Chapitre I : technologie des câbles électriques
I.2- constitution
I.1 définition
Un câble électrique désigne un regroupement de fils conducteurs avec parfois un blindage électromagnétique extérieur. Un câble électrique peut être utilisé pour le transport d'énergie électrique mais aussi pour la transmission de données.
Un câble électrique est constitué de fils de cuivre isolés souvent torsadés et peut comporter de deux à plusieurs centaines de fils.
I.2 Constitution
Figure (I.1) : Coup d’un câble souterrain I.2.1 L’âme conductrice
L'âme conductrice ou conducteur, est faite soit de cuivre soit d'aluminium. Sa principale caractéristique est son ampacité et sa résistance. Le cuivre ayant une meilleure conductivité électrique que l'aluminium, son usage permet une réduction de la section du câble ainsi réduite et réaliser une substantielle économie sur les éléments constitutifs. [2]
L’âme peut être :
• en cuivre recuit, nu ou revêtu d’une couche métallique
• en aluminium ou en alliage d’aluminium, nu ou revêtu d’une couche métallique
• en aluminium plaque de métal revêtu ou non d’une couche métallique La couche métallique de revêtement peut être :
• dans le cas de cuivre : de l’étain, un alliage d’étain ou de plomb
• dans le cas de l’aluminium : du cuivre, du nickel ou de l’étain a) Les conditions de construction des âmes conductrices
Bonne conductibilité : pour réduire les pertes lors du transport de l’énergie résistance mécanique : suffisante pour éviter la rupture du conducteur sous l’action des efforts au moment de la pose des fixations et du serrage de connexions.
Bonne souplesse : pour faciliter le passage des conducteurs dans les conduits, respecter le tracer de la canalisation alimenter les appareils mobiles.
Bonne tenue à la corrosion : due aux agents atmosphérique et aux environnements chimiques.
Bonne fiabilité : des raccordements par une bonne résistance aux effets physico-chimiques des contacts.
a) Forme des âmes
La section droite de l’âme peut être :
Les âmes câblées de section circulaire (figure I.2)
Les âmes sectorielles (figure I.2)
I.2.2 enveloppe isolante
a) caractéristique général :
Cette enveloppe doit assurer une bonne isolation de l’âme conductrice et doit posséder les caractéristiques suivantes :
• Généralement une bonne isolation
• Une résistivité élevée
• Une très bonne rigidité diélectrique De faibles pertes diélectriques b) Choix des matériaux
Caractéristique déroulant de leur condition d'emploi dans les câbles en fonction des influences externes.
Les matériaux les plus utilisés sont :
• Le polychlorure de vinyle (PVC) Le caoutchouc butyle vulcanisé.
• Le polyéthylène réticule (PRC) Ecran semi-conducteur :
L’écran semi-conducteur est utilisé dans un câble d'énergie à courant continu pour la moyenne, haute et très haute tension. [4]
I.2.3 écran semi-conducteur intérieure
L'écran semi-conducteur intérieur est un composite qui comprend une couche de conductivité électrique volumique longitudinale élevée, typiquement supérieure à 0,1 S/m entre 20 et 90°C, et de préférence supérieure à 5 S/m à ces températures, en contact avec l'âme conductrice
I.2.4 écran semi-conducteur extérieure
Une couche susceptible d'injecter une faible quantité de charges d'espace dans la couche d’isolation après polarisation, de sorte que la quantité de charges d'espace injectées depuis l'écran dans la couche d'isolation électrique est typiquement inférieure à 200 nC entre 25 et 70°C, étant en contact avec la couche d'isolation électrique.
I.2.5 écran métallique :
Le modèle présenté est un câble électrique à écran métallique utilisable notamment pour le transport ou la distribution d'électricité à très haute tension. De tels câbles électriques comprennent généralement un conducteur isolé autour duquel s’étend un écran formé d’un ruban métallique en aluminium ou en cuivre [5].
I.2.6 gain de protection
La gaine ou enveloppe de protection extérieure est une garniture continue et uniforme entourant le conducteur ou l’ensemble de conducteurs et assurant la protection de ces conducteurs contre l’humidité et les détériorations d’origine mécanique ou chimique. Elle protège aussi contre les dommages mécaniques et des pertes d'huile provenant du câble.
On distingue deux types de câble selon le champ produit : [6]
I.3 câble à champ radial
Un câble à champ radial C’est câble dont les lignes de champ sont perpendiculaires à la courbure de l’écran figure (I.3), il est obtenu en disposant l’écran métallique relie à la terre atour de conducteur isolé.
Câble unipolaire Câble tripolaire Figure (I.3) : câble à champ radial
I.4 câble à champ non radial
Un câble à champ non radial est un câble dans les lignes ne sont pas perpendiculaires à la courbure de l’écran figure (I.3) il est généralement isolé par un mélange PVC et reste limité à des tensions de 15 KV, utilisée dans l’industrie et posé sur parois.
Figure(I.3) : câble à champ non radial
I.5 types des câbles et domaine d’utilisation
Nous allons présenter les principaux types des câbles utilisés actuellement en BT et MT et HT [7] . I.5.1 câble à basse tension
La tension nominale courante est de 230 ou 400 V, L’isolant de ce câble est en manière synthétique, l’âme généralement en aluminium (figure I.4). Une application courante est le réseau aérien, posé en façade d’immeuble, ou tendu entre supports ou dans un locale d’énergie électrique.
Figure(I.4) : câble à basse tension
I.5.2 câbles moyenne tension
Leur tension est de 3 à 45 KV, ils sont très utilisés sur les réseaux de distribution d’énergie électrique. Anciennement isolés au papier imprégné (figure I.5), ils sont remplacés à présent par des matières synthétiques entrainant une réduction du cout et une plus grande facilité de pose (mécanique….) et de mise en œuvre [7].
Figure (I.5) : câble à moyenne tension I.5.3 câbles à haute tension
Ils sont principalement utilisés sur de courtes longueurs (quelques centaines de métré à 2 ou 3 Km), pour assure l’évacuation de la puissance de certaines centrales thermiques ou assurer l’alimentation des auxiliaires des centrales nucléaire, lorsqu’il n’est pas possible de faire par ligne aériennes. Leur puissance unitaire peut atteindre 1300 MVA En 225 KV, 90KV et 63 KV la principale application est constituée par les artères de pénétration dans les grandes agglomérations, leur puissance unitaire est comprise entre la centaine de méga voltampère et 600 MVA [7].
Figure (I.6) : Câble à haute tension
I.6 classification générale des principaux types des canalisations
1.6.1 pose des câbles armés en tranchée a) Opération du déroulage
Placer la bobine sur vérins, de préférence l’extrémité du câble à dérouler venant de dessous, pour supprimer les coups fouet. [3]
Figure (I.7) : Coupes des tranchées pour câbles armés souterrains 1- Trois câbles à conducteur unique
2- Disposition d’un câble dans un fourreau de grés pour la traversée d’une rue 3- Câble haute tension disposé sous faitières en ciment
Après avoir fait tourner plusieurs fois la bobine pour vérifie son horizontalité, on attache par plusieurs demi-clefs une corde sur l’extrémité du câble.
On peut également utiliser un grippe-câble relié par un mousqueton à une corde.
L’effectif nécessaire au déroulage d’un câble peut s’élever à 40 hommes, pour 200 mètres de câble de 10 à 15Kg au mètre.
Les hommes se placent à l’arrière des galets face à la bobine et tirent sur le câble au coup de sifflet, sur le commandement du chef d’équipe.
b) Réglage du câble
Le tirage terminé, laisser tous les hommes en place dans la tranchée, le câble restant sur galets.
Placer le câble dans la fouille en commençant par l’extrémité libre et en retirant les galets sur 20 ou 30m environ.
Faire donner par la bobine le mou nécessaire pour que le câble soit à sa place définitive.
Enlever les galets sur les 20 ou 30 mètres suivants et procéder de la sort jusqu’à la bobine.
I.6.2 pose des câbles en caniveau
Les câbles uniques à haute tension se placent fréquemment dans les caniveaux.
Ceux-ci sont constitués par les éléments en béton armé assemblés.
Les caniveaux pour câbles haute tension sans revêtement ferreux sont constitués par des éléments en deux pièces, l’une servant de logement aux câbles, l’autre de couvercle.
Figure (I.8) : différents modèles de caniveaux pour câbles armés.
I.6.3 pose des câbles en galerie
Ce procédé de pose nécessite des galeries creusées spécialement pour disposer les câbles, ou des égouts collecteurs existant dans les grandes villes.
Dans les deux cas, les câbles sont disposés le long des murs sur des supports en béton armé, des colliers métalliques, des crochés épousant la forme du câble, des taquets amovibles pouvant être superposés, etc.
Les intervalles entre supports ne doivent pas dépasser 80 cm et le rayon â donner au câble dans un angle ne doit pas être inférieur à dix fois son diamètre.
La disposition en galerie a l'avantage de faciliter la pose, l'entretien et le remplacement des câbles.
Figure (I.9) : Dispositif des câbles armés
Dans une galerie souterraine
I.7 Conclusion
L’utilisation les câbles est un moyen esthétique pour fournir l’alimentation électrique aux grandes agglomérations et sites industriels. La pose dans les canalisations souterraines doit être faite avec le plus grand soin afin éviter des blessures qui peuvent à terme provoquer les défauts.
Différents types de câble existent sur le marché, le choix est dicté par les critères techniques et économiques. En service, le câble doit pouvoir supporter les quatre contraintes suivantes sans subir de dommage :
1. Le courant nominal inférieur à la limite thermique du câble ; 2. Le courant de court-circuit ;
3. La chute de tension admissible;
4. Le respect de la stabilité du réseau.
Dans le chapitre suivant, on va voir origines et les différents types de défaut et leur détermination des câbles du défaut.
II.1 Introduction
Avant de commencer toute mesure de localisation, il est indispensable d'analyser minutieusement le défaut depuis au moins l'une des extrémités du câble. Cette opération très importante guide l'opérateur dans le choix des méthodes les mieux adaptées et conditionne, de ce fait, la réussite d'une recherche de défaut. Cette analyse est précédée par la détermination de la nature et des caractéristiques du défaut.
II.2 Origines des défauts
On peut séparer les défauts sur les câbles en deux grandes familles : les défauts d’origine externe et les défauts d’origine interne. [8.7]
II.2.1 Origine externe
La plus grande partie des défauts intervenant sur les réseaux sous terrains est due par des blessures externes, ils sont dues par :
• Terrassement
Les blessures sont faites à l'occasion de travaux de terrassement Si la blessure est importante, le défaut est instantané et la localisation est facile. Par contre lorsque le câble n'est que légèrement endommagé cet incident est sans conséquence immédiate et n'est pratiquement jamais signalé à l’exploitant. Pourtant quelques jours au quelques mois plus tard lorsque l'humidité aura pénétré dans le câble et transforme cette blessure en défaut.
Après les travaux de terrassement, si le remblai n'a pas été fait avec soin, il se produit des terrassements de terrain ; ceux-ci vont provoquer des cisaillements au niveau du câble et des tensions mécaniques au niveau des accessoires qui peuvent dans le temps, créer des défauts.
• Mouvement du terrain
Les contraintes du sol sur les réseaux souterrains peuvent être dues aux phénomènes naturels tel que : glissement de terrain excavation par infiltration d'eau, etc....
• Mise en œuvre du câble
La qualité de la mise en œuvre du câble et de ses accessoires joue un rôle important dans la fiabilité d'un réseau.
En ce qui concerne le câble, il faut :
Les techniques de réalisations des câbles sont suffisamment fiables pour que les défauts «plein câble» ne puissent être qu'exceptionnellement imputée à la fabrication.
• Mise en œuvre des accessoires
En ce qui concerne les accessoires, un soin tout particulier doit être apporté à leur réalisation afin de ne pas créer de point faible. Les techniques actuelles de conditionnement et de mise en œuvre des accessoires tendent à limiter les risques de mal façon ; néanmoins, il convient de rester vigilant au niveau de la continuité des écrans.
• Migration de matière
Dans le cas de câble ancien isolé au papier imprégné d'huile, sa mise en œuvre sur une forte dénivellation, provoque une migration de la matière et donc un assèchement du papier d'isolement dans la partie la plus haute ce qui réduit les caractéristiques diélectriques et crée une zone propice aux défauts.
Depuis longtemps, les câbles isolés au papier sont imprégnés de matière non migrante • Phénomènes électriques
Les défauts d'origines électriques ont pour cause :
- Soit la tension : Une surtension peut provoquer un « claquage » en un point faible au niveau de l’isolation. Cette surtension peut être d’origines diverses, manœuvre, déséquilibre, décharge atmosphérique, etc...
- Soit le courant : Une surintensité peut provoquer un échauffement anormal des contacts dans un accessoire entraînant soit une coupure, soit une fusion de matière isolante avec déplacement de conducteur et court-circuit. Cette surintensité peut être crée par divers phénomènes tel que : surcharge de réseau, onde de courant de foudre, court-circuit, etc...
II.3 type des défauts
On peut classer les défauts d’origine externe en trois familles [9] :
— les défauts d’isolement résistants ;
— les défauts d’isolement éclateurs ;
— les défauts de continuité ;
II.3.
1 Défaut d’isolement résistantIls se présentent comme une résistance shunt de valeur finie Rd placée entre un conducteur de phase et l’écran métallique ou le neutre, ou entre deux conducteurs (cas des câbles à champ non radial, par exemple). Cette résistance est constituée d’un pont de carbone plus ou moins continu dont la valeur peut être comprise entre quelques ohms et plusieurs mégohms. Son schéma électrique est celui de la figure (II.1).
Figure (II.1) : Défaut d’isolement résistant
La caractérisation est donc faite à partir de la mesure de Rd et de la tension d’amorçage de l’éclateur.
On dit qu’un défaut est franc si Rd est inférieure à 5 Ω et que la tension d’amorçage en courant continu est nulle ou extrêmement faible.
II.3.2 Défauts d’isolement éclateurs
Il s’agit de défauts d’isolement à très forte résistance shunt, mais qui, soumis à une tension croissante, se comportent comme un éclateur avec une tension d’amorçage Ua.
Figure (II.2) : Défaut d’isolement éclateur
Dans ce cas, au moment de l’amorçage, toute l’énergie emmagasinée dans la capacité constituée par le câble se décharge dans l’éclateur. Si le générateur de tension est assez puissant (courant limite élevé), le câble se recharge alors jusqu’à la tension Ua ; on dit qu’il relaxe. En effet, jusqu’à ce que le courant de décharge id=0 à la tension d’extinction, u étant la tension délivrée par le générateur d’après le schéma électrique équivalent de la figure II.2 on a :
Figure (II.2) : schéma électrique équivalent G : générateur de tension continue
𝑈𝑐 : Tension aux bornes du câble Pour u < 𝑈𝑎 : 𝑢 = 𝑅𝑖𝐼𝑐+ 𝐶𝑑𝐼𝑐
𝑑𝑡
Pour u > 𝑈𝑎 ∶ = 𝑅𝑎𝑟𝑐𝐼𝑑 Avec C capacité du câble,
𝐼𝑐 et 𝐼𝑑 courants de charge et de décharge, 𝑅𝑎𝑟𝑐 Résistance de l’arc,
𝑅𝑖 Résistance interne du générateur.
II.3.3 Défaut de continuité
Il s’agit d’une coupure d’un ou de plusieurs conducteurs, écran ou neutre compris, avec une résistance de défaut shunt Rd plus ou moins grande (figure II.3), et une résistance de défaut série Rc plus ou moins petite.
Figure (II.3) : Défaut de continuité
II.4 généralité sur les méthodes de détection et localisation des défauts : II.4.1
Pré-localisation du défautLa surveillance des réseaux permet dès l’occurrence d’un défaut d’envoyer le message d'erreur, l'identification de la liaison câblée concernée et son isolement du reste du réseau. Le message d'erreur est tout d'abord analysé. A cet effet, on détermine dans un premier temps le type de câble, sa longueur et la structure du réseau ainsi que les causes apparentes possibles de la panne, tel que la présence de chantiers, travaux de rénovation ou autre. Les premières mesures servent à déterminer les résistances d'isolation de toutes les phases du câble.
II.4.1.1
Méthodes de pontToutes les méthodes de boucle sont définies à partir du schéma général du « Pont de Wheatstone », sauf une, qui est basée sur la comparaison des chutes de tension, mesurées sur un conducteur sain et sur le conducteur défectueux, présentant une très faible résistance d'isolement [10]
La méthode du « Pont de Wheatstone » est employée pour localiser les défauts d'isolement entre un ou plusieurs conducteurs continus ou entre un de ces conducteurs et la terre. Le conducteur servant de retour doit présenter une résistance d'isolement au moins 10 fois supérieure à celle du conducteur en défaut.
Figure(II.4) : pont de Wheatstone
II.4.1.2
méthode de boucle de MurrayLa méthode de la boucle de Murray consiste à former une boucle en reliant l'extrémité d'un conducteur défectueux avec un conducteur sain (Figure II.5).
Figure(II.5) : méthode du pont de Wheatstone Soient :
d : la distance du défaut,
r : la résistance linéique du câble.
D : la longueur totale de câble
𝑅𝑑 : Résistance d’isolement du défaut G : Générateur de courant continu
On a : R3 = (2L-x).r R4 = x. r.
Par ailleurs le pont de mesure est tel que la somme des résistances R1 et R2 est constante (pont à fil) : R1 + R2 = 2 R.
On a : R1 = 2 R - a R2 = a.
A l'équilibre du pont, on a : (2 R - a). x. r = a. (2 L - x).r d'où la valeur recherchée de x: 𝑥 = 𝐿𝑎
𝑅
II.4.1.3 Boucle de Murray avec dérivations
Dans le cas de réseaux de câbles contenant des dérivations (figure II.6), on doit aussi faire des approximations successives ; on est conduit à court-circuiter successivement l’extrémité du câble principal opposée à celle de la mesure et les extrémités des différentes dérivations jusqu’à la révélation du défaut.
Figure(II.6) : cas de défaut sur dérivation II.4.2 méthode par mesure de capacités
Les méthodes de mesure de capacités sont utilisées pour la localisation de la coupure des conducteurs du câble. Les différents conducteurs devront présenter une résistance d'isolement supérieure à 10 Méga Ohm [10].
Le schéma de principe du pont de Sauty est celui de la figure (II.7) G : détecteur de courant alternatif.
A l'équilibre : ig = 0, on a :
𝑍1. 𝑍4 = 𝑍2. 𝑍3
Figure(II.7) : pont de Sauty
La localisation est basée sur la comparaison de la capacité du conducteur en défaut avec celle d'un conducteur sain de même capacité linéique ou avec les capacités fournies par des tables établies au cours d'expérimentation ou par catalogue de constructeur.
Pont de Nernst
Pour obtenir l'extinction du signal au détecteur, lorsque le défaut de continuité du conducteur est doublé d'un défaut d'isolement, on doit placer en parallèle avec la capacité étalon Ce une résistance réglable afin de compenser le déphasage introduit par la résistance d'isolement du défaut (Figure II.8).
Le pont de mesure correspondant est appelé : pont de Nernst
Figure (II.8) : pont de Nernst 𝑅𝑑 : Résistance de compensation.
𝑅𝐶 : Résistance d’isolement de la capacité A l’équilibre : 𝑖𝑑 = 0 𝐶𝑥 = 𝐶 𝑃
𝐾
Pont de Wien
Le pont de Wien est utilisé pour mesure la capacité des conducteur bien isolé à faible pertes.
𝑅𝐶: résistance de compensation.
C : condensateur étalon 𝑟′ : résistance de pertes.
A l’équilibre 𝑖𝑑 = 0 𝐶𝑥 = 𝐶𝑃
𝐾
Figure (II.9) : Pont de Wien II.4.3 Méthode des ondes stationnaires
Cette méthode ne peut être utilisée qu'avec les câbles qui ne comportent pas de variation importante d'impédance caractéristique telle qu'une dérivation (impédance en parallèle) [10].
Elle s'applique :
— aux conducteurs présentant une coupure franche dont la résistance d'isolement est différente de l'impédance caractéristique du câble.
— aux défauts d'isolement de résistance inférieure à une dizaine d'ohms.
Figure(II.10) :schéma de principe –méthode des ondes stastionaires
Le câble défectueux est alimenté par un générateur de tension sinusoïdale à fréquence f variable. Si l'on fait varier cette fréquence, la déviation du voltmètre V passe successivement par des maximums et des minimums (Figure II.11).
Figure(II.11) : variation de la tension aux bornes du défaut en fonction de la fréquence
Si l'on désigne par f l'écart de fréquence entre deux maximums successifs, et par V la vitesse des ondes électromagnétiques dans le câble, la distance x du défaut à l'extrémité d'alimentation est donnée par :
En effet la tension appliquée au voltmètre résulte de la superposition de la tension de l'onde incidente et de la tension de l'onde réfléchie. Lorsque ces deux tensions sont en phase, il y a déviation maximale, lorsqu'elles sont en opposition de phase, la déviation est minimale.
En d'autres termes les interférences entre l'onde incidente et l'onde réfléchie font apparaître au long du câble des ventres (là où les amplitudes s'additionnent) et des nœuds (là où elles se soustraient).
L'ensemble de ces points reste stationnaire par rapport au point de réflexion (défaut) pour une
L'ensemble de ces points reste stationnaire par rapport au point de réflexion (défaut) pour une