Experimental study and mathematical modeling of flashover of EHV insulators covered with ice

L'accumulation de glace sur les équipements des réseaux électriques, incluant câbles, conducteurs et isolateurs, représente l'un des problèmes majeurs rencontrés dans les régions au climat froid. En plus des problèmes mécaniques causés par les effets combinés de la glace et du vent, la glace sur les isolateurs est à l'origine d'une perte de facteur d'isolation, ce qui occasionne parfois des contournements et conséquemment, des pannes d'électricité. Bon nombre d'études en laboratoire se sont penchées sur cette problématique depuis une trentaine d'années, et particulièrement à l'UQAC depuis 25 ans. Ces études se concentrent sur plusieurs aspects du givrage atmosphérique, incluant l'observation de l'accumulation de glace dans des sites naturels, des expériences en laboratoire sur la performance électrique des isolateurs dans des conditions de glace et de neige, ainsi que des études fondamentales du contournement des isolateurs recouverts de glace. Parmi les progrès réalisés à l'UQAC, un modèle mathématique a été développé afin de prédire la tension de contournement des isolateurs recouverts de glace. Toutefois, en raison de la complexité des infrastructures requises, le modèle n'a pu être validé pour des applications d'ingénierie sur de longs isolateurs extra haute tension, recouverts de glace.\ud \ud L'objectif principal de cette recherche, dans le cadre d'études de 2e cycle, est celui d'étudier le phénomène du contournement sur des isolateurs extra haute tension recouverts de glace, afin d'améliorer le modèle mathématique existant, qui permettra de prédire la tension de contournement minimale de tels isolateurs. Cette étude contribuera à une meilleure compréhension du phénomène du contournement des isolateurs extra haute tension, recouverts de glace et le modèle sera un outil indispensable pour la conception d'isolateurs pour usage extérieur dans les régions froides. Trois unités d'isolateurs de poste de forme standard, tels que ceux utilisés dans les postes à 735 kV d'Hydro-Québec, ont été soumis à des tests en laboratoire afin d'en déterminer la performance électrique dans des conditions de givrage. Une série de tests a été effectuée à 2 niveaux différents de conductivité d'eau d'accumulation et 5 distances d'arc, afin de déterminer la relation entre la tension de contournement minimale des isolateurs recouverts de glace et la longueur des isolateurs, jusqu'à pleine échelle. Il a été déterminé que la VWs (tension de tenue maximale) augmente de façon légèrement non linéaire avec l'augmentation de la longueur d'arc. Aussi, la VMF (tension de contournement minimale) pour une distance d'arc de 2 m s'établit à 195 kVrms en régime de fonte et à 190 kVrms en régime de givrage, pour une conductivité d'eau d'accumulation de 30 uS/cm et une épaisseur de glace de of 15 mm, telle que mesurée sur un cylindre témoin en rotation. Ces niveaux de tension sont approximativement 7 % et 9 % plus bas que la tension de service des isolateurs, respectivement. D'après ces résultats et en utilisant un modèle à arcs multiples, un modèle mathématique amélioré a été proposé pour la prédiction de la tension de contournement minimale des isolateurs extra haute tension dans des conditions de givrage. Il y a bonne concordance entre les résultats des expériences en laboratoire et ceux de modèle amélioré.\ud \ud Finalement, en se basant sur l'étude présentée dans ce mémoire, plusieurs recommandations peuvent être faites en vue de recherches connexes à venir.\u