Fast and Rigorous Numerical Modeling of Geomagnetic Disturbance, AC Interference and Grounding Systems

RÉSUMÉ La modélisation et l’analyse de problèmes électromagnétiques à grande échelle ont de nombreuses applications réelles. Ceci est particulièrement important pour les réseaux électriques qui sont soumis à des tensions et courants induits générés par des champs électromagnétiques avec des sources externes, principalement des orages géomagnétiques et des courants de foudre. De plus, les lignes de transmission peuvent également interférer avec des conduites enterrés dans une couloir de service commun en induisant du courant/tension sur le conduit, ce qui peut principalement engender la corrosion du conduit. Les systèmes de mise à la terre font également partie intégrante des réseaux électriques dont la modélisation des transitoires est importante pour la sécurité du personnel, le fonctionnement continu des équipements et les aspects de compatibilité électromagnétique. De nombreuses recherches ont été menées au cours des dernières décennies pour résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus. Cependant, les méthodes adoptées ne sont pas suffisamment rigoureuses pour modéliser toute la complexité du problème ou ne sont pas abordables du point de vue du temps de calcul pour traiter des problèmes à très grande échelle. Dans le contexte évoqué ci-dessus, cette thèse propose des méthodes numériques avancées basées sur la méthode des différences finies qui est capable de traiter des problèmes à grande échelle. Plus précisément, une méthode efficace de domaine temporel à différences finies (FDTD) est formulée pour modéliser les champs électromagnétiques d’orage géomagnétique (GS-EMF) à ultra-basse fréquence et le courant induit géomagnétique (GIC). L’approche FDTD proposée permet la modélisation de la structure terrestre 3D complexe et à grande échelle (par exemple, le sol multicouche et la courbure de la Terre). Contrairement aux méthodes FDTD classiques, la méthode FDTD proposée ne nécessite pas de ressources de calcul importantes lorsqu’il s’agit de problèmes à très basse fréquence. Ensuite, une méthode semi-analytique efficace des ondes pleines basée sur la méthode de la ligne (MoL) est développée pour une modélisation rigoureuse des électrodes/systèmes de mise à la terre enterrés dans un sol stratifié multicouche.