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

Résumé

Ce mémoire explore le développement de nouvelles méthodes de mise à la terre, en particulier l'intégration du béton électriquement conducteur (BEC) avec la technologie des électrodes enrobées de béton (EEB), appelée EE-BEC, en tant qu'approche innovante des systèmes de mise à la terre des sous-stations (SGS) dans le but de protéger les équipements électriques, le personnel, le public et les animaux contre les défauts pouvant apparaître dans les réseaux électriques. L'étude commence par la validation du logiciel commercial Comsol Multiphysics® de méthode des éléments finis (FEM) par l'analyse d'un SGS de cuivre conventionnel. Par la suite, des simulations numériques sont effectuées sur le système de mise à la terre EE-BEC, en faisant correspondre les dimensions de la grille de cuivre pour validation. Divers paramètres du système EE-BEC sont étudiés, notamment la géométrie BEC, les dimensions, la résistivité et le diamètre des barres d'armature. Les résultats révèlent que les systèmes EE-BEC surpassent les SGS traditionnels, en particulier dans les scénarios à haute résistivité du sol. Les paramètres clés influençant la résistance de mise à la terre, les tensions de contact et de pas sont identifiés comme la surface de section et la résistivité de BEC. Le système EE-BEC proposé présente des avantages en termes d'efficacité, de durabilité, de facilité de conception et de mise en oeuvre par rapport aux SGS conventionnels. De plus, ce travail présente une étude numérique d'une nouvelle méthode de mise à la terre adaptée aux sols gelés saisonniers, une condition répandue dans les climats froids comme le Canada. L'étude comprend un modèle de sol à deux couches pour simuler un sol gelé saisonnier, explorant l'impact de l'épaisseur de la couche supérieure sur divers paramètres du système EE-BEC, tels que la profondeur d'enfouissement et la longueur supplémentaire des piliers. Les résultats indiquent des performances supérieures du système EE-BEC par rapport aux grilles de cuivre conventionnelles, en particulier lorsque l'épaisseur de la couche gelée dépasse la profondeur d'enfouissement de la grille de mise à la terre. Cette condition a tendance à augmenter la résistance de grille et les tensions de pas et de contact, soulignant l'efficacité du système de mise à la terre EE-BEC proposé dans des environnements difficiles. En conclusion, la mise en oeuvre d'une grille à petite échelle a constitué une simulation précieuse pour reproduire les comportements réels de notre système innovant MALT dans des climats froids. Les résultats de cette étude soulignent l'efficacité remarquable du système EE-BEC en tant qu'alternative supérieure au système conventionnel en cuivre, même dans les régions caractérisées par une résistivité élevée. Cette découverte renforce non seulement la viabilité du système proposé, mais le positionne également comme une solution robuste capable de relever les défis posés par des conditions environnementales extrêmes. Le succès du système EE-BEC dans l'atténuation des problèmes liés à la résistivité souligne encore son potentiel à révolutionner les systèmes de mise à la terre, offrant une alternative fiable et efficace pour les applications de sous-stations, en particulier dans les zones froides et à haute résistivité.

This dissertation explores the development of new grounding methods, particularly the integration of electrically conductive concrete (ECON) with Concrete-Encased Electrode (CEE) technology, termed ECON-EE. This serves as an innovative approach to substation grounding systems (SGS) aimed at safeguarding electrical equipment, personnel, the public, and animals against faults that may occur in electrical networks. The study begins with the validation of the commercial finite element method (FEM) software, Comsol Multiphysics®, through the analysis of a conventional copper SGS. Subsequently, numerical simulations are conducted on the ECON-EE grounding system, matching the dimensions of the copper grid for validation. Various parameters of the ECON-EE system are studied, including ECON geometry, dimensions, resistivity, and the diameter of reinforcing bars. The results reveal that ECON-EE systems outperform traditional SGS, particularly in scenarios with high soil resistivity. Key parameters influencing grounding resistance, touch, and step voltages are identified as the section area and resistivity of the ECON. The proposed ECON-EE system presents advantages in terms of efficiency, durability, and simplicity of design and implementation compared to conventional SGS. Additionally, this work presents a numerical investigation of a new grounding method applicable to seasonal frozen soil, a condition prevalent in cold climates like Canada. The study includes a two-layer ground model to simulate seasonal frozen soil, exploring the impact of the upper-layer thickness on various ECON-EE system parameters, such as burial depth and length of additional pillars. The results indicate superior performance of the ECON-EE system over conventional copper grids, especially when the thickness of the frozen layer exceeds the burial depth of the grounding grid. This condition tends to increase grid resistance and step and touch voltages, underscoring the efficiency of the proposed ECON-EE grounding system in challenging environments. In conclusion, the implementation of a small-scale grid served as a valuable simulation to replicate the real-world behaviors of our innovative MALT system in cold climates. The results of this study underscore the remarkable effectiveness of the ECON-EE system as a superior alternative to the conventional copper system, even in regions characterized by high resistivity. This finding not only reinforces the viability of our proposed system but also positions it as a robust solution capable of addressing the challenges posed by extreme environmental conditions. The success of the ECON-EE system in mitigating issues related to resistivity further emphasizes its potential to revolutionize grounding systems, offering a reliable and efficient alternative for substation applications, particularly in cold and high-resistivity areas.