Depuis près d'un siècle, l'isolation traditionnelle ou conventionnelle (complexe huile/cellulose) a été le type d'isolation par excellence utilisée dans les transformateurs de puissance et dans la plupart des équipements électriques de puissance. Mais le papier cellulose qui représente la partie solide de cette isolation possède de nombreuses faiblesses. En effet le vieillissement du papier cellulose dans les transformateurs de puissance est accéléré par l'humidité, l'oxygène, les catalyseurs métalliques, la température, etc. Ce qui a pour conséquence l'augmentation du risque de défaillances. Une autre grande faiblesse du papier cellulose réside en son incapacité à protéger les enroulements électriques du transformateur contre les effets nuisibles du soufre corrosif. Vu toutes les faiblesses du papier cellulose, plusieurs études ont été menées pour évaluer les performances du papier aramide qui possède de très bonnes propriétés thermiques. Le papier aramide est actuellement utilisé comme isolant à haute température, associé aux huiles à point de feu élevé ou huiles alternatives (huiles synthétiques et végétales), principalement dans les transformateurs de traction électrique. L'isolation solide hybride est quant à elle, soit associée à l'huile minérale, soit associée aux huiles à point de feu élevé, et elle trouve son application dans les transformateurs de sous-stations mobiles et fixes. La technologie de fabrication est maîtrisée par les constructeurs, par contre les exploitants des réseaux électriques ne disposent pas de données de référence (normes) comme outils de diagnostic, leur permettant de suivre l'état de santé de l'isolation de ce nouveau type de transformateur. L'objectif global de ce travail de recherche était d'étudier l'isolation hybride en vue de démontrer sa potentielle utilisation dans les transformateurs de puissance. Cet objectif a été scindé en trois objectifs spécifiques à savoir: - Améliorer les outils de diagnostic de l'état des isolations solides hybride, et conventionnelle ; - Diagnostiquer l'état des huiles des isolations hybride, haute température et conventionnelle ; - Etudier la capacité du papier aramide et du papier cellulose à protéger le cuivre (enroulements électriques) contre les effets nuisibles du soufre corrosif. Dans le but d'atteindre les objectifs fixés, nous avons conduit des vieillissements thermiques accélérés en laboratoire. Pour le premier et le deuxième objectif spécifiques, le vieillissement est réalisé selon la norme ASTM (American Society for Testing and Materials)-D1934 sur quatre types d'isolations à savoir : l'isolation hybride, l'isolation conventionnelle, l'isolation haute température et l'isolation sans papier. À la fin des vieillissements, nous avons appliqué un défaut thermique sur le papier pour chaque échantillon à l'aide d'un équipement conçu au sein de notre laboratoire que nous avons dénommé « Thermo-Contraintes». Pour le troisième objectif spécifique, le vieillissement est réalisé selon la norme IEC (International Electrotechnical Commission)-62535, sur des huiles minérales, synthétiques, végétales et silicones dans le but d'étudier l'impact du soufre corrosif. Pour le premier objectif spécifique, nous avons utilisé la mesure du degré de polymérisation et la détermination des quantités d'oxydes de carbone par l'analyse des gaz dissous (DGA) pour évaluer l'état du papier cellulose de l'isolation conventionnelle comparativement à celui de l'isolation hybride. Nos résultats indiquent que le papier cellulose de l'isolation hybride est moins dégradé que celui de l'isolation conventionnelle. La durée de vie d'un transformateur étant liée à celle du papier, ces résultats permettent de conclure qu'un transformateur à isolation hybride a une durée de vie plus élevée que celui à isolation conventionnelle. Nous avons par la suite établi une très bonne corrélation entre quantités d'oxydes de carbone et degré de polymérisation. Cette corrélation permettra d'apporter une grande précision dans l'interprétation des résultats du DGA pour les transformateurs. En ce qui concerne le deuxième objectif spécifique, nous avons utilisé quatre techniques de diagnostic physico-chimique (produits de décomposition dissous 'DDP', Turbidité, Tension interfaciale (IFT) et humidité) afin d'évaluer de façon comparative la qualité des huiles des quatre types d'isolation à l'étude. Selon nos résultats, l'huile de l'isolation hybride a une meilleure qualité à partir d'un certain stade de vieillissement et surtout après l'apparition d'une contrainte thermique sur l'isolation solide. Pour le troisième objectif spécifique, une étude qualitative suivie d'une étude quantitative ont permis d'aboutir aux résultats suivants : l'aramide protège mieux le cuivre contre le soufre corrosif dans les huiles minérales; les huiles esters synthétiques sont non corrosives; l'huile végétale est non corrosive mais en présence du papier cellulose on observe un certain niveau de corrosivité; le papier aramide favorise la formation du soufre corrosif dans les huiles silicones. Sur la base de tous les résultats obtenus, nous pouvons déclarer que l'utilisation de l'isolation hybride dans les transformateurs de puissance est envisageable. - For nearly a century the conventional insulation (oil / cellulose complex) was the type of insulation used in the power transformers and most electrical power equipments. But the cellulose paper, the solid part of this insulation has many weaknesses. Indeed, the aging of cellulose paper in power transformers is accelerated by moisture, oxygen, metal catalysts, temperature, etc.). The risk of failures is thereby increased. Another major weakness of cellulose paper is its inability to protect the electrical transformer windings against the harmful effects of corrosive sulfur. Given all the weaknesses of cellulose paper, several studies have been conducted to evaluate the performance of aramid paper, which has better thermal properties. The aramid paper is currently used as high temperature insulation, combined with high fire point oils (synthetic and vegetable oils), mainly in electric traction transformers. The hybrid solid insulation is associated with mineral oil or with high fire point oils; it finds application in transformers of fixed and mobile substations. Manufacturing technology is controlled by manufacturers but operators of electrical networks do not have baseline data (standards) as diagnostic tools, allowing them to monitor the health/condition of the isolation in this new type of transformer. The overall objective of this research was to study the hybrid insulation and to demonstrate its potential use in power transformers. This overall objective has been subdivided into three specific objectives, namely: (i) improving the diagnostic of the condition of solid hybrid insulation and conventional solid insulation; (ii) diagnosing the condition of oils sampled from hybrid, high temperature and conventional insulation and finally (iii) investigating the ability of aramid paper and cellulose paper to protect the copper (electrical windings) against harmful effects of corrosive sulfur. In order to achieve these objectives, thermal accelerated aging were conducted in laboratory : - according to ASTM D1934 (American Society for Testing and Materials), four different type of insulation samples were considered, namely the oil impregnated hybrid insulation, oil impregnated cellulose insulation, oil impregnated high temperature insulation and paperless oil samples. Following the aging procedure, a local overheating (thermal fault) was applied on the paper sample using an experimental setup designed in our laboratory (first and second specific objectives). - according to the IEC (International Electrotechnical Commission)-62535, for mineral, synthetic, vegetable and silicones oils (third specific objective). The degree of polymerization by viscosimetry and the determination of the carbon oxides by dissolved gas analysis (DGA) were determined to assess the condition of the paper in conventional insulation compared to that of the hybrid insulation. Our results indicate that cellulose paper in the hybrid insulation is less degraded when compared to the conventional insulation. Since the life of a transformer is directly related to the solid insulation, these results suggest that hybrid transformer insulation has a higher life than conventional ones. Subsequently, a very good correlation between amounts of oxides of carbon and degree of polymerization was established. This relationship might help improving the accuracy when interpreting the results of the DGA for transformers (first specific objective). Regarding the second specific objective, we used four physicochemical diagnosis techniques (dissolved decay products ' DDP ', Turbidity, interfacial tension (IFT) and water content) to assess comparatively the quality of oils sampled from the four types of insulation. According to our results, the oil of the hybrid insulation indicated better quality at a certain stage of aging and especially after the application of thermal stress on the solid insulation. For the third specific objective, a qualitative study followed by a quantitative ones provided the following results: aramid paper better protects copper against corrosive sulfur in mineral oil; synthetic ester oils are not corrosive; the vegetable oil is not corrosive but in the presence of cellulose paper, a degree of corrosiveness is observed and the aramid paper promotes formation of corrosive sulfur in silicone oils. Based on the obtained results, the feasibility of using hybrid insulation in power transformers is possible.

L'exposition des lignes de transmission aériennes à la rigueur des conditions atmosphériques des régions froides, peut causer des contournements électriques répétitifs des isolateurs, entraînant des pannes de courant. À côté de l'impact du froid, les conditions ataiosphériques affectant la contamination des isolateurs a été également reconnu comme un autre facteur pouvant affecter considérablement la performance diélectrique des isolateurs. Cette dégradation des performances peut conduire parfois au contoumement de l'isolateur. Les sources naturelles de contamination d'isolateurs sont principalement les contaminants chimiques gazeux produits dans les régions urbaines. Les régions côtières exposées aux embruns ou aux vents très forts et polluants venant de la mer constituent une source importante de pollution des isolateurs. Cette situation conduit à la formation d'une pollution d'ions composite sur les isolateurs à haute tension pendant les périodes hivernales. L'effet combinée de la contamination et la glace accumulée a été reconnue comme l'une des causes majeures de contoumement d'isolateurs. Par conséquent, des méthodes particulières d'étude sont nécessaires pour comprendre la nature de la pollution d'ions composite dans le cadre de la modélisation du phénomène de contoumement des isolateurs en prenant en compte l'effet conjugué de la pollution et de givrage. Un modèle Statique en courant alternatif permettant de prédire la tension de contoumement des isolateurs recouverts de glace contaminée a été développé dans cette étude. Sur le plan conceptuel, le modèle est basé sur le modèle de décharge d'Obenaus qui considère un arc en série avec une résistance. Le modèle d'arc d'Ayrton a été utilisé pour rendre compte de la variation de la tension d'arc en fonction du courant de fuite. Les constantes à l'arc, ainsi que les paramètres de réallumage ont été déterminées en utilisant une modèle physique cylindriques de laboratoire. Le modèle utilise des méthodes d'identification intelligente pour déterminer les variables pertinentes associées à l'expression mathématique du phénomène de contoumement. De nouvelles approches fondées sur un estimateur des moindres carrés (Least Squares Estimator : LSE)? ainsi que des algorithmes d'apprentissages pour système d'interférence floue (Adaptive Network-Based Fuzzy Inference System : ANF1S) ont été appliquées afin d'en extraire la formule mathématique de la chute de tension aux bornes de l'intervalle non franchi de l'isolateur. La formule ainsi proposée, intègre les principales variables influençant le comportement électrique de la partie résiduelle de l'isolateur recouvert de glace contaminée durant la phase de propagation de fare. En outre, l'expression mathématique proposée pour la tension résiduelle aux bornes de l'intervalle non franchi de l'isolateur a permis d'extraire la formule de calcul de la variation spatiale de la résistance résiduelle de l'intervalle non franchi. La formule dépend des principales variables telles que la conductivité de l'eau de congélation, la densité de sel déposé, le courant de fuite et la longueur de l'intervalle non franchi» Le modèle a été appliqué aux isolateurs industriels et les tensions de contoumements calculés ont été en bon accord avec ceux obtenus à partir d'essais de contournement en laboratoire.

Dans ce mémoire, il est présenté des approches de modélisation et de linéarisation des amplificateurs de puissance RF avec des données en ligne (en temps réeî). Premièrement ; il est présenté une approche de modélisation adaptative et dynamique de données en ligne, basée sur les réseaux de neurones à valeurs réelles avec des retards, afin d'obtenir dynamiquement les caractéristiques AM/AM et AM/PM des amplificateurs de puissances RF. Deuxièmement ; les caractéristiques de ce modèle d'amplificateur sont adoptées pour la linéarisation par prédistorsion adaptative du signal d'entrée en bande de base. L'architecture proposée est appropriée pour linéariser adaptativement les circuits AP présentant des effets mémoire. Au lieu d'utiliser l'architecture d'apprentissage indirect, il est proposé une prédistorsion adaptative avec données en ligne pour assurer une adaptation continue sans interrompre le processus d'émission. Les imperfections du modulateur, démodulateur et des circuits CNA/CAN seront automatiquement corrigées, puisqu'ils sont inclus dans la boucle de correction. Il est adopté la prédistorsion en bande de base qui a la capacité de corriger les distorsions à l'intérieur (EVM) et l'extérieur (ACPR) de la bande utile. Dans le cas de l'architecture d'apprentissage indirect, il faut avoir deux blocs de processeur numérique (DSP) indépendants et qui fonctionnent en même temps, un bloc pour la prédistorsion, et l'autre bloc pour l'obtention des paramètres du réseau NN. Cette méthode a des problèmes concernant les bruits présents dans les entrées/sorties du bloc de la prédistorsion. Dans l'architecture proposées dans le présent travail, il est nécessaire d'avoir un seul processeur numérique basée sur des entrées/sorties sans bruits. En utilisant cette architecture de linéarisation, il est démontré, par simulation, que quasiment 25 dB du paramètre ACPR, sont supprimés en permanence après convergence à 350 kHz de décalage de fréquence, avec un modèle avec effets mémoire pour le circuit AP. L'architecture neuronaie proposée est implantée avec le logiciel (Xilinx System Generator (XSG) for DSP) dans l'environnement Matlab/Simulink.

Ce mémoire porte sur l'étude de faisabilité technique et du potentiel économique et écologique du système de Jumelage Éolien - Diesel avec Stockage d'énergie sous forme d'Air Comprimé (JEDSAC). Le système JEDSAC est une solution complètement innovatrice qui va pouvoir profiter du potentiel éolien disponible dans les sites isolés, dans les îles et dans le nord canadien, tous alimentés par les Diesels. L'idée consiste à jumeler ces Diesels, déjà sur place, avec une centrale éolienne surdimensionnée par rapport aux besoins et un système de stockage d'air comprimé. Le principe du fonctionnement de ce système hybride, les avantages techniques et économiques et la démonstration de l'efficacité énergétique du système, spécifiquement au niveau de l'augmentation du rendement du groupe Diesel et la diminution de sa consommation en carburant seront étudiés en détail et feront l'objet principal de ce mémoire. Le stockage d'énergie excédentaire, jouant un rôle essentiel dans le fonctionnement du système JEDSAC, sera détaillé en terme de techniques diverses existantes sur le marché et de critères de choix de la technique la plus adaptée à l'énergie éolienne. Le stockage d'énergie sous forme d'air comprimé CAES occupe une place intéressante dans ce positionnement, d'où le système JEDSAC proposé. Cet air comprimé stocké, qui sert à améliorer le rendement du Diesel pendant les périodes d'utilisation de celui-ci, doit être utilisé de la façon la plus optimale, afin de maximiser l'économie de carburant. Nous avons ainsi listé différentes techniques envisageables pour déstocker le CAES, nous les avons comparé d'une façon qualitative et nous avons choisi celle qui nous a semblé la plus adaptée au besoin. Nous avons aussi, par des modèles simples, chiffré l'économie de carburant potentielle sur un site donné. Celle-ci peut s'élever à 50% d'économie grâce au système de stockage d'énergie sous forme d'air comprimé qui permet de faire fonctionner le moteur Diesel avec un rapport Air / Carburant optimal. Ce n'est pas la seule voie pour l'obtention des gains. En effet nous avons décrit plusieurs autres voies potentielles permettant d'incrémenter davantage l'économie de carburant : Tout d'abord, l'utilisation de deux moteurs Diesels de dimensions choisies pour optimiser le fonctionnement avec et sans air comprimé, ensuite, le fonctionnement du moteur en mode « moteur à air comprimé » combiné avec le mode « moteur à combustion interne ». Une modélisation bien plus poussée dans le cadre d'un futur projet doctoral, permettra d'optimiser le fonctionnement, de consolider les gains et de faire comparaison détaillée entre le système JEDSAC et les autres systèmes hybrides existant sur le marché.

La conception des isolateurs d'extérieur en relation avec leur performance dans des conditions de pollution et de givrage est un facteur critique pour la fiabilité des lignes de transmission aériennes. La majorité des pannes survenant sur les lignes de transmission sont causées par les conditions environnementales comme la foudre, la pollution et/ou le givrage atmosphérique. La présence de glace sur les isolateurs peut initier des décharges couronnes et des arcs partiels, qui peuvent parfois conduire au contournement. Ce phénomène est principalement dû à la présence d'un film d'eau très conducteur à la surface de la glace et à celle de zones libres de glace, généralement nommées intervalles d'air, ainsi qu'à la diminution de la distance de fixité de l'isolateur causée par le court-circuitage par la glace de l'intervalle entre les jupes. L'objectif général de cette recherche est d'étudier les mécanismes physiques impliqués dans la propagation de Tare électrique à la surface de la glace. Dans le présent travail de recherche, en employant des techniques de photographie à haute vitesse combinées à des mesures synchronisées, différents paramètres électriques de l'arc formé à la surface de la glace, comme le rayon du canal et les vitesses de propagation, ont été étudiés. Ces résultats, ainsi que la modélisation de la propagation et de l'arc et de la géométrie du pied d'arc, fourniront des informations de base pour comprendre le phénomène du contournement dans son ensemble. La structure de la racine d'arc, le profil de courant, le modèle de propagation et la vitesse ont été étudiés en polarités positives et négatives. La conductivité et l'épaisseur du film d'eau ainsi que l'humidité relative de l'air ont également été analysés en tant que paramètres pouvant influencer la propagation de Tare. L'effet de différents mécanismes comme les collisions et l'ionisation thermique, la force de flottabilité et la force électrostatique sur les différentes étapes de la propagation de l'arc ont également été discutés. Des séquences répétitives correspondant aux extinctions de l'arc ont été observées pendant la propagation de l'arc. Durant les périodes de ré-allumage de l'arc, le phénomène dominant était l'apparition d'un streamer positif dirigé vers Panode5 et ce, quelle que soit la polarité de la tension appliquée. Le pied de l'arc sous tension continue positive est ramifié; à l'opposé, celui de l'arc négatif apparaît comme une région diffuse lumineuse. Dans la section du canal de l'arc5 deux régions distinctes ont été distinguées. Une relation linéaire entre le courant d'initiation et l'inverse de la résistance résiduelle a été établie, montrant l'importance de l'épaisseur du film d'eau sur l'initiation de la décharge. Une relation directe entre la pente de l'accroissement du courant et la conductivité de l'eau de congélation a été établie. L'humidité de l'air augmente le gradient de tension le long du canal de l'arc et réduit les activités de décharge à la tête de l'arc. Toutefois, elle pourrait influencer le développement et la propagation de l'arc en modifiant l'épaisseur du film d'eau. On a trouvé qu'un changement dans le mécanisme dominant, à savoir le passage de l'ionisation thermique à l'ionisation par collision sous le champ électrique intensifié, était responsable du contournement

La grande majorité des modèles numériques statiques et dynamiques de prédiction de la tension critique de contournement des isolateurs recouverts de glace en période de fonte se base sur la formulation analytique de Wilkins afin d'évaluer la résistance résiduelle de la couche de glace. La limitation des modèles fondés sur cette formule résulte du fait qu'ils ne sont pas applicables à des dépôts de glace de géométries complexes. De plus, un grand nombre des modèles dynamiques actuellement élaborés est restreint à des distances d'arc inférieures à un mètre puisque ces modèles ne tiennent compte que d'un seul arc en contact avec la surface de la glace. Pour pallier à ces problématiques, il a été décidé de recourir à la méthode des éléments finis (MEF) dans l'intention de prédire la tension critique de contournement des isolateurs recouverts de dépôts de glace de formes complexes, et ce, pour des distances d'arc atteignant les deux mètres. Cette dernière considération nécessite la prise en compte de deux arcs partiels en contact avec la couche de glace. Pour ce faire, des modèles prédictifs dynamiques, au nombre de trois, ont été établis dans cette recherche, soit un modèle mono-arc en courant continu (CC) un modèle mono-arc en courant alternatif (CA) et enfin un modèle bi-arcs en CA. Ce dernier est en fait une extension du modèle mono-arc en CA, Tous les modèles ainsi développés sont basés sur le modèle de Obenaus pour lesquels la résistance résiduelle de la couche de glace est calculée par la MEF. La surface de la glace, de par la présence d'un film d'eau conducteur d'épaisseur supposée constante, est modélisèe par une surface en deux dimensions de conductivité surfacique uniforme sur laquelle sont présents un ou deux pieds d'arc (selon le modèle) considérés comme des surfaces circulaires équipotentielles. Le choix du critère de propagation de l'arc a été porté sur le critère de Hampton, étant donné la simplicité de son implementation dans les algorithmes de calcul et de sa validation par la MEF. La tension critique de contournement est obtenue par calcul itératif lorsque le pied d'arc atteint l'électrode de mise à la terre (cas du modèle mono-arc) ou encore lorsque les deux pieds d'arc se rencontrent (cas du modèle bi-arcs). Les modèles proposés ont été réalisés par le biais du logiciel commercial d'éléments finis (EF) COMSOL Multiphysicss qui a été couplé avec Matlab pour l'exécution des algorithmes. Les trois modèles dynamiques d'EF ont été validés à partir des résultats expérimentaux et numériques issus d'études antérieures. La comparaison des différents résultats a montré que les modèles dynamiques mono-arc d'EF, en CC et en CA, sont en mesure de prédire la tension critique de contourmement avec une précision aussi bonne que celle trouvée par les modèles dynamiques actuels. L'erreur maximale est de l'ordre de 13 %, et cela, indépendamment de la conductivité d'eau d'accumulation, de la distance d'arc (inférieure à un mètre) ainsi que de la longueur initiale de l'intervalle d'air, paramètre influent qui n'était pas pris en compte dans les modèles dynamiques actuels. En ce qui concerne le modèle dynamique bi-arcs qui est actuellement, au meilleur de nos connaissances, le seul modèle dynamique applicable à des distances d'arc supérieures à un mètre, la comparaison des résultats numériques avec des résultats expérimentaux antérieurs a permis de valider ce modèle avec une erreur maximale de 5,8 %. L'usage de la MEF, le choix du critère de Hampton comme critère de propagation et la modélisation du film d'eau et du pied d'arc ont offert le moyen de développer des modèles dynamiques simples prédictifs de la tension critique de contournement des isolateurs recouverts de glace pour des distances d'arc qui peuvent aller jusqu'à deux mètres. Également, les résultats ont démontré toute la versatilité des modèles qui donnent la possibilité de tracer l'évolution de plusieurs paramètres, à savoir la résistance résiduelle, le courant de fuite ou la tension appliquée en fonction du déplacement du ou des pieds d'arc à la surface de la glace.

De la source d'énergie exploitée jusqu'à la consommation de l'électricité à la maison et en industrie, il existe tout un réseau de transport constitué de pylônes, d'isolateurs et de lignes de transmission. Or, ces réseaux, lorsqu'ils sont situés dans les régions à climat froid, se trouvent parfois exposés aux problèmes liés au givrage atmosphérique. En effet, une couche de glace peut s'accumuler sur les isolateurs, ce qui diminue leur tenue diélectrique. Lorsque cette couche fond en surface suite au rayonnement du soleil par exemple, une redistribution du champ électrique le long de l'isolateur peut entraîner l'apparition d'arcs électriques partiels, voir même un contournement électrique de l'isolateur à des niveaux de tension beaucoup plus faible qu'en absence de glace. À cet effet, la Chaire industrielle sur le givrage atmosphérique des équipements des réseaux électriques (CIGELE) de l'UQAC, « a pour mandat d'étudier plusieurs phénomènes reliés au givrage atmosphérique, en particulier au givrage atmosphérique des équipements des réseaux électriques, de faire avancer les connaissances dans ce domaine, et d'en diffuser les résultats »\ L'objectif de ce projet de recherche, qui s'inscrit dans le cadre des projets de la CIGELE, porte sur l'étude des phénomènes électriques se produisant à la surface d'une couche de glace en présence d'un arc électrique partiel. Plusieurs outils d'analyse ont été développés afin d'atteindre l'objectif principal. À cette fin, le premier outil conçu et construit au laboratoire a été un système multimesures de potentiels sécuritaire. Le deuxième outil d'analyse a été un script par éléments finis. Ce dernier a deux fonctions : valider l'étalonnement du banc de mesures ; analyser et interpréter les mesures prises en laboratoire. Aucun modèle numérique n'est donc défini à l'avance. Plusieurs phénomènes électriques ont été observés à la surface de glace en présence d'un arc électrique : la période de décharge électrique ; la période où l'échantillon de glace a un comportement résistif ; et la période où l'échantillon de glace semble être «en résonnance» avec l'arc électrique, c'est-à-dire où l'inductance de l'arc interagit avec la capacité de la glace. Seule la période de temps où l'échantillon de glace est encore résistif a pu être simulée par éléments finis afin de déduire la densité de courant. À l'aide d'une procédure par identification inverse, la méthode des éléments finis a été utilisée comme outils d'analyse et d'interprétation afin de démontrer que la résistance surfacique de l'échantillon de glace est inégale dans sa géométrie. À cet effet, une répartition non uniforme de la conductivité surfacique, afin de prendre en compte l'influence de l'épaisseur du film d'eau le long de la couche de glace, a été établie. Pour ce qui est de la période semblable à de la «résonnance», la discussion s'est limitée à sa probable provenance sans pouvoir l'expliquer, et ses possibles conséquences.

Dans la plupart des régions isolées, le générateur diesel est la source principale d'énergie électrique. Pour ces régions, le prix d'extension du réseau électrique est prohibitif et le prix du combustible augmente radicalement avec l'isolement. La baisse continue des prix des générateurs basés sur l'énergie renouvelable et la fiabilité croissante de ces systèmes ont mené à une plus grande utilisation des sources d'énergie renouvelable pour la génération d'énergie électrique dans les régions isolées. Au Québec, en parallèle avec un essor de l'énergie éolienne, principalement sous forme de grands parcs reliés aux réseaux centraux de distribution, l'alimentation électrique des sites isolés, par des diesels, pose toujours d'immenses défis techniques et financiers. En effet, cette production d'électricité est relativement inefficace, très onéreuse et responsable de l'émission de grandes quantités de ga2 à effet de serre (GES). Avec l'explosion des prix du carburant et les coûts élevés de transport, les pertes financières sont ainsi colossales. Ces déficits, 133 millions de dollars par année selon Hydro-Québec1, reflètent l'écart entre les coûts élevés de production locale d'électricité dans ces régions et le prix uniforme de l'électricité. Paradoxalement, la plupart de ces communautés sont situées dans des régions possédant une ressource éolienne suffisante pour une exploitation commerciale. L'utilisation du jumelage éolien-diesel (JED) dans ces réseaux autonomes pourrait donc réduire les déficits d'exploitation. Cependant, la rentabilité du JED est atteinte à la condition d'obtenir un taux de pénétration élevé de l'énergie éolienne (TPE)2 ce qui est possible uniquement en utilisant des systèmes de stockage. Après une étude approfondie basée sur une analyse critique de toutes les caractéristiques des technologies de stockage d'énergie possible, il a été proposé une solution qui répond à tous les exigences techniques et financières tout en assurant une fiabilité d'approvisionnement électrique de ces sites. Il s'agit du système hybride éolien-diesel avec stockage d'air comprimé (SHEDAC). Cette étude a mené à l'élaboration de deux rapports techniques, un article de revue et cinq articles de conférence. Ces ouvrages présentent un tour d'horizon des technologies de stockage d'énergie en détaillant leurs caractéristiques techniques, leurs avantages et leurs inconvénients. Cette recherche a mené à l'élaboration d'une nouvelle méthode de choix caractérisée par l'indice de performance des technologies de stockage d'énergie où la détermination de cet indice peut être obtenue à partir d'une série de matrices d'aide à la décision. L'utilisation de l'air comprimé comme agent de stockage d'énergie s'adapte parfaitement autant à la production éolienne qu'aux diesels. En principe, l'air comprimé stocké dans les réservoirs durant les périodes de surplus de production éolienne (forts vents) serait injecté dans les génératrices diesel pour des applications à moyenne échelle (villages, îles, ...) ou bien dans des moteurs à air comprimé pour des applications à petite échelle (stations de télécommunication, postes de frontières, ...) et ceci durant les périodes de faible production éolienne (vents faibles ou nuls). Ce système hybride agirait en temps réel afin de maintenir optimalement l'équilibre entre la puissance générée et consommée en réalisant une diminution remarquable de la consommation en carburant quelque soit le niveau de la puissance appelée. Une modélisation de chaque système a été réalisée en fonction de sa nature d'application. Pour des utilisations à faible échelle, le cas d'une station de télécommunication, propriété de l'entreprise Bell-Canada, située à Kuujjuarapik a été choisi pour l'étude. Le dimensionnement du système hybride éolien-diesel-air comprimé à petite échelle (SHEDACPE) a été basé essentiellement sur le choix de la centrale éolienne où des modèles numériques ont été élaborés pour : (1) calculer la quantité d'énergie éolienne produite et stockée, (2) déterminer la capacité du compresseur utilisé (pression maximale, débit, puissance, nombre d'étages de compression, ...) , (3) calculer la taille du réservoir de stockage d'air comprimé et le nombre d'unités de stockage, (4) déterminer le temps de charge et de décharge ainsi que les contraintes mécaniques du réservoir de stockage (épaisseur, limite de rupture, ...) , (5) dimensionner la capacité du moteur d'air comprimé utilisé (pression maximale, débit, puissance, nombre d'étages de détente, ...), (6) élaborer l'algorithme du fonctionnement et du contrôle du système dans sa globalité et enfin (7) réaliser une étude écologique et économique dans le but de déterminer la rentabilité du système et ses avantages environnementaux. Cette étude a permis d'élaborer un article de revue, trois articles de conférence et un rapport technique. Pour des utilisations à moyenne échelle, le cas d'un village nordique, Tuktoyaktuk, a été choisi pour l'étude. La modélisation du système hybride éolien-diesel-air comprimé à moyenne échelle (SHEDACME) n'a pas pris en compte le choix de l'éolien et le dimensionnement du système de compression et de stockage d'air comprimé étant donné que ce sont les mêmes modèles statistiques et thermodynamiques qui seront utilisés. Par contre, seulement le système de la suralimentation du moteur diesel a été modélisé. Sachant que tous les moteurs diesel utilisés dans les sites isolés sont déjà équipés d'un système de suralimentation par turbocompresseur, les méthodes envisagées pour suralimenter les moteurs diesel par l'air comprimé stocké doivent prendre en considération la présence du turbocompresseur. Plusieurs méthodes possibles de suralimentation des moteurs diesel en utilisant de l'air comprimé stocké ont été répertoriées : (1) l'utilisation d'une turbine à air en série sur l'axe du turbocompresseur, (2) le double étage de suralimentation, (3) l'admission en amont du compresseur, (4) l'admission directe dans le moteur, (5) la suralimentation hyperbar, (6) la suralimentation avec le cycle de LENOIR pressurisé et (7) la suralimentation avec downsizing. Les diverses solutions proposées ont été évaluées afin de pouvoir dégager la technologie candidate la plus performante et adaptable au système éolien-diesel en utilisant les critères suivants : l'efficacité, la simplicité, l'adaptabilité, le coût et le système de contrôle. Une fois le choix déterminé, l'analyse thermodynamique a porté sur la résolution des équations de pression et température de l'air aux passages à travers le filtre à air, les échangeurs de chaleur, le compresseur, la chambre de combustion et la turbine à gaz. Il faut ajouter les équations du bilan d'énergie au niveau du vilebrequin du moteur diesel et à l'axe du turbo afin d'être en mesure de déterminer les performances optimales du système. Les résultats obtenus ont été appliqués sur les moteurs diesels utilisés dans le village nordique de Tuktoyaktuk dans le but de quantifier réellement l'économie en carburant obtenue grâce à l'utilisation du SHEDACME et la diminution des émissions de gaz à effet de serre. Cette étude a permis d'élaborer deux articles de revue, quatre articles de conférence et deux rapports techniques. Enfin, un banc d'essais a été réalisé à l'Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) afin de pouvoir valider expérimentalement les résultats théoriques obtenus à partir de la modélisation numérique du SHEDACME. Une des conceptions proposées pour la suralimentation des moteurs diesels a été appliquée au moteur utilisé. Les résultats obtenus ont confirmé la validité de l'idée proposée, la suralimentation supplémentaire d'un moteur diesel, et même ont ouvert la porte à d'autres applications dans les applications mobiles (véhicules civils et militaires par exemple). Pour des raisons logistiques et financières, le banc d'essais concernant le SHEDACPE et le système de compression et du stockage d'air comprimé n'a pas été réalisé. Les résultats, théoriques et expérimentaux, obtenus le long de cette thèse ont démontré le grand potentiel du système hybride éolien-diesel-stockage d'air comprimé pour les deux types d'applications à petite et à moyenne échelle. Cependant, d'autres travaux sont requis : (1) élaborer une stratégie de commande pour les deux systèmes, (2) réaliser une étude plus détaillé dans le cas d'un SHEDACME en prenant en considération le profil de charge d'un village nordique, (3) réaliser une étude économique et écologique plus détaillée en prenant en considération tous les facteurs possibles pouvant influencer sur la rentabilité du système, etc.

Un grand nombre de lignes aériennes de transport d'énergie électrique sont exposées à la glace atmosphérique dans les régions nordiques éloignées. Des modèles appropriés pour estimer les quantités de glaces sur les lignes de transport s'avèrent très précieux pour aboutir à la conception d'équipement fiable capable d'opérer dans cet environnement. Pour les compagnies d "électricité, les prédictions de charge de glace peuvent aider à déterminer les impacts opérationnels sur leur équipement, de sorte que des dommages sérieux puissent être évités. La présente recherche, effectuée dans le cadre des travaux de la Chaire industrielle CRSNG/HYDRO-QUÉBEC/UQAC sur le givrage atmosphérique des équipements des réseaux électriques (CIGELE), se concentre sur : (i) le développement des modèles pour prédire le type de glace accumulé sur les structures exposées et (ii) le développement des modèles empiriques pour prédire le taux d'augmentation de glace sur des lignes de transport. Dans le but de réaliser une classification de type de glace en utilisant les réseaux de neurones, un ensemble de données a été créé en se basant sur des fonctions extraites à partir de la référence de la Commission Électrotechnique Internationale (CEI) qui relie le type de glace aux variables de la température et de la vitesse de vent. Le réseau Perceptron multicouches (MLP) a été utilisé et différentes caractéristiques ont été examinées afin de trouver l'architecture optimale. Ce modèle initial de deux entrées a été amélioré en ajoutant un troisième paramètre qui est la taille des gouttelettes. Les modèles développés donnent un taux de reconnaissance de 100% avec les données d'entraînement et plus de 99% avec les données de test. Les résultats obtenus sont prometteurs et prouvent que les modèles basés sur les réseaux de neurones peuvent être une bonne alternative pour la classification de type de glace à condition que les fonctions utilisées pour générer les données d'entraînement soient assez précises. Dans la deuxième partie de cette étude, trois modèles ont été développés afin de prédire le taux d'augmentation de glace sur les lignes de transport dans des situations correspondantes. Les données utilisées pour entraîner les réseaux de neurones proviennent du site du Mont Bélair qui fait partie du système de surveillance en temps réel SYGIVRE d'Hydro-Québec. Le premier modèle neural a été entraîné avec les données des trois phases d'un événement de givrage, soit la phase d'accrétion, la phase de persistance et la phase de délestage. Le deuxième modèle a été développé pour le givrage humide et a été entraîné avec les trois phases des événements produits pendant les précipitations. Finalement, le troisième modèle développé a été entraîné avec seulement la phase d'accrétion d'un événement de givrage. Pour établir ces modèles, quatre architectures de réseaux de neurones comprenant MLP avec une couche cachée, MLP avec deux couches cachées, le réseau récurrent Elman et Jordan ainsi que deux cents différentes configurations pour chaque architecture ont été examinées et comparées. En outre, pour chaque configuration, deux styles d'entraînement soit par batch ou incrémental ont été examinés. Le nombre d'entrées prises des incréments de temps antérieurs, est un autre paramètre qui a été étudié afin de déterminer la conception optimale. Comme conclusion générale, le réseau récurrent Jordan avec un délai de trois unités était la meilleure architecture et ceci pour les trois modèles. Les caractéristiques et l'avantage principaux de cette architecture donnant les meilleurs résultats, c'est qu'elle utilise les quantités de glace estimée dans le passé pour estimer celle en cours. Donc, le réseau en question se caractérise par une boucle récurrente. Dans le cas de la comparaison entre l'efficacité de ces trois modèles prédictifs, on a observé que le modèle développé en se servant des données les plus homogènes, c'est-à-dire seulement les données de la phase d'accrétion de glace, est le meilleur parmi ces trois modèles puisqu'il peut généraliser et estimer étroitement les charges de glace extrême. La performance des modèles développés démontre que les modèles établis avec l'architecture Jordan de réseaux de neurones peuvent apporter une contribution importante dans le développement des modèles empiriques précis pour estimer les charges de glace des lignes de transport d'énergie, à condition qu'un nombre raisonnable de données d'entraînement soit utilisé et que les données allant aux réseaux soient soigneusement choisies.

Le givrage atmosphérique est à la source de sérieux problèmes d'origine électrique et mécanique sur les réseaux de transport et de distribution de l'énergie électrique. Le délestage naturel de glace de câbles et conducteurs, une conséquence du givrage atmosphérique, est à la source de nombreux problèmes, d'où la nécessité de l'étude de la rupture fragile de la glace atmosphérique. Des pannes majeures sur les réseaux électriques pendant les tempêtes de verglas seraient évitables par l'amélioration des méthodes de déglaçage et de prévention du givrage. Pour ce faire, il est nécessaire d'approfondir nos connaissances sur les propriétés mécaniques de la glace atmosphérique. Les objectifs de cette recherche, dans le cadre de la problématique générale du délestage de glace, sont l'étude et l'estimation des contraintes s'appliquant à la glace atmosphérique accumulée sur un câble, la mesure des de ses propriétés mécaniques et le développement d'un modèle de rupture fragile de la glace atmosphérique. Les forces exercées par le vent et la charge de glace sont les facteurs les plus importants dans le délestage. La force du vent crée trois types d'oscillation sur les lignes de transport d'énergie : galop (haute amplitude, basse fréquence), vibration éolienne (basse amplitude, haute fréquence) et oscillation de sillage (wake-induced oscillation). Le changement des caractéristiques aérodynamiques du câble cause des oscillations de grande amplitude (galop). Au cours de la vibration éoîienne, l'alternance de vortex causés par le vent sur le câble est la cause de cette vibration. L'oscillation de sillage se produit dans les conjoncteurs empaquetés et à une amplitude moyenne. La charge de la glace peut causer sa fissuration ou accélérer sa rupture en augmentant l'inertie de masse. Quelques facteurs indirects fournissent des conditions appropriées pour la rupture de la glace par réduction de force ou élimination de l'adhérence au câble. Afin d'estimer les contraintes développées dans la glace accumulée sur un câble pendant le galop ou la vibration éolienne, deux modèles d'éléments finis ont été développés. La vibration éolienne et celle du galop sur un câble recouvert de glace ont été simulées pour déterminer les données de déplacement et de charge, qui servent d'intrants pour ces modèles. Les équations de mouvement du câble ont été appliquées à un câble recouvert de glace et résolues avec MATLAB pour obtenir des séries temporelles des mouvements du câble, des forces aérodynamiques, de la tension horizontale additionnelle agissant sur le câble pendant la vibration et le moment causé par le retour élastique. Le modèle ABAQUS a indiqué que, au cours du galop, les contraintes les plus élevées dans le sens du diamètre vertical de la glace sont atteintes lorsque le point médian du câble se situe aux positions les plus élevées et les plus basses de sa trajectoire. Pour étudier la morphologie des grains et des bulles d'air de la glace atmosphérique, la glace a été accumulée sur un cylindre rotatif dans la soufflerie réfrigérée du CIGELE. Pour l'accumulation de la glace atmosphérique, on a utilisé une teneur en eau liquide de 2,5 g/m 3, une vitesse du vent de 10 m/s, de même que trois températures d'accumulation de -6 °C, - 10 °C et -20 °C, L'étude de minces sections de glace atmosphérique a indiqué que la taille des grains de glace diminue avec la température d'accumulation de la glace. La taille moyenne des grains de glace atmosphérique est approximativement de 1.5 mm, 0.5 mm et de 0.4 mm pour la glace accumulée à -6 °C, -10 °C et -20 °C, respectivement. Pour des épaisseurs de glace plus grandes que 2 mm, les grains sont allongés et perpendiculaires à l'axe du cylindre, pour la glace accumulée à -10 °C et -6 °C. Les expériences sur les effets du champ électrique à haute tension sur la glace atmosphérique confirment que la présence d'un champ électrique à haute tension affecte la structure, la densité et la quantité de la glace accumulée sur les conducteurs. La résistance à la compression de la glace atmosphérique augmente avec la diminution de la température d'essai. En outre, on a constaté que la résistance de la glace augmente avec l'augmentation du taux de déformation jusqu'à une valeur de 10 "3 s ~l, et puis diminue à des taux plus élevés de contrainte. La résistance à la compression de la glace atmosphérique augmente également avec la décroissance de la température d'accumulation. À des taux plus élevés de contrainte, cependant, dû à l'activation des fissures, la résistance à la compression de la glace accumulée à -20 °C est moindre que celle accumulée à -10 °C. Les résultats de la résistance à la flexion de la glace atmosphérique indiquent qu'aux taux inférieurs de contrainte, la résistance à la flexion de la glace augmente avec le décroissetnent de la température, mais qu'aucun effet de la température n'est observé aux taux plus élevés de contrainte. Dépendamment de la température, augmenter le taux de contrainte peut augmenter ou diminuer la résistance à la flexion de la glace atmosphérique. La résistance à la flexion de la glace atmosphérique accumulée à -10 °C s'est avérée plus élevée que celle des deux autres types de glace atmosphérique à cause de sa structure plus forte, de la plus petite taille de ses grains et de son manque relatif de cavités. Le module effectif de la glace atmosphérique s'est avéré augmenter avec l'augmentation des taux de déformation. Les résultats des essais de résistance à la rupture de la glace atmosphérique prouvent qu'elle diminue au fur et à mesure que la température de l'accumulation de glace décroît. Pour l'étude du comportement de rupture fragile de la glace atmosphérique, un modèle ABAQUS a été développé pour analyser la progression d'une fissure quasi statique d'une poutre bidimensionnelle à trois-points. Des surfaces potentielles de fissuration ont été modelées en tant que surfaces de contact maîtresses et assujetties. On a assumé que les surfaces prédéterminées de fissuration sont partiellement collées au départ de sorte que les extrémités des cassures puissent être identifiées explicitement par ABAQUS/Standard. Pour la modélisation du comportement de fissuration de la glace atmosphérique, le taux de contrainte a été décomposé en deux parties : taux de contrainte élastique et de fissuration. La contrainte élastique récupérable est associée à la déformation de treillis et liée à l'effort appliqué correspondant selon la loi de Hooke. La relation entre les contraintes locales et les contraintes de fissuration aux interfaces de fissures a été définie par une matrice de fissurations diagonale qui dépend de l'état des fissures existantes. Un critère de Rankine a été utilisé pour détecter le déclenchement des fissures. Les composantes de la matrice de fissurations diagonale ont été déterminées expérimentalement en tenant compte des propriétés mécaniques du matériel. Un modèle tridimensionnel a été développé en utilisant ABAQUS pour étudier le comportement fragile et la fissuration de la glace atmosphérique. La force calculée par le modèle d'ABAQUS pour la rupture de la poutre est en écart de 2% par rapport à la valeur moyenne de la force de rupture observée en laboratoire. Toutefois, la deflection de la poutre à la rapture montre l'erreur de 19% par rapport à la glace testée. L'erreur est attribuée à l'inexactitude de la mesure du débattement du faisceau, aux différences entre les dimensions du faisceau et le module de Young des échantillons de glace et les valeurs correspondantes dans le modèle d'ABAQUS, et au manque d1 analyse de plasticité dans le modèle. Un autre modèle basé sur ABAQUS a été développé pour simuler la fissuration fragile de la glace atmosphérique sur un câble. Les résultats montrent une erreur de 14% et de 47% dans la prévision de la force de rupture et de la deflection à la rupture, respectivement. A part les causes des erreurs mentionnées pour le modèle de trois-points, la différence entre la rigidité flexural du câble et le cylindre, la différence entre la forme de glace dans le modèle et les essais expérimentaux, et l'inégalité de la surface de la glace sont quelques sources des erreurs. La rupture des poutres de glace lors des essais à trois-points a été étudiée en utilisant une caméra vidéo à haute vitesse. L'initiation, la propagation des fissures et la rupture mécanique de la glace atmosphérique ont été étudiées avec trois vitesses différentes de formation d'images (20000 IPS, 75000 IPS et 150000 IPS). Les vitesses maximales pour ces essais étaient de 360, 750 et 1275 m/s et les vitesses moyennes de fissuration était de 253, 427 et 563 m/s.