Les supports en général, les pylônes et les poteaux en particulier sont des maillons nécessaires à la constitution des lignes aériennes de transport et de distribution de l’électricité.
De forme et d’importance très variées, les supports peuvent aller des simples poteaux en bois ou en béton, d’une douzaine de mètres en hauteur, aux pylônes treillis d’acier, de plus de 50 m de hauteur et ayant une masse pouvant atteindre, voire dépasser 100 tonnes [1-3].
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Les supports sont définis en fonction des contraintes mécaniques principalement créées par les conducteurs qu’ils supportent et en fonction des contraintes d’isolement électrique.
3.1. Différentes dispositions des conducteurs
La silhouette des supports et leurs dimensions en largeur se trouvent déterminées par la disposition des conducteurs, compte tenu des distances minimales à respecter entre conducteurs et masse et entre les conducteurs eux-mêmes [1-3].
Les différentes dispositions des conducteurs (ou armements de la ligne) ainsi que les avantages et inconvénients de ces principaux modes d’armement sont donnés ci-après. 3.1.1. Armement en triangle
La figure 1.7 en donne quelques exemples. Cet armement exige des dimensions transversales réduites, donc permet d’obtenir assez facilement une bonne tenue du support aux efforts de torsion, mais la hauteur est nécessairement élevée.
Pour éviter le télescopage des deux conducteurs situés du même côté du support, en cas d’oscillations verticales résultant de détente après rupture ou de charges dissymétriques de givre, on dispose généralement ces deux conducteurs dans deux plans verticaux suffisamment distants (figure 1.7.a, c et d).
La disposition en triangle symétrique par rapport à l’axe du support (armement en chapeau de gendarme - figure 1.7.b -) réduit le plus possible les inconvénients précités, mais n’est commodément réalisable que pour les lignes à tension assez basse, à isolateurs rigides, l’un des conducteurs étant attaché à un isolateur placé en tête de support. Pour les lignes à haute tension, ce type d’armement, fréquemment utilisé en Amérique du Nord, est réalisé à l’aide d’isolateurs rigides en porcelaine et, souvent, en matériaux synthétiques.
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Figure 1.7. Armements en triangle.
3.1.2. Armement en drapeau
Il est peu fréquent pour les lignes HTB à un seul circuit (sauf pour certains angles), mais assez habituel pour les lignes HTA et BT (figure 1.8.a). En HTB, cette disposition est utilisée pour les lignes à deux circuits (figure 1.8.b et c).
Cet armement présente les défauts de l’armement en triangle, mais cette disposition est pratiquement imposée pour un grand nombre de lignes, notamment en HTB, lorsque l’encombrement en projection horizontale est limité (zones fortement urbanisées, en traversées de forêts) [1-3].
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Figure 1.8. Armements en drapeau.
Dans les zones fortement givrées, les contacts entre phases sont plus fréquents (charges de givre différentes sur les conducteurs, décharge de givre). Une solution, lorsque l’on ne peut éviter ce type d’armement, est l’emploi d’espaceurs isolés entre phases, techniques de plus en plus utilisées en 63 et 90 kV. Ces espaceurs, placés en milieu de portée, sont du même type qu’un isolateur composite. Leur légèreté est un atout supplémentaire.
3.1.3. Armement en nappe
Il est d’usage fréquent pour les lignes HTA et HTB (figure 1.9.a). Le pylône du type chat, très utilisé en France pour les lignes HTB, peut être considéré comme armé en nappe, bien que la poutre centrale soit légèrement plus haute que les consoles (figure 1.9.b).
Cet armement en nappe exige des supports plus larges mais moins élevés que pour les autres armements et donne une plus grande sécurité en cas de décharge de givre ou
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d’oscillations verticales des conducteurs. Il permet, par installation de deux câbles de garde, de protéger la ligne contre les coups de foudre et est bien adapté aux lignes de montagne [1-3].
Figure 1.9. Armements en nappe et nappe-voûte.
3.2. L’isolateur
Un isolateur électrique (figure 1.10) est un composant électrotechnique disposé pour enrober (isolateur de traversée) ou être la jonction d’un conducteur électrique nu (isolateur de support). Souvent utilisés en transport aérien du courant de haute et très
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haute tension (HT et THT), ils se présentent comme des disques empilés, en verre ou en céramique. Toutefois, on les préfère aujourd’hui en matériaux composites (plus légers et plus économiques).
(a)Isolateur de traversée (b)isolateur de support
Figure 1.10.Isolateur électrique en céramique.
C’est grâce aux isolateurs électriques que les pylônes et les postes électriques urbains ne présentent pas de risques d’électrocution pour les populations [1-4]. Fabriqués dans des matériaux isolants comme le verre ou les polymères, ils évitent tout contact direct entre la ligne HT ou THT et le pylône métallique, de sorte que le courant électrique ne se propage pas dans ce dernier. Les isolateurs électriques ont connu de grandes avancées techniques depuis l’invention de l’électricité, notamment sur le plan risques et sécurité urbains, du fait que les réseaux sont partout autour de nous.
3.2.1. Isolateur pour pylône
L’isolateur est formé par un isolant (verre, céramique ou matériaux synthétiques) auquel sont fixés deux pièces métalliques M1 et M2 (figure 1.11) ; M1 se fixe au pylône et M2 porte le conducteur. L’isolateur possède un double rôle :
• Rôle mécanique : porte le conducteur ;
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Figure 1.11.Schéma simplifié d’un isolateur pour pylône.
Ces isolateurs sont des composants indispensables au transport et à la distribution de l’énergie électrique. Leur fonction est de réaliser une liaison entre des conducteurs THT (HT) et la terre.
• Ils maintiennent les conducteurs dans la position spécifiée (isolateurs d’alignement et d’ancrage) ;
• Ils assurent la transition entre l’isolation interne (huile, SF6) et l’isolation externe (air atmosphérique), ils permettent de raccorder les matériels électriques au réseau (traversées de transformateur, extrémités de câbles) et ils constituent, également, l’enveloppe de certains appareils (disjoncteurs, parafoudres, réducteurs de mesure). 3.2.2. Vieillissement des isolateurs
Deux phénomènes entraînent le vieillissement des isolateurs et conduisent à deux manifestations différentes [1-5] ; la perforation de l'isolateur par un arc électrique dans son volume et le contournement de l'isolateur à sa surface par un arc électrique.
3.2.2.1. La perforation
Elle se produit quand des décharges partielles se produisent au voisinage des imperfections des isolateurs (vide, inclusion, inhomogénéité), et vont progressivement ronger l'isolateur, jusqu'à l'apparition d'une décharge complète détruisant par explosion l'isolateur (décharge intrinsèque-perforation) ;
M1
M2
Ailettes
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3.2.2.2. Le contournement
Un isolateur électrique permet d'assurer la séparation physique des parties conductrices ; dans les conditions normales de fonctionnement il est soumis en continu à un fort champ électrique créé dans l'air dans l’environnement de l'équipement. Des événements particuliers (ex : foudre) peuvent provoquer des surtensions et le champ électrique dépasse la rigidité diélectrique de l'air et entraînent la formation d'un arc entre les parties conductrices et sur la surface de l'isolateur (figure 1.12), c’est le contournement. Cet arc est aussi dénommé le « flashover ». La contamination de la surface de l'isolant réduit la résistance à la rupture et augmente la tendance au claquage de l’isolant [1-5]. Il faut distinguer deux cas dû à :
1) une surtension (foudre par exemple) qui provoquera une décharge électrique à la
surface de l'isolateur suivant des mécanismes à peu près similaires aux décharges dans les intervalles d'air (streamer et/ou leader) ;
2) la pollution atmosphérique est une des causes principales des interruptions de
l’alimentation en énergie des réseaux électriques. La maîtrise des conditions optimales du fonctionnement de ces réseaux, vis-à-vis de ce type de défaut d’isolement commence par le choix d’isolateurs qui présentent les meilleures performances sous pollution.
Figure 1.12.Ligne de contournement sur un isolateur.
Le contournement provoque l’ouverture du disjoncteur, car il établit un court-circuit entre le conducteur et le pylône (défaut monophasé à la terre). Le contournement cause habituellement l'interruption momentanée de l'écoulement de l'énergie dans le réseau. De telles interruptions, bien qu'étant nocives, peuvent être tolérées dans des endroits ruraux. Dans des secteurs urbains avec les industries de pointe, les interruptions ne sont
Décharge électrique : contournement
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pas acceptables parce qu'elles entraînent d'énormes pertes financières de production, de machines bloquées et des pertes de contrôle du cycle du processus.
3.2.3. Isolateur avec cornes d’amorçage (éclateurs)
Les cornes d’amorçage forment un dispositif équipant généralement les isolateurs haute tension (figure 1.13), composé d’éléments conducteurs courbés en vis-à-vis, et destinés, en cas de surtension, à créer un arc ailleurs qu’à travers l’isolateur, empêchant ainsi sa destruction par l’arc. C’est le principe des cornes d’amorçage que l’on voit sur les équipements de transport d’électricité mais ils sont également utilisés en basse tension sous forme d’appareillage électrique modulaire et pour les installations de télécommunication avec une efficacité limitée.
Figure 1.13.Des isolateurs dotés de cornes d’amorçage de part et d’autre.
3.3. Prises de terre des pylônes de RTE (Réseau de Transport d’Energie)
La prise de terre d’un pylône est dimensionnée en fonction du type de ses fondations et de la valeur de la résistivité du sol, pour obtenir une résistance de terre R50Hzinférieure à 10 Ω pour les niveaux de tension HTB 225/400 kV et 63/90 kV.
Ces valeurs ont été choisies de manière à limiter le nombre de défaillances des ouvrages HT par amorçage en retour à un niveau globalement acceptable sur le réseau et à permettre un fonctionnement correct des protections de distance (détection des défauts) [1-6].
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La figure 1.14 présente la configuration la plus fréquemment utilisée pour les pylônes tétrapodes du réseau HTB français : la mise à la terre est réalisée à chaque pied à l’aide de conducteurs disposés en boucles à la périphérie du béton des fondations.
En pratique la résistivité du sol est mesurée avant la mise en place des pylônes. Si sa valeur est trop élevée pour permettre d’obtenir avec les boucles une résistance de terre inférieure à 10 Ω, la prise de terre est complétée par des conducteurs enterrés horizontalement (antennes) ou verticalement (pieux).
Figure 1.14.Prise de terre d’un pylône HTB, type « 4x3 boucles ».
4. Impact direct de la foudre sur le réseau électrique