Les vents associés au verglas

Les données actuellement disponibles indiquent que la probabilité de vents extrêmes augmente avec la persistance et est indépendante de l’accumulation du verglas. La probabilité de vents extrêmes à la suite d’un épisode de verglas est supérieure à celle de ces mêmes vents pour les journées sans verglas.

Une analyse sommaire des données historiques pour Dorval et St-Hubert montre que la vitesse moyenne des vents, durant une tempête de pluie verglaçante, pour la période de 24 heures consécutives à la tempête, est supérieure à la vitesse moyenne annuelle. Ceci démontre qu’il est incorrect de ne considérer que les charges causées par les dépôts de glace lors des tempêtes de verglas mais qu’on doit y ajouter les charges de vent qui les accompagnent.

Les charges de vent et de verglas peuvent être évaluées en combinant les observations maximales de verglas accumulé lors d’une tempête avec les effets des vents maximaux observés pour une période de plus de 24 heures après la tempête, si les températures demeurent sous le point de congélation.

Selon l’approche adoptée par les spécialistes d’Hydro-Québec, conformément à la norme SN-40.1, la probabilité de la combinaison d’un vent extrême lors d’une accumulation extrême de verglas sur les structures est considérée comme faible. Les variables aléatoires pour le vent et le verglas y sont considérées comme indépendante ; les distributions pour le vent et le verglas sont combinées pour obtenir un intervalle de récurrence équivalent à 120 ans (2 ans pour le verglas et 60 ans pour le vent) ou à 225 ans (3 ans pour le verglas et 75 ans pour le vent). L’intervalle de récurrence effectif pour le vent est calculé en considérant le nombre moyen de jours durant lesquels le verglas est présent sur les structures, pour les deux types de zones de glace (12 jours pour les zones de type 1 et 20 jours pour les zones de type 2). Dans les zones 1 et 2, un facteur d’ajustement (de 30 et de 15) est appliqué aux intervalles de récurrence pour le vent, afin de réduire l’intervalle de récurrence effectif du vent à 2 ans et 4 ans respectivement pour les niveaux de fiabilité normale et élevée dans la zone 1, et à 3 et 5 ans dans la zone 2. Il est erroné de considérer que ces événements ont une période de récurrence de 120 et 225 ans dans ces zones. Aucune autre combinaison de vent et de verglas n’est considérée dans la norme SN-40.1.

L’approche préconisée par l’ASCE, dans la révision la plus récente de ses normes, diffère celle d’Hydro-Québec. Elle vise au contraire à calculer les distributions du vent et du verglas, à partir d’une analyse statistique des données météorologiques de chaque station, en

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considérant leurs effets combinés sur les structures. Pour les structures de dimensions relativement faibles – comme dans le cas des tours de télécommunications, par exemple – les critères proposés sont basés sur un vent en rafale, d’une durée de trois secondes. Pour de plus grandes structures – comme des pylônes de ligne de transport d’électricité – les critères proposés sont basés sur ce qu’il est convenu d’appeler le « vent du mille le plus rapide ». Le vent associé au verglas est estimé pour chaque site ou région en analysant la série temporelle des données sur le vent et le verglas des stations météorologiques. Pour chaque observation, la surcharge (W) résultant des effets combinés du vent et du verglas peut ainsi être calculée. L’analyse de l’ensemble des observations permet d’obtenir les paramètres de distribution des cas extrêmes.

À partir de cette distribution, il est possible d’estimer les charges correspondantes, selon un intervalle de récurrence de fortes tempêtes de verglas de 50 ans (W₅₀), par exemple. Afin de simplifier la norme, pour un tel intervalle de récurrence (R₅₀), la vitesse du vent associé (V₅₀) à l’accumulation de verglas est évaluée en fonction de la charge W₅₀, en utilisant l’équation suivante :

où ρest la densité de l’air, D le diamètre du conducteur et Cle coefficient de traînée (égal à 1 dans la plupart des cas). Cette vitesse correspond au vent maximum.

La rafale maximale (G₅₀), par définition d’une durée de trois secondes, peut être estimée selon la relation suivante (en première approximation) :

La notion de vent associé à la charge de verglas extrême est également considérée dans l’élaboration des plans et devis des pylônes de télécommunications⁶³. Le niveau de fiabilité pour ces structures est en général beaucoup plus élevé que celui exigé pour les lignes de transport d’électricité. Par contre, les critères reliés à l’accumulation de verglas correspondent à une incidence ponctuelle, plutôt qu’à des incidences régionales. Pour le sud du Québec, la pratique actuelle est de concevoir les structures de télécommunications en fonction d’une accumulation appréhendée de 25 à 40 mm de verglas, combinée à des vents correspondant à 70 % de la vitesse de référence (ou 50 % de la pression).

Des spécialistes⁶⁴ ont analysé les données météorologiques de plusieurs stations à travers le Canada, pour en conclure que les charges de vent et de verglas peuvent varier entre 0,3 à 0,9 de la valeur maximale annuelle, selon la localisation du site. Le facteur de 0,7, spécifié dans la norme CSA S-37, apparaît adéquat, dans 85 % des cas.

Ainsi, il ressort que les critères de conception des lignes de transport d’électricité utilisés par Hydro-Québec sont comparables à ceux des autres entreprises d’électricité du nord-est de l’Amérique du Nord. Cependant, on aurait pu mieux déterminer l’intervalle de récurrence des tempêtes extrêmes de verglas sur une base régionale et de redéfinir les critères de conception des lignes d’électricité en conséquence. Ceux actuellement utilisés par Hydro-Québec (norme SN-40.1) n’apparaissent pas suffisamment sévères : ils ne prennent en compte que le verglas, sans considérer les effets du vent qui lui est généralement associé.

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63. Canadian Standards Association, Norme CSA S-37.

64. Y.M.F. WAHBA. etal., « Combined Wind and ice loading on antenns towers » dans Canadian Journal of Civil Engineering, vol. 20 (1993), p. 1047-1056.

Le niveau de fiabilité d’une ligne de distribution d’électricité décroît en fonction du temps en raison de sa détérioration par suite de corrosion, de fatigue mécanique ou de tout autre processus de détérioration. Le maintien du réseau électrique nécessite un entretien particulier, comportant des inspections périodiques, afin d’identifier les lignes susceptibles de connaître des bris et celles qui sont le plus critiques pour le réseau⁶⁵.

Un programme d’inspection et d’entretien des pylônes est un élément nécessaire de tout plan de gestion d’un réseau de transport d’énergie. L’objectif d’un tel programme est de maintenir la fiabilité du réseau au-dessus du niveau minimum souhaitable. Ce type de programme est généralement basé sur une inspection visuelle des installations jointe à une appréciation qualitative de l’état de ses composants. Les éléments généralement considérés sont : (1) le revêtement, (2) les boulons et les joints, (3) les membrures, (4) les points d’attache des conducteurs, (5) l’attache du câble de garde, (6) la fondation, (7) la mise à terre, (8) les embases, (9) les brins des conducteurs, (10) les brins du câble de garde, et (11) les chaînes d’isolateurs.

Ontario Hydro a développé un système permettant l’examen des lignes, sur la base d’observations visuelles et subjectives recueillies durant l’inspection des lignes. L’utilisation de la technique de la logique floue permet d’interpréter les renseignements compilés en fonction d’une combinaison d’information de nature subjective et d’information de nature objective.

EDF⁶⁶ a également développé un système informatique pour la gestion de la maintenance de ses lignes de distribution d’électricité⁶⁷. Un premier module est utilisé afin d’analyser l’historique des interruptions de service et leur cause. Les facteurs considérés sont de natures météorologiques (neige, pluie, vent, verglas, et orages électriques) et environnementale (oiseaux, bris d’arbres). Ils prennent aussi en compte les effets de la détérioration des composants. Un deuxième module assigne chaque tronçon à une catégorie de risque de panne : (1) courte durée, et (2) risque permanent d’incidence. Une liste de solutions adéquates (maintenance ou remplacement) est ajoutée à la précédente, pour chaque tronçon.

Pour la distribution des enveloppes budgétaires, un troisième et dernier module présente l’information diagnostique générée par le système ; pour une enveloppe budgétaire donnée, le système devra identifier les actions de maintenance et de remplacement les plus efficaces afin de maximiser l’indice de continuité de service du réseau. Les avantages du système sont l’uniformisation de la procédure d’évaluation du réseau et de l’allocation des ressources.

En Australie et en Nouvelle-Zélande⁶⁸, d’autres stratégies de maintenance des réseaux sont adoptées. La maintenance préventive débute avec une inspection visuelle des installations : celle-ci vise les fondations, les membrures, les chaînes d’isolateurs, les conducteurs, la quincaillerie, les amortisseurs, les entretoises et les connections. Les activités de maintenance préventive sont : la peinture des membrures, le contrôle de la végétation, le remplacement de certains composants, des tests non destructifs et l’échantillonnage. La performance du réseau

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65. B. McMAHON, Reliability and maintenance practices for Australian and New Zealand HV transmission lines, Conference on the reliability of transmission and distribution equipement, conference publication n^o406. IEEE. 29-31 mars, 1995.

66. Électricité de France (EDF).

67. M. CLEMENT et A. MARTY, Computer aided maintenance for distribution lines : an expert approach of failure risk evaluation. Third international conference on probabilistic methods applied to electric systems, conference proceedings no. 338, IEEE, 1991.

68. B. McMAHON, op. cit., note 65.

est souvent mesurée en termes du nombre de pannes ou de l’indice de continuité de service et est utilisée pour établir une priorité de maintenance des lignes. Certains systèmes ont été développés afin d’établir la prévision des besoins de maintenance sur un réseau. Tous les éléments du réseau sont répertoriés dans une base de données ainsi que les coûts de remplacement. Un indice d’état est assigné à chacun des éléments sur la base des inspections visuelles régulières ainsi qu’une estimation de la vie résiduelle. À l’emplacement de chacune des structures, les facteurs environnementaux affectant la détérioration des équipements sont notés. Le programme utilise cette information pour estimer la date de remplacement de chaque élément et les coûts associés.

Les systèmes d’inspection et d’évaluation de l’état des lignes de transport et de distribution d’électricité constituent des éléments essentiels d’un système de gestion des risques pour un réseau afin de maintenir un niveau de fiabilité conforme aux normes originales de conception. L’objectif de ces systèmes est de maintenir un niveau uniforme de fiabilité à travers le réseau, d’en identifier les points faibles et d’optimiser l’allocation des fonds pour sa maintenance et sa réhabilitation. Plusieurs de ces systèmes sont en cours de développement afin d’être intégrés dans un système de gestion des risques pour un réseau.

Toutefois, sur la base des informations disponibles, aucun système équivalent ne semble être présentement utilisé par Hydro-Québec pour vérifier l’état des lignes de transport et de distribution et leur incidence sur la fiabilité du réseau.

Constats

Une tempête exceptionnelle

• Les données climatologiques de Saint-Hubert révèlent que la tempête de pluie verglaçante de janvier 1998 a été exceptionnelle par le nombre d’heures de précipitation verglaçante, qui a excédé par plus de deux fois l’ancien maximum.

• Bien que les données climatologiques ne permettent pas de calculer avec précision les quantités de précipitation verglaçante dans le passé, les 79 mm de pluie verglaçante reçus à Saint-Hubert correspondent à un niveau inégalé, pour cette station, sur plus de 45 ans d’observation.

• Entre le 5 et le 9 janvier 1998, le nombre d’heures de grésil enregistré aux stations de Saint-Hubert et de Dorval correspond aussi à un niveau inégalé, par un facteur de trois.

• Pour le nord des états américains avoisinant le Québec, les climatologues ont estimé que la période de récurrence d’une tempête de pluie verglaçante comme celle de janvier 1998 pourrait aller jusqu’à 80 ans. Cette estimation est basée sur un modèle ponctuel du verglas et ne tient cependant pas compte de la probabilité de l’étendue territoriale de la tempête.

• Il semble qu’un tel événement, d’intensité et d’étendue comparables, ne devrait pas se reproduire plus d’une fois par 100 ans, cette évaluation restant cependant très imprécise.

Les prévisions météorologiques

• Tout au long de la tempête, un avertissement de précipitation verglaçante a été maintenu.

• L’ampleur de l’événement n’a pas été appréhendée dès le début, les prévisionnistes estimant initialement que la pluie verglaçante se changerait en pluie.

type de précipitation effectivement observée par la suite.

• Par contre, les prévisions à long terme (2-3 jours) ont été moins exactes ; les prévisions d’Environnement Canada n’ont commencé à annoncer toute l’ampleur du sinistre du verglas que le 6 janvier.

• Les prévisions du 7 et du 8 janvier se sont avérées exactes puisqu’elles prévoyaient que la pluie verglaçante allait persister jusqu’au vendredi 9 janvier. De plus, celles du 9 janvier ont anticipé la fin du verglas.

• Les prévisions des températures ont été faites avec la précision habituelle. Toutefois, il semble que la présence continuelle de nuages et les vents du nord-est aient favorisé le maintien des températures dans une gamme plus étroite que prévue.

• Il est difficile de prévoir avec justesse les précipitations verglaçantes plus de 18 ou 24 heures à l’avance, sauf dans les cas où il est prévu que les conditions météorologiques propices au verglas durent plus de 24 heures et que le verglas est déjà présent lors de la préparation des prévisions.

La mesure des précipitations au sol

En ce qui concerne les observations prises aux stations d’Environnement Canada, on constate que :

• La procédure décrite dans le MANOBS pour estimer la hauteur du grésil n’était pas adaptée à la précipitation tombée du 5 au 9 janvier 1998, parce qu’elle suppose que la densité du grésil est égale à celle de la neige (0,1 g/cm³). En suivant cette procédure, les hauteurs de grésil sont surestimées par un facteur de 3 à 6.

• La mesure de la densité du grésil n’a été effectuée qu’à la station Dorval.

• Aucun pluviomètre chauffant n’était en opération. Ceci aurait pu fournir une bonne indication du taux de précipitation durant le verglas.

• La précipitation verglaçante semble geler en partie au sommet des pluviomètres à pesée de type Fisher & Porter. Ceci cause une sous-estimation des quantités de précipitation durant le verglas et peut causer une surestimation lorsque la glace accumulée fond.

• La résolution des pluviomètres à pesée est de 0,5 mm au lieu de 0,2 mm avec les observations manuelles. Il en résulte une certaine perte d’information.

• La hauteur de la précipitation verglaçante n’est pas rapportée séparément de celle de la précipitation liquide. Dans le cas d’alternance entre ces deux types de précipitation au cours d’une période de six heures, la hauteur de précipitation verglaçante n’est pas connue avec précision.

En ce qui concerne les observations prises aux stations climatologiques du ministère de l’Environnement et de la Faune du Québec, on constate que :

• Peu de stations sont équipées de nivomètres qui peuvent permettre de déterminer l’équivalent en eau de la précipitation.

• La mesure de la hauteur de la précipitation verglaçante est difficile à réaliser par les observateurs qui ne disposent que d’un pluviomètre manuel et d’une planche à neige.

Livre 1 Les phénomènes atmosphériques 71

• Lorsque du grésil est également tombé pendant la période où il y a eu de la précipitation verglaçante, il est très difficile de partager les quantités de précipitation entre les deux types.

• Le partage entre les hauteurs des divers types de précipitation n’a pas toujours été fait en utilisant une densité appropriée pour le grésil.

La station météorologique de Dorval a rapporté les relevés suivants :

• 99,8 mm de précipitation totale

• 17,6 cm de neige ou de grésil

• 39,8 mm de pluie verglaçante

• En raison de la présence de grésil, il semble que, dans certaines stations climatologiques, les hauteurs de précipitation verglaçante aient été surestimées par plus de 30 mm.

En effet, la hauteur de la précipitation verglaçante n’est généralement pas rapportée séparément de celle de la précipitation liquide. Dans le cas d’alternance entre ces deux types de précipitation, aux cours d’une période de six heures, la hauteur de précipitation verglaçante ne peut être mesurée avec précision.

Lorsque du grésil est également tombé pendant la période de la précipitation verglaçante, il a été très difficile de départager les quantités de grésil et celles de pluie verglaçante.

Par ailleurs, on a constaté un lien complexe et étroit entre le type de précipitation, la température de l’air et la vitesse des vents. Les études de la Commission ont montré que :

• la proportion de bruine verglaçante est relativement élevée lorsque les vents sont faibles ;

• la proportion de bruine verglaçante diminue à mesure que la vitesse des vents augmente ;

• la proportion de grésil augmente en fonction de la vitesse des vents ;

• la proportion de pluie verglaçante est maximale lorsque la température est près de 0 °C ;

• la proportion de grésil est maximale lorsque les températures passent un peu au-dessus de 0 °C.

La climatologie du verglas

• La saison du verglas au Québec débute en septembre et se termine au mois de juin, la majorité des tempêtes ayant lieu durant la période de novembre à février.

• En général, l’intensité des tempêtes de verglas semble être maximale le long de la vallée du St-Laurent, mais plusieurs facteurs locaux, tels que la dénivellation et l’élévation, influencent cette intensité.

• Sur la base des données actuellement disponibles, il n’est pas possible de conclure qu’il y a augmentation ou diminution de la fréquence des tempêtes de verglas.

• Les données climatologiques disponibles d’Environnement Canada ne se prêtent pas à une analyse climatologique complète du phénomène des précipitations verglaçantes.

toutes les 24 heures. L’équivalent en eau de la précipitation est archivé à toutes les six heures, sans distinction entre les précipitations solide et liquide. Il est ainsi difficile de déterminer avec précision les quantités de précipitations verglaçantes dans les cas où différents types de précipitation sont tombés au cours d’un même période de 24 heures.

Il n’y a pas d’archivage du nombre de jours avec grésil, ce type de données serait utile puisqu’il arrive souvent que le grésil tombe lors des journées propices à la pluie verglaçante.

À des intervalles de six heures, On n’a pas d’archivage adéquat, des hauteurs des précipitations verglaçante, de neige et de grésil, ni de leur équivalent en eau.

À des intervalles de 24 heures, il n’y a pas d’archivage adéquat, des hauteurs des précipitations verglaçantes et de grésil, ni de leur équivalent en eau.

Aucune comptabilisation séparée n’existe pour les précipitations de pluie verglaçante et de bruine verglaçante, à l’échelle de la journée et du mois.

• Les lacunes dans l’archivage des observations sur le verglas rendent impossible l’étude détaillée de la durée de tels événements.

• Les données climatologiques actuellement disponibles sont d’une utilité limitée ; il serait souhaitable qu’Environnement Canada revoie ses procédures de collecte et d’archivage.

La modélisation de l’accumulation de glace sur les câbles et les fils électriques

• Les données qui auraient permis d’évaluer avec précision les épaisseurs de verglas sur les câbles, les fils électriques et les structures du réseau d’Hydro-Québec ont été soit insuffisantes ou non disponibles.

• Pour pallier ce problème, plusieurs modèles empiriques ou physiques ont été considérés pour estimer les quantités de verglas, sur la base des diverses données météorologiques.

• Le modèle actuellement utilisé par Environnement Canada pour évaluer les épaisseurs de verglas sur les conducteurs a tendance à surestimer les accumulations de glace et n’apparaît pas aussi fiable que des modèles plus récents, basés sur une modélisation plus complète des processus physiques.

• Selon les informations dont elle dispose, la Commission note qu’Hydro-Québec ne semble pas avoir adopté de modèle mathématique des accumulations de glace sur les conducteurs.

Les normes de conception et la fiabilité du réseau d’Hydro-Québec

• Les critères de conception utilisés par Hydro-Québec semblent généralement comparables à ceux utilisés par les autres compagnies d’électricité dans le

• Les critères de conception utilisés par Hydro-Québec semblent généralement comparables à ceux utilisés par les autres compagnies d’électricité dans le