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.
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