L'accumulation de glace sur les isolateurs de lignes de transport d'énergie électrique et de leurs postes est reconnue comme un problème majeur qui peut causer le contoumement des isolateurs et dans certaines conditions l'interruption de courant. Ce phénomène commence par des activités de décharge de couronne, s'ensuit la formation d'arcs partiels qui peut se développer en arcs de contoumement. Dû à la complexité de ce processus, qui résulte de l'interaction des décharges avec le film d'eau formé à la surface de la glace, le phénomène de contoumement n'est pas encore entièrement compris. Pour une meilleure connaissance des mécanismes en jeu dans l'arc de contoumement et d'autres types de décharge le précédant, il sera nécessaire de développer certaines connaissances concernant des paramètres comme la température et la concentration d'autres espèces d'ions. De plus, afin de développer des modèles mathématiques pour la propagation de décharges, une estimation de la conductivité de canal de décharge est nécessaire. Le courant circulant dans ce canal conducteur fournit l'énergie nécessaire aux activités d'ionisation à l'intérieur de ce canal. La conductivité de ce dernier est une fonction directe de sa température, ce qui illustre le besoin de mesurer la température de ces décharges. Jusqu'à présent, pour un arc apparaissant le long d'une surface de glace, on a arbitrairement donné à cette température a une valeur de 5000 K, mais sans preuve expérimentale. L'existence d'équilibre thermodynamique local (ETL) est un autre aspect important pour proposer des théories et des modèles, mais ceci n'a pas été vérifié pour l'arc de contoumement sur les isolateurs recouverts de glace. La vérification de condition d'ETL exige des informations sur la température et la concentration de diverses espèces ioniques, ainsi que sur la densité d'électron et sur le degré d'ionisation. L'objectif principal de cette recherche est d'approfondir nos connaissances du contournement des isolateurs recouverts de glace en mesurant et en calculant plusieurs paramètres importants dans le canal de décharge. La mesure des températures rotationnelles et d'excitation, et de la densité d'électrons pendant la propagation d'arc est préalablement nécessaire. De plus, l'effet du courant de décharge, du type de tension et de sa polarité sur la variation des paramètres d'arc ci-haut mentionnés devrait être étudié. Sur les bases de ces données, la condition d'ETL pourrait être examinée. Le diagnostic spectroscopique de plasma est une méthode de test non destructive qui a été utilisée pour atteindre les objectifs mentionnés. La lumière émise d'un arc sur une surface de glace a été transmise à un spectromètre. Les spectres obtenus ont été utilisés pour étudier la nature et la concentration d'espèces d'ions. Les températures du gaz et des électrons, ainsi que leur densité, ont été également mesurées à l'aide de méthodes appropriées. Les températures rotationnelles mesurées se situaient entre 4000 et 6500 K, alors que l'intensité de courant a augmenté de 200 à 700 mA pendant la propagation des décharges. Il a été observé que dans les mêmes conditions expérimentales, les températures des arcs en courant continu positif étaient plus élevée que celle des arcs en courant continu négatif. De plus, les températures d'arc en courant alternatif étaient plus faible que celles en courant continu positif et prohes de celles en courant continu négatif. La température d'excitation mesurée se situait à environ 9000 K et ne variait pas signifïcativement en fonction du courant de décharge. La densité d'électron augmentait avec l'augmentation du courant. Pour les courants variant de 200 à 700 m A, les densités d'électron ont augmenté de 1 à 2 xlO17 cm"3. Les densités d'électron étaient supérieures à 2.5xlO17 cm"3 avant l'apparition de l'arc de contournement. Les différences entre les températures rotationnelles et d'excitation ont montré que l'arc n'était pas dans un état d'équilibre thermique.

L'indisponibilité d'un transformateur de puissance a généralement de lourdes conséquences financières pour les exploitants des réseaux électriques. Le bon fonctionnement des transformateurs de puissance repose en grande partie sur leur isolation électrique (huile/ papier) et sur le contrôle de leur température. Les isolants utilisés dans la fabrication des transformateurs; qu'ils soient solides (papier, carton) ou liquides (huile), subissent avec le temps une altération chimique sous l'influence de la chaleur et d'autres agents tels que l'oxygène et l'humidité. Le présent mémoire, entrepris dans le cadre des travaux de recherches de la chaire sur les isolants liquides et mixtes en électrotechnologie (ISOLIME) de l'université du Québec à Chicoutimi, a pour but d'étudier de nouveaux systèmes de préservation d'huile. Il a également comme objectif d'explorer et de développer de nouvelles perspectives qui pourront résoudre les problèmes d'analyse de vieillissement du papier. À l'intérieur d'un transformateur, l'huile se dilate et se contracte en fonction de la température, ce changement de volume de l'huile se produit dans le conservateur d'huile. Concernant le circuit d'huile, on trouve deux grandes familles: les transformateurs dits hermétiques et les transformateurs dits respirants. Dans un transformateur hermétique, l'air du conservateur est emprisonné dans une membrane et comprimé par l'huile en cas de dilatation. L'air et l'huile ne sont donc jamais en contact avec l'extérieur. Mais le problème est que ce type de préservation ne tient pas compte de l'effet du champ électrique sur la décomposition de l'huile qui génère des gaz qui restent emprisonnés dans le conservateur et peuvent se dissoudre dans l'huile. Dans un transformateur respirant, le volume de l'air dans le conservateur est ajusté en fonction de l'expansion de l'huile au travers d'un dessiccateur. Dans ce type de transformateur, l'huile est exhibée au contact avec l'air où l'impact de l'oxygène et de l'humidité dégrade la qualité du système d'isolation. Pour palier aux inconvénients majeurs des systèmes de préservations présentés précédemment, deux nouveaux systèmes de préservation d'huile dans les transformateurs de puissance ont été proposés et étudier dans ce mémoire. Le premier utilise un système de préservation à gaz inerte (l'azote pur) et le second un nouveau système de préservation à diaphragme. L'analyse de l'huile pour ces deux systèmes a été effectuée avec différentes techniques de diagnostic et les résultats y sont discutés. Des essais in situ et en laboratoire ont été réalisés. Les résultats obtenus ont montrés que Pinertage par l'azote permet de réduire de façon significative le taux de l'oxygène dans l'huile. Ainsi que le nombre d'acidité (TAN), la turbidité et la surface en dessous des courbes d'absorption (DDP) varier très peu avec le temps d'inertage avec l'azote. Les résultats pour le deuxième système montrent que les produits dissous et la turbidité dans le conservateur varient légèrement avec le temps dans le conservateur à diaphragme alors qu'elle est multipliée par un facteur 4 dans le cas du système sans diaphragme. Comme nous l'avons mentionné plus haut, la durée de vie d'un transformateur dépend étroitement de son état d'isolation, en particulier du papier cellulose qui le compose. L'évaluation de l'état de l'isolation solide se fait généralement d'une façon indirecte via l'huile, par l'analyse des dérivés fiiraniques ou encore à travers des diagrammes d'équilibre pour estimer la teneur en eau dans le papier. Dans ce contexte, l'étude de l'utilisation d'un capteur capacitif avec comme isolant le même papier cellulose qu'on utilise comme diélectrique solide dans le transformateur a été réalisé. Cette étude se basera sur la mesure des paramètres diélectriques : permittivité et facteur de dissipation (tan ô). Les principaux éléments du capteur ainsi que sa mise en oeuvre y sont décrits. Une procédure de vieillissement accéléré de l'isolation papier/ huile incorporant le capteur est également décrit. L'étude des pôles de la réponse fréquentielle comme nouveau paramètre d'évaluation de l'état de l'isolation solide est aussi effectuée. Cette technique semble tout à fait prometteuse à basse fréquences.

L'objectif de cette recherche est de conduire une étude à la fois expérimentale et numérique sur l'utilisation et l'optimisation d'anneaux de garde équipant une colonne isolante standard constituée de deux isolateurs de poste sous conditions de glace sévères. Le choix s'est porté sur une colonne isolante standard du fait qu'elles sont les plus vulnérables en termes de contournement sous conditions de glace sévères. Au meilleur de nos connaissances, très peu de recherches ont étudié l'influence des anneaux de garde sous conditions propre et encore moins sous conditions de glace. Dans un premier temps, une étude paramétrique basée sur l'utilisation des éléments finis a permis de démontrer que l'optimisation de l'uniformité de la distribution de potentiel le long de la colonne isolante est réalisé en n'utilisant qu'un seul anneau placé sur l'électrode HT. dont la dimension et la position sont optimisées. Les résultats numériques et expérimentaux réalisés avec un seul anneau de garde standard sur l'électrode H.T. ont aussi démontré qu'une distribution plus uniforme de potentiel résulte en une distribution plus uniforme de glace le long de l'isolateur mais que cette uniformisation ne permet pas d'améliorer la tension de tenue de l'isolateur de poste sous conditions de glace sévères (15 mm d'épaisseur de glace radiale). Par conséquent, une meilleure uniformisation du dépôt de glace (moins d'intervalles d'air) résultant de l'utilisation d'anneaux de garde de forme standard ou optimisée n'est donc pas un gage d'amélioration des performances électriques sous glace d'une colonne isolante standard. L'analyse des résultats issus de l'étude paramétrique a permis de démontrer qu'il existe un diamètre à partir duquel une séparation des lignes équipotentielles se produit, résultant en une dégradation de l'uniformité du potentiel au voisinage de la surface de la colonne isolante. Cette constatation ainsi que la solution apportée pour remédier à ce problème ont permis de proposer une utilisation originale des anneaux de gardes sous des conditions de glace. La solution consiste à relier électriquement le périmètre de l'anneau de garde à celui de l'électrode à l'aide d'un grillage métallique qui a pour autre fonction de protéger une partie de l'isolateur contre l'accumulation de glace, créant des intervalles d'air de grande dimension. L'anneau ainsi modifié se comporte donc comme une jupe auxiliaire sous condition de glace sévère mais avec une meilleure uniformisation de la distribution de potentiel sous conditions normales d'utilisation. Les résultats expérimentaux effectués avec deux anneaux de garde modifiés sur une colonne isolante ont montré une amélioration de 15% de la tension de tenue sous une accumulation de glace de 15mm d'épaisseur radiale par rapport à une colonne standard seule. Ce résultat obtenu est supérieur à celui obtenu avec les jupes auxiliaires sous des conditions identiques d'accumulation, ce qui démontre tout le potentiel de la solution proposée. - The aim of this research is to carry out a study both experimental and numerical related to the use and optimization of the grading rings fitted on an insulating column consists of two standard post insulators under severe ice conditions. Our choice of a standard insulating column is motivated by the fact that this type of columns is most vulnerable in terms of flashover under severe ice conditions. Besides, to the best of our knowledge, very few studies have as yet handled the impact of grading rings under normal conditions, let aside under conditions of ice. In the first place, a parametric study based on finite elements demonstrated that the optimization of the uniformity the potential distribution along the insulating column is achieved using only one ring placed on the HV electrode whose dimension and position are optimized. The ensuing numerical and experimental result is that a more uniform distribution of potential engenders a more uniform distribution of ice along the insulator. However, such standardization process does not allow the improvement the withstand voltage of the post insulator under severe conditions of ice (radial ice 15 mm thick). It follows that a better standardization of the ice deposit (settlement) (fewer air gaps) resulting from the use of standard or optimized grading rings is by no means a guarantee that the icecovered electric performance of a standard insulating column will be improved. The analysis of the results the parametric study came to has permitted the demonstration that there exists a diameter on the basis of which a separation of equipotential lines takes place resulting in a degradation of the potential uniformity in the vicinity of the area of the insulating column. This observation, together with the solution put forth to settle this problem, has led us to suggest an original use of the grading rings under icy conditions. The solution consists in electrically linking the perimeter of the grading ring to the electrode with a metal grating which will, at the same time, protect a part of the insulator against ice accumulation, hence creating larger air intervals. The modified ring will thus stand as an booster shed in severe ice conditions; however though, it represents a better standardization of the potential distribution under normal conditions of use. The results of the experiments conducted with two modified grading rings fitted on an insulating column have shown a 15% improvement of the withstand voltage in 15 mm thick nice in comparison with a standard column. The result achieved is higher (better) than the one archived using booster shed in identical conditions of ice accumulation, which evidences the potential of the suggested solution.

Plusieurs types de givrages atmosphériques peuvent se déposer sur les lignes aériennes de transport d'énergie électrique incluant la neige collante lourde et adhérente, le givre dur, le givre mou et la glace à haute densité. Des dépôts de neige sur les structures exposées peuvent avoir un impact sur le fonctionnement, la sécurité et la fiabilité mécanique. Plus spécifiquement sur les lignes aériennes de transport d'énergie électrique, les charges de gravité résultant de Paccrétion de la neige lourde combinée aux charges du vent sur la neige peuvent causer des dommages structuraux, une rupture ou même en cascade des pylônes. La chute des dépôts de neige peut appliquer une charge dynamique sur la ligne de transport par les vibrations induites sur le câble et provoquer un effet déstabilisant entre les portées adjacentes couvertes et non couvertes. Ainsi pour protéger les lignes de transport contre les charges résultantes de l'accrétion de la neige sur la ligne et pour assurer la fiabilité des réseaux de distribution électriques, les processus du délestage de la neige doivent être compris et des techniques de prévention comme des méthodes d'antigivrage et de dégivrage doivent être utilisées. Cette étude porte sur l'analyse dynamique des lignes aériennes de transport d'énergie couvertes de neige et soumises à des charges périodiques. De telles charges peuvent être le résultat de l'effet d'une charge périodique externe appliquée pour enlever la neige accumulée sur les lignes ou le résultat d'effets naturels comme le vent ou des charges en déséquilibre conséquentes d'une chute de neige soudaine ou propagé d'une portée adjacente . L'objectif est de comprendre le phénomène du délestage de neige induite mécaniquement sur les portées des câbles aériens et de simuler les effets des charges périodiques sur la chute de la neige collante. Lors d'études précédentes, les réponses de la ligne de transmission aux chutes instantanées ont été modélisées alors que dans cette étude, on étudie la propagation de le délestage de la neige le long de la portée en réponse à une charge périodique. Plus particulièrement, la réponse dynamique des câbles couverts de neige aux charges périodiques est examinée par modélisation mathématique en utilisant une analyse d'éléments finis non linéaires et des études expérimentales en chambre froide. Le modèle numérique peut servir de base à l'étude de critères différents de rupture de la neige collante en ce qui concerne l'adhésion. Pour atteindre cet objectif, on a d'abord étudié expérimentalement l'adhésion en tension et en cisaillement à la surface des câbles. Ceci est essentiel pour mettre en corrélation la chute et la force d'adhésion entre la neige et le câble, puisque le délestage survient lorsque l'adhésion disparaît. Les mesures ont été obtenues en utilisant une machine à essayer le matériel et une centrifugeuse. Puis un critère de rupture de la neige collante a été déterminé et appliqué dans le modèle numérique. Ce modèle simule les vibrations du câble couvert de neige mouillée, par l'application d'une excitation périodique, celui que provoque du processus de chute de neige. L'excitation périodique est modélisée en utilisant une fonction temporelle de déplacement initial à une extrémité du câble, rendant la variation de la fréquence d'excitation possible. Le défi est de prédire si le dépôt va demeurer fixé au conducteur ou s'il va tomber suite à la vibration provoquée. Le modèle considère le délestage de la neige en retirant les éléments de la neige le long du câble, lorsque le critère de rupture est satisfait. Dans l'étude expérimentale, les manchons de neige collante ont été reproduits à échelle réduite en utilisant une technique développée précédemment. Les charges de neige de différentes épaisseurs ont été utilisées sur la portée et les charges périodiques ont été appliquées au point de suspension de façon à initier une vibration du câble et observer le mécanisme du délestage. La similitude des résultats du modèle numérique et ceux des simulations expérimentales à échelle réduite valide le modèle et assure sa fiabilité. Finalement le modèle de neige développé, avec un critère de rupture, est appliqué aux simulations numériques subséquentes des portées simples à échelle réelle soumis à des impacts périodiques. - Several types of atmospheric icing deposits may load overhead cables including heavy adherent wet snow, hard rime, large but lightweight soft rime and high-density glaze ice. Snow deposits on exposed structures can be the source of several serviceability, safety and mechanical reliability issues. On overhead power lines in particular, the gravity loads due to heavy snow accretion, coupled with wind-on-snow loads, may lead to structural damages, or failure and even cascading collapse of towers. The shedding of the snow deposit can apply dynamic loads on the line by the initiated cable vibration and results in unbalanced tension between shed and unshed adjacent spans. Therefore, in order to protect the line against loads resulting as a consequence of accreted snow on the line and to ensure the reliability of electrical power delivery networks, the processes of snow shedding have to be profoundly understood and countermeasures have to be taken, e.g., by applying anti-icing and de-icing methods. This study focuses on the dynamic analysis of snow-covered overhead transmission lines subjected to periodic loads. Such loads may result from the effect of an external periodic load intended to remove accreted snow from the cable, or from such natural effects as wind or load imbalances due to sudden or propagating snow shedding from an adjacent span. The objective is to understand the phenomenon of mechanically-induced snow shedding on overhead cable spans and to simulate the effects of periodic loads on wet snow shedding. In previous studies, the response of the line to instantaneous shedding was modeled, whereas in this research, the propagation of snow shedding along the span as response to a periodic load is studied. In particular, the dynamic response of snow-covered cables to periodic loads is examined by numerical modeling using nonlinear finite element analysis as well as experimentally in a cold chamber. The numerical model can serve as a basis to study various failure criteria of wet snow in terms of adhesion. In order to achieve this goal, first the tensile and shear adhesion of snow to cable surfaces were experimentally studied, which are essential to correlate shedding and the adhesive strength between cable and snow, since shedding occurs after adhesion vanishes. These measurements were carried out using material test machine and centrifuge machine. Then, a criterion of wet-snow failure was determined and applied in the numerical model, which simulates vibrations of the cable covered by wet snow due to application of periodic excitation resulting snow shedding process. The periodic excitation is modeled by an input displacement time function at one cable end, making the variation of excitation frequency possible. The challenge is to predict whether the deposit will remain attached to the conductor or fall off during the resulting vibration. The model considers snow shedding by removing snow elements along the cable where the failure criterion is satisfied. In the experimental study, wet snow sleeves were reproduced on a small-scale span by using a formerly developed technique. Snow loads of different thickness were thus created on this span and periodic loads were applied at the suspension point in order to initiate cable vibration and observe the resulting shedding mechanism. The coincidence of results of numerical model and those of small-scale experimental simulations validates the model and assures its reliability. Finally, the developed snow model with failure criterion is applied in further numerical simulations for real-scale single spans subjected to periodic impact.

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.

Cette thèse de doctorat décrit la conception et la mise en oeuvre d'une commande directe du couple d'une machine asynchrone triphasée. L'alimentation est assurée par un onduleur de tension à deux niveaux. Pour la stratégie de commande directe du couple, deux variantes de contrôle sont étudiées : La première est basée sur le contrôle direct du couple (CDC), dont les commutations de l'onduleur sont obtenues à partir de l'information de sortie des deux contrôleurs à hystérésis (couple, flux) et la position du flux statorique. La deuxième concerne le contrôle direct du couple prédictif (CDCP) basé sur le modèle de la machine asynchrone, dont les différentes commutations de l'onduleur sont obtenues à partir de la prédiction des futures valeurs des variables contrôlées (couple, flux) et l'optimisation de leurs erreurs par l'entremise d'une fonction de coût prédéfinie auparavant. La reconstitution des valeurs fondamentales de contrôle (courant, flux) est assurée par un filtre de Kalman de quatrième ordre pour faciliter l'intégration de la commande dans le contexte de contrôle direct du couple. D'autre part, un estimateur de perturbations muni d'un schéma antidépassement a aussi été étudié et intégré, dans le contrôle prédictif de la vitesse en boucle fermée adopté pour cette étude. La deuxième variante a mené à une amélioration par rapport aux résultats de la variante classique, en particulier dans la réduction de taux d'ondulation du couple et du flux statorique. Elle a aussi montré une performance dynamique appréciable, notamment enmatière de rejection des perturbations et de robustesse vis-à-vis de couple de charge sur une large plage de vitesse. En résumé, nos contributions scientifiques sont : 1- La mise en oeuvre d'une nouvelle stratégie de contrôle direct de couple prédictif basé sur le modèle de la machine asynchrone triphasée. 2- L'implementation expérimentale des deux structures de commande (« CDC » et « CDCP ») sur le système de prototypage rapide OPAL-RT disponible au sein du laboratoire LICOME de l'Université du Québec à Chicoutimi. Cette thèse débouche sur la réalisation d'un prototype, avec l''implémentation temps réel des deux variantes de contrôle directe du couple sur la plateforme OPAL-RT. Les résultats expérimentaux obtenus montrent de bonnes performances statiques et dynamiques et confirment les résultats de simulations obtenus sous l'environnement Matlab/Simulink. In this thesis, design and development of direct torque controlled three-phase induction motor drive is presented. The induction machine is fed from a two level inverter. The control of the drive is realized using two direct torque control strategies as given below: The first strategy is based on classical method DTC wherein the control signals for the inverter power devices are obtained using the output data from two hysteresis controllers and stator flux position. The second control strategy is a predictive method PDTC based on the model of the machine wherein the inverter switching signals are obtained by predicting future values of control variables (torque and stator flux) and optimizing their errors via a predefined costfunction. Reconstruction of control variables (current and flux) for controls is assured using a four order Kalman Filter. On the other hand, a disturbance observer with an anti-overflow scheme has also been studied and incorporated in the predictive closed-loop speed control adopted for this study. The second strategy has led to an improvement in the results of the classical method, especially in reducing torque ripple and stator flux. It also showed a significant improvement in dynamic performance, especially in terms of disturbance rejection and robustness over a wide speed range. This work leads to the development of a prototype, with real-time implementation of two controls (CDC and CDCP) variants via RT-LAB platform available in the LICOME laboratory of the University of Quebec at Chicoutimi. The experimental results show good transient and steady state performance and confirm the simulation results obtained using Matlab/Simulink.

Le transformateur de puissance est une des composantes clé dans les réseaux électriques. N’importe quelle panne ou mise hors service imprévisible de cet élément peut entraîner des dommages dans les réseaux électriques et conduire à d’importantes pertes financières. Leur fiabilité est d’une telle importance qu'ils requièrent une surveillance particulière. Les défauts majeurs à l’intérieur du transformateur peuvent être liés à la réduction de la rigidité diélectrique, la réduction de l’intégrité mécanique du papier et aux défauts thermiques. Le problème principal du système d’isolation est l'incertitude de sa fiabilité due aux mécanismes mal compris du vieillissement et de la dégradation sous l’effet de diverses contraintes, notamment électriques, mécaniques, environnementales et thermiques. Ainsi, une compréhension complète des phénomènes de vieillissement est indispensable pour réaliser une prévision plus fiable de la durée de vie et pour développer des méthodes plus efficaces de surveillance des conditions de l’isolation. L’évaluation précise de l'état d'un composant du réseau électrique permet de prévoir son remplacement au moment optimal. L’objectif principal de ce projet est de développer et d’évaluer quelques procédures, techniques et outils de diagnostic pour l’évaluation de l’état et la durée de vie résiduelle des transformateurs approchant leur fin de vie. Pour cela, diverses techniques ont été utilisées pour l’étude de la détérioration et du vieillissement des isolants, dans le but d’identifier les phénomènes fondamentaux qui y sont impliqués, et d’établir la relation entre la dégradation des propriétés de l’isolation et les produits de vieillissement. La chaire de recherche du Canada ISOLIME est équipée d’outils de diagnostic (électriques et physicochimiques) à la fine pointe de la technologie, permettant de réaliser des tests selon les pratiques et standards internationaux (ASTM, CEI,…). Dans cette étude plusieurs types d’équipements sont utilisés. Certains nous aident à préparer les échantillons et réaliser le vieillissement dans ces différentes conditions, d’autres sont utilisés pour mesurer les différents paramètres diélectriques, chimiques et mécaniques des échantillons. Quelques résultats de l’estimation de l’état des systèmes d’isolation par des techniques alternatives sont présentés dans cette thèse. Également, l’évaluation de ces techniques et les méthodes d’interprétations qui y sont associées, sont présentées au cours de l’analyse du vieillissement. Différents aspects de vieillissement ont été analysés, à savoir la comparaison entre le vieillissement des huiles minérales et des esters, l’influence de l’oxygène sur le vieillissement, etc. Un autre volet de la thèse consistait à réaliser un réseau d’impédances en 3D pour simuler un mélange de diélectriques. Les réponses diélectriques de l'huile minérale, de l’ester et du carton imprégné d'huile ont été simulées. Les résultats obtenus à partir de la mesure ont permis de démontrer la validité du modèle électrique. Power transformers are the key components of electrical networks. Any failure or unexpected outage of these major asset scan cause damage in power system and lead to important financial losses. Their reliability is so important that they require special monitoring. The major faults inside the transformer can be related to the reduction in the insulation dielectric strength and in the mechanical and thermal integrities. The main problem of the insulation system is the uncertainty of its reliability due to poorly understood mechanisms of aging and degradation under various stresses, including electrical, mechanical, environmental and thermal. Thus, a complete understanding of aging phenomena is essential to achieve a more reliable prediction of life expectancy and to develop more effective methods for monitoring insulation’s conditions. An accurate assessment of the condition of any component of the electric network will help predicting the optimal replacement time. The aim of this research project is to develop and evaluate procedures, techniques and diagnostic tools to assess the condition and remaining life of transformers approaching their end of life. For this purpose, various techniques have been used to study the deterioration and aging insulation, in order to identify the fundamental phenomena that are involved, and to establish the relationship between the degradation of insulation properties and aging by products. The Canada Research Chair ISOLIME is equipped with diagnostic tools (electrical and physicochemical) at the leading edge of technology to perform tests according to international standards (ASTM and IEC…). In this research project, several types of equipment were used. Some of them helped in preparing samples and performing aging under different conditions; while others were used to assess different dielectric parameters and chemical and mechanical properties of the insulation samples. The results of the evaluation of the insulation quality with the new techniques are shown in this thesis. Also, the assessment of these techniques and the methods of interpretations associated with it was made during the analysis of aging. Various aspects of aging were analyzed, such as comparison between the aging of mineral oils and esters, the influence of oxygen, etc. Another part of the thesis aimed to build a 3D impedance network to simulate a mixture of dielectrics. Dielectric responses of mineral oil, ester oil impregnated pressboard were simulated. The results obtained from the measurement demonstrated the validity of the electric model.

L’utilisation des isolateurs composites dans les réseaux aériens de transport d’énergie électrique s’est accrue ses dernières années. Il devient alors important d’avoir une bonne connaissance de tous les phénomènes liés à leur exploitation afin de garantir leur bon état pour éviter toute défaillance qui entraîne une interruption de la fourniture en énergie électrique. En outre, les équipes de maintenance qui installent et remplacent régulièrement des isolateurs composites sur les lignes aériennes de transport d’énergie électrique ont besoin d’obtenir des informations pertinentes sur leur état de dégradation avant d’effectuer des travaux. Cela passe par la mise à disposition de méthodes qui permettent de détecter le plutôt possible les défauts sur les isolateurs composites. L’objectif général de ce travail de recherche est de mener en premier lieu des études numériques pour étudier l’influence des défauts internes au sein des isolateurs composites sur la distribution du champ électrique. Les défauts internes constituent la deuxième cause de défaillance des isolateurs composites. La détection précoce des défauts internes contribuera à garantir la fiabilité des réseaux d’énergie électrique et la sécurité des opérateurs pour les travaux en ligne. La validation expérimentale de ce projet de recherche, a été réalisée avec un capteur électro-optique (EO) qui permet de mesurer de manière déportée et ponctuelle deux composantes perpendiculaire du champ électrique. Aux meilleurs de nos connaissances, le capteur EO n’a encore fait l’objet d’aucune application à la détection des défauts internes au sein des isolateurs composites. Dans un premier temps des études numériques basées sur l’utilisation des éléments finis à travers le logiciel Comsol Multiphysics ont été menées avec des modèles numériques tridimensionnels d’isolateurs composites utilisés aussi bien dans le domaine de la distribution que du transport de l’énergie électrique. Les défauts internes ont été modélisés sous la forme de cylindres semi-conducteurs et positionnés conformément à la majorité des observations réalisées sur le terrain. Dans un second temps, des études expérimentales ont été menées. La mesure du champ électrique a été réalisée avec un capteur électro-optique (EO. Étant donné la difficulté à créer un défaut interne au sein d’un isolateur composite, un prototype d’isolateur composite 69 kV démontable a été utilisé. Le défaut interne a été simulé par un ruban de semi-conducteur. Les résultats des simulations ont permis de mettre en évidence plusieurs avantages liés à la mesure simultanée des composantes axiale et radiale du champ électrique près de la surface de l’enveloppe d’un isolateur composite. Premièrement, une meilleure sensibilité de la détection d’un défaut interne par la mesure du champ électrique est obtenue lorsque les mesures s’effectuent au plus près du défaut interne (près de la surface de l’enveloppe). Deuxièmement, la mesure simultanée des composantes axiale et radiale du champ électrique permet de déterminer l’orientation du champ électrique le long d’une ligne près de la surface de l’enveloppe qui peut être exploitée pour la détection des défauts internes. Troisièmement, il a été démontré par simulation la faisabilité et la pertinence de la méthode de diagnostic proposée car elle permet une évaluation précise de la partie défectueuse (risques de contournement) d’un isolateur composite avant les travaux en ligne de maintenance. Enfin, le calcul des composantes du champ électrique (E) le long d’une ligne circulaire centrée sur l’enveloppe de l’isolateur permet de détecter et localier les défauts internes. En outre, l’allure particulière des courbes du champ E obtenues peut être utilisée pour la détection automatique des défauts internes. Les résultats des études expérimentales montrent qu’un défaut interne semi-conducteur de longueur correspondant à 3,5 % de la longueur totale de l’isolateur est visible quel soit sa position. Ceci constitue une grande avancée par rapport aux limites (grande taille, moins sensible et mesure loin du défaut) du dispositif actuellement utilisé pour le diagnostic des isolateurs composites par la mesure du champ électrique. D’après ce qui précède nous pouvons dire que le capteur EO utilisé dans ce travail peut permettre d’améliorer la sensibilité de la méthode de diagnostic des isolateurs composites par la mesure du champ électrique. En outre, le calcul des composantes du champ électrique le long d’une ligne circulaire centrée sur l’enveloppe de l’isolateur peut être utilisé pour le diagnostic automatique des défauts internes. Cette méthode aura l’avantage d’être réalisée sans les valeurs références du champ électrique préenregistrées de l’isolateur testé comme c’est le cas actuellement. Ainsi, on pourra entreprendre toute action de diagnostic d’un isolateur sans avoir besoins de ses données de références. Composite insulators and non-ceramic insulators (NCI) have been widely used on electrical networks since last year. Hence, it is important to ensure their good condition in order to avoid a threat to the network integrity. In addition, the live line workers need relevant information about insulators integrity before starting work. This requires appropriate diagnostic methods that can detect as soon as possible the defective insulators. The aim of this research is to investigate the influence of composite insulators internal defects on the electric field distribution. Internal defects are the second cause of composite insulators failures. Internal defects early detection will help to ensure electric power systems reliability and operator safety for live line work. The experimental validation of this research was done with an EO sensor, which allows a remote measurement of axial and radial E-field components. First, three-dimensional numerical simulations were performed with the Comsol Multiphysics software to find the optimal position of the EO probe for maximum sensitivity regarding internal defects position and size. Internal defects have been modeled as semi conductive cylinder and positioned according literature review. Secondly, experimental tests were performed with a semi conductive defect at different position in a 69 kV composite insulator. The simulation results show some important advantages when E-field axial and radial components measurement were done near the insulator housing. First, better sensitivity in defect detection has been obtained near the insulator housing. Secondly, E-field axial and radial components measurement allows E-field orientation determination along the insulator housing which can be used in internal defects detection. Finally, for the same EO probe position along the insulator, it is possible to locate precisely the defect by moving the probe around the insulator rod. In this case, the E-field curves particular shape can be used to detect internal faults automatically. The experimental results show that EO sensor was able to detect and locate semi conductive internal defect with length 3.5% times insulator. This is an important improvement compared to the actual device. In summary, EO sensor used in this work can improve E-field method sensitivity. In addition, computing E-field components around insulator rod can be used to detect internal defects automatically.

Liquid insulation, a key element in the transmission and distribution of electric power, guarantees safe operation from power transformers, cables, circuit breakers etc. by successfully transferring heat from the equipment as well as acting as the electrical insulating medium. In liquid insulation, mineral oil is widely used as an insulating medium in power industries. In the first part of this research project the impact of the aging of mineral oil on partial discharge is investigated as well as on other chemical and physical properties. For different accelerated aging times, different experiment are set up so that the aforementioned impact is measured along with several other parameters. Investigations are also performed on new oil to provide baseline comparison. The aim of this part of the research is to find relationships between partial discharge inception voltage (PDIV) and the other parameters of oil to do a suitable interpretation between them during aging time. Recently, interest has been growing in enhancing the insulating properties of mineral oil by adding nanoparticles. The literature survey revealed the promising impact of TiC>2 nanoparticles. In the second part of this project, the dielectric performance of mineral oil was therefore investigated by adding different concentrations of TiO2 nanoparticles (from 0.003 g/ml to 0.01 g/ml) using ultrasonic methods. All the investigation tests were performed at different temperatures ranging from -47 to 47°C to correspond with environmental temperature changes in Canada. The results were compared in terms of breakdown and dielectric properties, such as permittivity and resistivity.

Les transformateurs de puissance font partis des équipements les plus importants et les plus coûteux utilisés dans le transport et la distribution de l’énergie électrique. Généralement, lorsque les transformateurs tombent en panne, la défaillance est dans la majorité des cas due à un défaut d'isolement. Ces défaillances imprévues provoquent d'importantes perturbations des systèmes d'exploitation. Cela entraîne des pannes subites et des problèmes de livraison d'énergie. Une fiabilité extrême est exigée pour la distribution dans la mesure où en cas de panne, ils conduisent inévitablement à des coûts de réparation relativement élevés, les temps d'arrêt assez long et d’éventuels risques de sécurité du personnel. Le système d’isolation qui est le maillon faible est alors l’objet d’une attention toute particulière qui devra être prise en compte depuis la fabrication des transformateurs. L’objectif global visé par ce travail de recherche est l’amélioration de nos connaissances de la dégradation de l’isolation des transformateurs et de l’impact de cette dégradation sur le rendement énergétique de ces équipements de puissance. Pour atteindre cet objectif global, le travail a été divisé en trois objectifs spécifiques. Le premier objectif spécifique est l’optimisation du cycle de séchage du papier isolant pendant le processus de fabrication. Le but est d’optimiser le processus du séchage en vue de limiter la dégradation initiale du papier thermo-stabilisé utilisé pour assurer l’isolation des enroulements des transformateurs. Les travaux ont tout d’abord commencé par la mise en place d’équations permettant de décrire le processus complet du séchage. Le premier modèle a permis de décrire la dégradation du papier en fonction de la température, du temps et de l’environnement dans lequel est effectué le séchage. Le deuxième modèle concerne l’évolution du séchage en fonction de la température, de la masse de papier à sécher, de l’humidité initiale et finale à obtenir. L’assemblage de ces deux modèles a permis de mettre en place un abaque permettant la détermination de la température et du temps nécessaire à l’obtention d’un meilleur séchage. Le but du deuxième objectif spécifique est l’étude de l’influence du papier sur la tendance à la production des gaz du complexe papier/huile sous l’impact d’un champ électrique. Les travaux effectués dans le cadre de cet objectif conformément au chapitre D6180 de la norme ASTM ont permis de montrer en premier lieu que la présence du papier entraine une augmentation de la quantité des gaz produits et de l’humidité dans l’huile suite à l’application d’un champ électrique. Les mesures des paramètres physicochimiques de l’huile ont montré que la présence du papier a une influence sur les produits issus de la dégradation de l’huile par le champ électrique. Les mesures ont également montré la capacité du papier à absorber certains produits de décomposition. Le troisième objectif spécifique consiste en l’évaluation de l’impact de la qualité de l’isolation papier/huile sur le rendement des transformateurs de puissance. Les résultats obtenus à partir d’un exemple numérique et des mesures sur un transformateur modèle, ont permis de montrer que la qualité de l’isolation a un impact non négligeable sur pertes diélectriques. Plus l’isolation est dégradée, plus les pertes sont importantes. La présentation des différentes techniques permettant de réduire les pertes, a montré que la technique de l’inertage par l’azote permet d’obtenir de meilleurs résultats techniques et économiques. Power transformers are one of the most important and costliest equipment used in transmission and distribution of electrical energy. Usually when power transformer fails, the failure is in most cases related to a defect in their insulation system. These unexpected failures cause major disruptions of operating systems. This causes sudden breakdowns and power delivery problems. An extreme reliability is required for the distribution because in case of failure, they inevitably lead to relatively high repair costs, a long blackout and possible risks of personnel security. The insulation system which is the weak link is subjected to a special care that should be taken into account from the manufacture of transformers. In this regard, the global objective of this research is the improvement of our knowledge onto the degradation of the oil paper insulation system, along with the study of the impact of this degradation on the power transformers energy efficiency. To achieve this global objective, the work was subdivided into three specific objectives. The first specific objective is to optimize the drying cycle of the paper insulation during the manufacturing process. This aims at optimizing the paper drying process to limit the initial degradation of the Thermally Upgraded Paper, being used as insulation of the transformer windings. The work first began with the establishment of equations to describe the complete drying process. The first equation allowed describing the degradation of the paper as function of the temperature, time and the environment in which the drying is performed. The second equation concerned the evolution of the drying depending on the temperature, the mass of paper to be dried, the initial and final moisture content expected. The combination of these two models has allowed establishing an abacus for determining the temperature and the time required to obtain an optimal drying. The aim of the second specific objective is to study the influence of the paper on the gassing tendency of the complex oil /paper insulation system under the impact of an electric discharge. The work carried out according to ASTM D6180 has shown first, that the presence of the paper results in an increase in the amount of generated gas and moisture in oil following the application of an electric discharge. The measurements of the physicochemical properties of the oil showed that the presence of the paper has an influence on the degradation products of the oil due to the electric field. The measurements also emphasized the ability of the paper to absorb certain dissolved and undissolved decomposition by-products. The third specific objective concerned the impact of the oil/paper insulation quality on power transformers performance. The results obtained from an example and measurements on a laboratory-made transformer, have shown that the quality of the insulation has a significant impact on the dielectric losses. The insulation losses increase with degradation rate. The presentation of different techniques used to reduce losses, showed that the nitrogen blanketing system provides better technical and economic option.