Modeling and experimental investigation of the effects of electric field and corona discharge on ice accreted on high-voltage conductors

Atmospheric icing affects a wide variety of man-made structures in many countries. It is generally well known to occur in countries like Japan, Canada, Iceland, Russia as well as China. When the power transmission lines are subject to icing, huge corona loss due to corona discharge or rupture of transmission lines may be caused because of the ice load. In the worst-case scenario, it would lead to power outage and collapse of tower. The objective of this study is to investigate the effects of electric field and corona discharge on ice accreted on high-voltage conductor. The research was approached by two methods, experiments and simulations. To achieve this objective, experiments were carried out by means of a corona cage in a climate room at CIGELE laboratories, University of Quebec in Chicoutimi (UQAC) and the simulations were performed by a finite element software. Rime and glaze were considered in the present study as they are thought to be the most adverse conditions for power transmission lines. The experimental results showed that the electric field has a significant influence on ice formation. Under both rime and glaze ice conditions, the weight of ice accreted on the surface of the conductor increased with electric field strength up to 20 kVrms/cm and then decreased as it is increased further. Without voltage applied on the conductor, about half of the total weight of glaze ice can be contributed by the icicle accretion. In the presence of electric field, the weight percentage of icicles could be lowered to 14%. When the water film was freezed right after they reached the bottom of the conductor, the icicle spacing was independent of electric field. If developed water pedants were formed before they were freezed, the icicle spacing decreased with an increase of electric field. Due to the repulsion force of the pendant drops at the icicle tip, the presence of electric field can result in an angle between adjacent icicles accreted on the conductor. This angle increased with an increase of conductor surface electric field. The corona loss was mainly contributed by the fundamental component. The contribution of other harmonic components on corona loss can be neglected, except for the harmonic component which was already significant in the applied voltage. The power factor of the 3rd harmonics can be used to determine whether the conductor is running below or above its corona onset voltage. If it was close to 0.5, the conductor was running near its corona onset voltage. If it was higher than 0.5, it can be expected that the conductor was operated beyond its corona onset voltage. According to the simulated results, it was found that when the electric field is no higher than 20 kVrms/cm, the ice accretion model works well. However, with the electric field increased further, the results diverged because of the generation of corona wind.
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\nLe givrage atmosphérique affecte un éventail de structures dans beaucoup de pays, tels que le Japon, le Canada, l’Islande, la Russie et également la Chine. Les lignes de transport de l’énergie électrique soumises aux accumulations de glace peuvent subir d’importantes pertes d’énergie à la suite de décharges couronne ou de rupture des conducteurs. Dans le pire des cas, ceci peut dégénérer en coupures de courant et dans l’effondrement de pylônes. L’objectif poursuivi par ce travail est l’étude des effets du champ électrique et des décharges couronne sur la glace accumulée sur les conducteurs à haute tension. Deux approches ont été utilisées dans cette recherche : l’approche expérimentale et la simulation numérique. Pour atteindre cet objectif, des expériences pratiques ont été effectuées en utilisant une configuration cylindrique montée dans une chambre climatique aux laboratoires de la CIGELE à l’université du Québec à Chicoutimi (UQAC). Quant aux simulations numériques, elles ont été réalisées par la méthode des éléments finis. Le givre lourd et le verglas ont été utilisés dans cette étude, car ces types de glace sont considérés comme les plus dangereuses pour les lignes de transport d’énergie électrique. Les résultats expérimentaux ont montré que le champ électrique a un effet significatif sur la formation de la glace. Dans des conditions de givre ou de verglas, le poids de la glace accumulée à la surface du conducteur augmente avec l’intensité du champ électrique jusqu’à 20 kVrms/cm, pour ensuite diminuer si cette intensité augmente davantage. En l’absence de tension appliquée au conducteur, environ la moitié du poids total de verglas est attribuable à l’accumulation de glaçons. En présence d’un champ électrique, le pourcentage en poids des glaçons peut diminuer jusqu’à 14%. Lorsque le film d’eau gèle immédiatement après avoir atteint la surface inférieure du conducteur, l’espacement entre les glaçons devient indépendant du champ électrique. À cause de la force de répulsion des gouttes d’eau en suspension au bout des glaçons, la présence d’un champ électrique peut résulter en la formation d’un angle entre les glaçons adjacents accumulés sur le conducteur. Cet angle augmente avec l’accroissement du champ électrique à la surface du conducteur. La perte en énergie due à l’effet couronne provient principalement de la composante fondamentale. La contribution des autres composantes harmoniques sur la perte couronne est négligeable, sauf pour la composante harmonique, qui était déjà significative dans la tension appliquée. Le facteur de puissance relatif à la 3e harmonique peut être utilisé pour déterminer si le conducteur est alimenté par une tension électrique plus basse ou plus élevé que la tension de seuil de l’effet couronne. Si le facteur de puissance est de 0.5, le conducteur est sous une tension près de la tension de seuil de l’effet couronne. S’il est supérieur à 0.5, on peut supposer que le conducteur est alimenté par une tension plus élevé que la tension de seuil de l’effet couronne. En se basant sur les résultats de la simulation, il a été observé que lorsque le champ électrique à surface du conducteur ne dépasse pas 20 kVrms/cm, le modèle d’accumulation de glace fonctionne adéquatement. Toutefois, si le champ électrique augmente davantage, les résultats divergent à cause de la génération de vent électrique.

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