Développement de modèles dynamiques de prédiction de la tension critique de contournement des isolateurs recouverts de glace basés sur la méthode des éléments finis

摘要

La grande majorité des modèles numériques statiques et dynamiques de prédiction de la tension critique de contournement des isolateurs recouverts de glace en période de fonte se base sur la formulation analytique de Wilkins afin d'évaluer la résistance résiduelle de la couche de glace. La limitation des modèles fondés sur cette formule résulte du fait qu'ils ne sont pas applicables à des dépôts de glace de géométries complexes. De plus, un grand nombre des modèles dynamiques actuellement élaborés est restreint à des distances d'arc inférieures à un mètre puisque ces modèles ne tiennent compte que d'un seul arc en contact avec la surface de la glace. Pour pallier à ces problématiques, il a été décidé de recourir à la méthode des éléments finis (MEF) dans l'intention de prédire la tension critique de contournement des isolateurs recouverts de dépôts de glace de formes complexes, et ce, pour des distances d'arc atteignant les deux mètres. Cette dernière considération nécessite la prise en compte de deux arcs partiels en contact avec la couche de glace.ududPour ce faire, des modèles prédictifs dynamiques, au nombre de trois, ont été établis dans cette recherche, soit un modèle mono-arc en courant continu (CC) un modèle mono-arc en courant alternatif (CA) et enfin un modèle bi-arcs en CA. Ce dernier est en fait une extension du modèle mono-arc en CA, Tous les modèles ainsi développés sont basés sur le modèle de Obenaus pour lesquels la résistance résiduelle de la couche de glace est calculée par la MEF. La surface de la glace, de par la présence d'un film d'eau conducteur d'épaisseur supposée constante, est modélisèe par une surface en deux dimensions de conductivité surfacique uniforme sur laquelle sont présents un ou deux pieds d'arc (selon le modèle) considérés comme des surfaces circulaires équipotentielles. Le choix du critère de propagation de l'arc a été porté sur le critère de Hampton, étant donné la simplicité de son implementation dans les algorithmes de calcul et de sa validation par la MEF. La tension critique de contournement est obtenue par calcul itératif lorsque le pied d'arc atteint l'électrode de mise à la terre (cas du modèle mono-arc) ou encore lorsque les deux pieds d'arc se rencontrent (cas du modèle bi-arcs).ududLes modèles proposés ont été réalisés par le biais du logiciel commercial d'éléments finis (EF) COMSOL Multiphysicss qui a été couplé avec Matlab pour l'exécution des algorithmes. Les trois modèles dynamiques d'EF ont été validés à partir des résultats expérimentaux et numériques issus d'études antérieures. La comparaison des différents résultats a montré que les modèles dynamiques mono-arc d'EF, en CC et en CA, sont en mesure de prédire la tension critique de contourmement avec une précision aussi bonne que celle trouvée par les modèles dynamiques actuels. L'erreur maximale est de l'ordre de 13 %, et cela, indépendamment de la conductivité d'eau d'accumulation, de la distance d'arc (inférieure à un mètre) ainsi que de la longueur initiale de l'intervalle d'air, paramètre influent qui n'était pas pris en compte dans les modèles dynamiques actuels. En ce qui concerne le modèle dynamique bi-arcs qui est actuellement, au meilleur de nos connaissances, le seul modèle dynamique applicable à des distances d'arc supérieures à un mètre, la comparaison des résultats numériques avec des résultats expérimentaux antérieurs a permis de valider ce modèle avec une erreur maximale de 5,8 %.ududL'usage de la MEF, le choix du critère de Hampton comme critère de propagation et la modélisation du film d'eau et du pied d'arc ont offert le moyen de développer des modèles dynamiques simples prédictifs de la tension critique de contournement des isolateurs recouverts de glace pour des distances d'arc qui peuvent aller jusqu'à deux mètres. Également, les résultats ont démontré toute la versatilité des modèles qui donnent la possibilité de tracer l'évolution de plusieurs paramètres, à savoir la résistance résiduelle, le courant de fuite ou la tension appliquée en fonction du déplacement du ou des pieds d'arc à la surface de la glace.