Les critères de dimensionnement

Le premier critère est un critère électrique rappelé précédemment à la sous-section 4.1.1. Le second est un critère mécanique. Pour des contraintes faibles, l’isolateur en matériau composite revient dans sa position initiale sans déflexion résiduelle. À court terme, pour des contraintes supérieures à 500 MPa mais inférieures à la contrainte de rupture (800 MPa), une rupture peut être observée après plusieurs jours. Sur le long terme, l’isolateur doit être conçu de façon à ce que les contraintes journalières soient de l’ordre de 300 MPa. Une charge exceptionnelle entraînant une contrainte autour de 500 MPa est admissible [Dumora, 1990].

Dans la suite, une contrainte exceptionnelle maximale de 600 MPa sera définie comme critère mécanique de conception.

4.2.2

Les types d’isolateurs

L’isolateur simple

L’isolateur simple, figure 4.1, constitue l’élément le plus simple de tous, mais aussi le plus sollicité. Avec sa connexion unique et encastrée au niveau de la console ou au niveau de la traverse, il transmet à la structure les différentes charges. Cependant, ce type de connexion induit des moments de flexion.

L’isolateur est conçu de manière à résister à la contrainte de flexion engendrée par la charge débalancée, dans le cas du givre et du vent. L’enjeu est d’étudier son comportement suivant différentes variables et de comprendre s’il est préférable d’augmenter la hauteur afin d’augmenter la déflexion et donc de réduire la charge longitudinale (dans le cas d’une charge dissymétrique), ou bien de la réduire afin de diminuer le moment à la base et donc la contrainte. Similairement, le diamètre sera choisi afin de réduire les contraintes, mais aussi favoriser la déflexion de l’isolateur pour balancer la charge longitudinale.

Isolateur

Câble

Figure 4.1 Représentation d’un isolateur simple sur SAP2000

L’isolateur est en matériau composite. La fibre utilisée est de la fibre de verre, et la résine est de la résine époxy.

On définit Eiso comme étant le module d’élasticité du matériau composite. Les propriétés

seront explicitées dans la partie 4.2.3. Le noyau de l’isolateur en composite est de forme cylindrique pleine, de diamètre diso et de hauteur Hiso. Le diamètre de la tige, élément

résistant de l’isolateur, est égal au diamètre de l’isolateur et l’impact du revêtement en caoutchouc sur le comportement est négligé.

Sachant cela, les variables introduites dans les modélisations sont :

- le diamètre diso de la tige,

- sa hauteur Hiso,

Dans le but de respecter le critère électrique de dimensionnement, la hauteur de l’isolateur a une taille supérieure à 1.1 m pour une tension de 90 kV et 1.7 m pour une tension de 225kV. Les fourchettes de variables utilisées sont présentées dans le tableau 4.8. Dans le chapitre 5, des précisions seront apportées sur les méthodes et les points de connexion ainsi que sur les modifications concernant les consoles. En effet, dans certains cas, et lorsqu’elles sont possibles, des modifications sur les consoles permettront de s’assurer du respect des distances à la masse.

Par la suite, les isolateurs simples seront notés de la façon suivante :

S1.1-0.06

où "S" signifie simple, suivi de la hauteur (1,1 m) et finalement du diamètre (0,06 m).

Tableau 4.8 Variables étudiées dans le cas de l’isolateur simple Isolateur simple

Variable diso (m) Hiso (m) Eiso(MPa)

90 kV 0,06 1,1 15000-40000 0,07 1,3 0,08 1,4 1,5 225 kV 0,07 1,7 15000-40000 0,08 1,8 1,9 L’isolateur double

L’isolateur double, figure 4.2, présente de nombreux avantages par rapport à l’isolateur simple. En effet, composé de deux isolateurs en matériau composite, encastrés en deux points de la console, il permet de maintenir un point d’attache fixe dans le cas du vent et donc d’empêcher le mouvement dans la direction transversale. Néanmoins, une flexibilité suffisante dans le sens longitudinal est observée et balance la charge longitudinale. Le second avantage est la meilleure répartition des charges et des moments sur la console grâce aux deux points d’attache. Une réduction de la contrainte dans les isolateurs est attendue, de même qu’une réduction du diamètre (et donc de la charge longitudinale). Le même matériau et les mêmes variables que pour l’isolateur simple sont utilisés. Un para- mètre supplémentaire se doit d’être déterminé : l’écart entre les deux points de connexions. Pour l’instant, on suppose un écartement maximal c’est-à-dire que l’écartement est égal à la longueur de la console.

Isolateur

Câble

Figure 4.2 Représentation d’un isolateur double sur SAP2000

Le tableau 4.9 résume les variables utilisées dans le cas des isolateurs doubles. Par la suite, les isolateurs doubles seront notés de la façon suivante :

D1.1-0.06

où "D" signifie double, suivi de la hauteur et finalement du diamètre.

Tableau 4.9 Variables étudiées dans le cas de l’isolateur double Isolateur double

Variable diso (m) Hiso (m) Eiso (MPa)

90 kV 0,06 1,1 15000-40000 1,3 1,4 1,6 225 kV 0,07 1,7 15000-40000 1,8 1,9 L’isolateur rotulé

Présenté dans l’état de l’art, l’isolateur rotulé constitue un véritable atout pour le relève- ment des lignes. Outre la dispense de console et la possibilité de se connecter directement à la structure, des points d’attache rotulés autorisent l’isolateur à se déplacer pour ré- équilibrer les charges longitudinales. La géométrie simplifiée est présentée à la figure 4.3. Lorsque la valeur X = 0, l’axe de rotation coïncide avec l’axe du pylône et des problèmes d’instabilité et de contact entre les conducteurs et la structure peuvent survenir. Ainsi X doit être maintenu strictement positif. Durant sa rotation, l’isolateur s’élève, lui assurant un retour à la position initiale au repos par gravité. Une structure, ou un bras métallique, est ajoutée afin de créer l’inclinaison de l’axe de rotation. L’isolateur rotulé est composé de deux isolateurs : un isolateur en compression et un isolateur en suspension pour le contre- ventement. Ici encore, le matériau composite est choisi, notamment pour son faible poids.

Cependant, n’étant pas sollicitée en flexion, la céramique pour l’isolateur en compression et l’isolateur en suspension est un choix possible.

X

Liso

Hiso

Figure 4.3 Représentation d’un isolateur rotulé avec ses paramètres

Le comportement de l’isolateur peut se réduire à deux variables qui sont la longueur Liso

et l’angle, appelé θ, où θ = atan(_HX

iso). Cependant, on traitera plus souvent avec X et Hiso qui rendent compte plus facilement de la géométrie de l’isolateur. Des études de stabilité avec d’autres cas de charge seront menées afin de valider cette solution. Par la suite, les isolateurs rotulés seront notés de la façon suivante :

R1.5-1.25

où "R" signifie rotulé, suivi de la longueur, de la hauteur et si besoin, de l’espacement X.

Tableau 4.10 Variables étudiées dans le cas de l’isolateur rotulé Isolateur rotulé

Variable X (m) Hiso (m) Liso(m)

90 kV 0,7 1 1,5 0,8 0,9 1 1.25 1,6 1,1 1,2 225 kV 1,3 1,7 1,7 1,4 1,8 1,5 2,1

Autres types de solutions

D’autres types de solutions ont été imaginées, étudiées, mais non retenues. Parmi celles- ci, un isolateur contreventé dont les points d’attache sont encastrés, figure 4.4. Les deux isolateurs composant l’isolateur contreventé sont faits de matériau composite dont le faible module d’élasticité permet la déflexion. La figure 4.5 reprend le concept précédent en inversant la position du contreventement, à présent sollicité en compression. L’avantage

d’une telle solution est de supprimer les consoles. Cependant, contrairement à l’isolateur rotulé, ces derniers sont encastrés directement sur la structure et induisent d’énormes efforts et moments.

Isolateur

Câble

Figure 4.4 Représentation d’un isolateur contreventé sur SAP2000

Isolateur

Câble

Figure 4.5 Représentation d’un isolateur contreventé inversé sur SAP2000