Mécanisme des vibrations induites par effet de couronne

II.1 Introduction

Bien que les vibrations induites par effet de couronne dans les lignes aériennes de transport d'énergie électrique ont été rapportées par les chercheurs depuis 1932 [16], le mécanisme responsable de ce genre de vibration n'est pas complètement compris.

La fin des années 70 et les années 80 ont été des périodes importantes dans l'étude des vibrations induites par effet de couronne. Entre autres, les chercheurs de l'université de Québec à Chicoutimi tentent d'expliquer le phénomène en étudiant les vibrations couronne par des méthodes expérimentales dans plusieurs conditions [4, 17, 18, 19, 20, 21]. On cite aussi l'étude analytique de la détermination de l'amplitude de vibration élaborée par Maaroufi à l'Université de Liège. [1]

En ce qui concerne les méthodes de résolution actuelles, celles-ci sont numériques, et se basent sur la décomposition modale des équations du mouvement. De récentes publications fournirent de nouvelles données sur le phénomène de vibration, principalement sur le champ électrique en fonction de la forme de la goutte, la force de couronne et la simulation numérique de vibrations induites par effet de couronne. [2, 3, 5, 7, 8]

Dans ce chapitre nous nous proposons de passer en revue les recherches antérieures dans ce domaine. Bien qu'il ne soit pas possible d'examiner toutes les recherches dans ce chapitre, quelques une les plus importantes sont passées en revue.

II.2 Etude de Ferzaneh

M. Farzaneh suit les travaux de recherches de Phan.L.C qui était le fondateur du " Groupe de Recherche en Ingénierie de l'Environnement Atmosphérique (GRIEA) " à l'université du Québec à Chicoutimi. Grâce aux travaux de recherche de Ferzaneh, GRIEA a été connu comme le laboratoire le plus important et considérable dans ce domaine de par le monde. Il a étudié les vibrations induites par effet de couronne avec des méthodes expérimentales. [4, 17, 18, 19, 20]

Dans un premier montage, une haute tension a été appliquée à un conducteur lisse et creux placé le long de l'axe d'une cage cylindrique en grillage métallique (figure II.1). La pluie artificielle a été produite par un système de six lances, placé avec un angle de 30° par rapport au plan vertical qui contient l'axe du conducteur. Le courant de fuite a été mesuré au moyen d'une résistance de 1 k~ connectée entre la partie centrale de la cage et la terre. L'amplitude de vibration a été mesurée à l'aide d'une jauge de contrainte. L'accélération des gouttelettes éjectées depuis les gouttes pendantes a été mesurée avec un appareil-photo à haute vitesse.

Figure II.1 Montage expérimental avec un conducteur lisse [4]

Avec un taux de précipitation constant de 26mm/h, et une tension continue positive appliquée au conducteur de 80 kV(E=14.7kV/cm), l'amplitude de vibration du conducteur et du courant de décharge en fonction du temps ont été mesurées sous la pluie et pendant la période du séchage, ces résultats sont illustré dans les figure II.2 et II.3.

Figure II.2 Enregistrement de la forme de la vibration du conducteur et de la pulsation du courant avec une tension continue de +80 kV sous la condition de la pluie

artificielle

Concernant la figure II.2, on peut tirer les observations suivantes :

· La fréquence de la vibration est approximativement de 10 Hz qui est la fréquence naturelle du système.

· Il y a une synchronisation entre les pulsations du courant et les oscillations du conducteur.

· Le maximum des pulsations du courant a lieu quand le conducteur est presque à sa place initiale, c.-à-d. à l'axe de la cage cylindrique. De plus à cette place les gouttes d'eau pendantes devraient être étendues en plus et ont une forme conique. Donc la valeur maximale du courant ou la charge d'espace est produite quand les gouttes pendantes ont une forme conique.

La figure II.3 montre l'amplitude de vibration et le courant de décharge pendant la période de séchage. A t=t1, la pluie a été arrêtée pendant que la tension appliquée a été gardée constante. L'intervalle du temps après t1 est appelé période de séchage.

Temps (min)

Vibration Courant

Figure II.3 Amplitude de la vibration et du courant de décharge pendant la période du
séchage

Il a été observé que :

· Le conducteur continue à vibrer même en l'absence de la pluie, mais avec une plus petite amplitude.

· Le style de la variation du courant de fuite (valeur moyenne) est semblable à celle de l'amplitude de vibration du conducteur; quand l'amplitude de la vibration est constante l'amplitude du courant est aussi constante.

· Le courant était pulsatif, avec le même taux de répétition comme ceux observé sous les conditions mouillées.

Ces résultats étaient la première indication de Farzaneh sur le rôle important de la décharge couronne ou la charge d'espace produite par les gouttes d'eau pendantes sur le conducteur pour maintenir l'oscillation du conducteur.

Pendant cette expérience il a été aussi observé qu'il n'y avait aucune goutte d'eau éjectée a partir des petites gouttes pendantes sur la surface inférieure du conducteur pendant la période du séchage. Donc l'éjection des gouttes d'eau ne devrait pas être la cause principale de la vibration induite par effet de couronne comme il a été rapporté dans quelques papiers antérieurs.

A t=t2, il a été décidé de modifier la tension appliquée; il a été observé que même avec une petite augmentation ou diminution de la tension, approximativement 5%, le conducteur est arrêté. Ces résultats ont été expliquées comme suit : le reste des gouttes pendantes sous la surface inférieure du conducteur pendant la période du séchage devraient avoir son volume optimal. Toute variation du champ électrique appliquée modifie l'équilibre, c.-à-d. une augmentation dans la tension appliquée provoque la perte d'une partie de l'eau de la goutte et sa forme devient moins conique. D'un autre côté si le champ électrique appliqué diminue en l'absence de la précipitation, c'est évident que les gouttes d'eau pendantes perdent aussi leur forme conique. Donc dans les deux cas l'intensité de la décharge diminue et la vibration s'arrête.

Dans un deuxième montage qui est semblable au premier, et afin d'examiner le rôle important de la charge d'espace dans le mécanisme de vibrations induites par effet de couronne, Farzaneh décide de remplacer les gouttes pendantes par des pointes métalliques d'une forme conique (Figure II.4).

HT

Pointes coniques

Cage

Oscilloscope Stylo

enregistreur

Stylo enregistreur

Jauge de contrainte Isolateur

Conducteur

Ressort

Isolateur

Figure II.4 Schéma du montage expérimental dans une configuration masse-ressort
avec pointes métallique suspendues de forme conique.

Il a été observé que :

· Juste après l'application de la haute tension, le conducteur subit quelque oscillation mais ensuite il s'arrête et revient à la position initiale.

· Le déplacement du conducteur est toujours vers la partie supérieure de la cage et l'amplitude de déplacement dépend de la valeur de la tension appliquée.

La figure II.5 montre la variation de l'amplitude de vibration en fonction de la tension appliquée pour différentes polarités.

Positive

Négative

DC- DC+ AC

Alternative

Champ électrique (kV/cm)

Figure II.5 Déplacement vertical du conducteur en présence des pointes coniques en
fonction du champ appliqué.

Il peut être vu que la variation de l'amplitude est de même forme pour les deux polarités de la tension continue, et elle est approximativement linéaire pour la tension alternative.

Ferzaneh conclu que la cause principale de déplacement du conducteur est l'annulation partielle de la force d'image entre le conducteur et la partie inférieure da la cage par la charge d'espace produite par les pointes coniques (effet d'écran).

Afin de mesurer la force totale qui induit les vibrations couronne c-à-d la somme des forces créées par les charges d'espace et le vent ionique, le montage précèdent de la figure II.4 a été utilisé. La force couronne induite est en fonction de la valeur moyenne du courant de décharge qui a été obtenu à partir du déplacement vertical du conducteur. La figure II.6 montre la force couronne induite en fonction du courant de décharge produit par une pointe conique pour les deux polarités de la tension continue appliquée au conducteur.

DC-
DC+

Courant de décharge produit par une pointe conique (uA)

Figure II.6 Force couronne induite en fonction du courant de décharge.

Regardant cette figure on peut remarquer que :

· Pour une intensité du courant de décharge entre 1 et 6.5uA, l'ordre de grandeur de la force couronne est environ 4x10^-3 N par pointe conique.

· Pour une même valeur du courant de décharge, la force couronne est plus grande pour la polarité positive que celle de la polarité négative. D'après Ferzaneh [4, 18] cette différence est due à la mobilité des ions positifs et négatifs. En effet la mobilité des ions positifs est plus petite que celle des ions négatifs et comme résultat la charge d'espace sous les pointes coniques est plus grande pour une décharge positive que pour une décharge négative pour un même courant de décharge. Par conséquent la force électrostatique répulsive entre les pointes coniques et la charge d'espace est plus grande en décharge positive que celle en tension négative.

Pour comparer l'effet du vent ionique avec ceux de la charge d'espace, Ferzaneh a présenté un autre montage expérimental constitué d'un bras tournant avec deux pointes coniques fixées en opposition sur ses extrémités. Les forces exercées sur ces deux pointes coniques sont déterminées à partir de l'accélération du bras quand il est soumis à une haute tension. Par cette méthode, il était capable de mesurer la vitesse du vent ionique, et a estimé l'amplitude de la force réactive dû au vent ionique. Les résultats montrent que le rôle du vent ionique dans le mécanisme de vibrations induites par effet de couronne est très petit. Par un autre montage expérimental, il observe que même en absence du vent ionique, lorsqu'il applique une haute tension à une sphère suspendue au-dessus d'un plan mis à la terre, elle vibre quand une charge d'espace est injectée dans l'espace intermittent. [18]

Afin de simuler les vibrations induites par effet couronne sur les lignes réelles Ferzaneh a remplacé le conducteur lisse de la figure II.1 par un conducteur toronné, et pour garder ce conducteur dans une ligne droite, une tension mécanique a été appliquée à chaque extrémité du conducteur (figure II.7).

Champ électrique sur la surface du conducteur (kV/cm)

Figure II. 7 Montage expérimental avec un conducteur toronné.

Il présente différentes courbes expérimentales illustrant le comportement de vibrations couronne pour plusieurs intensités de précipitation de la pluie et dans différentes polarités (Figure II.8, II.9).

Intensité de la précipitation (mm/h)

Figure II.8 Amplitude de vibration en fonction de l'intensité de la précipitation

Concernant les courbes de la figure II.8, la variation de l'amplitude est linéaire pour différentes valeurs du champ électrique et pour une précipitation de pluie inférieure à 25 mm/h. Pour des valeurs plus grandes que 25 mm/h, l'amplitude de vibrations devient constante.

Figure II.9 Amplitude de vibration en fonction du champ électrique pour différentes
polarités

Nous pouvons constater d'après la figure II.9 que :

· L'amplitude de vibration est moins significative pour les valeurs de champs inférieurs à 10 kV/cm et ensuite elle augmente avec l'augmentation du champ électrique et à partir d'une certaine intensité du champ, l'amplitude de vibration décroît.

· L'amplitude maximale est atteinte en courant alternatif pour une intensité de champ inférieure que celle correspondant au maximum en courant continu.

· L'amplitude de vibration est généralement plus élevée en courant continu négatif, et elle est moins élevée en alternatif qu'en continu.

Ferzaneh a également examiné l'effet du vent transversal sur les vibrations couronne, il trouve que :

· L'amplitude de vibration augmente légèrement avec l'augmentation de la vitesse du vent jusqu'à 10 km/h,

· Les vents transversaux aux vitesses comprises entre 10 et 25 km/h conduisent à une diminution de l'amplitude de vibrations induites par effet de couronne.

· Au-delà de 25 km/h, les vibrations sont de type éolienne et le champ électrique n'a aucun effet sur elles.