Soutenance mémoire
Mesure du taux d’accumulation de pollution
PROBLÉMATIQUE DE L’ACCUMULATION DE POLLUTION SUR LES ISOLATEURS DURANT LA PÉRIODE HIVERNALE
En hiver, les conditions dans lesquelles le processus d’accumulation de pollution sur les isolateurs se produit sont caractérisées généralement par une température moyenne inférieure au point de congélation, en présence de vent dont la vitesse moyenne journalière dépasse parfois 50 km/h [Environnement Canada]. L’accumulation se fait aussi pendant une longue période sans pluie, qui pourrait durer même trois (3) mois dans certaines régions [Farzaneh et Chisholm, 2009]. De plus, cette accumulation est caractérisée par une forte contribution du sel de déglaçage [Chisholm et al., 1993], [Farzaneh et Chisholm, 2009].
Pour les compagnies qui fournissent l’électricité, la performance des isolateurs dans de telles conditions de pollution est devenue un élément essentiel de critères de dimensionnement en vue d’augmenter la fiabilité des réseaux. Dès lors, le champ de recherche concernant le contournement électrique des isolateurs recouverts de pollution ou de glace polluée a suscité beaucoup d’intérêt auprès des pays touchés par ce problème. En effet, l’ampleur des incidents considérés comme étant les conséquences directes du phénomène de pollution des isolateurs s’est fait sentir dans divers pays tels que le Canada [Chisholm et al.,1993], [Hydro One Networks, 2004], les États-Unis [Kawai, 1970], le Japon [Suguwara et al.,1991], l’Angleterre [Forrest, 1969], la Yougoslavie [Vuckvic et Zdravkovic, 1990], la Norvège[Fikke, 1990], ainsi que la France [Cimador et Vitet, 1990]. En particulier, un incident d’ampleur exceptionnelle, considéré comme une conséquence directe de la pollution des isolateurs, est survenu récemment au Canada le 27 janvier 2004. Des contournements se sont produits sur des bornes de traversée de 115 kV d’une sous-station installée dans une zone considérée comme critique au point de vue de niveau de pollution [Hydro One Networks, 2004]. Cet incident a entraîné des pannes de courant pendant une heure et demie dans la région du centre-ville de Toronto. Les conséquences économiques et humanitaires consécutives à ces coupures de courant justifient amplement l’étude et la compréhension de ce phénomène perturbateur qui empoisonne la vie des exploitants depuis les débuts des transmissions d’énergie électrique.
DESCRIPTION DU PHÉNOMÈNE DE POLLUTION
Par définition, le mot « pollution » désigne la dégradation d’un milieu qui se produit par l’introduction, directe ou indirecte, de substances nocives pour l’environnement ou par la modification de ses caractéristiques biologiques, chimiques ou physiques [Office québécois de la langue française, 2004]. Cela implique que, lorsqu’on parle des isolateurs, le phénomène de pollution est défini comme étant la dégradation de la surface isolante par des electrolytes solubles ou des particules inertes non solubles, qui sont des substances ayant la capacité d’altérer la performance électrique des isolateurs.
Le terme « pollué », souvent associé avec le mot « sale » au sens usuel, prend ainsi une autre signification lorsqu’il est utilisé pour décrire l’état d’un isolateur. Autrement dit, un isolateur pollué n’a pas nécessairement l’apparence d’être sale. En effet, un isolateur qui est fortement pollué par un embrun salin peut paraître propre alors que sa performance électrique subit une forte dégradation. Par contre, un autre isolateur recouvert de suie, qui paraît sale, peut avoir une performance électrique remarquable. D’où, un isolateur est considéré comme pollué lorsque sa surface est recouverte d’électrolytes solubles ayant les propriétés
d’augmenter la conductivité surfacique de cet isolateur. Le mot « contamination » est alors plus
approprié dans ce cas pour décrire le phénomène de pollution des isolateurs et il se réfère plutôt à la conductivité électrique de la surface des isolateurs qu’à leur apparence extérieure.
Souvent dans les ouvrages et publications, les auteurs préfèrent utiliser le mot contamination au lieu de pollution pour lever justement cette ambiguïté.
Sources de pollution
Les substances polluantes qui contaminent les isolateurs peuvent provenir de différentes sources dépendamment du type d’environnement dans lequel se trouve le site [CIGRE Task Force 33.04.01, 2000]. À titre d’exemples, dans un environnement de type marin, les electrolytes solubles proviennent des embruns salins de la mer qui sont présents dans l’atmosphère et constituent ce qu’on appelle la pollution marine. Dans un environnement type industriel, les isolateurs sont exposés à la pollution industrielle dont les substances solubles proviennent de la fumée produite par des centrales électriques thermiques (à charbon ou au mazout), des aciéries ou des raffineries alors que les substances inertes non solubles proviennent de la poussière générée par des cimenteries ou des mines de ciment. Et particulièrement en hiver, la plupart des isolateurs qui sont installés à proximité des autoroutes sont sujets à la pollution
hivernale dont les sources d’électrolytes solubles sont principalement le salage des routes. Il
arrive parfois que la fumée provenant du chauffage domestique dans un milieu urbain à forte
densité de population constitue aussi une source de pollution en hiver. Certes, il existe d’autres
types d’environnement qui sont également susceptibles de produire les substances polluantes
selon la norme IEC 60815 [2008].
MESURE DU TAUX D’ACCUMULATION DE POLLUTION
Généralement, la pollution accumulée sur la surface des isolateurs est formée d’un dépôt soluble, électriquement conducteur, et d’un dépôt non soluble qui est relativement non conducteur. Afin d’évaluer la quantité de pollution accumulée à la surface d’un isolateur, il faudrait donc mesurer la contribution de chacun de ces types de dépôt. Dans la norme IEC 60815 [2008], les deux paramètres suivants sont utilisés afin de mesurer le taux d’accumulation de pollution : la densité équivalente de dépôt de sel (ou ESDD en terminologie anglaise) et la densité de dépôt non soluble (ou NSDD en terminologie anglaise).
MÉTHODES DE SIMULATION DE L’ACCUMULATION DE POLLUTION
Le choix d’un isolateur pour un site donné repose sur sa performance de tenue en pollution dans le type d’environnement qui caractérise le site. Pour évaluer cette performance, il est nécessaire de procéder à un test de pollution, lequel permettra de confirmer la valeur spécifiée du degré de tenue en pollution ou de déterminer sa valeur maximale à une tension phase-terre. Dès le début des années 60, de nombreuses recherches et études expérimentales ont été réalisées afin d’étudier le comportement et la performance des isolateurs recouverts de pollution [Walshe, 1963; NGK Insulators LTD, 1968] et de glace polluée [Vuckvic et Zdravkovic,1990; Cherney, 1980; Suguwara et al., 1991; Farzaneh et al., 2003]. Dès lors, de nombreuses méthodes et techniques d’essais de pollution ont été développées, et actuellement deux essais normalisés existent déjà pour les isolateurs de haute tension en céramique destinés aux réseaux à courant alternatif [IEC 60507,1991] et à courant continu [IEC 1245,1993].
De pair avec le développement de ces méthodes et techniques d’essais de pollution, de nombreuses méthodes de pré-contamination furent également élaborées afin de simuler l’accumulation de pollution sur l’isolateur à tester.
Les méthodes de simulation existantes peuvent être divisées en trois (3) groupes :
l’accumulation de pollution naturelle sur le terrain, l’accumulation de pollution artificielle en laboratoire et la simulation numérique.
MÉTHODOLOGIE POUR LA SIMULATION PAR ORDINATEUR DE L’ACCUMULATION DE POLLUTION HIVERNALE
La simulation par ordinateur du processus d’accumulation de pollution en condition hivernale nécessite le développement d’un modèle numérique à partir d’une modélisation mathématique du phénomène. Au meilleur.de nos connaissances, un modèle mathématique n’a encore été établi jusqu’à présent dans le cas d’une accumulation de pollution sur un isolateur en présence de conditions hivernales. Comme approche, nous avons adopté et utilisé le modèle développé il y a quelques années pour l’accumulation de glace sur un câble [Fu, 2004] en vue de l’adapter à notre problème. Expliquer la méthodologie que nous avons utilisée afin d’y parvenir fera ainsi l’objet de ce chapitre.
Dans la première section, nous allons décrire le problème pour faire ressortir les hypothèses sur lesquelles sera basée la modélisation. Ensuite, sera expliqué le principe utilisé pour adapter à l’accumulation de pollution le modèle ayant été développé pour l’accumulation de glace sur un câble. En outre, les techniques pour implémenter le modèle numérique en vue de la simulation par ordinateur seront présentées. Pour terminer, un modèle sera proposé pour la phase de transport qui est un préalable au processus de dépôt.
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Table des matières
CHAPITRE I : INTRODUCTION
I.1 Contexte général
I.2 Problématique de l’accumulation de pollution sur les isolateurs durant la période hivernale
I.3 Objectifs de cette recherche
I.4 Méthodologie
I.5 Originalité de cette étude
I.6 Structure de la thèse
CHAPITRE II:REVUE DE LITTÉRATURE
II.1 Introduction
II.2 Description du phénomène de pollution
II.2.1 Sources de pollution
II.2.2 Processus d’accumulation de pollution sur les isolateurs
II.2.2.1 Rôle du vent
II.2.2.2 Influence de la taille des particules
II.2.2.3 Effet de la géométrie de l’isolateur et de la présence de tension
II.2.2.4 Influence de l’emplacement du réseau électrique par rapport à la source de pollution
II.2.3 Processus de contournement des isolateurs pollués
II.3 Mesure du taux d’accumulation de pollution
II.3.1 Mesure de ÏESDD
II.3.2 Mesure de la NSDD
II.3.3 Applications de ÏESDD et de la NSDD
II.4 Méthodes de simulation de l’accumulation de pollution
II.4.1 Accumulation naturelle sur terrain
II.4.2 Accumulation artificielle en laboratoire
II.4.2.1 Le brouillard salin
II.4.2.2 Le brouillard clair
II.4.2.3 LeDCM
II.4.2.4 Le DSL
II.4.2.5 Le brouillard froid
II.4.2.6 LeDMCM
II.4.3 Simulation numérique par ordinateur
II.5 Caractéristiques de l’accumulation de pollution sous conditions hivernales
II.5.1 Durée de la phase de dépôt
II.5.2 Contribution du sel de déglaçage
II.6 Conclusion
CHAPITRE III:MÉTHODOLOGIE POUR LA SIMULATION PAR ORDINATEUR DE L’ACCUMULATION DE POLLUTION HIVERNALE
III.1 Introduction
III.2 Description du problème
III.3 Modélisation de l’accumulation de pollution
III.3.1 Modèle de base relatif à l’accumulation de glace sur un câble
III.3.1.1 Structure générale
III.3.1.2 Implementation du modèle
III.3.13 Paramètres d’entrée du modèle
III.3.2 Modèle adapté au dépôt de pollution sur un isolateur
III.3.2.1 Structure générale
III.3.2.2 Calcul de l’écoulement de l’air
III.3.2.3 Calculs de trajectoire des particules de poussière et de l’efficacité de collision locale
III.3.2.4 Implementation du modèle
III.3.2.5 Paramètres d’entrée
III.4 Modélisation de la phase de transport
III.4.1 Équations de mouvement d’une particule
III.4.2 Exemple de calcul
III.5 Conclusion
CHAPITRE IV:MONTAGE EXPÉRIMENTAL ET MÉTHODOLOGIE
IV.l Introduction
IV.2 Modèles Physiques
IV.3 Conception et réalisation du montage expérimental
IV.3.1 Le générateur de pollution
IV.3.1.1 Conception
IV.3.1.2 Réalisation
IV.3.2 Montage réalisé dans la soufflerie réfrigérée
IV.3.3 Montage réalisé dans la chambre climatique
IV.3.4 Les instruments de mesures
IV.4 Procédures expérimentales et méthodologie pour la prise de mesures
IV.4.1 Procédures expérimentales pour la phase d’accumulation
IV.4.2 Méthodologie pour la prise de mesures
IV.4.2.1 Prise de mesures pour l’ESDD
IV.42.2 Prise de mesures pour la NSDD
IV.4.3 Quelques difficultés et problèmes rencontrés
IV.5 Conclusion
CHAPITRE V:ÉTUDE DE L’INFLUENCE DE LA VITESSE DU VENT SUR LE TAUX D’ACCUMULATION DE LA POLLUTION HIVERNALE
V.l Introduction
V.2 Simulations numériques bidimensionnelles
V.2.1 Paramètres
V.2.2 Résultats numériques
V.2.2.1 Taux d’accumulation en fonction de la vitesse du vent
V.2.2.2 Taux d’accumulation en fonction de la taille des particules
V.2.2.3 Taux d’accumulation en fonction de la concentration polluants dans l’air
V.2.3 Analyse et discussions
V.2.3.1 Relation entre le taux d’accumulation et la vitesse du vent
V.2.3.2 Influence de la taille des particules de pollution
V.2.3.3 Influence de la concentration de polluants dans l’air
V.3 Expérimentations en laboratoire
V.3.1 Études réalisées dans la soufflerie réfrigérée
V.3.1.1 Paramètres des essais
V.3.1.2 Résultats expérimentaux
V.3.13 Analyse et discussions
V.3.2 Études réalisées dans la chambre climatique
y3.2.1 Paramètres des essais
V.3.2.2 Résultats expérimentaux
V.3.2.3 Analyse et discussions
V.4 Comparaison des modèles numériques et expérimentaux
V.4.1 Comparaison des résultats de simulation numérique avec ceux de la soufflerie réfrigérée
V.4.2 Comparaison des résultats de simulation numérique avec ceux de la chambre climatique
V.4.3 Points de commun accord
V.5 Comparaison avec les études sur le terrain
V.5.1 Comparaison par rapport au ratio ESDDt/ESDDb
V.5.2 Comparaison par rapport à l’effet de la force diélectrophorétique
V.5.3 Comparaison par rapport à l’influence de la forme des isolateurs
V.6 Conclusion
CHAPITRE VI:CONCLUSIONS GÉNÉRALES ET RECOMMANDATIONS POUR LES TRAVAUX FUTURS
VI.1 Conclusions générales
VI.2 Recommandations
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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