Ce mémoire présente une étude approfondie pour optimiser la communication sur ligne électrique dans la bande de fréquences de 1 à 30 MHz. D'abord, une revue de littérature est réalisée. Cette revue fait état de la recherche dans le domaine. Elle fait également état du modèle de canal qu'est la ligne électrique. Le canal est, par la suite, caractérisé en laboratoire. Un simulateur est conçu de manière à permettre l'essai d'une grande variété de stratégies de modulation et démodulation. Ces différentes stratégies sont testées avec plusieurs charges et topologies. De ces tests, une analyse est faite dans l'objectif d'identifier les meilleurs paramètres de modulation et de démodulation. Une seconde analyse, qui s'intéresse à la localisation des erreurs dans les paquets en fonction des charges et topologies, est réalisée. Cette analyse présente des suggestions pour améliorer les performances de communication. Finalement, certaines stratégies de modulation et de démodulation ont été retenues parmi celles étudiées précédemment. Les performances des stratégies retenues ont été confirmées par de nouveaux tests en laboratoire. Des tests dans des environnements résidentiels, commerciaux et universitaires ont également été réalisés. La validité des analyses précédentes a pu être confirmée avec ces tests. Certaines limitations du projet ont ressorti durant ces tests. Parmi celles-ci, on note le manque d'études approfondies de canal excessivement sélectif en fréquence. / This master's thesis presents an in-depth study to optimize power line communications in the 1-30 MHz frequency band. First, a literature review is conducted. This review reports on the research in the field. It also reports on the channel model that is the power line. The channel is then characterized in the laboratory. A simulator is designed to allow the testing of a wide variety of modulation and demodulation strategies. These different strategies are tested with several loads and topologies. From these tests, an analysis is made in order to identify the best modulation and demodulation parameters. A second analysis, which focuses on the location of errors in the packets according to the loads and topologies, is performed. This analysis presents suggestions for improving communication performance. Finally, some modulation and demodulation strategies have been selected among those previously studied. The performance of the selected strategies has been confirmed by further laboratory tests. Tests in residential, commercial and university environments were also performed. The validity of the previous analyses was confirmed with these tests. Some limitations of the project emerged during these tests. Among these, there is, for example, the lack of in-depth studies of excessive frequency selective channel.

Ce travail porte sur la thématique du fluage des conducteurs des lignes électriques aériennes. L’objectif général de ce projet de recherche est d’étudier l’effet de la température sur le fluage des conducteurs. L’approche présentée permet de prédire le fluage des conducteurs en fonction de celui des brins constitutifs. Un banc d’essai du fluage des fils d’aluminium a été conçu et validé avec des essais préliminaires de 100 heures. Le protocole de mise en charge ainsi que l’instrumentation pour la mesure de l’allongement ont été particulièrement étudiés lors des essais préliminaires. Ensuite, le fluage des brins d’aluminium soumis à contraintes variant de 30 à 106 MPa et des températures de 21 et 38 °C a été évalué avec des tests de 1000 heures. L’approche a été validée en comparant les résultats obtenus à des résultats expérimentaux publiés dans la littérature. On peut conclure qu’avec quelques équations analytiques simples, il est possible de prédire le comportement d’un conducteur complet à partir des résultats d’essais sur brins.

Ce travail porte sur le développement d'un modèle de câble multicouche permettant la modélisation de son comportement en flexion libre, en tenant compte de l'élasticité des interfaces de contact entre les brins. Le nouveau modèle reprend plusieurs éléments de modèles considérant uniquement un comportement de type stick-slip (non-glissement - glissement) et qui ont déjà fait l'objet de publications. L'influence de l'élasticité des contacts est intégrée dans le modèle en utilisant la théorie des contacts élastiques d'Hertz. Les dimensions des ellipses de contact sont calculées en considérant un comportement élastique-parfaitement plastique. Les forces et les déplacements aux ellipses de contact sont calculés séquentiellement, en débutant par les interfaces entre la couche externe et la couche sous-jacente, pour une valeur de courbure imposée à l'axe central d'un élément de câble de longueur unitaire. La force de traction tangente à chacune des interfaces est calculée en utilisant une fonction continue de la position angulaire du brin, et le déplacement aux interfaces est calculé de manière indépendante pour chacun des brins. Le modèle est validé en comparant les résultats numériques obtenus avec ceux générés par d'autres modèles de câble ayant fait l'objet de publications, pour un conducteur AAC, un conducteur ACSR et un câble en acier. Les résultats montrent que la prise en compte de l'élasticité des contacts réduit considérablement la rigidité initiale du câble et cette valeur devient dépendante de la tension appliquée. Le comportement du câble devient non-linéaire pour de faibles valeurs de courbure, même lorsqu'aucun brin n'est en glissement. À l'aide d'un outil de calcul par éléments finis développé dans le cadre de ce travail, certains essais quasi-statiques sont reproduits numériquement, et les résultats obtenus sont comparés à des résultats expérimentaux publiés dans la littérature.

La plupart des activités humaines, industrielles ou domestiques, requièrent aujourd’hui l’utilisation d’énergie électrique. Les choix faits pour la production de cette électricité ont nécessité le développement de réseaux de transport d’électricité. En raison de sa densité de câbles, ce réseau induit une fragmentation de l’habitat des animaux volants et principalement des oiseaux. Au-delà des électrocutions au niveau des pylônes, cette fragmentation peut causer la mort d’individus par collision avec les câbles (Bevanger, 1998; Jenkins et al., 2010) et également le dérangement des espèces ou des modifications de leur comportement (Deng and Frederick, 2001; Prinsen et al., 2011; Shimada, 2001). Un grand nombre de facteurs influençant les collisions sont aujourd’hui identifiés (Janss, 2000; Martin and Shaw, 2010). Cependant, la quantification de la mortalité par collision reste complexe en raison de l’hétérogénéité des méthodes utilisées et de l’existence de biais à la quantification (Bech et al., 2012; Ponce et al., 2010). Cette thèse se concentre sur une approche méthodologique de l’étude des interactions des oiseaux avec le réseau de lignes électriques haute-tension (HT) et très-haute-tension (THT) en France métropolitaine. Le premier volet de la thèse concerne la localisation et la hiérarchisation de zones à risque d’interaction pour les oiseaux sur l’ensemble du réseau. Dans ce but, des données de configuration des lignes électriques, de présence (atlas) et de déplacement (couloirs de migration) d’espèces d’oiseaux vulnérables aux lignes électriques sont combinées. Le deuxième volet de la thèse consiste à mettre au point des méthodes qui pourraient permettre de quantifier à l’échelle nationale la mortalité des oiseaux par collision avec les lignes électriques HT-THT. La méthodologie proposée se base sur l’estimation des biais à la quantification, réalisée au cours de la thèse, que sont la détection des cadavres d’oiseaux par les observateurs et la persistance des cadavres sous les lignes électriques. Le troisième et dernier volet de la thèse concerne les modifications de comportement des oiseaux en réponse à la fragmentation de l’espace aérien. Afin de caractériser les mouvements des oiseaux à l’approche des lignes électriques, nous avons adapté une méthodologie d’analyse proposée récemment pour étudier les stratégies d’évitement des oiseaux à différentes échelles spatiales. L’objectif de cette analyse est d’identifier les comportements de vol qui pourraient résulter en une collision avec les câbles. Des données de suivis par télémétrie en trois dimensions (données GPS 3D) de Vautour fauve (Gyps fulvus) sont utilisées dans cette étude comportementale. Ce travail de recherche a permis de proposer un cadre méthodologique pour l’étude des interactions entre oiseaux et lignes électriques et de mettre en évidence l’importance des biais de quantification associés à la recherche de cadavres d’oiseaux sous les lignes. Il a établi pour la première fois une hiérarchisation du risque d’interaction des oiseaux avec les lignes électriques sur l’ensemble du réseau de transport d’électricité français. Les facteurs qui influencent l’utilisation de l’espace à proximité des lignes électriques par les vautours fauves dans les Causses ont également été mis en évidence. / Nowadays, most human activities, be they industrial or domestic, involve the use of electricity. Electricity production choices have required the development of electricity transmission networks. The density of this network has fragmented the habitats of flying animals, birds mainly. Further to the electrocution at power poles, this fragmentation can also cause the death of birds colliding with power lines (Bevanger, 1998; Jenkins et al., 2010) and also the disturbance of species or changes in their behaviour (Deng and Frederick, 2001; Prinsen et al., 2011; Shimada, 2001). Many factors have been identified that influence collision (Janss, 2000; Martin and Shaw, 2010). However, bird mortality by collision is difficult to quantify because of the heterogeneity of methods used and also of the existence of quantification biases (Bech et al., 2012; Ponce et al., 2010). This work is centered on a methodological analysis of the interactions between birds and the High-Voltage(HV) and the Very-High-Voltage (VHV) power grid in Metropolitan France. The First Part discusses the localisation and proposes a hierarchy of the risk areas for birds all along the power network. To this purpose we combine data on the configuration of the power network with data on the presence (breeding atlas), and the movements (migration corridors) of bird species that are vulnerable to power lines. In the Second Part, we developed methods for the quantification, at the national level, of bird mortality that result from the collision with HV and VHV power lines. The methodology proposed builds on the estimation achieved during this thesis of the quantification biases through bird carcass detection by observers and the persistence of these carcasses below power lines. The third and last part of this thesis is about bird behaviour change as a response to airspace fragmentation. We characterised the behaviour of birds when they come close to power lines, by adapting a methodology that analyses bird movements. This methodology was recently proposed for the study of bird avoidance at different spatial scales. The aim of our analysis was to identify flight behavior that potentially results in a collision with power lines. Griffon vultures (Gyps fulvus) data collected with three dimensional telemetry (3D GPS data) were used in this behavioural study. This research corpus brings forward a methodological framework for the study of the interaction between birds and power lines and highlights the magnitude of quantification biases associated to the search for bird remains below power lines. For the first time a hierarchy of interactions risks between birds and power lines is established across the entire electricity transmission network in France. Factors that influence Griffon vultures spatial use in the vicinity of power lines in the French Causses were identified.

L'étude des réseaux électriques ferroviaires alimentés en courant alternatif nécessite de déterminer les valeurs crêtes et moyennes pouvant être atteintes par les variables électriques au cours du temps lors de la circulation d'un trafic donné sur les différentes lignes qui composent le domaine d'étude. Une modélisation de ces réseaux permet de déterminer ces ordres de grandeur et répond donc aux besoins des utilisateurs souhaitant étudier précisément leur dimensionnement et leur fonctionnement. Les travaux qui sont présentés proposent une décomposition du système ferroviaire en sous systèmes simples dont la modélisation est détaillée, en soulignant les spécificités propres à la nature du sujet, en particulier la représentation de la ligne de transport d'énergie. L'intégration de l'ensemble de ces modèles dans le but de représenter le fonctionnement d'un réseau ferroviaire complet est exposée, en incluant intersections, voies d'évitement, etc. Parallèlement à la modélisation, plusieurs études de sensibilité sont effectuées afin de tester et valider les choix faits lors de la modélisation des systèmes et dans le but d'identifier les paramètres ayant une incidence réelle sur le dimensionnement des réseaux. L'architecture du logiciel pour lequel les modèles ont été développés ainsi que de nombreux résultats de simulation obtenus sur des exemples sont présentés. Enfin, des essais ont été mis en œuvre sur un cas concret dans le but de valider le logiciel.

The relay protections of the transmission lines play a fundamental role in the electrical power systems. They permit to ensure the security and the reliability of the electricity transmission from the generators to the final consumers. The objective of a relay protection is to provide a corrective action as quickly as possible when an abnormal condition of the power system is detected. The quickness of the response permits to limit the stress on the equipments of the power system and the consumers, to ensure the security of the people, to improve the power quality and to maintain the stability of the power system.The protective relaying systems have evolved a lot since their first implementation in the 1900’s. However, the electrical power systems are in constant evolution and the reliability of the protective relaying systems becomes more and more challenging. The three main characteristics of the relay protections which are security, dependability and speed must be continuously improved to achieve these objectives. The major relay protections implemented nowadays are based on frequency-domain methods. These methods are intrinsically limited in speed by the phasor estimation of the voltage and current signals. More recent methods based on incremental quantities permitted to break this limitation by working directly in time-domain. Despite the speed of these methods, the dependability is usually limited in order to ensure the security.In this work, it is proposed to develop a time-domain ultra-fast non-pilot distance protection based on a Gamma model of line to improve the security, the dependability and the speed, even for long lines and weak power systems. This protection is composed of a loop selection element, a directional element and a distance element. The target tripping time is 4 ms or less. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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Electromagnetic coupling phenomena between overhead power transmission lines and other nearby structures are inevitable, especially in densely populated areas. The undesired effects resulting from this proximity are manifold and range from the establishment of hazardous potentials to the outbreak of alternate current corrosion phenomena. The study of this class of problems is necessary for ensuring security in the vicinities of the interaction zone and also to preserve the integrity of the equipment and of the devices there present. However, the complete modeling of this type of application requires the three- -dimensional representation of the region of interest and needs specific numerical methods for field computation. In this work, the modeling of problems arising from the flow of electrical currents in the ground (the so-called conductive coupling) will be addressed with the finite element method. Those resulting from the time variation of the electromagnetic fields (the so-called inductive coupling) will be considered as well, and they will be treated with the generalized PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) method. More specifically, a special boundary condition on the electric potential is proposed for truncating the computational domain in the finite element analysis of conductive coupling problems, and a complete PEEC formulation for modeling inductive coupling problems is presented. Test configurations of increasing complexities are considered for validating the foregoing approaches. These works aim to provide a contribution to the modeling of this class of problems, which tend to become common with the expansion of power grids. / Les phénomènes de couplage électromagnétique entre les lignes aé- riennes de transmission d\'énergie et des structures voisines sont inévitables, surtout dans les zones densément peuplées. Les effets indésirables découlants de cette proximité sont variés, allant de l\'établissement des tensions dangereuses à l\'apparition de phénomènes de corrosion dus au courant alternatif. L\'étude de cette classe de problèmes est nécessaire pour assurer la sécurité dans les alentours de la zone d\'interaction et aussi pour préserver l\'intégrité des équipements et des dispositifs présents. Cependant, la modélisation compl ète de ce type d\'application implique la représentation tridimensionnelle de la région d\'intérêt et nécessite des méthodes numériques de calcul de champs spécifiques. Dans ces travaux, des problèmes liés à la circulation de courants électriques dans le sol (ou de couplage dit conductif) seront abordés avec la méthode des éléments finis. D\'autres problèmes résultants de la variation temporelle des champs électromagnétiques (ou de couplage dit inductif) seront aussi considérés et traités avec la méthode PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) généralisée. Plus précisément, une condition limite particulière sur le potentiel électrique est proposée pour tronquer le domaine de calcul dans l\'analyse par éléments finis des problèmes de couplage conductif et une formulation PEEC complète pour la modélisation de problèmes de couplage inductif est présentée. Des con gurations tests de complexités croissantes sont considérées pour valider les approches précédentes. Ces travaux visent ainsi à apporter une contribution à la modélisation de cette classe de problèmes, qui tendent à devenir communs avec l\'expansion des réseaux électriques.

Les phénomènes de couplage électromagnétique entre les lignes aériennes de transmission d'énergie et des structures voisines sont inévitables, surtout dans les zones densément peuplées. Les effets indésirables découlants de cette proximité sont variés, allant de l'établissement des tensions dangereuses à l'apparition de phénomènes de corrosion dus au courant alternatif. L'étude de cette classe de problèmes est nécessaire pour assurer la sécurité dans les alentours de la zone d'interaction et aussi pour préserver l'intégrité des équipements et des dispositifs présents. Cependant, la modélisation complète de ce type d'application implique la représentation tridimensionnelle de la région d'intérêt et nécessite des méthodes numériques de calcul de champs spécifiques. Dans ces travaux, des problèmes liés à la circulation de courants électriques dans le sol (ou de couplage dit conductif) seront abordés avec la méthode des éléments finis. D'autres problèmes résultants de la variation temporelle des champs électromagnétiques (ou de couplage dit inductif) seront aussi considérés et traités avec la méthode PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) généralisée. Plus précisément, une condition limite particulière sur le potentiel électrique est proposée pour tronquer le domaine de calcul dans l'analyse par éléments finis des problèmes de couplage conductif et une formulation PEEC complète pour la modélisation de problèmes de couplage inductif est présentée. Des configurations tests de complexités croissantes sont considérées pour valider les approches précédentes. Ces travaux visent ainsi à apporter une contribution à la modélisation de cette classe de problèmes, qui tendent à devenir communs avec l'expansion des réseaux électriques. / Electromagnetic coupling phenomena between overhead power transmission lines and other nearby structures are inevitable, especially in densely populated areas. The undesired effects resulting from this proximity are manifold and range from the establishment of hazardous potentials to the outbreak of alternate current corrosion phenomena. The study of this class of problems is necessary for ensuring security in the vicinities of the interaction zone and also to preserve the integrity of equipment and devices there present. However, the complete modeling of this type of application requires the three-dimensional representation of the region of interest and needs specific numerical methods for field computation. In this work, the modeling of problems arising from the flow of electrical currents in the ground (the so-called conductive coupling) will be addressed with the finite element method. Those resulting from the time variation of the electromagnetic fields (the so-called inductive coupling) will be considered as well, and they will be treated with the generalized PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) method. More specifically, a special boundary condition on the electric potential is proposed for truncating the computational domain in the finite element analysis of conductive coupling problems, and a complete PEEC formulation for modeling inductive coupling problems is presented. Test configurations of increasing complexities are considered for validating the foregoing approaches. These works aim to provide a contribution to the modeling of this class of problems, which tend to become common with the expansion of power grids. / Fenômenos de acoplamento eletromagnético entre linhas aéreas de transmissão de energia e outras estruturas vizinhas são inevitáveis, sobretudo emáreas densamente povoadas. Os efeitos indesejados decorrentes desta proximidadesão variados, indo desde o estabelecimento de potenciais perigosos até o surgimento de processos de corrosão por corrente alternada. O estudo desta classe de problemas é necessária para a garantia da segurança nas imediações da zona de interação e também para se preservar a integridade de equipamentos e dispositivos ali presentes. Entretanto, a modelagem completa deste tipo de aplicação requer a representação tridimensional da região de interesse e necessita de métodos numéricos de cálculo de campos específicos. Neste trabalho, serão abordadas as modelagens de problemas decorrentes da circulação de correntes elétricas no solo (ditos de acoplamentocondutivo) com o método dos elementos finitos. Também serão considerados problemas produzidos pela variação temporal dos campos eletromagnéticos (ditos de acoplamento indutivo), que serão tratados com o método PEEC(Partial Element Equivalent Circuit) generalizado. Mais especificamente, uma condição de contorno particular sobre o potencial elétrico é proposta para o truncamento do domínio de cálculo na análise de problemas de acoplamento condutivo com o método dos elementos finitos, e uma formulação completa tipo PEEC para a modelagem de problemas de acoplamento indutivo é apresentada. Problemas teste de complexidades crescentes são considerados para a validação das abordagens precedentes. Estes trabalhos visam fornecer desta forma uma contribuição à modelagem desta classe de problemas, que tendem a se tornar comuns com a expansão das redes elétricas.