Modélisation des vibrations des conducteurs à haute température et faible flèche – Caractéristiques d'auto-amortissement

Pour y parvenir le Groupe de Travail (GT) B2.58 a été mis en place avec le programme de travail suivant: " Modéliser les vibrations éoliennes des conducteurs à haute température et faible flèche (HTLS), et en tirer des recommandations en matière d'essais en laboratoire des conducteurs et des accessoires. L'objectif est d'aider les concepteurs des lignes aériennes à accroître la fiabilité des lignes en étant capables de mieux prédire le comportement des lignes aériennes face aux effets du vent".

Il est intéressant de souligner que dans le programme de travail le terme "modélisation" se limite essentiellement à la modélisation de l'auto-amortissement des vibrations des conducteurs HTLS. La modélisation du comportement des conducteurs aux effets du détachement des vortex (vibrations éoliennes) a déjà été traitée par des GT précédents et exposée dans plusieurs publications CIGRE. Elle a aussi fait l'objet du "Green Book" Springer publié en 2018 “Modelling of vibrations of overhead lines conductors, Springer, ISBN 978-3-319-72808-7”, basé sur les études analytiques et expérimentales menées par plusieurs chercheurs aux cours des dernières décennies.

L'auto-amortissement d'un  conducteur correspond à l'amortissement interne des flexions provoquées par des vibrations transversales d'un conducteur en tension. Les flexions provoquent des déplacements relatifs des brins ou des torons du conducteur, mouvements qui sont contrariés par les frictions entre brins. Dans les conditions habituelles de vibration des conducteurs des lignes aériennes, la friction entre brins est suffisamment importante pour empêcher un déplacement relatif significatif. Néanmoins il se produit un micro glissement sur les faces de contact entre torons, et cette friction entraine une dissipation d'énergie. En outre les forces de friction causent des contraintes de cisaillement au niveau des contacts entre brins qui ont un effet d'amortissement physique. Les quantités de dissipation produites par ces phénomènes caractérisent l'auto-amortissement du conducteur.

Dans une première phase l'effet de la température des conducteurs sur l'auto-amortissement des conducteurs HTLS a été étudié. Dans la bibliographie on peut lire qu'en général l'auto-amortissement d'un conducteur augmente quand la température du conducteur augmente. Ceci est probablement un des faits - avec la structure particulière de certains types de conducteurs HTLS- qui conduit à avancer que les conducteurs HTLS sont des conducteurs "auto-amortisseurs", qui n'ont donc pas à être équipés de moyens additionnels d'amortissement sous la forme, par exemple, d'amortisseurs de vibration, pour limiter le niveau des vibrations à des valeurs sans risque.

En conséquence les objectifs majeurs du GT consistaient :  

• à déterminer l'effet de la température sur l'auto-amortissement des conducteurs HTLS ;
•  à caractériser l'effet de variations de température et des cycles de vibrations induites par le vent sur l'auto-amortissement des conducteurs HTLS ;
•  à définir une procédure de mesure de l'auto-amortissement des conducteurs HTLS, dans le but d'utiliser les données d'auto-amortissement mesurées pour simuler le comportement des conducteurs HTLS soumis à des vibrations éoliennes, et de concevoir en conséquence, si nécessaire, les dispositifs amortisseurs ;
• à déterminer l'effet combiné des variations de température et des cycles de vibrations sur le comportement des différents systèmes de pinces utilisés dans les accessoires des conducteurs HTLS.

Les essais ont été réalisés en laboratoire (voir Figure 1), pendant les travaux du GT, pour évaluer l'impact de la température, des cycles de température et des cycles de vibration, sur les caractéristiques d'auto-amortissement des conducteurs HTLS. Les résultats sont les suivants :

• Il a été confirmé que l'auto-amortissement du conducteur augmente quand la température du conducteur augmente. Ceci est dû essentiellement au fait que si la température augmente la contrainte sur les couches externes d'aluminium diminue. En conséquence lors des vibrations les micro-glissements entre brins sont facilités et la dissipation d'énergie est accrue. Cependant il est recommandé de déterminer l'auto-amortissement des conducteurs HTLS à température ambiante, pour les raisons suivantes :
  • La plupart des TSO ont rappelé que les conducteurs HTLS ne fonctionnent généralement pas à la température maximale de fonctionnement continu pour laquelle ils sont conçus ;
  • Il a été observé et vérifié, au moyen d'essais en tunnel de vent, que même à une vitesse de vent relativement faible (soit la vitesse de vent responsable des vibrations) la température externe du conducteur décroît dans de fortes proportions.

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Les mesures ont montré -surtout pour les fréquences basses- que les valeurs d'auto-amortissement des conducteurs HTLS à température ambiante ne diffèrent pas significativement de celles des conducteurs habituels ACSR (Conducteur Aluminium Renforcé Acier), ce qui appelle une investigation appropriée pour décider de la nécessité d'un dispositif d'amortissement additionnel pour contrôler en toute sécurité le niveau des vibrations éoliennes – voir Figure 2 et Figure 3.

Ces essais ont été exécutés sur des portées en laboratoire (voir la Figure 1), au cours desquels certains types de conducteurs HTLS ont été soumis à des cycles thermiques et à des cycles de vibrations. Les cycles thermiques consistaient en une variation entre la température ambiante et la température maximale de fonctionnement continu du conducteur HTLS. Les vibrations étaient fixées à un niveau f ymax  de 90 mm/s et la durée était fixée à 10 millions de cycles. La tension mécanique était contrôlée pour reproduire le comportement d'une vraie portée (voir Figure 1). Il a été constaté :

• Pour les conducteurs HTLS :
  • Les cycles de vibration sont les principaux responsables de la réduction de l'auto-amortissement des conducteurs après le vieillissement ;
  • Les cycles thermiques n'ont qu'un impact très faible sur l'auto-amortissement du conducteur.

•  Pour les conducteurs ACSR habituels :
  • Ils affichent aussi une réduction de l'auto-amortissement après le vieillissement dû aux cycles de vibration

ACSR signifie "Conducteur Aluminium Renforcé Acier", ZTACIR désigne un conducteur en alliage d'aluminium, renforcé acier invar, à haute tenue en température, et RTS est la tension nominale de rupture du conducteur.

Au plan de la réduction de l'auto-amortissement après un vieillissement dû aux vibrations, les conducteurs HTLS ont, surtout pour les fréquences faibles, le même comportement que les conducteurs ACSR standards, du fait de l'effet du vent ou quand ils ne fonctionnent pas à la température maximale permanente maximale. Il est en conséquence recommandé d'évaluer le comportement des conducteurs HTLS aux vibrations éoliennes, en utilisant les données d'auto-amortissement à température ambiante, avant vieillissement, comma cela est fait pour les conducteurs ACSR.

Des simulations du comportement aux vibrations éoliennes des conducteurs HTLS, avec et sans amortisseurs, ont été réalisées en utilisant les données d'auto-amortissement mesurées – voir les figures 4 et 5. Les résultats de ces simulations ont clairement montré que surtout aux basses fréquences, en dessous de 20 ÷ 30 Hz, et en fonction du type de conducteur, les amortisseurs sont nécessaires pour maintenir le niveau des vibrations éoliennes sous la limite généralement admise de 100 ÷150 microdéformations.

Le conducteur Stockholm Type 4  est un conducteur aluminium recuit, avec une âme support en composite à matrice polymère.

Des essais ont été exécutés pour évaluer le comportement des systèmes de pince des accessoires utilisés avec les conducteurs HTLS, et plus particulièrement l'effet de desserrement de la pince. L'impact des cycles thermiques et des vibrations de grande amplitude sur la qualité de sa fonction a été évalué en utilisant la même procédure que pour les essais d'auto-amortissement des conducteurs (Voir Figure 1).

Les essais ont porté sur trois types de systèmes de pince (voir Figure 6) :

• Pinces métal à métal boulonnée (directement sur le conducteur ou sur garnitures préformées) ;
• Pinces avec coussinets en caoutchouc, souvent dénommées pinces casse-noix ;
• Pinces attachées aux conducteurs avec des garnitures hélicoïdales.

Des mesures de températures ont été réalisées sur certaines parties des différents types de systèmes de pinces évaluées (voir Figure 7).

Conclusions

A l'issue des nombreux essais réalisés, et après discussion entre membres du GT, les conclusions suivantes ont été retenues :

• L'auto-amortissement des conducteurs HTLS doivent être mesuré sur un échantillon du conducteur neuf, à température ambiante, en suivant la procédure standard décrite par exemple dans la CEI 62567 ou la IEEE Std 563 pour les conducteurs courants, en gardant comme option la mesure de l'auto-amortissement du conducteur après les cycles de température et de vibrations exécutés comme décrit dans la procédure proposée.
• Il a été constaté, surtout pour les fréquences faibles, que les valeurs d'auto-amortissement des conducteurs HTLS à température ambiante, ne sont pas significativement différentes de celles des conducteurs ACSR standards. En conséquence, il est nécessaire de procéder à une étude sérieuse sur le besoin d'un amortissement complémentaire pour contrôler le niveau des vibrations et, rejeter ainsi l'affirmation que les conducteurs HTLS sont des conducteurs  auto-amortisseurs.
• Les pinces boulonnées métal sur métal et les pinces mettant en œuvre des garnitures hélicoïdales ne semblent pas être sensibles aux cycles de températures et de vibrations, dans la mesure où elles sont correctement conçues.
• Le choix du type du caoutchouc est d'une très grande importance pour les pinces à coussinets en caoutchouc: pour les utilisations avec des conducteurs à haute température il faut choisir avec beaucoup de soin le type du caoutchouc.