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

Résumé

L’utilisation des isolateurs composites dans les réseaux aériens de transport d’énergie électrique s’est accrue ses dernières années. Il devient alors important d’avoir une bonne connaissance de tous les phénomènes liés à leur exploitation afin de garantir leur bon état pour éviter toute défaillance qui entraîne une interruption de la fourniture en énergie électrique. En outre, les équipes de maintenance qui installent et remplacent régulièrement des isolateurs composites sur les lignes aériennes de transport d’énergie électrique ont besoin d’obtenir des informations pertinentes sur leur état de dégradation avant d’effectuer des travaux. Cela passe par la mise à disposition de méthodes qui permettent de détecter le plutôt possible les défauts sur les isolateurs composites. L’objectif général de ce travail de recherche est de mener en premier lieu des études numériques pour étudier l’influence des défauts internes au sein des isolateurs composites sur la distribution du champ électrique. Les défauts internes constituent la deuxième cause de défaillance des isolateurs composites. La détection précoce des défauts internes contribuera à garantir la fiabilité des réseaux d’énergie électrique et la sécurité des opérateurs pour les travaux en ligne. La validation expérimentale de ce projet de recherche, a été réalisée avec un capteur électro-optique (EO) qui permet de mesurer de manière déportée et ponctuelle deux composantes perpendiculaire du champ électrique. Aux meilleurs de nos connaissances, le capteur EO n’a encore fait l’objet d’aucune application à la détection des défauts internes au sein des isolateurs composites. Dans un premier temps des études numériques basées sur l’utilisation des éléments finis à travers le logiciel Comsol Multiphysics ont été menées avec des modèles numériques tridimensionnels d’isolateurs composites utilisés aussi bien dans le domaine de la distribution que du transport de l’énergie électrique. Les défauts internes ont été modélisés sous la forme de cylindres semi-conducteurs et positionnés conformément à la majorité des observations réalisées sur le terrain. Dans un second temps, des études expérimentales ont été menées. La mesure du champ électrique a été réalisée avec un capteur électro-optique (EO. Étant donné la difficulté à créer un défaut interne au sein d’un isolateur composite, un prototype d’isolateur composite 69 kV démontable a été utilisé. Le défaut interne a été simulé par un ruban de semi-conducteur. Les résultats des simulations ont permis de mettre en évidence plusieurs avantages liés à la mesure simultanée des composantes axiale et radiale du champ électrique près de la surface de l’enveloppe d’un isolateur composite. Premièrement, une meilleure sensibilité de la détection d’un défaut interne par la mesure du champ électrique est obtenue lorsque les mesures s’effectuent au plus près du défaut interne (près de la surface de l’enveloppe). Deuxièmement, la mesure simultanée des composantes axiale et radiale du champ électrique permet de déterminer l’orientation du champ électrique le long d’une ligne près de la surface de l’enveloppe qui peut être exploitée pour la détection des défauts internes. Troisièmement, il a été démontré par simulation la faisabilité et la pertinence de la méthode de diagnostic proposée car elle permet une évaluation précise de la partie défectueuse (risques de contournement) d’un isolateur composite avant les travaux en ligne de maintenance. Enfin, le calcul des composantes du champ électrique (E) le long d’une ligne circulaire centrée sur l’enveloppe de l’isolateur permet de détecter et localier les défauts internes. En outre, l’allure particulière des courbes du champ E obtenues peut être utilisée pour la détection automatique des défauts internes. Les résultats des études expérimentales montrent qu’un défaut interne semi-conducteur de longueur correspondant à 3,5 % de la longueur totale de l’isolateur est visible quel soit sa position. Ceci constitue une grande avancée par rapport aux limites (grande taille, moins sensible et mesure loin du défaut) du dispositif actuellement utilisé pour le diagnostic des isolateurs composites par la mesure du champ électrique. D’après ce qui précède nous pouvons dire que le capteur EO utilisé dans ce travail peut permettre d’améliorer la sensibilité de la méthode de diagnostic des isolateurs composites par la mesure du champ électrique. En outre, le calcul des composantes du champ électrique le long d’une ligne circulaire centrée sur l’enveloppe de l’isolateur peut être utilisé pour le diagnostic automatique des défauts internes. Cette méthode aura l’avantage d’être réalisée sans les valeurs références du champ électrique préenregistrées de l’isolateur testé comme c’est le cas actuellement. Ainsi, on pourra entreprendre toute action de diagnostic d’un isolateur sans avoir besoins de ses données de références.

Composite insulators and non-ceramic insulators (NCI) have been widely used on electrical networks since last year. Hence, it is important to ensure their good condition in order to avoid a threat to the network integrity. In addition, the live line workers need relevant information about insulators integrity before starting work. This requires appropriate diagnostic methods that can detect as soon as possible the defective insulators. The aim of this research is to investigate the influence of composite insulators internal defects on the electric field distribution. Internal defects are the second cause of composite insulators failures. Internal defects early detection will help to ensure electric power systems reliability and operator safety for live line work. The experimental validation of this research was done with an EO sensor, which allows a remote measurement of axial and radial E-field components. First, three-dimensional numerical simulations were performed with the Comsol Multiphysics software to find the optimal position of the EO probe for maximum sensitivity regarding internal defects position and size. Internal defects have been modeled as semi conductive cylinder and positioned according literature review. Secondly, experimental tests were performed with a semi conductive defect at different position in a 69 kV composite insulator. The simulation results show some important advantages when E-field axial and radial components measurement were done near the insulator housing. First, better sensitivity in defect detection has been obtained near the insulator housing. Secondly, E-field axial and radial components measurement allows E-field orientation determination along the insulator housing which can be used in internal defects detection. Finally, for the same EO probe position along the insulator, it is possible to locate precisely the defect by moving the probe around the insulator rod. In this case, the E-field curves particular shape can be used to detect internal faults automatically. The experimental results show that EO sensor was able to detect and locate semi conductive internal defect with length 3.5% times insulator. This is an important improvement compared to the actual device. In summary, EO sensor used in this work can improve E-field method sensitivity. In addition, computing E-field components around insulator rod can be used to detect internal defects automatically.