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

Résumé

Les revêtements anti-effluves sont des composants très critiques du système d’isolation des barres statoriques des alternateurs et des moteurs fonctionnant à 6 kV ou plus. Ils sont utilisés pour éviter des décharges partielles dites « externes » dans la partie des barres statoriques appelée « développante ». L’action d’un revêtement anti-effluves se manifeste par la réduction du champ électrique à l’endroit où il est disposé, permettant ainsi d’inhiber la présence de décharges partielles. Par conséquent, la connaissance des distributions du champ électrique à la surface des revêtements anti-effluves est essentielle pour juger de l’efficacité de ces matériaux. En outre, en raison de la faible épaisseur (dixième de millimètre) des revêtements anti-effluves, l’utilisation de la formulation normale (approche volumique) de la méthode des éléments finis pour l’étude numérique des barres statoriques devient problématique (divergence de la solution) particulièrement dans le domaine temporel. L’objectif du présent projet de recherche, réalisé en collaboration avec l’Institut de Recherche d’Hydro-Québec (IREQ) et qui comprend deux parties (numérique et expérimentale) vise à étudier la distribution du champ électrique à la surface des revêtements anti-effluves installés sur les barres statoriques des groupes turbines alternateurs. La méthode numérique consiste à réaliser avec différents modèles (2D axisymétrique et 3D) l’étude thermoélectrique d’une barre statorique par la méthode des éléments finis (MEF) en utilisant une formulation surfacique (approche surfacique). La méthode expérimentale est basée sur l’utilisation d’un nouveau capteur électro-optique (EO) pour la mesure directe des composantes tangentielle et normale du champ électrique. Les mesures expérimentales et numériques ont été comparées afin de valider le nouveau modèle numérique tridimensionnel d’une barre statorique qui a été développé dans le cadre de ce projet. L’étude numérique a permis de démontrer que l'approche surfacique peut être utilisée en lieu et place de l'approche volumique pour déterminer les distributions de la température et du champ électrique le long du revêtement anti-effluves avec une précision fiable et un temps de simulation plus court (1/5 du temps de simulation de l’approche volumique). C'est un résultat intéressant qui permet de résoudre le problème de la modélisation des couches minces par la MEF qui conduit, dans le cas de l'approche volumique à des éléments du maillage avec des « aspects ratios » médiocres, conduisant ainsi à une instabilité numérique, notamment dans le domaine temporel. En outre, il a été observé que pour une étude en 3D d’une barre statorique par la MEF, il convient d’utiliser la géométrie réelle d’une barre statorique en lieu et place des modèles simplifiés comme dans les travaux antérieurs. En effet, les résultats obtenus dans ce travail ont montré une différence entre les distributions du champ électrique obtenues avec la géométrie réelle d’une barre et les modèles simplifiés. Enfin, les distributions des composantes du champ électrique obtenues numériquement ont montré une très bonne concordance avec les résultats expérimentaux. Les mesures expérimentales avec le capteur EO ont permis, dans un premier temps de démontrer l’aptitude du nouveau système de mesure utilisé dans le cadre de ce projet de recherche, à mesurer les composantes tangentielle et normale du champ électrique avec une très grande précision. La connaissance des deux composantes du champ E a permis de déterminer le champ E résultant qui doit être considérer pour une meilleure évaluation de la contrainte électrique subit par la zone de chevauchement revêtements conducteur (RC) et anti-effluves (RAE) en vue d’améliorer sa conception. La mesure de la composante tangentielle du champ électrique démontre que la largeur de la zone où les valeurs du champ électrique sont élevées augmente avec la valeur de la tension appliquée. Ce résultat indique que l’étendue du revêtement anti-effluves sur une barre statorique doit augmenter avec la tension appliquée. Un autre résultat obtenu met en évidence la déformation l’onde temporelle de la composante normale du champ E en présence du revêtement anti-effluves. Ce résultat, qui est dû à la non-linéarité du matériau anti-effluves, peut être utilisé pour vérifier cette propriété. La mesure de la composante normale du champ électrique a permis une démonstration de la loi de réfraction. En effet, il a été observé que la valeur du champ électrique est significative à la jonction RC/RAE (point triple) et dans le coude de la barre (irrégularité dans la surface du revêtement anti-effluves). Tous ces résultats expérimentaux obtenus avec le nouveau capteur EO utilisé dans ce travail et qui ont été justifiés par des lois théoriques montrent qu’il peut être employé pour évaluer l’efficacité des revêtements anti-effluves présents sur les barres statoriques des alternateurs. Cela permettra de réduire les défaillances du système d’isolation des barres statoriques causées par un défaut des revêtements anti-effluves.

Stress Grading Tape (SGT) is critical component of stators Bars (Roebel Type) insulation system operating at 6 kV or above and Invert Fed Drive (IFD) motor stators rated 3.3 kV and above. It is present to avoid partial discharge from occurring in the end winding near the end of the stator core. The Stress grading acts by reducing the field where it was arranged, thus leading to inhibit the presence of partial discharge. Therefore, the evaluation and analysis of electric-field distributions is essential to prove the functionality of SGT. In addition, the SGT is typically only tenths of a millimetre thick, this means that its depth is orders of magnitude smaller than the other dimensions associated with the stator bar. Therefore, modeling the SGT using volume approach can lead to a numerically instability (convergence problem) particularly in transient and non-linear (with a high non-linearity coefficient). The purpose of this work which consists of two parts (numerical and experimental) and carried out in collaboration with the Hydro-Québec Research Institute (IREQ), aims to study E field distribution along SGT on stators bars. The numerical study focused on the comparison between volume and surface approach to calculate electric field and temperature distributions along the SGT under sinusoidal ac voltage. The simulations were performed using 2D-axisymetric and 3D finite element method (FEM) of the Roebel Bar type model in Comsol Multiphysics®. The experimental method is based on the use of a new compact size electro-optic (EO) E-field probe for direct measurement of tangential and perpendicular E-field components. The numerical results are compared qualitatively as well as quantitatively to those obtained experimentally. The numerical results obtained demonstrated that surface approach can be used instead volume approach to compute temperature and electric field distributions along the SGT at with a reliable precision. This is an interesting result because it solves the problem of thin layers modeling that leads in the case of the volume approach to elements in the mesh with poor aspect ratios which can, in turn, lead to numerical instability, particularly in a non-linear and transient regime. In addition, it has been observed that for a 3D FEM modeling of stator bar, it is appropriate to use real geometry instead simplified models as in previous works. Indeed, E field distributions obtained with stator bar real geometry are different to those obtained with simplified models. Finally, it has been observed a concordance between numerical and experimental results. The experimental measurements showed ability of the new measurement system used in this work to measure with accurately tangential and perpendicular E-field components. The knowledge of these two E-field components allows the determination of resultant E-field that must be considered for proper design of overlap region. The tangential E-field distribution showed that the SGT extent on a stator bar should increase with the applied voltage. Another result obtained showed the deformation of perpendicular E-field temporal waveform in presence of SGT, in high electrical stress region, due SGT non-linearity. This result can be used to verify SGT non-linearity. Perpendicular E-field measurement allowed a demonstration of refraction law. Indeed, it has been observed that perpendicular E-field is significant at the triple point of the conductor, the dielectric and the air, and where there are irregularities in the surface. All these experimental results obtained with the new sensor used in this work have been justified by theoretical laws. This showed that the new measurement system can be used to prove the functionality of SGT presents on the alternators stator bars. The present work will contribute to reduce failures of stator bar main insulation caused by SGT defect.