Tableau III.1Niveaux de pollution et salinités utilisées……….. 37 Tableau III.2Caractéristique électrique et mécanique de l’isolateur U40B……… 39 Tableau III.3Caractéristique électrique et mécanique de l’isolateur U120B…………. 40 Tableau III.4Essais sur l’isolateur U40B sec et propre ………. 44 Tableau III.5Essais sur l’isolateur U40B pour une pollution légère (2,5 kg/m3)……... 44 Tableau III.6Essais sur l’isolateur U40B pour une pollution légère (5kg/m3)……….. 44 Tableau III.7Essais sur l’isolateur U40B pour une pollution moyenne (10kg/m3) ….. 45 Tableau III.8Essai sur l’isolateur U40B pour une pollution moyenne (14kg/m3)……. 45 Tableau III.9Essais sur l’isolateur U40B pour une pollution élevée (40 kg/m3)……. 45 Tableau III.10Essais sur l’isolateur U40B pour une pollution élevée (56kg/m3)…….. 46 Tableau III.11Essais sur l’isolateur U40B pour une pollution très élevée (112kg/m3)… 46 Tableau III.12Essais sur l’isolateur U40Bpour une pollution très élevée (224kg/m3)….. 46 Tableau III.13Tension de contournement en fonction de la salinité pour l’isolateur U40B 47 Tableau III.14Essais sur l’isolateur U120B pour une pollution légère (2,5 kg/m3)…… 48 Tableau III.15Essais sur l’isolateur U120B pour une pollution légère (5kg/m3)……… 48 Tableau III.16Essais sur l’isolateur U120B pour une pollution moyenne (10kg/m3)…. 48 Tableau III.17Essai sur l’isolateur U120B pour une pollution moyenne (14kg/m3)….. 49 Tableau III.18Essais sur l’isolateur U120B pour une pollution élevée (40 kg/m3)….. 49 Tableau III.19Essais sur l’isolateur U120B pour une pollution élevée (56kg/m3)…… 49 Tableau III.20Essais sur l’isolateur U120B pour une pollution très élevée (112kg/m3).. 49 Tableau III.21Essais sur l’isolateur U120Bpour une pollution très élevée (224kg/m3)… 50 Tableau III.22Tension de contournement en fonction de la salinité pour
l’isolateur U120B……… 50
Liste des tableaux
Introduction générale
Introduction générale
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Introduction générale
L’énergie électrique joue un rôle très important dans le développement et l'évolution de l'industrie et l'économie du pays. De ce fait, il faut assurer, à tout instant, un équilibre entre la demande croissante et la production de l'énergie. C'est pour cela, qu'une très grande part d'importance est attachée aux réseaux électriques, principalement aux lignes de haute tension. Parmi les équipements électriques constituant les réseaux aériens, un intérêt particulier doit être porté aux isolateurs[10].
Les isolateurs sont des éléments essentiels dans la conception d’une ligne aérienne. Leur rôle est de relier les conducteurs sous tension aux supports et d’assurer l’isolement électrique entre ces deux parties constitutives de la ligne. En effet, le choix du type d’isolateur, les contrôles de réception, la surveillance en exploitation doivent être faite avec un maximum de soin, pour assurer le bon fonctionnement de la ligne[29].
Les lignes aériennes et les postes des réseaux de transport d’énergie électrique sont exposés à diverses contraintes telles que la pollution des isolateurs. Celle-ci constitue l’un des facteurs de première importance dans la qualité et la fiabilité du transport d’énergie[4].
La pollution des isolateurs est un phénomène qui agit négativement sur le comportement des isolateurs de haute tension et constitue un problème majeur dans la dégradation de l’isolement des ouvrages (postes et lignes). Portés par le vent et déposés sur la surface isolante des chaînes des isolateurs, et en présence d’humidité, les divers dépôts polluants deviennent plus ou moins conducteurs. Ce qui engendre une diminution conséquente de la tension de tenue des isolateurs. Des arcs électriques prennent naissance à la surface isolante et peuvent éventuellement, se développer en provoquant le contournement total des isolateurs.
En général, la distribution de la pollution à la surface des isolateurs n’est pas répartie de façon uniforme. En effet, les conditions électro-géométriques et climatiques jouent un rôle important dans l'accumulation et la distribution de la pollution sur la surface d’un isolateur [8].
Introduction générale
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Le présent travail porte sur l'étude de l'effet de la pollution sur la tension de contournement d’un isolateur, pour cette raison, celui-ci est subdivisé en trois chapitres :
Le premier chapitre sera consacré à des rappels concernant les isolateurs utilisés dans les réseaux électriques, et leur constitution ainsi que les différents types d’isolateur existants et leur fonctionnement, sous les contraintes mécaniques et électriques et climatiques, ainsi que les matériaux entrent dans leurs fabrications.
Le deuxième chapitre sera réservé à l’analyse des phénomènes de pollution et les différentes méthodes d’essais d’isolateurs sous pollution naturelle et artificielle,et leurs conséquences, ainsi que les techniques de lutte contre ces phénomènes.
Le troisième chapitre est consacré aux essais et résultats expérimentaux ainsi qu’à leur interprétation.
Enfin, nous terminons notre mémoire par une conclusion générale, représentant une synthèse globale de notre travail.
Chapitre I
Généralités sur les isolateurs
Chapitre I Généralités sur les isolateurs
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I.1 Introduction
Les équipements Haute Tension des réseaux aériens de transport de l'énergie électrique sont supposés opérer de façon fiable sous des conditions environnementales spécifiques pour lesquelles ils sont prévus. En particulier, les isolateurs, qui représentent relativement un faible pourcentage dans le prix des lignes aériennes, constituent un élément essentiel dans le bon fonctionnement de ces lignes. Leur rôle est d'assurer l'isolement électrique entre les parties portées à laH.T[13].
Les isolateurs sont des éléments indispensables au transport et à la distribution de l’énergie électrique, leur fonction est réaliser une liaison mécanique entre des conducteurs portés à des potentiels différents.
Dans ce chapitre nous allons présenter les isolateurs de haute tension, ses types et leurs fonctionnements.
I.2 Historique
Les isolateurs étaient réalisés en verre, ou en céramique (dérivés de stéatite par exemple), on en trouve désormais en matériau synthétique.
Les isolateurs en verre ou céramique des lignes à haute tension ont généralement la forme d’une assiette. On les associe entre eux pour former des chaines d’isolateurs. On trouve aussi des isolateurs sous forme de colonne, avec toujours un profil en ailettes pour allonger la ligne de fuite, c’est à-dire la distance aux limites de l’isolateur, mesurée en suivant le profil de l’isolateur.
Figure I.1Les isolateurs de haute tension
Chapitre I Généralités sur les isolateurs
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Depuis la fin du XXe siècle, les matériaux composites sont de plus en plus utilisés pour fabriquer des isolateurs en réalisant un axe central en fibre de verre et en surmoulant par dessus une matière silicone ou EPDM.
Les isolateurs composites sont plus légers, généralement moins chers et présentant une excellence hydrophobicité. Ils sont surtout prisés pour les zones fortement polluées et dans les zones urbaines ou ils résistent mieux au vandalisme[10].
I.3 Les isolateurs
I.3.1 Définitions
L’isolateur: est un matériau isolant solide qui présente une très grande résistance au passage du courant et dont la conductibilité est pratiquement nulle. Il est utilisé pour isoler les conducteurs ou les pièces sous tension afin d’empêcher les courts-circuits, les pertes de courant et les charges d’électrocution[9].
Le Contournement : se produit sur la surface de l’isolateur lorsqu’une décharge électrique s’établit entre ses extrémités et contourne la surface de l’isolateur.
Le contournement provoque l’ouverture du disjoncteur, car il établit un court circuit entre le conducteur et le pylône (défaut monophasé à la terre) (figure. I.2).
Le contournement cause habituellement l'interruption momentanée de l'écoulement de l'énergie dans le réseau[29].
La tension de contournement: est le niveau de tension le plus bas à partir duquel tous les arcs joignent les deux électrodes. La tension de contournement dépend[9]:
Figure I.2Photographies du contournement d’un isolateur [29]
Chapitre I Généralités sur les isolateurs
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- de la résistivité volumique moyenne de la pollution ; - de la répartition de la couche de pollution ;
- de la longueur de l’isolateur ; - du profil de l’isolateur.
La tension de tenue: est le niveau de tension le plus important, que peut supporter une isolation sans provoquer de décharge disruptive.
Le courant de fuite: est un courant de faible amplitude, circulant à travers la couche polluante le long de la surface de l’isolateur, son intensité devient importante lorsqu’on s’approche de la tension de contournement. Il dépend de plusieurs facteurs tels que la nature de la couche polluante et de la longueur de la ligne de fuite[23].
Dans les conditions de forte humidité, la dissolution des sels contenus dans la couche polluante, provoque la formation d’une couche électrolytique.
Le facteur de forme (F) d’un isolateur: est déterminé par les dimensions de l’isolateur. Pour l’estimation graphique du facteur de forme, on trace la courbe de l’inverse de la circonférence (1/p) en fonction de la longueur de la ligne de fuite partielleLe facteur de forme est donné par l’aire située sous la courbe et calculé suivant la formule : [21]
l :étant la longueur partielle de l’isolateur (m)
P(l) :Périmètre de l’isolateur en fonction de la longueur de fuite partielle
I.4 Fonctionnement d’un isolateur
Les isolateurs sont des composants indispensables au transport et à la distribution de l’énergie électrique. Leur fonction est de réaliser une liaison mécanique entre des conducteurs portés à des potentiels différents accrochés aux pylônes des lignes aériennes. Ils maintiennent les conducteurs dans la position spécifiée (isolateurs d’alignement et d’ancrage), ils assurent la transition entre l’isolation interne (huile, SF6) et l’isolation externe (air atmosphérique). Ils permettent de raccorder les matériels électriques au réseau (traversées de transformateur,
Chapitre I Généralités sur les isolateurs
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extrémités de câbles) et ils constituent, également, l’enveloppe de certains appareils (disjoncteurs, parafoudres, réducteurs de mesure)[8].
Les isolateurs sont conçus et dimensionnés pour résister aux contraintes prévisibles introduites par l’environnement. Du point de vue électrique, l’isolateur est considéré comme deux électrodes dont l’intervalle comporte trois zones constituant trois isolants en parallèle ayant des comportements différents, qui sont les suivants :
L’intervalle d’air ;
Le matériau diélectrique ;
L’interface air - matériau diélectrique. (La longueur de l'interface constitue la ligne de fuite ligne le long de laquelle circulerait le courant de fuite).
I.5 Constitution d’un isolateur
Un isolateur est constitué :
d’une partie isolante ;
des pièces métalliques ;
d’un scellement qui assure la liaison mécanique entre les parties isolantes entre elle ou aux pièces métalliques. Le scellement doit être conçu et fabriqué de façon à satisfaire aux essais d’endurance thermomécanique[31].
I.6 Caractéristique d’un isolateur
Parmi les valeurs spécifiées dans les normes d’essais d’isolateurs, nous pouvons citer :
Le pas P : est la distance séparant deux parties homologues de deux isolateurs consécutifs dans une chaîne. La détermination de ce paramètre nous permet donc de connaître la longueur d’une chaîne ayant un nombre donné d’isolateurs.
La ligne de fuite Lf: est la plus courte distance, suivant les contours de la surface extérieure des parties isolantes, mesurée entre les parties métalliques.
La ligne de contournement Lc : est la distance la plus courte dans l’air entre deux parties conductrices[22].
Chapitre I Généralités sur les isolateurs
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I.7 Différents types d’isolateurs
L’utilisation des diélectriques solides est très répandue dans les lignes aériennes et les postes. On les rencontre sous ces différentes formes
I.7.1 Isolateurs supports
On appelle isolateurs supports, des pièces isolantes destinées à supporter, en isolant des éléments conducteurs des traversés. Ils sont utilisés par exemple comme support de jeux de barres dans les postes de transformation[18].
Figure I.3Les caractéristiques d’un isolateur[22].
Figure I.4Photographie d’un isolateur support[30].
P
Chapitre I Généralités sur les isolateurs
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I.7.2 Isolateurs de traversées
Les isolateurs de traversées sont des pièces isolants établies pour permettre le passage d’un conducteur sous tension à travers un obstacle plus au moins conducteur (mur, paroi, etc...), on les trouve aussi aux bornes des transformateurs[6].
I.7.3 Isolateurs de lignes aériennes I.7.3.1 Isolateurs rigides
Ce type d’isolateur permet d’obtenir une liaison rigide entre le support et le câble. Il est constitué d’un ou plusieurs isolateurs encastrés et scellés entre eux, ils sont fixés aux pylônes par des ferrures de différentes formes (Figure I.6). Ils sont montés sur pylônes soit d’une façon verticale, horizontale ou oblique (inclinée). Mais ce type d’isolateurs est utilisé pour les lignes aériennes qui ne dépassent pas le niveau de tension de 60 kV[27].
C: Cloche T: Logement de tige Figure I.5Isolateur de traversée[30].
Figure I.6Isolateur rigide[27].
Chapitre I Généralités sur les isolateurs
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I.7.3.2 Isolateurs suspendus ou éléments de chaîne.
Elément de chaîne: c’est un isolateur constitué par un matériau isolant équipé de pièces métalliques de liaison , nécessaire pour le relier de façon flexible à d’autres éléments de chaîne, à la pince de suspension du conducteur ou au support, ces éléments sont soumis principalement à des efforts de traction. Il existe deux types principaux d’éléments de chaîne[32]:
L’isolateur long fût ;
L’isolateur à capot et tige.
.
Isolateur long fût: Il est constitué d’un bâton cylindrique plein en céramique, en porcelaine ou en matériaux synthétiques, muni d’ailettes. A chaque extrémité, il y a une pièce métallique pour les liaisons. Cette extrémité métallique peut se présenter sous deux formes distinctes, soit elle est à extrémités tronconiques sur le cylindre (Figure I.8.), soit en forme de tige scellée dans une cavité prévue à cet effet (figure I.9)[14].
Figure I.7Assemblage à rotule[32].
Chapitre I Généralités sur les isolateurs
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Isolateurs à capot et tige: La coupe d’un tel isolateur est schématisée sur la (figure I.10). La forme de la tète est dessinée de sorte que les efforts de traction appliqués à l’isolateur se transforment, autant que possible, en compression des diélectriques sur lesquels apparaissent, toutefois, inévitablement certaines contraintes de cisaillement. La forme en contre-dépouille de l’intérieur de la tête, nécessaire à l’accrochage du scellement de la tige, est obtenue soit par le pas d’une vis qui se dégage après le pressage du diélectrique, soit par une déformation ou un usinage postérieur à la formation de la tète, dans le cas d’isolateur en céramique. Cette contre-dépouille peut être évitée pour ces isolateurs par l’application, avant cuisson, de petits morceaux de pates précuite qui, après cuisson, feront corps avec pièce et permettront l’accrochage du mortier ; ce procédé connu sous le nom de Sandage est couramment utilisé[17].
Figure I.8Isolateur à long fut à extrémités métalliques tronconiques[9].
Figure I.9Isolateur à long fut à extrémités métalliques des formes tiges scellées[9].
Figure I.10Isolateur à capot et tige[17].
A: Capot (fonte malléable, galvanisée à chaud) B: Diélectrique (verre trempé ou céramique) D: Mortier de ciment alumineux ou portland C: Tige (acier, galvanisé à chaud)
L: plus courte distance dans l’air, extérieur à l’isolateur
ε: Longueur du canal de perforation, ε << L /2
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Profil standard
La faible profondeur, l'espacement entre les anneaux (nervures) et la ligne de fuite moyenne permettent l'utilisation de ce profil dans une zone de pollution modérée.
Profil antibrouillard
Il est plus large que le profil standard, l'écartement entre les anneaux permet un bon nettoyage par le vent ou la pluie et facilite le lavage manuel si nécessaire. L'espacement prévient également l'apparition d'arcs entre les anneaux adjacents dans des conditions sévères de pollution.
Figure I.11Principaux types d’isolateurs à capot et tige[19]. (b) Profil standard (a) Profil antibrouillard
(d) Profil ouvert (c) Profil sphérique
Chapitre I Généralités sur les isolateurs
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Profil ouvert
La suppression complète des anneaux permet de réduire l'accumulation des dépôts polluants. Ce type de profil est particulièrement efficace en régions désertiques où le lavage par pluie est très rare.
Profil sphérique
Ce type de profil donne une ligne de fuite équivalente au profil standard, mais l'absence d'anneaux facilite le nettoyage manuel[28].
I.8 Matériaux isolants utilisés pour la fabrication des isolateurs
On trouve plusieurs isolants solides qui peuvent être utilisés pour la fabrication des isolateurs de haute tension comme le verre, la céramique et la porcelaine. Mais durant ces dernières années, la porcelaine est de plus en plus abandonnée à cause de deux inconvénients principaux qui sont : le poids lourd des isolateurs et la difficulté de détection des amorçages.
Ces dernières années on s’intéresse de plus en plus à l'utilisation des isolateurs en matériaux polymères[4].
I.8.1 Céramique
Le développement et la fabrication des céramiques datent depuis longtemps à cause de leurs performances. Pour les isolateurs qui vont être utilisés dans des lieux où il y a des contraintes mécaniques très importantes, on utilise de préférence des céramiques à grains très fins. Souvent, on trouve les céramiques dans les postes: isolateurs supports, couverture isolante des sectionneurs, des disjoncteurs, des transformateurs de potentiel et des bornes de traversées des transformateurs de puissance[29].
I.8.2 Verre
En Algérie, les isolateurs utilisés dans les lignes de moyenne et haute tension sont en verre. Parmi les avantages que présentent le verre, le bas prix et l’observation des défauts sont très facile. On trouve deux types de verre pour la fabrication des isolateurs : le verre trempé et le verre recuit .
a- Le verre recuit : Le verre recuit est utilisé pour la fabrication d’isolateurs rigides, mais présente cependant des inconvénients. Parmi ces inconvénients, nous citons le
Chapitre I Généralités sur les isolateurs
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fait qu’il ne résiste pas aux variations brusques de la température et qu’il ne supporte que des tensions mécaniques relativement faibles et c’est pour cette raison qu’il n’est pas utilisé pour la fabrication des isolateurs de suspension.
b- Le verre trempé : La résistance à la traction du verre trempé est environ 5 à 6 fois plus grande que le verre recuit et peut supporter des variations brusques de température pouvant atteindre 100° C.
I.8.3 Matériaux synthétiques
Les isolateurs en matériaux synthétiques sont composés d’un centre en fibres de verre imprégnées d’une résine et d’un revêtement à ailettes de type élastomère. Leur avantage est qu’ils sont légers et présentent une grande résistance mécanique. Ils ont de bonnes propriétés hydrophobes et peuvent être utilisés dans des conditions de pollution très sévères.
L’inconvénient de ces isolateurs est le vieillissement sous l’effet des différentes contraintes auxquelles ils sont soumis (électriques, mécaniques, atmosphériques,…)[4].
I.9 Contraintes subites par l’isolateur
L’isolateur est loin d’être épargné des contraintes néfastes réparties en trois classes : A : pièces d'accrochage métallique.
B : noyau en fibre de verre-résine.
C : Revêtement à ailettes en matériaux synthétique
Figure I.12Profil d'un isolateur en matériaux synthétique[4].
Chapitre I Généralités sur les isolateurs
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I.9.1 Contraintes mécaniques
Du fait de leur conception, les chaines d’isolateurs sont articulées (avec un faible degré de liberté) à chaque isolateur, ce qui permet de les faire travailler exclusivement à la traction :
- Charge permanente appliquée à la chaîne (poids des conducteurs, des accessoires) ; - Surcharge exceptionnelle du au vent ;
- Les dimensions de chaque élément de l’isolateur dépendent de la charge mécanique qui est supportée ; lorsque la charge augmente les dimensions augmentent aussi.
I.9.2 Contraintes climatique et d’environnement
Les isolateurs sont spécialement influencés par la contamination de l’environnement , dans les ouvrages (lignes et postes) installés en bordure de mer , les embruns portés par les vents déposent progressivement sur les isolateurs une couche de sel ,qui à plus ou moins longue échéance ,ensuite recouvre toute la surface de l’isolant y compris les parties les mieux protégées .Cette couche de sel humidifiée par les embruns eux-mêmes par un brouillard ou simplement par condensation, devient conductrice. Ce qui donne naissance à un courant de fuite qui s’établit à travers la couche superficielle, et dans certaines conditions des arcs peuvent se développer et provoquer le contournement total de l’isolateur.
I.9.3 Contraintes électriques
Ce type de contraintes est important, et elles se résument en :
- Tension de service: c’est la tension normale que supporte l’isolateur en service ; - Décharge disruptive: phénomène associé à une défaillance de l’isolateur sous l’effet de la contrainte électrique, avec chute de la tension et passage d’un courant entraînant une perte permanente de la rigidité diélectrique ;
- Tension de contournement (à sec et sous pluie) : c’est la plus faible tension produisant un amorçage entre un conducteur et la masse ;
- Surtensions accidentelles: elles sont de brève durée pouvant être à l’origine d’un orage ou d’un régime transitoire[24].
I.10. Choix des isolateurs
Le choix d’isolateur se fait en tenant compte : - De la tension de service de la ligne ;
- Des efforts mécaniques auxquels ils sont soumis ;
Chapitre I Généralités sur les isolateurs
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- De leur nature (rigide ou suspendue), en fonction du prix du revient de la ligne et de son importance ;
De la pollution du site.
Les isolateurs doivent présenter trois qualités principales :
- Une rigidité diélectrique suffisante pour tenir la tension de service sans qu’il se produise ni percement de l’isolation ni arc de contournement ;
- L’isolation doit être constituée de manière à réduire les fuites de courant ;
- L’isolateur doit avoir les propriétés mécaniques requises pour résister aux sollicitations exercées sur lui par le conducteur[5].
I. 11 Classification des isolateurs en Haute Tension
Conformément à la publication CEI, les isolateurs de lignes aériennes sont divisés en
Conformément à la publication CEI, les isolateurs de lignes aériennes sont divisés en