Two-arc dynamic modeling of AC and DC flashovers of EHV post station insulators covered with ice based on laboratory experiments

L'accumulation de glace et de neige sur les isolateurs a été reconnue comme l'un facteur de risque les plus importants dans la fiabilité des lignes de transmission aériennes et des postes électriques. La glace accumulée sur les isolateurs peut amorcer des décharges électriques le long des zones exempts de glace, souvent appelés espaces d'air. En présence d'un film d'eau très conducteur à la surface de la glace, sous une tension appliquée suffisamment élevée, des décharges partielles peuvent être initiées et se développer en arcs partiels. Sous certaines conditions, ces arcs partiels peuvent entraîner le contournement total de la chaîne d'isolateurs et provoquer des pannes d'électricité.\ud \ud L'objectif général de cette recherche est d'étudier le phénomène du contournement électrique des isolateurs de poste extra-haute tension (THT) recouverts de glace. Ainsi, des modèles dynamiques à deux arc, basées sur des modèles mathématiques existants a été proposé pour prédire les paramètres du contournement en courant continu (CC) et alternatif (CA). Le modèle considère l'arc comme une impédance dépendant du temps, constituée d'une résistance en série avec une inductance. La couche de glace résiduelle est définie en termes de résistance équivalente, où la conductivité surfacique équivalente est calculée en tenant compte du film d'eau coulant à la surface de la glace. La présente contribution propose une nouvelle approche permettant de déterminer la conductivité surfacique équivalente. Cette approche est basée sur des concepts de mécanique des fluides incluant les équations de Navier-Stokes, ainsi que sur une série d'expériences menées pour quantifier le débit du film d'eau et la conductivité surfacique équivalente.\ud \ud De plus, les mécanismes à l'origine de l'amorçage des décharges et du développement de l'arc sur la surface de la glace accumulée sur les isolateurs ont été étudiés. Une attention particulière a été accordée à l'évaluation de l'effet de la conductivité volumique de la surface de la glace sur la vitesse de propagation de l'arc pour différentes conductivités de l'eau de congélation, en utilisant des techniques d'enregistrement par caméras vidéo à haute vitesse.\ud \ud Les modèles proposés ont été validés avec succès en laboratoire sur des isolateurs de poste - généralement utilisés dans Hydro-Québec 735 kV - sous tensions CA et CC. La tension de tenue maximale en CC et CA ont été déterminées expérimentalement basés sur la norme IEEE Std 1783. En outre, l'influence du nombre et la position des intervalles d'air sur le contournement des isolateurs recouverts de glace a été étudiée expérimentalement. Les résultats expérimentaux ont montré que la configuration des espaces d'air affecte significativement la tension de tenue maximale. Les principales caractéristiques de contournement, comprenant la tension minimale de contournement et le courant de fuite, prédits par le modèle dynamique à deux arc proposé, concordent à la variation des principaux paramètres, à savoir, la longueur de 'isolateur et la conductivité de l'eau de congélation.\ud \ud Enfin, pour interpréter la performance des isolateurs sous différentes positions des espaces d'air, les distributions de champ électrique et tension le long de l'isolateur recouvert de glace ont été simulés numériquement au cours de la période de fonte, en utilisant la méthode des éléments finis (MEF). Les résultats de simulations confirment que l'augmentation du nombre d'espace d'air améliore la tension de tenue maximale ainsi que l'uniformité de la distribution de tension le long des isolateurs de poste THT. Selon les résultats obtenus, l'utilisation des jupes d'appoint (booster sheds) et anneaux de garde pour améliorer les performances d'isolation des isolateurs de poste dans des conditions de givrage est recommandé.\ud \ud Cette recherche peut être considérée comme une base importante pour le développement de modèles multi-arc et un outil puissant pour la conception et le choix des isolateurs THT soumis à l'accumulation de glace.\ud \ud -\ud \ud Ice and snow accretion on insulators has been recognized as a significant risk factor in the reliability of overhead transmission lines and substations. Accumulated ice on insulators can initiate corona discharge along ice-free zones, often called air gaps. In the presence of a highly conductive water film on the surface of the ice, while applied voltage is sufficiently high, corona discharge activity may be initiated and developed into partial arcs. Under certain conditions, these partial arcs may result in complete flashover.\ud \ud The general objective of this research is to study the flashover phenomenon on icecovered extra-high-voltage (EHV) post insulators. Hence, a two-arc dynamic model based on the existing mathematical models was proposed to predict the parameters of AC and DC flashovers. The model considers the arc as time-dependent impedance constituted of a resistance in series with an inductance. The residual ice layer is defined in terms of an equivalent resistance, where the equivalent surface conductivity is calculated by taking into account the water film flowing along the ice surface. The present contribution proposes a novel approach to determine the equivalent surface conductivity, based on fluid mechanics and the Navier-Stokes equations, as well as on a series of experiments carried out to measure the water film flow rate and conductivity.\ud \ud Moreover, the mechanisms of discharge initiation and arc development on the surface of the ice accumulated on the insulators were studied. Special attention was paid to evaluate the effect of the volume conductivity of the ice surface on the arc propagation velocity for different freezing water conductivities, using high-speed video camera techniques.\ud \ud The proposed models were successfully validated in laboratory using station post insulators - typically used in Hydro-Quebec 735 kV substations - under AC and DC voltages. The maximum AC and DC withstand voltages were experimentally determined based on IEEE Std 1783. Furthermore, the influence of the number and position of air gaps on the flashover performance of ice-covered insulators was investigated experimentally. Experimental results revealed that the air gap configuration affects the maximum withstand voltage significantly. The main characteristics of flashover, including minimum flashover voltage and leakage current, derived from the proposed two-arc dynamic model, respond properly to the variation of major parameters, namely, insulator length and freezing water conductivity.\ud \ud Finally, in order to interpret the performance of insulators under different air gap positions, the voltage and electric field distributions along the ice-covered insulator were simulated numerically during the melting period, using the Finite Element Method (FEM). Simulations results confirm that increasing the number of air gaps improves the maximum withstand voltage and uniformity of voltage distribution of EHV post insulators. Based on the results, the use of booster sheds and grading rings to improve the insulating performance of post insulators under icing conditions is recommended.\ud \ud This research may be regarded as an important basis for the development of multi-arc models and a powerful tool for the design and selection of EHV insulators subjected to ice accretion