Les bris de conducteurs causent des efforts dynamiques importants pouvant causer de lourds dommages sur les pylônes de ligne de transport.Les efforts peuvent être tels qu'ils peuvent causer la ruine en cascade de plusieurs pylônes. Cette recherche porte sur l'étude de l'effet de l'ajout d'un mécanisme ductile à la console d'un pylône soumis à un bris de conducteur. L'étude est composée de deux phases complémentaires, l'une expérimentale comportant l'utilisation d'un banc d'essais à échelle réduite, et l'autre numérique utilisant le logiciel Code-Aster pour la modélisation d'essais dynamiques comportant un mécanisme ductile à la console. Les essais à échelle réduite comportaient huit essais élastiques et onze essais comportant un fusible ductile à la console. Lors des essais, le fusible ductile a démontré sa capacité à réduire les efforts dynamiques au canton. La réponse du mécanisme en fonction de sa capacité ductile a démontré qu'une capacité trop faible n'apportait aucun gain sur la réduction des efforts et que l'étude de la capacité requise se doit d'être étudiée pour un cas donné. Les modélisations par éléments finis effectuées à l'aide du logiciel Code-Aster ont su représenter la réponse dynamique obtenue lors des essais.Les modélisations élastiques ont permis une représentation des déformations plastiques ainsi que des déplacements. Une modélisation a de plus été effectuée sur une géométrie réelle de pylône pour évaluer les gains possibles suite à l'ajout d'un mécanisme ductile à la console.Les résultats obtenus valident les résultats du banc d'essais en présentant une réduction des efforts de bris au canton de l'ordre de 35%.

Pour répondre à l’augmentation de la consommation d’énergie, une solution est envisagée : augmenter la tension électrique dans les lignes. L’augmentation de la tension électrique induit entre autres une augmentation du champ électrique et une augmentation du critère de distance minimale au sol (distance entre les câbles et le sol), impliquant un rehaussement des conducteurs. Le pylône dimensionné pour une certaine tension électrique initiale verra sa taille augmentée pour satisfaire les nouvelles conditions d’exploitation. Une option envisageable, pour conserver les dimensions géométriques, est de modifier les isolateurs en suspension et de les remplacer par de nouveaux isolateurs en polymères renforcés de fibres de verre (PRF) afin d’observer la possibilité d’un rehaussement des conducteurs dans l’optique d’une future augmentation de puissance. Ces PRF représentent de par leur poids léger, leur faible conductivité et leur résistance élevée, un véritable atout. Le projet consiste à utiliser les études concernant le comportement des matériaux composites et à vérifier la pertinence de l’utilisation de ces matériaux pour des isolateurs. Par la suite, seront étudiés les comportements de divers types d’isolateurs, par une approche statique. Les nouvelles charges induites dans le pylône et les fondations seront comparées, et une attention particulière sera apportée aux modifications nécessaires du pylône. L’étude montre que certaines nouvelles configurations d’isolateurs permettent de rehausser le niveau des conducteurs d’une ligne existante, tout en permettant de bien équilibrer les charges longitudinales causées par des chargements dissymétriques et en permettant de limiter l’augmentation des efforts transmis à l’ensemble de la structure et aux fondations.

Les lignes de transport d’énergie électrique haute tension sont conçues pour résister aux charges climatiques, principalement les charges de vent, de glace, de service et de construction. En plus des charges usuelles, les lignes peuvent être soumises à d’autres charges comme celles résultant de la chute d’un pylône, d’une erreur humaine ou du bris d’une composante. Ces derniers ne sont pas toujours pris en compte directement par les normes en vigueur lors du dimensionnement. Ces charges sont de type dynamique et causent éventuellement des dégâts importants qui endommagent un pylône voire même toute une partie de ligne qui nécessite des coûts et délais élevés pour la réparation et la remise en service de la ligne. L’objectif de ce projet de recherche consiste donc à étudier la contribution de ces événements dynamiques susceptibles d’avoir lieu sur une ligne afin de prédire le nombre de pylônes pouvant être affectés par un tel cas de chargement. En particulier, l’étude contribuera à relier le nombre de pylônes affectés à la capacité des pylônes pour permettre aux concepteurs de prendre des décisions rationnelles sur les charges longitudinales à considérer en fonction de ce qui est jugé acceptable comme étendue d’une cascade en cas de bris de conducteur. La méthodologie de cette étude se divise en deux grandes étapes. La première consiste à valider la méthode de modélisation proposée pour étudier en dynamique le phénomène de bris de conducteur. D’abord, il s’agit d’adopter un essai de bris de conducteur disponible dans la littérature établi sur un canton à échelle réduite comme modèle de référence et valider la méthode proposée de modélisation numérique avec les résultats expérimentaux obtenus pour cet essai. Une seconde validation d’une poutre en porte-à-faux avec une charge statique appliquée à l’extrémité libre a été aussi réalisée afin de valider le comportement non linéaire du matériau à l’aide des éléments poutres de Timoshenko en multifibre avec grands déplacements et grandes rotations. Cette seconde validation servira comme référence pour modéliser les éléments mats et consoles des pylônes. La deuxième étape consiste à étudier numériquement l’étendue d’une cascade sur un canton de ligne composé de pylônes tubulaires lors d’un bris de tous les conducteurs. Une étude paramétrique a été réalisée pour comprendre l’effet des paramètres suivants sur l’étendue de la cascade : la capacité des pylônes, la charge axiale dans les conducteurs, la longueur de la portée, les hypothèses pour la loi de comportement du matériau et la longueur des chaînes d’isolateurs. Les résultats obtenus ont montré que l’étendue de la cascade dépend fortement de la tension mécanique des câbles dans un premier lieu et légèrement de la longueur de la portée et des chaînes d’isolateurs en second lieu. Cependant la loi de comportement n’a pas présentée beaucoup de différence vis-à-vis le nombre de pylônes affectés. Cette étude montre qu’il est possible pour un concepteur de lignes de transport de concevoir les pylônes de la ligne avec une capacité de pylônes inférieure à ceux correspondants aux charges longitudinales maximales anticipées en acceptant un certain nombre de pylônes pouvant être endommagés.

L’énergie électrique est devenue très importante dans la vie quotidienne. Pour atteindre les zones de grande consommation, l’électricité parcourt souvent de très grandes distances. Par exemple, pour acheminer l’énergie électrique de la Baie-James, centre de production important, jusqu’à Montréal, il y a près de 1 000 kilomètres de distance. Les bris de conducteurs causent des efforts dynamiques importants pouvant causer de lourdes pertes sur la ligne de transport. Réduire ces dommages et garder une distribution continue de l’énergie aux consommateurs est une préoccupation majeure pour les gestionnaires de réseaux électriques. Cette recherche porte sur l’étude de l’ajout d’un mécanisme ductile à la console des pylônes d’un canton de ligne soumis à un bris de conducteur. L’objectif principal de cette étude est de présenter une méthode pour évaluer la capacité optimale des consoles ductiles pour confiner la ruine causée par un bris de conducteurs. La clé est de trouver un équilibre entre la réduction du moment à la base des pylônes et le nombre de consoles plastifiées. L’étude comporte deux parties complémentaires. La première consiste à valider le modèle numérique avec les résultats d’un essai à échelle réduite disponible dans la littérature. La deuxième partie consiste à effectuer une étude paramétrique sur un canton composé de pylônes tubulaires en acier avec l’ajout du mécanisme ductile. L’étude paramétrique est effectuée sur le modèle pour étudier l’effet sur la réponse du système de la capacité de la console, la tension dans les câbles, la longueur de portée, la longueur de la chaîne d’isolateur et le choix de la loi de comportement du modèle. L’objectif de la console ductile est de réduire le moment à la base afin de réduire le nombre de pylônes subissant une ruine complète, tout en limitant le nombre de consoles affectées. Les modélisations réalisées avec le logiciel par éléments finis Code-Aster ont permis de reproduire la réponse dynamique du canton étudié après bris de conducteur. Les essais numériques ont permis d’observer une importante réduction du moment à la base au premier pylône. Pour des consoles ductiles dimensionnées pour des valeurs variant entre 40 % à 60 % de la capacité élastique de la console, la réduction du moment à la base du premier pylône peut atteindre de 30 % à 60 % du moment élastique selon le cas de chargement considéré, tandis que le nombre de consoles plastifiées varie entre 1 et 7 consoles.

Les récents progrès en termes de techniques d’accélération par interaction Laser Plasma (LPA) permettent aujourd’hui de générer de forts gradients accélérateurs (GV.m⁻¹); cependant, les faisceaux d’électrons ainsi produits présentent encore une grande dispersion énergie (%) et une divergence élevée (mrad). Le projet COXINEL (ERC Advanced Grant 350014, PI. M.E. Couprie), vise à qualifier, en remplacement d’un accélérateur conventionnel, un accélérateur Laser Plasma, dans le but d’une application de Laser à Électrons Libres. Pour atteindre les propriétés requises, le faisceau d’électrons doit être manipulé à l’aide d’une ligne de transport. Cette ligne est constituée d’un premier triplet de quadrupôles à aimants permanents de gradient variable qui focalise le faisceau et permet la maîtrise de la divergence initiale. Une chicane électromagnétique réduit ensuite la dispersion en énergie par tranche en allongeant longitudinalement le faisceau. Une gamme d’énergie restreinte peut être ensuite sélectionnée via l’insertion d’une fente dans la chicane. Enfin, un quadruplet de quadrupôles électromagnétiques fournit la focalisation finale dans un onduleur. Le travail de thèse porte sur l’étude du transport des faisceaux d’électrons produit par LPA le long de cette ligne. Différents régimes de production d’électrons ont été utilisés : injection par ionisation, cellule de gaz. La maîtrise du transport a été obtenue à l’aide d’une nouvelle méthode d’alignement et de compensation de dérive de pointé initial des électrons en réglant de manière indépendante la position et la dispersion du faisceau à différents endroits de la ligne. Un réglage fin de l’énergie transportée a été effectué en ajustant le gradient des quadrupôles. Les faisceaux produits ont été transportés le long de la ligne et caractérisés en termes de distribution transverse, d’émittance et d’énergie. Les résultats expérimentaux ont ensuite été comparés avec succès aux simulations numériques. Ce travail ouvre la voie à l’observation de rayonnement de l’onduleur, étape préliminaire à une amplification Laser à Électrons Libres. / Recent advances in Laser Plasma Acceleration techniques (LPA) are now able to generate strong accelerating gradients (GV.m⁻¹); however the produced electron beam thus still presents a large energy spread (%) and a large divergence (mrad). The COXINEL project (ERC Advanced Grant 350014, PI. M.E. Couprie), aims at qualifying, in replacement of a conventional accelerator, a Laser Plasma Accelerator, for a Free Electrons Laser application. To achieve the required properties, the electron beam must be manipulated using a transport line. This line consists in a first triplet of permanent magnets quadrupoles of variable gradient which focuses the beam and allows for the control of the initial divergence. An electromagnetic chicane then reduces the slice energy spread by lengthening the beam longitudinally. A restricted energy range can then be selected by inserting a slit inside the chicane. Finally, a quadruple of electromagnetic quadrupoles provides the final focus in an undulator. The thesis deals on the study of electron beam transport produced by LPA along this line. Different electron production regimes have been used: ionization injection, gas cell. The transport was controlled using a new alignment and pointing compensation method for the initial electron beam by adjusting independently the beam position and dispersion at different location on the line. A fine adjustment of the transported energy was carried out by adjusting the quadrupole gradient. The produced beam was transported along the line and was characterized in terms of transverse distribution, emittance and energy. Experimental results were then successfully compared with numerical simulations. This work paves the way for the observation of undulator radiation, a preliminary step before Free Electron Laser amplification.

Le transport d’énergie par des lignes HVDC constitue le principal réseau de transmission d’énergie électrique du futur. Les convertisseurs de puissance (par exemple de type MMC) qui constitueront ce réseau devront être capables de gérer des tensions de l’ordre de centaines de kilovolts ce qui rend critique l’alimentation des dispositifs de contrôle (gate-drive) de ces convertisseurs. Il est nécessaire de concevoir des solutions qui garantissent l’alimentation de ces gate-drives avec une isolation.Pour ce faire, un circuit basé sur le principe du flyback et utilisant un JFET normalement passant a été développé. Il est placé en parallèle d’un condensateur typiquement connecté aux bornes d’un bras d’onduleur. Il permet d’alimenter le dispositif de puissance dès qu’une faible tension est appliquée à son entrée. Cette fonction est assurée grâce au caractère normalement passant du JFET. Pour le prototype développé, la tension du bras est de 2 kV. La tension de sortie est régulée à 24 V. De nos jours, des JFET normalement passants avec une tenue en tension supérieure à 2 kV n’existent pas sur le marché. Donc, pour supporter les tensions mises en jeu dans le circuit, une mise en série de JFET SiC normalement passants commandés par un MOSFET Si a été réalisée (montage « super-cascode »). Le circuit développé est capable de fournir 20 W pour alimenter des gate-drives à des potentiels flottants. Le rendement obtenu est proche de 60 %. Aussi, le problème d’isolation est résolu par cette solution d’auto-alimentation. / HVDC power transmission is the future of the electrical energy transmission network. The power converters (e.g. MMC) used in this network will be able to cope with voltages of hundreds of kV, making the power supply of the gate-drive devices in these converters challenging. It is then necessary to design solutions that guarantee the power supply of these gate-drives, while providing high voltage isolation. To do this, a circuit, based on the flyback principle, was developed. It is placed in parallel with a capacitor typically connected to a half-bridge circuit. It has an auto-start feature. This allows to supply the gate-drive as soon as a low voltage is applied to the input of the self-supply system. This is obtained by taking advantage of the normally-ON character of the JFET. In our prototype, the input voltage is 2 kV. High voltage JFETs of 2 kV and higher breakdown voltages are not yet available on the market. So, to achieve this high voltage capacity, a series of Normally-ON SiC JFETs controlled by a low voltage Si MOSFET (Super-cascode circuit) is used in the circuit. The developed circuit is able to supply 20 W at different floating potentials with output voltage regulated at 24 V and an efficiency close to 60%. The isolation problem is then solved using this solution.