollution accumulation process on high voltage energized insulators during the winter. In absence of pre-established methods to simulate the accumulation of winter pollution on the insulators, this study required the development of new methods of simulation. Among the three categories of known methods of simulation, numerical simulation and artificial accumulation in laboratory were selected.

The developed numerical simulation model was adapted from a 2D model of ice accretion on a cable. Taking certain restrictions into account, it was shown that this constituted a good approach for modeling pollution accumulation under winter conditions. Thus, the numerical simulations carried out using this model made it possible to show the strong positive correlation between the daily accumulation rate of winter pollution and wind speed. Numerical simulation results also made it possible to find the relation between these two variables which is governed by a power law according to the expression ESDD = aVb, where a and b are parameters whose values are determined by insulator shape, pollution particle size and total suspended particles in the air. However, the resulting equation was not a cubic function, characteristic of marine pollution, considering the value obtained for b. Finally, by comparing the numerical results to the experimental ones, it was possible to partially validate the numerical model, being limited to wind speeds not exceeding 5 m/s together with pollution particle size of 20 um median volume diameter (MVD), and total suspended particles (TSP) equals to 30 ug/m3.

As for the artificial accumulation in laboratory, the developed model was based on the adaptation of the "Dry-Mixing" contamination method. This required setting up a specially designed pollution generator, which was composed of a solid aerosol generator and a nozzle system, in order to produce an external dry mixture of solid pollutants (kaolin powder), and supercooled atomized brine droplets. The air flow, produced by a variable speed fan inside a closed- or an open-loop refrigerated wind tunnel, carried the generated pollution particles and deposited them on the energized or unenergized surface of a test insulator, installed at a specific distance from the pollution generator nozzle. Then, contamination simulations were carried out in the CIGELE refrigerated wind tunnel and in a climate chamber. Experiments without applied voltage were carried out both inside the refrigerated wind tunnel and the climate chamber, whereas those with high voltage source were carried out exclusively inside the climate chamber.

The obtained experimental results made it possible to study the effects of wind on the accumulation rate of pollution under winter conditions and also to analyze the influence of AC high voltage on the accumulation process. It was found that ESDD is also related to the wind speed power function, ESDD = aVb, where a and b are parameters depending on experimental conditions such as accumulation duration, temperature, nozzle air pressure, brine flow rate and concentration, as well as applied voltage. However, this is far from being a cubic function according to the obtained values of b. In addition, it was found that pollution accumulated faster on the top surface of the sheds than on the bottom surface. Also under AC high voltage, the effect of the dielectrophoretic force was only notable on the top surface of the sheds at low wind speed contrary to the bottom surface where its effect was more considerable at high wind speed. Moreover, by comparing the experimental results to the ones obtained in the field, it was possible to validate the model used inside the climate chamber under AC high voltage, but only for the top surface.

In brief, the three simulation models developed in this study have this in common that under winter conditions there is a rapid increase of the pollution accumulation rate on the insulators subject to high wind speed, and that the variation of ESDD as function of wind speed is a power law different from the cubic law V3.