III.6 Description du mécanisme de vibration
induite par effet de couronne
Plusieurs études ont été
réalisées pour expliquer le phénomène des
vibrations induites par effet de couronne [1-8, 17- 22]. D'après les
observations et les résultats dont nous disposons on distingue, deux
régimes susceptibles d'entraîner l'oscillation du conducteur :
Régime sec : «absence d'eau sur le
conducteur».
Régime humide : «présence de gouttes d'eau
sur le conducteur».
Cette distinction provient du fait que le comportement du
conducteur est fortement influencé par la présence ou l'absence
de goutte d'eau.
III.6.1 Vibration en régime sec
Le régime sec joindra aussi l'atmosphère humide
sans dépôt d'eau. Un conducteur est préalablement sans
mouvement, sous tension électrique et sous conditions
atmosphériques invariables, si le champ électrique est intense et
dépasse le seuil critique (figure III.12), des
décharges prédisruptives apparaissent, selon un
phénomène de relaxation dont la fréquence peut atteindre
1000Hz. Ces décharges sont constantes dans le temps, et ne peut
occasionner qu'une force constante [1, 3]. Ce qui nous conduit à dire
que l'existence de vibrations en régime sec ne peut être
interprétée que par l'action de l'un des facteurs
extérieurs telle que :
La variation brusque de la tension (ex : mise sous tension d'une
ligne). La variation des conditions atmosphériques (ex le vent).
Figure III.12 Tension entre phases en fonction du
diamètre du conducteur. [1] 1-tension d'apparition des
vibrations en régime sec
2-tension d'apparition des vibrations en régime humide
3-tension critique de l'effet de couronne
En premier lieu, à partir du champ critique
d'apparition de l'effet couronne les charges d'espace apparaissent au voisinage
du conducteur et donnent naissance à une force électrostatique
(force de répulsion électrostatique entre les charges d'espaces
et celles portées par le conducteur) qui s'oppose à la force
d'attraction électrostatique entre le conducteur et son image. Si on
passe d'un niveau de tension à un autre, la quantité de charges
d'espaces varie en conséquence, ce qui entraîne une variation de
la force électrostatique. Cette variation de la force qu'on appellera
F agira sur le conducteur comme un échelon d'Heaviside, qui
induira une oscillation dont l'amplitude initiale sera de l'ordre de
F/mù2 (m : est la masse linéique du
conducteur et ù est la pulsation de l'oscillation). Selon les
caractéristiques du conducteur : amortissement interne et dissipation de
l'air, cette oscillation va s'estomper ou s'accroître par les
phénomènes d'auto- excitation, puisque l'amplitude est
proportionnelle à la force et inversement proportionnelle à la
masse linéique du conducteur et la fréquence d'oscillation, on
constate que:
· Si la masse est faible, l'amorçage est
réalisable.
· Plus les modes propres sont faibles plus
l'amorçages est favorisé.
· Plus la force est élevée, plus le mouvement
est amorcé.
D'après ces analyses on peut donner l'explication de
l'apparition des vibrations en régime sec pour des fils fins
contrairement aux conducteurs habituels. Ces observations ont été
faites dans les laboratoires où il n'y a pas de vent (absence de
dissipation d'air qui s'oppose au mouvement).
En deuxième lieu, la variation des conditions
atmosphériques (ex le vent). Le vent a pour effet de rupture de matelas
ionique, d'où variation de la quantité de charge d'espace et
comme conséquence variation de la force électrostatique F, une
onde naîtra : soit elle s'amortisse soit elle s'amplifie selon les
conditions qui se présentent, mais cette hypothèse reste
incertaine du fait que le vent agira aussi en s'opposant à
l'amorçage du mouvement.
III.6.2 Vibration en régime humide
Il faut entendre par régime humide ou de pluie, toute
situation où il y a formation de gouttes d'eau sur le conducteur. Cette
situation englobera en plus de la pluie le brouillard intense et de la neige
mouillée, ces deux derniers peuvent être appropriés
à la pluie, en prenant la quantité d'eau comme critère de
comparaison, contrairement au brouillard léger et la neige sèche
qui peuvent être appropriés au régime sec, dont ils
présentent des points privilégiés d'émission
ionique, mais l'amorçage de vibration est faible. Donc
l'analyse doit se faire en tenant compte des gouttes pendantes et non de la
nature de précipitation [1, 3].
Le démarrage et le maintien des vibrations se
résument aux étapes suivantes (figure
III.13):
Les conditions atmosphériques amènent la formation
de gouttes d'eau à la surface inférieure du conducteur;
Si le conducteur n'est pas relié à la haute
tension, les gouttes ont une forme hémisphérique et sont
distribuées d'une façon non uniforme le long du conducteur. Par
contre en présence du champ électrique les gouttes sont
disposées d'une manière statiquement uniforme.
Sous l'effet du champ électrique une série de
gouttes s'allonge et prend une forme conique. La formation des cônes est
le résultat de l'interaction entre les forces dues au champ
électrique, la tension superficielle et la gravité
(paragraphe III.3.2).
Le faible rayon de courbure de la pointe des gouttes augmente
le champ électrique, les décharges de couronne apparaissent et la
charge d'espace se forme sous le conducteur.
La présence de la charge d'espace cause une diminution
du champ électrique à la pointe produisant ainsi la
décroissance de la force attractive existante entre chaque conducteur et
son image. Autrement dit, la charge d'espace produit un effet d'écran
entre le conducteur et la terre, et des forces de répulsion seront
dirigées verticalement vers le haut. Nous ajoutons que pendant la
séquence où les gouttes sont de formes coniques, il y a
également création de vent électrique. La force produite
par celui-ci s'ajoute aussi à la force électrostatique de la
charge d'espace.
Le conducteur monte, provoquant la chute des gouttes
allongées.
Les gouttes restantes perdent leurs formes coniques, et par
conséquent l'activité de décharge devient très
faible et la charge d'espace diminue.
La force de répulsion électrostatique entre le
conducteur et les charges d'espaces diminue et le conducteur est de nouveau
attiré par son image.
lorsque le conducteur atteint sa position inférieure, les
gouttes sont de nouveau allongées. Les décharges augmentent et le
processus se répète.
Si I'intensité de la précipitation est suffisante
pour alimenter les gouttes entre chaque éjection, le conducteur continue
à vibrer.
Forme conique Forme hémisphérique Forme
conique
Charge d'espace
Gouttelettes éjectées
Charge d'espace
Considérable ;
· Force d'image partiellement annulée par la charge
d'espace ;
· conducteur se déplace vers le haut
|
· Absence de la charge d'espace ;
· Force d'image existe ;
· Conducteur se déplace vers le bas.
|
Semblable à (a)
|
Figure III.13 Mécanisme proposé pour
l'amorçage du mouvement en régime
de pluie.
[4]
Dans certaines conditions, 1 'elongation et
l'éclatement des gouttes d'eau deviennent synchronisés avec le
mouvement du conducteur occasionnant ainsi un mouvement harmonique de tout le
conducteur. [1-8]
III.6.3 Entretien du mouvement
La description du mécanisme d'amorçage du
mouvement sous la pluie contient lui-même l'explication du principe
d'entretien des vibrations. En effet après le démarrage du
mouvement, les gouttes suspendues sont soumises à une succession
d'accélération tantôt dirigée vers le haut et
tantôt dirigée vers le bas. Quand le conducteur se trouve dans sa
position extrême inférieure l'accélération vers le
haut est maximum. Les gouttes pendantes sont soumises, en plus de leur poids,
à une force d'inertie Finertie maximale (paragraphe
III.3.3). Sous l'influence de cette force, elles s'allongent
et prennent une forme conique. Certaines d'entre d'elles qui ont atteint leur
taille critique tombent, ce qui implique une augmentation du champ à
leur extrémité et une émission ionique renforcée.
La charge d'espace ainsi formée crée une force de
répulsion électrostatique
entre elle et le conducteur et par conséquent ce
dernier sera soumis à une force dirigée vers le haut, lors de la
montée du conducteur la force Finertie diminue et s'inverse.
Quand celui-ci passe par sa position de repos, les gouttes pendantes deviennent
moins allongées et finissent par s'écraser quand le conducteur
passe à sa position extrême supérieure, supprimant ainsi
l'activité de décharge. Le conducteur est alors soumis uniquement
à la force d'image. Quand celui-ci redescend Finertie diminue et
s'inverse à nouveau lors de la position de repos. Les gouttes
s'allongent et leur élongation devienne maximale quand le conducteur
atteint sa position inférieure et le processus se répète.
[1, 3]
III.7 Conclusion
En conclusion on peut dire que :
La force principalement responsable des vibrations induites
par effet de couronne résulte de la répulsion entre les charges
d'espace crées par les goutte pendantes et les charges portées
par le conducteur.
En régime sec, les vibrations induites par effet de
couronne sont rares du fait qu'il faut l'intervention d'un facteur
extérieur pour amorcer les vibrations.
Le démarrage des vibrations induites par effet de
couronne en régime sec dans les lignes industrielles est malaisé
vu le diamètre des conducteurs et les gradients de tension
utilisés.
En régime de pluie, des gouttes d'eau se forment sous
les conducteurs des lignes aériennes et deviennent la source principale
de l'activité couronne et la probabilité d'apparition des
vibrations est très élevée.
La présence des gouttes suspendues est le facteur
principal de la modulation de la charge d'espace (par le biais de la
déformation, le délestage et l'éjection des gouttes) et
par conséquent la force couronne, et porte en elle l'explication de
l'amorçage et du maintien de la vibration du conducteur.
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