Nous considérons un scénario en mesure d’altérer le bon fonctionnement du réseau électrique : la foudre atteint par un impact direct un pylône ou un câble de garde.
C'est donc, brutalement, un énorme générateur de courant qui arrive sur le réseau. Dans ce cadre-là, la tension est telle (plusieurs millions de volts) que parfois les systèmes isolants peuvent ne plus jouer leur rôle et le courant arrive à passer entre les câbles et les pylônes : c’est le court-circuit. Toute l’énergie transportée par le réseau peut alors s’écrouler dans la terre. Lorsque ce genre d’incident se produit, il est fort probable que la mise à la terre du pylône n’a pas joué son rôle et nous avons un amorçage de l’isolateur. On distingue trois mécanismes d’amorçage des chaînes d’isolateurs équipés d’éclateurs et supportant les lignes à haute tension :
le contournement par induction, lorsque la foudre frappe le sol au voisinage de la ligne sans toucher directement un élément quelconque de celle-ci ; toutefois, ce mécanisme se révèle peu dangereux sur les lignes à de plus en plus haute tension ;
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le contournement par défaillance de l’effet d’écran, lorsque la foudre frappe un conducteur de phase, l’écran constitué par les câbles de garde n’ayant pas joué son rôle ;
même si un positionnement judicieux, voire optimal, des câbles de garde mis à la terre à travers les pylônes permet d’éliminer les effets néfastes des coups directs, la ligne n’est pas toujours intégralement protégée. En effet lorsqu’un coup de foudre atteint un câble de garde ou le pylône même, le courant s’écoule vers la terre via les pylônes les plus proches de l’impact et fait monter le potentiel de la prise de terre, d’autant plus que celle-ci possède une résistance élevée. Si l’onde de tension réfléchie au sol atteint la valeur de la tension d’amorçage critique des chaînes d’isolateurs, se produit un amorçage secondaire ou amorçage en retour qui engendre un défaut analogue à celui produit par les coups directs sur les conducteurs de phase, préférentiellement sur les conducteurs de lignes les plus éloignés de la terre.
Notre intérêt est pour le mécanisme décrit dans le troisième point. Ce phénomène d’amorçage est sources d’altération de la qualité de l’énergie électrique (surtension, creux de tension, interruptions,…) et de dégradation des équipements du réseau électrique. Pour anticiper ce genre d’incidents, le maître de l’ouvrage doit garantir un bon dimensionnement du circuit de terre ainsi qu’un choix fiable de l’isolateur (longueur de la chaîne, distance entre les cornes de l’éclateur, nettoyage des surfaces, ..). Cette action d’anticipation nécessite une bonne connaissance de la propagation des surtensions. La mesure étant coûteuse, voir irréalisable, la modélisation des transitoires électromagnétiques dans le réseau de puissance est le plus souvent utilisée. Dans ce mémoire de fin d’études de master, nous souhaitons analyser par simulation le comportement transitoire d’un pylône électrique équipé de sa mise à la terre et de la ligne de transport d’énergie. Le but est de calculer les surtensions transitoires en différents point de ce système électrique pour évaluer le comportement du circuit de terre et son incidence sur l’amorçage de l’isolateur.
Nous réalisons ce travail en tenant compte de l’effet de la fréquence, dans la plage fréquentielle de la foudre, sur l’ensemble des composants du dispositif électrique :
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Références Bibliographiques - chapitre 1
[1-1] Pierre BORNARD, « Réseaux d’interconnexion et de transport : réglage et fonctionnement », Techniques de l’ingénieur, D 4 090.
[1-2] A. Chanal, « Lignes aériennes. Dimensionnement », Techniques de l’Ingénieur, D 4 421 v2.
[1-3] J. F. Didierlaurent, « Lignes aériennes : Matériels - Supports », Techniques de l’Ingénieur, D 4 424.
[1-4] W. Wanger et all « Technique des Hautes Tensions ¨Quelques-uns de nos travaux ¨ », Revue Brown Boveri. N° 9/10, Septembre/Octobre 1943.
[1-5] El Bahi AZZAG, « Problèmes de contournement et perforation des isolateurs de haute tension », thèse de doctorat d’état – université de Annaba, 2007.
[1-6] X. Legrand, « Modélisation des systèmes de mise à la terre des lignes électriques soumis à des transitoires de foudre », Thèse de doctorat de l’école centrale de Lyon, 2007. [1-7] Claude Gary, « La foudre : des mythologies antiques à la recherche moderne », Edition
Masson, 1994.
[1-8] M. Aguet, M. Ianoz, « Traité d’électricité haute tension », Vol. XXII, 2ème Edition, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, 2004.
[1-9] K. Berger, « Novel Observation on Lightning Discharges: Results of Research on Mount San Salvatore », Journal of Franklin Institute, Vol. 283, No. 6, pp.478-525, 1967. [1-10] F. Heidler, «Traveling Current Source Model for LEMP Calculation », in 6th
Symposium and Technical Exhibition Electromagnetic Compatibility, pp. 157-62, Zurich, Switzerland, 1985.
[1-11] Jean MAHSEREDJIAN et all, « Régimes transitoires dans les réseaux électriques », Techniques de l’Ingénieur, D82v1.
[1-12] D. Fulchiron, « Surtensions et Coordination de l'Isolement », CT 151 édition décembre 1992.
Chapitre 2
Modélisation de l’Impact Direct de
Foudre sur un Pylône par les Lignes
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Introduction
ans un réseau électrique donné, l’impact direct d’une onde de foudre provoque l’apparition de phénomènes transitoires électromagnétiques. Ils se superposent au régime établi et le perturbent pendant un temps plus ou moins long suivant les caractéristiques du réseau. Ce régime appelé transitoire est responsable de création des coups de tension (onde de choc) dénommés surtensions de foudre.
Les régimes transitoires dans les réseaux électriques bien que étudiés depuis maintenant plusieurs décennies, leurs analyses reste toujours d’actualité au vu du développement et de l’importance des réseaux électriques à garantir une énergie électrique de qualité (sans interruption de service et respect des plages contractuelles).
Pour une meilleure connaissance des transitoires dans les réseaux électriques, les essais en lieu de service (in situ) sont très difficiles à réaliser car ils mettent en œuvre des moyens importants et entraînent des risques de destruction non négligeables. L’analyse en laboratoire à partir de modèles réduits s’est avérée incomplète voir inexploitable car ne reflétant pas la réalité des phénomènes physiques.
Pour analyser cette problématique, la modélisation numérique est devenue un outil incontournable.
Dans ce deuxième chapitre nous donnons en premier un aperçu sur les surtensions et la coordination des isolements. Nous abordons ensuite l’aspect modélisation des transitoires dans le réseau électrique qui nous a conduit vers un bref rappel des méthodes les plus rencontrées dans la littérature, puis en justifiant notre choix nous exposons le formalisme topologique électromagnétique que nous utilisons dans notre travail.
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1. Surtensions et coordination des isolements