Finissant au doctorat en ingénierie, Marc Alain Andoh a effectué sa soutenance de thèse le 9 octobre 2025. Sous la direction de recherche du professeur Christophe Volat, sa thèse a pour titre: « Développement d’un modèle thermoélectrique numérique de formation des bandes sèches à la surface des isolateurs composites pollués ».
Sous la présidence d’Issouf Fofana (UQAC), le jury d’évaluation était composé de Fethi Meghnefi (UQAC) et de Gwenaël Gaborit (Université Savoie Mont Blanc)
Résumé de la thèse
Le champ de recherche relatif à la problématique du contournement électrique des isolateurs composites pollués est assez impressionnant. La décharge à la surface des isolateurs pollués par voie humide est directement liée à la présence de bande sèche. Étant données les résistances inégales des couches polluées, la portion de plus faible résistance s’assèche plus rapidement en raison d’une grande quantité de chaleur générée par effet Joule. La résistance de la bande sèche devient plus grande et voit apparaître une chute de tension considérable, provoquant une décharge partielle et même le développement d’un contournement complet dans certaines conditions lorsque le gradient de potentiel surpasse la valeur critique du champ électrique de contournement.
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La création de bandes sèches est donc étroitement associée à la décharge à la surface des isolateurs. Toutefois, malgré le grand intérêt porté à la compréhension et à la modélisation des bandes sèches, très peu d’études ou de modèles sont dédiés à la formation des bandes sèches et aux phénomènes de pré-contournement des isolateurs composites dont leur utilisation est privilégiée dans les environnements pollués et/ou hostiles. Les tests de pollution et de contournement, en laboratoire, des isolateurs non céramiques reposent sur des adaptations des normes CEI 60507 et CEI 60815. Ces modèles de contournement dans leur ensemble ne permettent pas véritablement d’observer, de comprendre et de valider le processus de formation des bandes sèches sur les surfaces d’isolateurs pollués parcourues par les courants de fuite.
L’objectif principal de la présente thèse est donc de contribuer au développement d’un modèle numérique multiphysique permettant de simuler le processus de formation des bandes sèches présentes le long des isolateurs pollués. Le but de ce modèle étant de reproduire les essais sous pollution des isolateurs composites et d’étudier l’apparition de bandes sèches ainsi que les décharges partielles à travers celles-ci. L’atteinte de cet objectif s’est faite par le développement de différents modèles, la réalisation de divers tests expérimentaux et de plusieurs simulations numériques. Les résultats dans leurs ensembles ont été diffusés à travers trois articles de journaux. Préalablement au développement du modèle expérimental, des simulations thermoélectriques ont été effectuées sur une géométrie d’isolateur composite 69 kV. Ces simulations ont permis dans un premier temps de comprendre les interactions multiphysiques complexes entre les distributions de tension, de champ électrique, de température et de densité de courant. Les résultats obtenus montrent que la contrainte thermique est plus importante à la surface du fût de l’isolateur composite entre les jupes où la densité de courant est maximale. Ces résultats ont été déterminants pour la conception de la géométrie simple des substrats des matériaux testés présentées dans le premier article.
Le premier article (DEVELOPMENT OF A SIMPLE EXPERIMENTAL SETUP FOR THE STUDY OF THE FORMATION OF DRY BANDS ON COMPOSITE INSULATORS) présente une nouvelle géométrie simplifiée d’un isolateur permettant d’étudier rapidement et plus simplement le processus naturel de formation de bandes sèches. Afin de reproduire expérimentalement la constriction des lignes de densité de courant sur la surface du fût de l’isolateur, le développement d’un nouveau dispositif géométrique simple, qui a ensuite été testé expérimentalement, a été proposé. Plusieurs valeurs de DDSE correspondant à un niveau de pollution élevé ont été utilisées pour chaque échantillon pollué. Ces derniers ont été placés dans une enceinte climatique à une humidité relative constante de 90 % et une température ambiante constante de 20 °C. Des séries de tests sous basse tension ont permis de déterminer la durée d’humidification optimale permettant d’obtenir la conductivité maximale de la couche de pollution. Les valeurs obtenues sont en accord avec la durée de 10 à 40 minutes recommandée dans la norme CEI 60507. Les tests effectués à une tension plus élevée ont démontré l’efficacité de la configuration proposée pour simuler le processus complexe de formation de bande sèche de manière reproductible en termes de comportement en matière de courant de fuite et de température. La configuration proposée est une méthode innovante et simple qui peut être facilement utilisée par l’industrie électrique pour développer de nouveaux matériaux dédiés à la prochaine génération d’isolateurs composites pour lignes aériennes sans nécessiter l’utilisation d’un laboratoire H.T. avec ses équipements coûteux ainsi que les essais sous pollution avec des isolateurs réels qui demeurent longs et fastidieux.
Le second article (EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF PARAMETERS INFLUENCING THE FORMATION OF DRY BANDS AND RELATED ELECTRIC FIELD) présente une étude expérimentale menée pour déterminer l’influence de différents paramètres tels que la température ambiante, le niveau de pollution ainsi que le matériau du substrat sur la formation de bandes sèches en présence d’une couche de pollution. Pour étudier ces paramètres, la géométrie d’isolateur simplifiée présentée dans l’article précédent a été utilisée pour contrôler expérimentalement le processus complexe de formation de bandes sèches sur une surface polluée. Du plexiglas, du RTV et du verre ont été utilisés comme matériaux de construction du substrat. Le RTV et le verre ont été utilisés pour simuler respectivement une surface d’isolant composite et céramique. De plus, une sonde électrooptique (EO) a permis de mesurer l’évolution du champ électrique axial E à la surface de la couche polluée lors de la formation de la bande sèche. Les résultats ont montré que le matériau du substrat, la température ambiante et le niveau de pollution influencent considérablement la formation des bandes sèches. Étant donné que la plupart des résultats obtenus ici étaient conformes à ceux de la littérature, il a été conclu que le modèle expérimental proposé peut fournir une méthode de test efficace et peu coûteuse pour développer de nouveaux matériaux et améliorer les performances diélectriques des isolants utilisés dans les environnements pollués. De même, la géométrie simple du modèle expérimental et la capacité de contrôler facilement les paramètres expérimentaux peuvent permettre à cet outil de valider les résultats de divers modèles numériques dans les études du comportement thermoélectrique des isolants pollués.
Le troisième article (A SIMPLE THERMOELECTRICAL SURFACE APPROACH TO NUMERICALLY STUDY DRY BAND FORMATION ON POLLUTED INSULATORS) présente une nouvelle méthode numérique simple permettant de modéliser numériquement et relativement simplement le processus complexe d’apparition d’une bande sèche sur un isolateur pollué. La méthode proposée combine une expression empirique de la conductivité surfacique de la couche de pollution en fonction de la température et de la DDSE et une approche surfacique pour la modélisation de la couche de pollution, utilisant des simulations thermoélectriques temporelles basées sur la méthode des éléments finis (MEF). En utilisant différents substrats, épaisseurs de couche de pollution et niveaux de DDSE, la fiabilité et les limites du modèle numérique thermoélectrique simple ont été étudiées. Les résultats numériques obtenus ont démontré que le modèle thermoélectrique proposé peut simuler dynamiquement l’apparition de la bande sèche conformément aux résultats expérimentaux en termes d’évolution temporelle de la température et de la résistance de la couche de pollution, ainsi que d’évolution de la chute de tension et du champ électrique le long de la zone de formation de la bande sèche. Les résultats démontrent également que le modèle permet de prendre en compte l’influence du substrat et de l’épaisseur de la couche de pollution, ces derniers étant directement reliés au processus thermique de la formation de la bande sèche. Par la suite, le modèle numérique surfacique thermoélectrique simple a été utilisé pour étudier l’apparition d’une bande sèche sur un isolateur de 69 kV uniformément pollué. Les résultats obtenus ont permis une simulation dynamique de l’apparition de la première bande sèche au centre de l’isolateur; et d’étudier en profondeur l’évolution de la température de surface, du potentiel électrique et des distributions du champ électrique le long de l’isolateur.
Le modèle thermoélectrique simple proposé, combiné au modèle empirique, permet de simuler l’influence d’une couche de pollution non uniforme. Il fournit ainsi un outil numérique simple pour étudier l’évolution des distributions du potentiel et du champ électrique le long d’un équipement d’isolation uniformément et non uniformément pollué, afin d’identifier une zone de forte probabilité d’apparition de bande sèche en fonction du matériau et de la géométrie de l’isolateur. Ceci peut contribuer au développement de nouvelles méthodes d’atténuation pour améliorer les performances de tous les types d’isolateurs en conditions de pollution.
Félicitations à Marc Alain Andoh pour la soutenance de sa thèse de doctorat.
