De la centrale d'énergie jusqu'à la consommation de l'électricité résidentielle, commerciale et industrielle, il existe tout un réseau de transport constitué d'une variété de composantes. Parmi ces équipements, il y a le transformateur qui est l'équipement le plus onéreux. Les transformateurs de puissance sont des unités critiques sur les réseaux qui sont exposés à différentes contraintes tout au long de leur vie. Parmi ces phénomènes, il y a les contraintes électriques, thermiques et environnementales, qui réduiront la durée de vie des unités en service. Les investigations dans ce mémoire de maîtrise, visent à explorer les différents mécanismes de vieillissement thermique, électrique et chimique qui, par la suite, produisent en état de service, une variété de produits de décomposition (gaz, acides, cires et autres produits colloïdaux) qui attaquent (dégradent) les fibres de l'isolant solide (papier) à l'intérieur du transformateur. Les résultats sont analysés à la suite des différentes mesures effectuées sur différents huiles et fluides naturels et synthétiques dégradés selon des paramètres contrôlés en laboratoire à des fins de comparaison. Ces paramètres sont le vieillissement thermique dans un four à convection à température constante, la simulation d'un point chaud par courant constant, la stabilité sous contraintes électriques à tension fixe et pour terminer le vieillissement thermique en absence d'oxygène par inertage par l'azote. Ces différents fluides vieillis seront par la suite analysés via des techniques de mesure selon les standards imposés par les normes ASTM et via des techniques de mesure innovatrices qui détermineront l'état de la détérioration des fluides en question. Des techniques de mesure telles que la spectrophotométrie, la turbidité, la conductivité thermique, l'acidité, la tension interfaciale, la viscosité, le facteur de dissipation diélectrique ainsi qu'un traceur de radicaux libre ont été utilisés. L'absence d'oxygène réduit le processus de décomposition, il est montré que sans oxygène, le fluide générera moins de produits de décomposition. Il sera démontré que les radicaux libres des huiles minérales sont détectables par l'utilisation d'un traceur (DPPH), que les différents fluides à la suite des tests de stabilité ne se détériorent pas au même rythme et que les huiles minérales à la suite des tests thermiques produisent une quantité de gaz croissant tandis que les esters et les silicones produisent une quantité de gaz décroissant pour se stabiliser après quelques tests. On pourra voir que les produits de dégradation influencent la conductivité thermique de l'huile. En améliorant nos connaissances au sujet des mécanismes des processus de vieillissement et de détérioration des matériaux isolants, les opérateurs de système des réseaux électriques seront en meilleure position pour prendre des décisions appropriées permettant d'éviter des pannes majeures. - From the power plant to the residential, commercial and industrial, consumption of electricity, there is the power network consisting of a variety of components. Among these facilities, there are power transformers which are most expensive equipment. Power transformers which are critical units for networks are exposed to various stresses throughout their lives. Among these stresses, there are: electrical, thermal and environmental stresses, which will shorten the life of the units in service. The investigations performed in this master thesis aimed at exploring the different aging mechanisms: thermal, electrical and chemical that subsequently produce under service conditions, a variety of decomposition byproducts (gases, acids, waxes and other colloidal products). These products will attack (degrade) the fibers of the solid insulation (paper) inside the transformer. The investigations were performed on different oils, natural and synthetic fluids degraded under various conditions in laboratory conditions for comparison. These conditions consisted in thermal aging in an oven at constant temperature, simulation of a hot spot at constant current, the stability under electrical discharge and finally thermal ageing in an oven at constant temperature without oxygen. These different aged fluids were subsequently analyzed using ASTM standard measurement techniques and through innovative measurement techniques to assess the condition of fluids. Measurement techniques such as UV-vis spectrophotometry, the turbidity, thermal conductivity, acidity, interfacial tension, viscosity, dielectric dissipation factor and also a free radicals tracer have been used. The absence of oxygen slows down the process of decaying. It is shown that without oxygen the fluid will produce less decay product. It will be show that free radicals from mineral oils are attributable with a tracer (DPPH). It will be shown that different fluids under stability tests are not ageing at the same rate. It will be shown that the mineral oils produce an increasing quantity of gas from the thermal tests while esters and silicones produces a decreasing quantity of gas to reach a stability zone after few tests. It will be seeing that decay products influence the thermal conductivity of oil. By improving our knowledge about mechanisms of aging processes and deterioration of insulating materials, system operators will be in a better position to take appropriate decisions to avoid major outages.

Plusieurs systèmes et infrastructures stratégiques sont affectés ou cessent de fonctionner pendant les périodes hivernales accompagnées de givrage atmosphérique. Une des méthodes couramment utilisées pour diminuer les charges de glace ou de neige est l'utilisation des produits chimiques pour abaisser le point de congélation. Cependant, ces produits doivent être appliqués pendant le givrage ou juste avant l'accumulation de la glace, ce qui est difficile en pratique. De plus, ces produits sont nocifs pour l'environnement. C'est ainsi que de nouvelles méthodes, plus efficaces et moins nocives, sont nécessaires. Une solution idéale serait de recouvrir les structures exposées de revêtements capables de réduire ou de neutraliser l'adhésion de neige ou glace aux surfaces exposées. Une surface caractérisée par un angle de contact de 150° ou plus avec les gouttelettes d'eau déposées est dite superhydrophobe. Pour obtenir une telle surface, une des solutions suggérées est la création de surfaces nanostructurées avec faible énergie de surface. De telles surfaces hydrophobes ont de nombreuses applications si elles sont durables et n'ont pas d'effets nocifs sur l'environnement. Dans cette étude, des surfaces superhydrophobes nanostructurées ont été obtenues par le recouvrement de surfaces d'aluminium ou de cuivre avec des nanoparticules métalliques. Trois colloïdes différents de nanoparticules d'argent et deux colloïdes de nanoparticules de cuivre ont été synthétisés par des méthodes de réduction chimique (chemical reduction). Il s'est avéré que les particules d'argent sont assez stables pour cette application par rapport particules de cuivre qui ne le sont pas suffisamment. Indépendamment du type de nanoparticules, des surfaces hydrophobes n'ont pas pu être réalisées avec une seule couche. En ajoutant une deuxième couche, tous les types de nanoparticules ont formé un revêtement avec d'excellentes propriétés hydrophobes, mais avec des angles de contact différents. En raison des formes similaires des nanoparticules, cette différence entre les angles de contact pourrait dépendre de la dimension de ces particules. En effet, les particules avec une taille moyenne de -263 nanometres présentent les angles de contact les plus élevés, tandis que celles avec une taille moyenne de ~195 ou de -360 nanometres présentent des valeurs plus basses. Le comportement des revêtements superhydrophobes élaborés a été étudié dans des conditions de givrage atmosphérique. Sur une surface d'aluminium protégée par un revêtement de deux couches de particules de 263 nanometres, l'adhérence de glace a été réduite jusqu'à 8.1 fois. Cette réduction de l'adhérence était de 4 fois dans le cas de substrats à base de cuivre dans les mêmes conditions. Les échantillons à base de cuivre nanostructurés ont pu garder leurs propriétés giaciophobes même après cinq essais de déglaçage.

Le propulseur PEGASES (Plasma Propulsion with Electronegative Gases) est un nouveau type de propulseur électrique pour la propulsion spatiale. Il utilise des ions négatifs et positifs créés par une décharge radiofréquence à couplage inductif pour générer la poussée. L’accélération électrostatique des ions est assurée par un ensemble de grilles polarisées. Un filtre magnétique est utilisé pour augmenter la quantité d'ions négatifs dans la cavité du propulseur. Le propulseur PEGASES est non seulement une source qui permet de créer un plasma d'ions négatifs à forte densité, et même un plasma d'ion-ion, mais il peut également être utilisé comme un propulseur ionique classique. Cela signifie qu'un plasma est créé dans un gaz électropositif (e.g. Xe) et que les ions positifs sont extraits et accélérés. Dans ce cas, il est nécessaire de neutraliser le plasma derrière la zone d'accélération, comme dans d'autres propulseurs ioniques. Les performances du propulseur PEGASES ont été étudiées principalement dans du xénon afin de comparer les résultats obtenus avec les propulseurs ioniques de type RIT. Le propulseur a été étudié à l'aide d'une série de sondes telles qu’une sonde de Langmuir, une sonde plane, une sonde capacitive et un RPA (pour Analyseur à Champ Retardateur). De plus, une sonde en champs croisés ExB a été développée pour mesurer la vitesse des ions quittant le propulseur ainsi que la fraction des différentes espèces ioniques présentes dans le plasma. / The PEGASES thruster (Plasma Propulsion with Electronegative Gases) is a novel type of electric thruster for space propulsion. It uses negative and positive ions produced by an inductively coupled radio frequency discharge to create the thrust by electrostatically accelerating the ions through a set of grids. A magnetic filter is used to increase the amount of negative ions in the cavity of the thruster. The PEGASES thruster is not only a source to create a strongly negative ion plasma or even an ion-ion plasma but it can also be used as a classical ion thruster. This means that a plasma is created and only the positive ions are extracted and accelerated making it necessary to neutralize the plasma behind the acceleration stage like in other ion thrusters. The performances of the PEGASES thruster have been investigated mainly in xenon in order to compare the obtained results with RIT-type ion thrusters. The thruster has been investigated with the help of a variety of probes such as a Langmuir probe, a planar probe, a capacitive probe and a RPA (Retarding Potential Analyzer). In addition, an ExB probe has been developed to measure the velocity of the ions leaving the thruster and to differentiate between the ion species present in the plasma.

L’objectif de cette thèse est d’étudier des machines électriques à aimants permanents polyphasées et leur commande pouvant fonctionner en modes dégradés sur une large plage de vitesse dans le cadre d’une application de génération d’énergie hydrolienne. Ceci se justifie par le fait que, pour les applications liées à l’extraction d’énergie marine, les installations ne sont pas facilement accessibles pour des opérations de maintenance. Ainsi, des stratégies de commande ont été élaborées, pour des MSAP pentaphasées et à 2X3 phases, en mode sain et en modes dégradés, sur une large plage de vitesse avec un mode de défluxage. Une étude comparative a été faite sur le comportement en vitesse variable, en mode sain et en modes dégradés d’un certain nombre de MSAP à bobinage concentré autour des dents. Cette étude s’appuie sur un modèle analytique, qui estime à partir d’un cahier des charges et de la combinaison encoche/pôle, les inductances et les Forces électromotrices. Cet outil a permis également d’effectuer une première évaluation qualitative les phénomènes perturbateurs internes à la machine (Pertes dans les aimants et répartition des forces radiales) vis-à-vis de ces stratégies de commande. Enfin l’énergie extraite sur une durée significative en mode sain et en modes dégradés pour une turbine à pas fixe associée à plusieurs types de génératrices polyphasées a été quantifiée sur un site hydrolien typique (Raz de Sein). / The aim of this thesis is to study multiphase permanent magnet electrical synchronous machines (PMSM) and associated control strategies for tidal energy harnessing. These systems must be able to operate in fault mode in a wide range of speed. Indeed, for marine energy extraction applications, it is difficult to access to the site for maintenance operations. Specific control strategies in healthy and faults modes have been proposed, for 5 phases and 2X3 phases PMSM in a wide range of speed including flux weakening operations. A comparative study has also been done by evaluating the torque speed characteristics of several PMSM with fractional slot concentrated winding. This study is based on an analytical model which allows evaluating inductance values and EMF waveforms, from the knowledge of slot/pole combination of the machine windings. This analytical model allows evaluating qualitatively the impact of the control strategies on magnet losses and radial forces. Finally a practical case of tidal current energy extraction has been studied by quantifying extracted energy, in healthy and in faults modes for several multiphase electrical generators associated with a fixed pitch turbine in a typical tidal site.

Compréhension et maîtrise des phénomènes intervenant sous haute tension à l'interface entre un gaz et un isolant solide.Dans le cadre du remplacement du SF6 dans les appareils moyenne tension, une étude de l’isolation électrique mixte (gaz (air) / solide isolant) a été réalisée. L’objectif étant de déterminer l’influence de la nature du solide sur la tenue au claquage. Pour cela plusieurs matériaux ont été sélectionnés tel que l’époxy / silice (matériau de référence chez Schneider Electric), le PA6T/66.GF50 (nouveau matériau pour cette application) ainsi que plusieurs autre matériaux permettant une meilleure compréhension du phénomène (PTFE, PC, PP, …). Les caractérisations diélectriques ont permis de mesurer des déclins de potentiel, des courants volumiques ainsi que des permittivités en fonction de la nature des matériaux. A partir de ces données, des mesures de claquage ont été effectuées. Deux configurations de champ électrique ont été testées (parallèle et perpendiculaire au solide). La géométrie « pointe-plan » a été sélectionnée, permettant l’observation de décharges partielles avant le claquage et donc une étude de la propagation de la décharge et non de l’initiation de celle-ci. Ces mesures ont permis de déterminer l’influence du solide sur la tension de claquage, avec une influence indirecte de la nature du matériau et sa teneur en eau. Dans notre configuration, la présence d’un isolant solide dégrade la tenue diélectrique. La permittivité est le paramètre influençant la tension de claquage, avec une réduction de celle-ci en présence de matériaux à forte permittivité (comme l’alumine). Aucun lien n’a pu être mis en évidence entre les mesures de déclin de potentiel et les tensions de claquage. Pour caractériser le développement de la décharge électrique le long de l’isolant solide, des visualisations et des mesures de courant ont été réalisés. Les visualisations ont permis d’observer deux types de décharges menant avant le claquage. Dans un premier temps le développement d’une décharge en surface « streamer de surface », puis celui d’une décharge dans le gaz « streamer de volume ». Ces observations ont permis de conclure que le streamer menant au claquage se développe majoritairement dans l’air en configuration de champ parallèle. Les mesures de courant ont apporté des informations sur l’initiation de la décharge, en montrant une réduction de la tension et du temps d’initiation de la décharge en présence d’un solide. Des résultats semblables ont été obtenus pour une large gamme de matériaux. Cependant certains matériaux de faible permittivité (PP, PTFE) se distinguent avec des tensions et des temps d’initiation retardés et aléatoires, semblables à ceux obtenus dans l’air sans solide. Il a été montré que l’initiation et la propagation n’influencent pas la tension de claquage en géométrie pointe-plan. Celle-ci est déterminée par la transition au claquage.Mots-clés : appareillages moyenne tension, tension de claquage, caractérisation diélectriques, streamers, courant transitoires, visualisations. / Comprehension and control of phenomena occurring under high voltage at the interface between a gas and a solid insulator.In the context of SF6 replacement in medium-voltage apparatus, a study of mixed electrical insulation (gas (air) / insulating solid) was carried out. The aim is to determine the influence of the nature of the solid on breakdown voltage. For this purpose several materials have been selected such as epoxy / silica (reference material of Schneider Electric), PA6T / 66.GF50 (new material for this application) and several other materials allowing a better understanding of the phenomenon (PTFE, PC, PP, ...). The dielectric characterizations allowed us to measure potential decay, currents and permittivities according to the nature of the materials. From this data, breakdown measurements have been carried out. Two configurations of electric field were tested (parallel and perpendicular to the solid). The "point-to-plane" geometry was selected, allowing the observation of partial discharges before breakdown and therefore a study of the propagation of the discharge and not of the initiation. These measurements show the influence of the solid on the breakdown voltage, with an indirect influence of the nature of the material and its water content. In our configuration, the presence of a solid insulator lowers the dielectric strength. The relative permittivity is the main parameter influencing the breakdown voltage, with a reduction of it in the presence of materials with high permittivity (alumina). It was not possible to establish a link between surface potential decay measurements and breakdown voltages. In order to characterize the development of the electric discharge along the solid insulation, visualizations and transient current measurements were achieved. The visualizations allowed the observation two types of discharges before the breakdown. First, the development of a surface discharge "surface streamer", followed by a discharge in the gas "volume streamer". These observations lead us concluding that streamers leading to breakdown develop predominantly in air above the surface in the parallel field configuration. Current measurements provide information on the initiation of the discharge. There exists a reduction of voltage and initiation time of the discharge in the presence of a solid. Similar results have been obtained for a wide range of materials. However, several low permittivity materials (PTFE, PP) show a different behaviour, with higher and scattered time delay and initiation voltage, similar to those obtain in air without solid. It has been shown that initiation and propagation do not influence the breakdown voltage in poi nt-plane geometry. The transition to breakdown mainly determines the breakdown voltage.Key words: medium voltage apparatus, breakdown voltage, dielectric characterization, streamers, transient currents, visualizations.

L’étude du polymorphisme de composés pharmaceutiques est un domaine en plein essor. Cela est dû d’une part aux pressions économiques exercées par l’industrie pharmaceutique et d’autre part pour une meilleure compréhension des conséquences du polymorphisme sur les propriétés des médicaments (stabilité physique et chimique, solubilité, vitesse de dissolution,biodisponibilité, propriétés mécaniques, etc.). Cette thèse étudie la cristallisation par la technique de nucléation non-photochimique induite par laser (NPLIN) des molécules pharmaceutiques organiques. Dans ce contexte, un nouveau montage expérimental semi-automatisé adapté aux exigences des études NPLIN a été conçu et réalisé, permettant le contrôle de nombreux paramètres et le traitement simultané d’un grand nombre d'échantillons et ainsi réalisé un gain de temps considérable. Une méthode de travail a été également établie afin de limiter l’aléa expérimental. L’étude de l’impact des paramètres du laser sur la cristallisation de la carbamazepine et du sulfathiazole dans différents solvants(méthanol, éthanol, acétonitrile) a été menée. Les résultats obtenus ont permis de démontrer pour la première fois dans la littérature que la NPLIN permet d’obtenir des cristaux de CBZ et de sulfathiazole dont les formes polymorphiques dépendent de la polarisation du laser et du type de solvant. Une approche permettant la prédiction de la forme polymorphique des molécules organiques de la base CSD, dans le cas de l’utilisation de la NPLIN, a été proposée et appliquée pour les molécules CBZ et la sulfathiazole étudiées expérimentalement. A partir de nos résultats expérimentaux, des calculs d’énergie d’interactions ab initio de dimères des molécules de carbamazépine et de sulfathiazole et sur les résultats observés dans la littérature nous avons pu émettre des hypothèses quant au mécanismes impliqués dans la nucléation NPLIN. / Polymorphism study of pharmaceutical compounds is a growing field. This is due, on one hand, to the economic pressure of the pharmaceutical industry and on the other hand, to the more awareness of the polymorphism consequences on the drug properties (chemical and physical stability, solubility, dissolution rate, bioavailibality, mechanical properties,manufacturing process, etc).This thesis studies the crystallisation of organic pharmaceutical molecules by using the Non Photochemical Light Induced technique. Within this context, a new semi-automatic experimental setup suitable to the requirements of NPLIN studies was devised and realised,allowing the control of many parameters and a simultaneous processing of a great number of samples and thus saving a considerable amount of time. A strict working methodology is also established to limit experimental errors. The study of the impact of laser parameters on the crystallisation of carbamazepine and sulfathiazole within different solvents (methanol,ethanol, acetonitrile) was carried-out. The obtained results allowed demonstrating, for the first time in literature, that NPLIN allows to obtain CBZ and sulfathiazole crystals for which the polymorphic forms depend upon the laser polarisation and solvent type. An approach for predicting the polymorphic form of organic molecules in the CSD database, for the case of NPLIN, was proposed and applied for the case of CBZ and sulfathiazole that were studied experimentally. We have also provided hypotheses to explain the mechanisms involved in NPLIN nucleation.

Plusieurs systèmes et infrastructures stratégiques sont affectés ou cessent de fonctionner pendant les périodes hivernales accompagnées de givrage atmosphérique. Une des méthodes couramment utilisées pour diminuer les charges de glace ou de neige est l'utilisation des produits chimiques pour abaisser le point de congélation. Cependant, ces produits doivent être appliqués pendant le givrage ou juste avant l'accumulation de la glace, ce qui est difficile en pratique. De plus, ces produits sont nocifs pour l'environnement. C'est ainsi que de nouvelles méthodes, plus efficaces et moins nocives, sont nécessaires. Une solution idéale serait de recouvrir les structures exposées de revêtements capables de réduire ou de neutraliser l'adhésion de neige ou glace aux surfaces exposées. Une surface caractérisée par un angle de contact de 150° ou plus avec les gouttelettes d'eau déposées est dite superhydrophobe. Pour obtenir une telle surface, une des solutions suggérées est la création de surfaces nanostructurées avec faible énergie de surface. De telles surfaces hydrophobes ont de nombreuses applications si elles sont durables et n'ont pas d'effets nocifs sur l'environnement. Dans cette étude, des surfaces superhydrophobes nanostructurées ont été obtenues par le recouvrement de surfaces d'aluminium ou de cuivre avec des nanoparticules métalliques. Trois colloïdes différents de nanoparticules d'argent et deux colloïdes de nanoparticules de cuivre ont été synthétisés par des méthodes de réduction chimique (chemical reduction). Il s'est avéré que les particules d'argent sont assez stables pour cette application par rapport particules de cuivre qui ne le sont pas suffisamment. Indépendamment du type de nanoparticules, des surfaces hydrophobes n'ont pas pu être réalisées avec une seule couche. En ajoutant une deuxième couche, tous les types de nanoparticules ont formé un revêtement avec d'excellentes propriétés hydrophobes, mais avec des angles de contact différents. En raison des formes similaires des nanoparticules, cette différence entre les angles de contact pourrait dépendre de la dimension de ces particules. En effet, les particules avec une taille moyenne de -263 nanometres présentent les angles de contact les plus élevés, tandis que celles avec une taille moyenne de ~195 ou de -360 nanometres présentent des valeurs plus basses. Le comportement des revêtements superhydrophobes élaborés a été étudié dans des conditions de givrage atmosphérique. Sur une surface d'aluminium protégée par un revêtement de deux couches de particules de 263 nanometres, l'adhérence de glace a été réduite jusqu'à 8.1 fois. Cette réduction de l'adhérence était de 4 fois dans le cas de substrats à base de cuivre dans les mêmes conditions. Les échantillons à base de cuivre nanostructurés ont pu garder leurs propriétés giaciophobes même après cinq essais de déglaçage.

The optimized design of outdoor insulators that consider heavy icing and pollution conditions is a significant concern for the reliability of power networks. Based on field observations, the probability of flashover of EHV post insulators is higher than line insulators under the same heavy icing conditions. The flashover along the insulators is caused mainly by the presence of a water film on the ice surfaces (melting period) and partial arcs in ice-free zones (air gaps). One of the mitigation options is the use of booster sheds (BSs) to create air gaps along the iced insulator. A booster shed (BS) is a flexible c-shape device made of highquality insulating materials. Since BSs are easy to use, they seem to be simpler alternatives to upgrading insulators to those designed for cold climate regions. Despite the promising results of BS applications, still an important work must be achieved to propose optimized design of BS configurations. This project aims to provide a generic design approach to the use of BSs by optimizing their main parameters (number, diameter, inclination angle, position, and permittivity) on post insulators under heavy icing conditions. This approach is based on analyzing previous BS tests in CEGELE, an improved hypothesis of BS effects, numerical analysis using commercial software (e.g. Comsol Multiphysics?, Matlab, and Minitab), geometric modeling of ice-covered post insulator with BSs, and finally experimental validation tests. The improved hypothesis states that the major effect of BSs is the creation of air gaps and their minor effect is the increase in dry arcing distance. Moreover, among total length of the air gaps, dry arcing distance, and total ice-free leakage distance (IFLDtot), the IFLDtot is a good indicator to quantify the BS effects on standard post insulators. Simulation analyses of BS configurations during the melting period demonstrate that the optimized relative permittivity of BS is an arbitrary value in its feasible variation range (2-15). The proper positions of BSs close to the HV electrode should be determined based on the probability of electrical breakdown. In contrast, the positions close to the ground electrode are determined based on ice-bridging effect. The geometric model and Taguchi method analysis show that the optimized value of BS inclination angle is equal to the upper shed angle of the insulator. Also, it indicates that generally the maximum feasible values for diameter and number of BSs are the best options. The feasibility in this regard, depends mainly on the minimum required distances between BSs as well as the mechanical forces of heavy ice and strong wind that may deform BSs. PVC sheet was deemed an effective solution for fabricating BS prototypes to perform the final validation tests. The experimental tests completely confirmed the improved hypothesis, the effectiveness of the geometric model, and the simulation analysis. La conception optimisée des isolateurs externes sous des conditions sévères de givrage et de pollution est une préoccupation importante, surtout pour la fiabilité des réseaux électriques dans les régions au climat froid. Basée sur la pratique des transporteurs d'énergie électriques, la probabilité de contournement des isolateurs de poste THT est plus élevée que celle des isolateurs de ligne dans les mêmes conditions de givrage. Le contournement le long des isolateurs est essentiellement dû à la présence d'un film d'eau sur les surfaces de glace (période de fonte) et d'arcs partiels le long de zones sans glace (intervalles d'air). L'une des alternatives pour diminuer la probabilité de contournement des isolateurs recouverts de glace est l'utilisation des jupes auxiliaires (JAs), ce qui permet de créer de plus grands intervalles d'air le long des isolateurs. Une jupe auxiliaire (JA) est un dispositif en forme de C flexible fabriqué à partir de bons isolants. En plus d'être faciles à utiliser, les JAs semblent être une alternative relativement simple, puisqu'elles permettent d'éviter de concevoir des isolateurs spéciaux pour les régions froides. Même si les résultats des applications de JA sont prometteurs, il y a encore un important travail à faire pour proposer une conception optimisée de leur configuration. Ce projet vise à optimiser les paramètres principaux ( nombre, diamètre, l'angle d'inclinaison, la position et la permittivité) des jupes auxiliaires pour fin de leur utilisation sur les isolateurs de poste sous des conditions sévères de givrage. Cette approche est basée sur plusieurs éléments tels que l'analyse des tests précédents des JAs à la CEGELE, une hypothèse améliorée des effets des JAs, des analyses numériques utilisant des logiciels commerciaux tels que Comsol, MATLAB, et Minitab, ainsi que la modélisation géométrique de l'isolateur glacé avec JAs et sur des tests de validation expérimentaux. Selon l'hypothèse améliorée, l'effet majeur de JAs est la création d'intervalles d'air et leur effet mineur est l'augmentation de la distance de l'arc. De plus, parmi la longueur totale des intervalles d'air, la distance d'arc et la distance totale de fuite dans les intervalles libres de glace (IFLDtot), le IFLDtot est un bon indicateur pour quantifier les effets des JAs sur des isolateurs de poste standard. Les analyses de simulation de configurations des JAs en période de fonte montrent que la permittivité relative optimisée d'une JA est une valeur arbitraire dans sa gamme de variation possible (2-15). Les positions appropriées des JAs proches de l'électrode de haute tension devraient être déterminées à partir de la probabilité de décharge électrique. Par ailleurs, les positions proches de l'électrode reliée à la masse sont déterminées à partir de l'effet de pontage de la glace. Le modèle géométrique et la méthode Taguchi montrent que la valeur optimale de l'angle d'inclinaison des JAs est égale à l'angle de la jupe supérieure de l'isolateur. Ceci indique aussi que les valeurs réalisables maximales pour le diamètre et le nombre de JAs sont généralement les meilleures options. La faisabilité à cet égard, dépend principalement des distances minimales requises entre les JAs, ainsi que des forces mécaniques de la glace et du vent qui peut déformer les JAs. La feuille de PVC a été considérée comme une solution efficace pour fabriquer des prototypes de JA afin d'effectuer les tests de validation finale. Il s'est avéré que les tests ont complètement confirmé l'hypothèse améliorée, l'efficacité du modèle géométrique et les analyses de simulation.

Dans ce mémoire nous étudions le processus d'intégration d'éoliennes à des réseaux électriques isolés utilisant des génératrices diesel en conditions de climat froid, en se basant sur le cas de la base scientifique antarctique argentine Jubany. Le but du mémoire est de développer une procédure de conception selon les méthodologies, recommandations et expériences actuelles des organismes de normalisation et de l'industrie, pour implanter un système hybride éolien-diesel opérant dans le climat froid de Jubany dans des conditions optimales d'efficacité et durabilité. La conception du système est faite jusqu'à un niveau architectural afin d'illustrer la disposition et les spécifications techniques générales des principaux équipements. La méthode suivie est d'utiliser la série des spécifications techniques TS 62257 de PIEC (la Commission électrotechnique internationale), ensemble de documents pour concevoir et implanter des systèmes hybrides, comme une procédure de conception de base, d'ajouter à cette procédure la prise en compte des effets du froid sur le système, tels que décrits dans les documents sur l'exploitation de l'énergie éolienne en climats froids de PIEA (l'Agence internationale d'énergie). Cette méthodologie est enrichie par l'analyse d'autres installations hybrides éolien-diesel en climat arctique/antarctique utilisées comme sources d'énergie. Les architectures proposées sont modélisées dans le logiciel Homer afin d'évaluer la production d'énergie et la diminution possible de consommation de carburant. Nous concluons que la série de normes TS 62257 est une procédure adéquate pour évaluer les conditions d'implantation du projet et réaliser de façon normalisée les premières étapes de conception, toujours en considérant les effets du froid sur le système. Pour le cas de Jubany, nous avons évalué l'état actuel des conditions climatiques (vitesses de vent, températures) et le système électrique en activité pour proposer des recommandations pour l'installation du système hybride éolien-diesel. - The present work studies the process of coupling wind turbines with local isolated diesel generator to provide electricity to remote power grids in a cold climate. Different scenarios of wind penetration are evaluated and the methodology is applied to a specific site, the scientific Antarctic Argentinean base "Jubany". The goal of the thesis is to develop a design procedure in agreement to the most recent methodologies, recommendations and experiences of the standardization organisations and of the industry to successfully implement an effective and sustainable wind-diesel hybrid system operating in the cold climate at Jubany. The system design is made up to an architectural level, showing the layout and general technical specifications of the major equipments. The method follows the technical specifications TS 62257 of the IEC, the International Electrotechnical Commission, which is a set of recommendations to design and implement hybrid systems. This norm has been used as a basic design procedure, to which have been added specific aspects of the cold climate effects, as described in documents of the IEA, the International Energy Agency. Other examples of hybrid winddiesel facilities in Arctic/Antarctic climate, either operational or proposed, have been analyzed as a source of technological ideas to make design proposals for the hybrid system at Jubany. The proposed architectures are simulated with Homer software to assess their energy production, cost of energy and fuel savings. It is concluded that the norm TS 62257 is a good basic procedure to organise and evaluate the input information and complete the first steps of design in a standardized way, even considering the effects of the cold climate on the system. For the Jubany case, conclusions are presented regarding the current state of information of the climate (wind, cold) and of the electrical system in operation and recommendations are made to prepare the installation of the hybrid wind-diesel system.

L'objectif principal de cette recherche était d'étudier la variation du taux d'accumulation de pollution sur les isolateurs en fonction de la vitesse du vent sous des conditions hivernales. En particulier, cette recherche visait à accroître la connaissance du processus d'accumulation de pollution sur les isolateurs de haute tension durant l'hiver. Comme il n'existait pas encore de méthodes préétablies pour simuler l'accumulation de pollution hivernale sur les isolateurs, la réalisation de cette étude a nécessité le développement de nouvelles méthodes de simulation. Parmi les trois (3) catégories de méthodes de simulation connues, les développements d'une méthode de simulation numérique par ordinateur et d'une méthode d'accumulation artificielle en laboratoire furent retenus. Le modèle développé pour la simulation numérique par ordinateur est une adaptation d'un modèle en 2D d'accumulation de glace sur un câble. En tenant compte de certaines restrictions, il a été démontré que cette adaptation constituait une bonne approche à la modélisation de l'accumulation de pollution sous des conditions hivernales. Ainsi, les simulations numériques réalisées en utilisant ce modèle ont permis de mettre en évidence la forte corrélation positive entre le taux journalier d'accumulation de pollution hivernale et la vitesse du vent. Les résultats des simulations numériques ont permis aussi de trouver que la relation entre ces deux (2) variables est régie par une loi de puissance selon l'expression ESDD = aVb, où a et b sont des paramètres dont les valeurs sont conditionnées par la forme de l'isolateur, la taille des particules de pollution et la quantité totale de particules en suspension dans l'air. Toutefois, la relation obtenue était différente de la fonction cubique, caractéristique de la pollution marine, compte tenu de la valeur de b trouvée. Et, à l'issue de la comparaison des résultats numériques avec ceux obtenus sur le terrain, il a été possible de valider partiellement le modèle numérique, en se limitant à des vitesses de vent qui n'excèdent pas 5 m/s associées à des particules de pollution de 20um de diamètre volumique médian (MVD) et de quantité totale de particules en suspension (TSP) égale à 30 ug/m3. Pour l'accumulation artificielle en laboratoire, le développement du modèle expérimental était basé sur l'adaptation de la méthode de contamination « Dry-Mixing ». La réalisation du montage a nécessité la conception spéciale d'un générateur de pollution, composé d'un générateur d'aérosol solide et d'un système de gicleurs, afin de produire un mélange sec externe de polluants solides (poudre de kaolin), et de gouttelettes surfondues de saumure atomisée. Un écoulement d'air, produit par un ventilateur à vitesses variables à l'intérieur d'un tunnel de vent réfrigéré à circuit fermé ou ouvert, transportait les particules de pollution ainsi formées et les déposait à la surface d'un isolateur de test sous tension ou non, lequel a été installé à une distance spécifique de la buse du générateur de pollution. Des essais de contamination ont pu être effectués par la suite dans la soufflerie réfrigérée ainsi qu'à l'intérieur de la chambre climatique de la CIGELE. Les expériences en absence de source de tension se sont déroulées à la fois dans la soufflerie réfrigérée et dans la chambre climatique. Quant aux expériences en présence de source de haute tension AC, celles-ci se sont déroulées exclusivement dans la chambre climatique. Les résultats expérimentaux obtenus nous ont permis d'étudier les effets du vent sur le taux d'accumulation de pollution sous des conditions hivernales ainsi que d'analyser l'influence de la haute tension AC sur le processus d'accumulation. Il a été trouvé que YESDD est aussi une fonction de puissance de la vitesse du vent selon l'expression ESDD = aVb, où a et b sont des paramètres dépendants des conditions expérimentales telles que la durée de l'accumulation, la température, la pression d'air du gicleur, le débit et la concentration de la saumure ainsi que de la tension appliquée. Cependant, la relation est loin d'être une fonction cubique avec les valeurs de b obtenues. Par ailleurs, il a été constaté que la pollution s'accumulait plus rapidement sur la surface supérieure du disque que sur la surface inférieure. Et en présence de la haute tension AC, l'effet de la force diélectrophorétique était seulement notable sur la surface supérieure du disque pour des vitesses de vent faibles contrairement sur la surface inférieure où son effet était plus considérable pour des vents de grande vélocité. En outre, en comparant les résultats expérimentaux aux résultats obtenus sur le terrain, il a été possible d'obtenir, dans ce sens, une validation du modèle de la chambre climatique en présence de haute tension AC, mais uniquement pour la surface supérieure. En somme, les trois (3) modèles de simulation développés dans la présente étude concordaient sur le fait qu'en présence de conditions hivernales, il y a un accroissement rapide du taux d'accumulation de pollution sur les isolateurs lorsque la vitesse du vent est élevée et que généralement, la variation de YESDD en fonction de la vitesse du vent suit une loi puissance autre que la loi cubique V3. - The main objective of this research was to study the variation in the accumulation rate of pollution on insulators according to the speed of the wind under the winter conditions. More specifically, this research aimed to further knowledge on the pollution accumulation process on high voltage energized insulators during the winter. In absence of pre-established methods to simulate the accumulation of winter pollution on the insulators, this study required the development of new methods of simulation. Among the three categories of known methods of simulation, numerical simulation and artificial accumulation in laboratory were selected. The developed numerical simulation model was adapted from a 2D model of ice accretion on a cable. Taking certain restrictions into account, it was shown that this constituted a good approach for modeling pollution accumulation under winter conditions. Thus, the numerical simulations carried out using this model made it possible to show the strong positive correlation between the daily accumulation rate of winter pollution and wind speed. Numerical simulation results also made it possible to find the relation between these two variables which is governed by a power law according to the expression ESDD = aVb, where a and b are parameters whose values are determined by insulator shape, pollution particle size and total suspended particles in the air. However, the resulting equation was not a cubic function, characteristic of marine pollution, considering the value obtained for b. Finally, by comparing the numerical results to the experimental ones, it was possible to partially validate the numerical model, being limited to wind speeds not exceeding 5 m/s together with pollution particle size of 20 um median volume diameter (MVD), and total suspended particles (TSP) equals to 30 ug/m3. As for the artificial accumulation in laboratory, the developed model was based on the adaptation of the "Dry-Mixing" contamination method. This required setting up a specially designed pollution generator, which was composed of a solid aerosol generator and a nozzle system, in order to produce an external dry mixture of solid pollutants (kaolin powder), and supercooled atomized brine droplets. The air flow, produced by a variable speed fan inside a closed- or an open-loop refrigerated wind tunnel, carried the generated pollution particles and deposited them on the energized or unenergized surface of a test insulator, installed at a specific distance from the pollution generator nozzle. Then, contamination simulations were carried out in the CIGELE refrigerated wind tunnel and in a climate chamber. Experiments without applied voltage were carried out both inside the refrigerated wind tunnel and the climate chamber, whereas those with high voltage source were carried out exclusively inside the climate chamber. The obtained experimental results made it possible to study the effects of wind on the accumulation rate of pollution under winter conditions and also to analyze the influence of AC high voltage on the accumulation process. It was found that ESDD is also related to the wind speed power function, ESDD = aVb, where a and b are parameters depending on experimental conditions such as accumulation duration, temperature, nozzle air pressure, brine flow rate and concentration, as well as applied voltage. However, this is far from being a cubic function according to the obtained values of b. In addition, it was found that pollution accumulated faster on the top surface of the sheds than on the bottom surface. Also under AC high voltage, the effect of the dielectrophoretic force was only notable on the top surface of the sheds at low wind speed contrary to the bottom surface where its effect was more considerable at high wind speed. Moreover, by comparing the experimental results to the ones obtained in the field, it was possible to validate the model used inside the climate chamber under AC high voltage, but only for the top surface. In brief, the three simulation models developed in this study have this in common that under winter conditions there is a rapid increase of the pollution accumulation rate on the insulators subject to high wind speed, and that the variation of ESDD as function of wind speed is a power law different from the cubic law V3.