Conducteurs et câbles de garde
par
André CHANAL
Ingénieur de l’École supérieure d’électricité
Ingénieur en chef honoraire d’EDF, direction de la production et du transport et
Jean-Pierre LÉVÊQUE
Ingénieur de l’École spéciale des travaux publics
Chef de la division retour d’expérience et animation technique liaisons au Centre national d’expertise réseau, réseau de transport d’électricité, EDF
et article indique les caractéristiques des câbles nus pour la construction des lignes aériennes : conducteurs et câbles de garde.
Au cours des dernières décennies, aucune évolution importante n’est apparue dans le choix des métaux conducteurs. Sont utilisés presque exclusivement :
— l’aluminium écroui, de grande pureté, dans des câbles bimétalliques alumi- nium-acier ;
— un alliage d’aluminium, l’almélec, qui possède une résistance mécanique à la traction notablement plus importante que celle de l’aluminium et permet, de ce fait, de réaliser des câbles homogènes constitués uniquement de fils d’almélec.
Cependant, récemment, dans le but d’accroître la capacité de transport de cer- taines lignes existantes sans modifier notablement l’environnement, des métaux conducteurs pouvant supporter des températures de fonctionnement plus élevées que celles de l’aluminium ou de l’almélec ont été étudiés. Les conducteurs installés dans différents pays paraissent avoir un comportement acceptable et permettent ainsi le renforcement des ouvrages.
1. Conducteurs... D 4 422 – 2
1.1 Métaux utilisés et constitution des conducteurs ... — 2
1.1.1 Aluminium : câbles aluminium-acier (ACSR) ... — 2
1.1.2 Alliage d’aluminium : conducteurs homogènes en almélec (AAAC) — 2 1.1.3 Alliage d’aluminium : câbles almélec-acier (AACSR) ... — 2
1.2 Conducteurs usuels ... — 3
1.3 Conducteurs compacts... — 4
1.4 Conducteurs à haute température ... — 5
1.4.1 Conducteur aluminium-acier ACSS ... — 5
1.4.2 Conducteur type TACSR... — 6
1.5 Caractéristiques mécaniques... — 6
1.5.1 Module d’élasticité ... — 6
1.5.2 Charge de rupture assignée... — 7
1.5.3 Charge maximale admissible ... — 7
1.6 Utilisation de l’almélec... — 7
1.6.1 Avantages... — 7
1.6.2 Inconvénients... — 7
1.7 Choix des conducteurs... — 7
2. Câbles de garde... — 8
2.1 Différents câbles de garde. Conditions à respecter ... — 8
2.2 Câbles de garde almélec-acier... — 8
2.3 Câbles de garde à circuits de télécommunication incorporés... — 8
2.4 Choix des câbles de garde ... — 8
3. Association préconisée entre câble de garde et conducteur... — 10 Pour en savoir plus... Doc. D 4 422
C
Une autre voie de recherche fait actuellement l’objet d’expérimentations : elle consiste à réaliser des conducteurs composés d’assemblages de matériaux conducteurs et composites (fibres de carbone) de façon à obtenir des câbles per- formants peu sensibles aux variations de température. Les recherches n’ont pas conduit, à ce jour, à des expérimentations satisfaisantes.
Par contre, en ce qui concerne les câbles de garde des lignes HTB, l’évolution est plus importante : on a utilisé, au cours des dernières années, de plus en plus fréquemment des câbles comportant des circuits de communication incorporés.
Actuellement, la pose de câbles renfermant des fibres optiques est généralisée sur l’ensemble du réseau de transport afin de permettre, si nécessaire, l’installa- tion de transmissions à haut débit d’informations numériques. Cette orientation fait suite aux décisions du comité interministériel pour l’Aménagement du terri- toire du 9 juillet 2001 visant à desservir la totalité du territoire avec des perfor- mances équivalentes et satisfaisantes.
Dans les réseaux de distribution, la part des canalisations souterraines s’est accrue dans les travaux d’extension ou de renouvellement et celle des câbles nus a notablement diminué.
Pour les lignes basse tension, des conducteurs préassemblés sont systémati- quement utilisés : ceux-ci ne sont pas traités dans le présent article.
1. Conducteurs
1.1 Métaux utilisés et constitution des conducteurs
Les conducteurs nus, utilisés pour la construction des lignes aériennes, sont des câbles constitués de fils ronds ou exceptionnel- lement de fils trapézoïdaux ou profilés en forme de Z.
Pour réaliser ces câbles, les métaux conducteurs de faible résisti- vité sont peu nombreux. Seuls sont utilisés actuellement l’alumi- nium dans sa forme écroui dur, de grande pureté d’une part, et un alliage d’aluminium, l’almélec, d’autre part. Les caractéristiques de ces métaux ont peu évolué au cours des dernières décennies et leur température maximale de fonctionnement ne peut dépasser 100 °C.
Cependant, certains métaux conducteurs, par exemple l’aluminium recuit, ou certains alliages devraient permettre des températures de fonctionnement plus élevées, de l’ordre de 200 °C, et sont actuelle- ment testés (§ 1.4).
Depuis plusieurs années, le cuivre n’est plus utilisé en raison de sa masse et de son coût. Cependant, des conducteurs en cuivre équipent encore des lignes anciennes.
1.1.1 Aluminium : câbles aluminium-acier (ACSR) L’aluminium utilisé, écroui et de grande pureté (norme NF EN 60889) a une contrainte à la rupture en traction de 160 MPa très insuffisante pour réaliser les lignes à haute tension.
Pour pallier cet inconvénient, les câbles ACSR (steel-reinforced aluminium conductor) comportent au centre une âme en fil d’acier galvanisé qui supporte la plus grande partie de la tension mécani- que et autour de cette âme, plusieurs couches de fils d’aluminium conduisant le courant électrique. Les fils d’acier sont zingués, soit après tréfilage, soit avant le dernier passage dans la filière, cette deuxième façon d’opérer donnant une meilleure adhérence à la cou- che de zinc.
Deux types d’acier sont utilisés, caractérisés par leur contrainte minimale à 1 % d’allongement (norme NF EN 50189) :
— acier à très haute résistance mécanique toujours retenu pour les lignes HTB : 1 410 à 1 450 MPa ;
— acier normal : 1 140 à1 170 MPa.
1.1.2 Alliage d’aluminium : conducteurs homogènes en almélec (AAAC)
Les alliages d’aluminium utilisés pour les conducteurs AAAC (all- aluminium alloy conductor) de lignes aériennes contiennent de faibles additions de magnésium et de silicium et sont appelés
« almélec ».
La métallurgie de ces alliages permet, dans certaines limites, une adaptation des caractéristiques électriques et mécaniques aux utili- sations envisagées. Les deux caractéristiques précédentes varient dans le même sens : si on diminue la résistivité, on diminue égale- ment la résistance mécanique et inversement.
Les lignes sont construites, en France, avec un alliage type 6101 ou 6201 (norme NF EN 50183) qui a une contrainte à la rupture en traction de 320 MPa environ et une résistivité encore acceptable de 3,26.10–8Ω.m, bien que notablement supérieure à celle de l’alumi- nium. La contrainte à la rupture permet de réaliser des câbles homo- gènes constitués uniquement de fils en almélec, pouvant supporter, en plaine, des surcharges légères de givre (voir article sur le dimen- sionnement des lignes aériennes [D 4 421], § 3.3.3).
1.1.3 Alliage d’aluminium :
câbles almélec-acier (AACSR)
Dans le but d’obtenir des câbles très résistants mécaniquement pour les zones fortement givrées ou les lignes de montagne, des câbles almélec-acier (AACSR : steel-reinforced aluminium alloy conductor) sont réalisés avec des sections voisines de celles des câbles alu- minium-acier (ACSR), les fils d’aluminium étant remplacés par des fils d’almélec. On utilise toujours de l’acier à très haute résistance mé- canique.
Le tableau 1 indique les caractéristiques électriques et mécani- ques des métaux utilisés en France. En Grande-Bretagne, on utilise un câble en alliage d’aluminium ayant une contrainte à la rupture de 280 MPa et une résistivité moyenne de 2,92.10–8Ω.m.
Exemple : le câble homogène en almélec de 570 mm2 peut sup- porter un paramètre de réglage de 2 200 m, à 45 °C sans vent, et une portée équivalente du canton de réglage de 1 500 m avec une sur- charge légère de givre.
(0)
(0)
(0)
1.2 Conducteurs usuels
Les conducteurs usuels sont des câbles normalement formés de couches successives de brins ronds à sens d’enroulement alternés, de façon à limiter le plus possible les réactions de torsion (tableau 2).
Lorsque tous les brins ont le même diamètre, le câble est dit
« équibrin » (figures 1a et 1c, tableau 3), les couches successives comportant respectivement un brin (central), six brins, douze brins, dix-huit brins, etc., le nombre de brins de la couche i étant égal au
nombre de brins de la couche (i–1)+6. (0)
Tableau 1 – Caractéristiques comparées des matériaux utilisés
Caractéristique Cuivre (1) Almélec Aluminium Acier
Résistivité à 20 °C ...(10–8Ω.m) 1,72 3,26 2,82 ~ 15 Coefficient de température ...(10–3 K–1) 4,1 3,6 4
Masse volumique ... (kg.m–3) 8 890 2 700 2 700 7 800 Contrainte à la rupture en traction (2) ... (MPa) 380 à 450 320 à 380 150 à 190 1 410 à 1 450 (2) Module d’élasticité ... (MPa) câble : 105 000
fil : 120 000 câble : 60 000 câble : 60 000 fil : 65 000
câble : 185 000 fil : 200 000
Coefficient de dilatation linéique ... (10–6 K–1) 17 23 23 11,5
(1) pour mémoire.
(2) acier à très haute résistance mécanique ; contrainte minimale à 1 % d’allongement.
Tableau 2 – Caractéristiques des câbles homogènes en alliage d’aluminium les plus utilisés
Désignation
Section
(mm2)
Composition Diamètre
extérieur
(mm)
Charge de rupture
assignée
(daN)
Résistance linéique électrique
à 20 °C (Ω/km)
Masse linéique sans graisse
(kg/km)
Module d’élasticité
(MPa)
Coefficient de dilatation
linéaire
(10–6 K–1) Nombre
de fils
Diamètre nominal
des fils (mm)
Aster 34,4 34,36 7 2,5 7,5 1 175 0,958 94 62 000 23
Aster 54,6 54,55 7 3,15 9,45 1 775 0,603 149 62 000 23
Aster 75,5 75,54 19 2,25 11,25 2 455 0,438 208 60 000 23
Aster 148 148,01 19 3,15 15,75 4 810 0,224 407 60 000 23
Aster 228 227,83 37 2,8 19,6 7 405 0,146 627 57 000 23
Aster 288 288,34 37 3,15 22,05 9 370 0,115 794 57 000 23
Aster 366 366,22 37 3,55 24,85 11 535 0,0905 1 009 57 000 23
Aster 570 570,22 61 3,45 31,05 18 530 0,0583 1 574 54 000 23
Aster 1 144 1 143,51 91 4,0 44 36 020 0,0292 3 164 52 500 23
Aster 1 600 1 595,93 127 4,0 52 50 270 0,0206 4 425 50 500 23
Tableau 3 – Caractéristiques des câbles équibrins en alliage d’aluminium-acier les plus utilisés
Désignation
Section nominale Composition Diamètre
extérieur
(mm)
Charge de rupture
assignée
(daN)
Résistance linéique électrique à 20 °C
(Ω/km)
Masse linéique
sans graisse
(kg/km)
Module d’élasticité
(MPa)
Coefficient de dilatation
linéaire
(10–6 K–1) des fils
en alliage d’aluminium
(mm2)
des fils d’acier
(mm2)
Nombre de fils Diamètre nominal des fils
(mm) alliage
d’aluminium acier
Phlox 37,7 28,27 9,42 9 3 2 8,3 2 285 1,176 152 93 000 17,0
Phlox 59,7 37,70 21,99 12 7 2 10,0 4 415 0,882 276 108 000 15,3
Pastel 147,1 119,28 27,83 30 7 2,25 15,75 7 910 0,279 547 84 000 18,1
Pastel 288 233,80 54,55 30 7 3,15 22,05 15 130 0,142 1 070 84 000 18,0
Pastel 299 206,17 93,27 42 19 2,5 25,2 19 850 0,162 1 320 96 500 16,3
Dans le cas contraire, le câble est dit « non équibrin » (figure 1b, tableau 4).
Les comportements des différents câbles, pendant les travaux de construction et en exploitation, ne sont pas identiques : cohésion entre couches, tenue dans les pinces de suspension, résistance aux agressions externes, etc. Il est donc souhaitable de retenir un cata- logue des câbles les plus utilisés ayant donné satisfaction. Ceux-ci figurent, pour la France, dans la norme NF EN 50182.
Pour éviter toute corrosion, les couches de câbles sont graissées avec une graisse neutre vis-à-vis de l’aluminium et du zinc, chimi- quement pure. Pour les lignes HTB, la graisse utilisée doit avoir un
point de goutte voisin de 100 °C pour éviter qu’elle puisse progresser vers le point bas des portées et former des gouttelettes ; la couche extérieure n’est pas graissée car la propreté de la surface des câbles est impérative pour diminuer le phénomène d’effet couronne (voir article sur le dimensionnement des lignes aériennes [D 4 421], § 2.2).
1.3 Conducteurs compacts
Dans un conducteur constitué de brins ronds, les vides représen- tent environ 20 % du volume total. Avec des brins de section trapézoï- dale ou profilés en forme de Z, il est possible de réduire le pourcentage de vide dans de grandes proportions. On réalise ainsi des câbles compacts (figure 1d) ayant, pour un même diamètre exté- rieur, une résistance électrique inférieure de 15 à 20 %, suivant les cas, à celle des conducteurs constitués uniquement de brins ronds.
L’utilisation de fils profilés en Z dans les réseaux haute tension n’est pas récente. Vers 1950, ils équipaient les premiers câbles de garde à circuit de télécommunication incorporé, les fils en Z consti- tuant une gaine protégeant les circuits et évitant leur écrasement.
Les câbles compacts ont un très bon comportement et leur utili- sation, indépendamment des considérations économiques qui doivent être examinées dans chaque cas, est techniquement très intéressante :
— pour la réalisation des lignes nouvelles à cause de la diminu- tion des pertes et également de l’augmentation de la puissance transmissible pour une même température de fonctionnement ;
— pour le renouvellement des conducteurs des lignes anciennes pour les mêmes raisons, en choisissant cependant un câble de dia- mètre voisin de celui équipant la ligne existante. Le maintien du même diamètre extérieur conduit dans les supports d’alignement, à des contraintes mécaniques voisines de celles existant précédem- ment en cas de grand vent ou de surcharge de givre.
On notera que les câbles compacts ont une surface extérieure cylindrique et lisse : pour une même section, le coefficient de traînée aux vitesses de vent élevées est plus faible et la sécurité de la ligne est ainsi augmentée.
Le tableau 5 indique les caractéristiques électriques et mécani- ques de quelques câbles compacts (almélec homogène, fils en Z).
De tels câbles sont utilisés sur le réseau français. Il conviendra de vérifier leur comportement (fluage, bruit par effet couronne).
Tableau 4 – Caractéristiques des câbles non équibrins en alliage d’aluminium-acier les plus utilisés
Désignation
Section nominale Composition
(nombre × diamètre nominal) Diamètre extérieur
(mm)
Charge de rupture
assignée
(daN)
Résistance linéique électrique à 20 °C
(Ω/km)
Masse linéique sans
graisse
(kg/km)
Module d’élasticité
(MPa)
Coefficient de dilatation
linéaire
(10–6 K–1) des fils
en alliage d’aluminium
(mm2)
des fils d’acier (mm2)
alliage d’aluminium acier
Phlox 94,1 51,95 42,12 15 × 2,10 19 × 1,68 12,8 7 795 0,642 481 112 000 14,7
Pastel 412 325,72 85,95 32 × 3,6 19 × 2,4 26,4 22 380 0,103 1 593 82 000 17,8
Pétunia 612 507,83 104,79 66 × 3,13 19 × 2,65 32,1 31 260 0,0657 2 245 77 500 18,6
Polygonum
1 185 956,66 227,82 (54 × 2,8) + (66 × 3,47) 37 × 2,8 44,7 63 210 0,0349 4 475 75 500 18,1
Crocus 301 221,67 (1) 78,94 36 × 2,80 (2) 19 × 2,30 22,70 14 900 0,131 1 250 79 300 16,7
Crocus 412 325,72 (1) 85,95 32 × 3,60 (2) 19 × 2,40 26,40 17 300 0,089 1 580 72 000 17,6
Crocus 617 507,10 (1) 104,79 (42 × 2,61) + (20 × 4,24) (2) 19 × 2,65 32,17 23 100 0,0571 2 241 62 000 18,3 (1) section nominale des fils d’aluminium (mm2)
(2) composition des fils d’aluminium
Figure 1 – Conducteurs usuels a équibrin homogène
Al
Acier
b non équibrin en aluminium-acier
c équibrin (61 fils)
d compact (fils ronds et fils en Z) 4e couche (24) 3e couche (18)
2e couche (12) 1re couche (6)
Brin central
Exemple : le tableau 5 indique les caractéristiques des câbles com- pacts de 346 mm2, 455 mm2 et 707 mm2 qui permettraient éventuelle- ment de remplacer les câbles aluminium-acier Crocus 301, Crocus 412 et Crocus 617 (tableau 4) qui équipent certaines lignes anciennes à 225 kV ou 400 kV.
La diminution de la résistance électrique serait de 26 % pour le pre- mier câble riche en acier et de 16 à 17 % pour les deux autres.
(0)
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Associés à d’autres dispositions : augmentation du paramètre de réglage, si la résistance mécanique du câble et des pylônes le per- met, voire même augmentation de la section des conducteurs, les câbles compacts sont un outil à la disposition des exploitants pour renouveler certains ouvrages.
1.4 Conducteurs à haute température
Dans les pays industrialisés, les contraintes environnementales rendent la construction des lignes plus difficile et la dérégulation du marché de l’électricité bouleverse la répartition des transits. Il appa- raît donc nécessaire d’accroître l’intensité admissible de certaines lignes existantes ; l’utilisation de conducteurs pouvant supporter des températures de fonctionnement élevées constitue une techni- que intéressante.
1.4.1 Conducteur aluminium-acier ACSS
Utilisé sur certaines lignes aux États-Unis, le conducteur ACSS (aluminium conductor steel supported) est expérimenté en France.
L’aluminium est recuit, ce qui lui confère une grande stabilité ther- mique, un allongement à la rupture supérieur à celui de l’acier et une résistivité électrique légèrement supérieure à celle de l’alumi- nium écroui et bien inférieure à celle de l’almélec (tableau 6).
Le conducteur a une constitution très semblable à celle d’un câble aluminium-acier normal ACSR, mais il est conçu et installé pour que la totalité de la charge mécanique soit supportée par l'acier.
Ainsi, sous la contrainte d’une tension mécanique ou variation de la flèche des portées, il se comporte comme le câble en acier consti- tuant cette âme ; l’allongement du conducteur est déterminé par le coefficient de dilatation de l’acier qui est moitié de celui de l’alumi- nium écroui ou de l’almélec et par le module d’élasticité qui est trois fois plus grand.
Tableau 5 – Caractéristiques électriques et mécaniques de quelques conducteurs compacts (almélec, fils en Z)
Désignation Azalée 261 Azalée 346 Azalée 455 Azalée 666 Azalée 707
Section théorique...(mm2) 261 345,65 455 665,92 706,76
Composition
Fils ronds
Nombre de fils... 1 + 6 1 + 6 1 + 6 + 12 1 + 6 + 12 1 + 6 + 12
Diamètre nominal ... (mm) 2,8 3,20 2,9 3,45 3,60
Fils en Z
Nombre de couches... 2 2 2 2 2
Nombre de fils... 12 +18 12 +18 18 + 24 18 + 24 18 + 24
Hauteur nominale ... (mm) 2,80 3,20 2,90 3,45 3,60
Diamètre extérieur ... (mm) 19,6 22,40 26,10 31,50 32,40 Masse linéique sans graisse...(kg/m) 0,735 0,958 1,240 1,852 1,966 Masse linéique avec graisse...(kg/m) 0,743 0,969 1,266 1,886 2,006 Charge de rupture assignée ... (daN) 8 490 11 116 14 790 21 130 22 363 Résistance linéique électrique à 20 °C ... (Ω/km) 0,1279 0,0968 0,0738 0,0507 0,0475 Module d’élasticité...(MPa) 59 000 58 700 55 000 54 200 54 000 Coefficient de dilatation linéaire...(10-6K-1) 23 23 23 23 23 Câbles AA de diamètre proche
(diamètre de ces câbles en mm) ...(mm2) 228 (19,6)
288 (22,05) 294 (22,25) 297 (22,45) 301 (22,70)
412 (26,4) 592 (31,70) 5,95 (31,60)
612 à 617 (32,20)
Écart en diamètre entre le câble CEE et ces câbles AA ... (%) 0
– 1,6 + 0,08 – 0,2 – 1,3
– 1,1 – 0,6
– 0,3 + 0,6
Tableau 6 – Caractéristiques comparées des matériaux conducteurs
Matériau conducteur Utilisé dans conducteur
Résistivité (10–8 Ω.m)
Contrainte à rupture
(MPa)
Allongement à rupture
Température maximale (°C)
Permanent Temporaire
Aluminium
écroui dur 1350 H 19 ACSR 2,825 160 à 180 1 % 75 100
Almélec 6201 AAAC 3,26 315 à 325 3 % 75 100
Aluminium
recuit 1350 H0 ACSS 2,92 59 à 97 ~ 20 % 250 250
1.4.2 Conducteur type TACSR
Ce type de conducteur, thermal ACSR, développé au Japon, uti- lise un alliage aluminium-zirconium qui peut supporter également des températures de 210 à 230 °C. Sa charge de rupture est celle de l’aluminium et sa résistivité est légèrement supérieure à celle de l’aluminium.
1.5 Caractéristiques mécaniques
1.5.1 Module d’élasticité
Il est difficile de définir pour un câble des grandeurs mécaniques caractéristiques comme on le fait pour un métal massif. Le module d’élasticité soulève tout particulièrement des difficultés car l’allon- gement d’un câble résulte simultanément de l’allongement de ses brins et de leurs déplacements les uns par rapport aux autres, dépla- cements qui peuvent s’accompagner de frottements et de déforma- tions locales non élastiques.
1.5.1.1 Constatations expérimentales et définition
La figure 3 représente l’allongement d’un câble en fonction de l’effort de traction pendant plusieurs cycles successifs de traction et de détente. Les constatations expérimentales sont les suivantes.
L’allongement n’est pas une fonction linéaire des brins lorsque l’on effectue sur un câble neuf une première traction mécanique : la courbe OA correspond à une mise en place des brins qui subsiste lorsque l’effort décroît. Cela explique l’allongement résiduel OB1. Cependant, l’allongement est proportionnel à l’effort au cours de la décroissance de l’effort de traction : AB est rectiligne.
Après plusieurs cycles de traction et de détente effectués avec un effort maximal F1, l’allongement résiduel OB1 se stabilise et prend une valeur OB’1, un peu supérieure à OB1 ; les cycles effort- allongement correspondant sont aplatis et représentés par A’B’.
Au cours d’un nouvel essai, si l’effort de traction dépasse cette valeur maximale F1 et atteint la valeur F2, on obtient un nouvel allongement résiduel OD1 supérieur à OB’1, conséquence d’une nouvelle mise en place ou déformation des brins. Toutefois, la décroissance mécanique de la tension fournit encore un graphique rectiligne CD, parallèle à AB et A’B’.
D’après ce qui précède :
— on peut définir un module d’élasticité E du câble correspon- dant à la pente des droites AB, A’B’ ou CD ;
— ce module n’est utilisable dans les calculs qu’après une pre- mière mise en place obtenue en appliquant au câble un effort relati- vement important ;
— lorsque cet effort initial est occasionnellement dépassé, à la suite par exemple d’une surcharge de givre, un nouvel allongement permanent peut être constaté.
Figure 2 – Conducteur ACSS 548 mm2
Exemple : conducteur ACSS 548 mm2 (figure 2) :
— 24 fils trapézoïdaux d’aluminium : 445 mm2 ;
— 19 fils ronds d’acier : 102 mm2 ;
— diamètre : 28,2 mm ;
— charge de rupture assignée : 155 kN (en ne tenant compte que de l’acier) ;
— masse linéique : 2,03 kg/m ;
— résistance linéique : 0,063 Ω/km.
Les premières conclusions de l’évaluation de ce conducteur démontrent qu’il pourrait remplacer des câbles aluminium-acier sur des lignes courantes (vent normal ou vent fort, givre léger et pollution faible) et qu’il permettrait d’augmenter la capacité de transport de 50 %. Il reste quelques interrogations sur la tenue de ce câble et sur les outils à utiliser pour sa mise en œuvre.
24 fils trapézoïdaux d'aluminium recuit
19 fils ronds d'acier
∅ 2,62 mm
Figure 3 – Allongement d’un câble en fonction de l’effort de traction exercé
Effort
Allongement
O B1 B’1 D1
B’ D B
C A A’
F2
F1
En raison des difficultés de l’expérimentation, il est délicat de connaître le module d’élasticité d’un câble avec une précision infé- rieure à 5 % ; mais cette incertitude a peu d’influence sur le calcul de la tension mécanique d’une portée.
1.5.1.2 Réglage des câbles d’une portée ou d’un canton de pose. Compensation de l’allongement inélastique Lors de la construction d’une ligne, si l’on tend simplement les câbles à la tension correspondant à la température ambiante, on constatera, bien évidemment, une flèche supérieure pour la même température, lorsque la ligne aura subi un hiver un peu rigoureux ou supporté des surcharges de givre. Il est donc impératif, pour conserver les gardes au sol prévues dans le projet, de compenser les allongements résiduels provenant de la mise en place des brins.
On appelle cette opération : compenser l’allongement inélastique des câbles.
Le constructeur, pour cela, pourrait appliquer aux câbles un effort initial de traction important avant de les mettre en place, mais cette opération nécessiterait un matériel lourd, notamment pour les conducteurs de lignes à haute tension. Aussi préfère-t-on réaliser la mise en place des câbles en considérant que la flèche de réglage doit être celle de la température ambiante diminuée de 10 °C ou 15 °C.
1.5.2 Charge de rupture assignée
La charge de rupture assignée (CRA), qui remplace la charge de rupture nominale utilisée précédemment, est égale :
— pour les câbles en almélec homogène, à la somme des résis- tances en traction de chacun des fils ;
— pour les câbles bimétalliques (aluminium-acier ou almélec- acier), à la somme des résistances en traction de chacun des fils d’alliage, cette somme étant augmentée de la charge des fils d’acier correspondant à un allongement de 1 %.
1.5.3 Charge maximale admissible
La charge maximale que le câble ne doit pas dépasser en service et qui correspond à « l’effort ultime » ([D 4 421], § 3.6.1) est prise égale à 70 % environ de la charge de rupture assignée.
1.6 Utilisation de l’almélec
L’utilisation de l’almélec pour la construction des lignes s’est pro- gressivement généralisée en France à partir de 1960. Il est utile de rappeler les avantages et les inconvénients de l’almélec.
1.6.1 Avantages
La résistance mécanique plus élevée que celle de l’aluminium écroui permet la mise en œuvre dans les zones de plaine, de câbles homogènes sans âme d’acier. Les câbles sont plus légers que les câbles aluminium-acier électriquement et mécaniquement équiva- lents et les efforts de traction pour un même paramètre de réglage sont plus faibles. Cet avantage est particulièrement important pour les lignes très sinueuses car les efforts appliqués aux pylônes d’angle sont plus faibles.
La dureté superficielle des fils d’almélec est plus élevée, sensi- blement le double de celle des fils d’aluminium. Il en résulte une moindre sensibilité aux chocs et blessures pendant le déroulage et une meilleure tenue dans les pinces de suspension, plus particuliè- rement en cas de glissement.
Le manchonnage est plus simple puisqu’il suffit de comprimer un seul tube pour relier deux extrémités, au lieu de deux pour les câbles aluminium-acier : un tube pour l’acier et un tube pour l’alu- minium.
La résistance à la corrosion en bord de mer est bonne.
Enfin, pour les câbles almélec-acier, l’allongement à la rupture des fils d’almélec est sensiblement égal à celui des fils d’acier (4 %), ce qui conduit à un bon comportement des câbles.
1.6.2 Inconvénients
La métallurgie de l’almélec est plus complexe que celle de l’alumi- nium, conduisant à un coût d’approvisionnement du métal conduc- teur plus élevé. L’élimination des impuretés (fer, cuivre) est impérative pour obtenir les caractéristiques mécaniques et électriques requises.
La résistivité électrique est plus importante. Cet inconvénient est compensé par le fait que l’on peut utiliser des câbles homogènes et que la totalité de la section est utile.
La détoronnabilité est plus grande lorsqu’un fil de la couche exté- rieure est coupé par un coup de foudre ou un arc de puissance. Cette tendance à se détoronner est due à l’élasticité du métal qui donne au fil le comportement d’un ressort ; elle peut être corrigée, en par- tie, en donnant aux fils une légère préformation au cours de la fabri- cation.
Enfin, pour un conducteur homogène et dans le cas d’un court- circuit, l’augmentation de la flèche est plus importante car celle-ci est liée à la température de l’almélec, alors qu’elle est liée à celle de l’acier dans un câble bimétallique ([D 4 421], § 2.4.3).
1.7 Choix des conducteurs
On se reportera à l’article traitant du calcul des lignes aériennes [D 4 420] (§ 1.2) qui indique les différents critères intervenant dans le choix des conducteurs, les plus importants étant l’intensité maxi- male admissible, la résistance mécanique et, pour les lignes 400 kV et 225 kV, l’effet couronne. Pour les lignes HTA, les chutes de tension interviennent également dans le choix des câbles.
Le catalogue des conducteurs proposé en France ayant un nombre limité de câbles, le choix est fait en fonction de la tension, de la puissance à transporter et des surcharges prévisibles de givre ou de neige.
D’autres pays utilisent des pratiques différentes. Par exemple, aux États-Unis, le constructeur peut choisir dans un catalogue très abondant et les lignes sont, le plus souvent, équipées de câbles différents. En Allemagne, certains réseaux sont réalisés avec un seul câble aluminium-acier : on installe un seul câble pour le 110 kV, un faisceau de deux conducteurs pour le 225 kV et un fais- ceau de quatre conducteurs pour le 400 kV.
Exemple : la masse linéique du câble Aster 570 (tableau 2) est infé- rieure de 30 % à celle du Pétunia 612 (tableau 4). Pour un paramètre de réglage de 1 900 m à 45 °C, la tension maximale sous le vent est inférieure de 20 %.
Ces avantages et inconvénients sont appréciés avec des poids plus ou moins importants en fonction des techniques de construction et des conditions d’approvisionnement. À ce jour, certains pays tels que la France utilisent systématiquement l’almélec, et d’autres, assez peu, bien que le retour d’expérience, après plusieurs décennies d’utilisation, soit satisfaisant.
(0)
Le tableau 7 indique les câbles couramment utilisés en France pour les lignes HTB.
2. Câbles de garde
2.1 Différents câbles de garde.
Conditions à respecter
Les rôles multiples des câbles de garde, leur dimensionnement et leur disposition sur les lignes sont développés dans l’article [D 4 421] (§ 2.3.1). Rappelons qu’ils doivent satisfaire à la fois à des conditions mécaniques et électriques.
Situés au-dessus des conducteurs, ils sont plus tendus que ceux- ci pour assurer une bonne protection contre la foudre. Cependant, malgré leur faible section, ils doivent présenter une sécurité méca- nique équivalente à celle des conducteurs en cas de vent violent ou de surcharge de givre ou de neige. Il est donc impératif qu’ils soient calculés avec les mêmes hypothèses climatiques que les conduc- teurs et que les efforts qu’ils génèrent dans les supports soient pris en compte dans leur totalité, plus particulièrement dans l’hypothèse de givre dissymétrique ([D 4 421], § 3.3.3). Cette condition est contraignante car la faible longueur des suspensions sur les sup- ports d’alignement ne permet qu’un faible amortissement, dans les portées adjacentes, d’une surtension mécanique provoquée par une surcharge localisée.
Électriquement, ils doivent assurer l’interconnexion des mises à terre des supports et tolérer les échauffements provoqués par les courants de court-circuit.
Pour satisfaire à ces conditions, les câbles de garde comportent toujours une section importante d’acier et, autour de l’âme d’acier, une couche ou exceptionnellement deux couches de fils d’almélec.
Deux types de câbles de garde sont utilisés :
— des câbles almélec-acier normaux ;
— des câbles almélec-acier comportant à l’intérieur des circuits de télécommunication.
2.2 Câbles de garde almélec-acier
Ils sont analogues aux câbles conducteurs décrits au paragraphe 1.
Certains sont d’ailleurs utilisés comme conducteur sur les lignes HTA.
Le tableau 8 indique les câbles de garde almélec-acier usuels.
2.3 Câbles de garde à circuits
de télécommunication incorporés
Ils permettent la transmission d’ordres ou de données entre deux postes haute tension. Les circuits de télécommunication sont inclus dans un tube central en aluminium qui assure à la fois la protection et l’étanchéité. Autour de ce tube sont disposées les couches de fils d’acier et d’almélec (figure 4).
Le tube peut être remplacé par une couche de fils en Z constituant une gaine et assurant une protection équivalente.
Les circuits de télécommunication sont, suivant les cas :
— des quartes téléphoniques ;
— un câble coaxial (technologie aujourd’hui abandonnée) ;
— de fibres optiques.
Les câbles de garde comportant des quartes téléphoniques sont utilisés pour un nombre limité de voies de transmission et pour de courtes longueurs. Les câbles comportant des fibres optiques instal- lés presque systématiquement sur les lignes HTB permettent des longueurs importantes de transmission et ont l’avantage d’être indifférents à tout phénomène électrique.
Le tableau 9 indique les caractéristiques des câbles de garde à cir- cuits de télécommunication incorporés.
2.4 Choix des câbles de garde
Les vérifications électriques et mécaniques doivent être faites sys- tématiquement dans chaque projet.
Tableau 7 – Conducteurs utilisés pour les lignes HTB suivant les zones de givre
Tension
(kV) Givre léger Givre moyen Givre lourd
63 ou 90
Aster 228 Aster 366 Aster 570
Pastel 288 Pastel 299 Pastel 412 Pétunia 612
Pastel 299 Pastel 412 Pétunia 612
225 Aster 570 2 Aster 570
Pétunia 612 2 Pétunia 612
Pétunia 612 2 Pétunia 612 ou 1 Aster 1 600
400
2 Aster 570 3 Aster 570 4 Aster 570 (1)
2 Pétunia 612 2 Aster 1 144 2 Aster 1 600
2 Pétunia 612 2 Aster 1 600 (1) Par suite des contraintes d’environnement et des difficultés de construc-
tion d’ouvrages neufs, les ouvrages à 400 kV sont, le plus souvent, équi- pés de faisceaux de 4 Aster 570.
Figure 4 – Câble de garde à fibres optiques incorporées Armure en fils ronds d'almélec
Armure en fils ronds d'acier
Enveloppe d'aluminium
Revêtement synthétique
Jonc isolant rainuré
Renfort non métallique (Kevlar) Fibres optiques
36 fibres optiques pour le Thym 107, 48 et plus pour les autres câbles.
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Tableau 8 – Câbles de garde almélec-acier usuels pour les lignes HTB (d’après NF EN 50182)
Câbles à une couche d’almélec
Câbles à deux couches d’almélec
Désignation... Phlox 376
Phlox 288
Phlox 228
Phlox 181,6
Phlox 147,1
Phlox 116,2
Phlox 94,1
Pastel 228
Pastel 147,1 Résistance linéique en continu à 20 °C ... (Ω/km) 0,226 0,238 0,300 0,378 0,467 0,590 0,642 0,180 0,279
Sections
almélec ... (mm2) 147,78 140,28 110,83 88,36 71,57 56,55 51,95 184,72 119,28 acier ... (mm2) 227,83 148,07 116,99 93,27 75,54 59,69 42,12 43,10 27,83
Composition
almélec ...(mm) 24 × 2,8 18 × 3,15 18 × 2,8 18 × 2,5 18 × 2,25 18 × 2 15 × 2,10 30 × 2,8 30 × 2,25 acier ...(mm) 37 × 2,8 19 × 3,15 19 × 2,8 19 × 2,5 19 × 2,25 19 × 2 19 × 1,68 7 × 2,8 7 × 2,25 Diamètre extérieur ... (mm) 25,20 22,05 19,60 17,50 15,75 14,00 12,60 19,60 15,75 Masse linéique sans graisse... (kg/m) 2,200 1,550 1,225 0,975 0,790 0,624 0,481 0,848 0,547 Charge de rupture assignée ... (daN) 36 930 24 990 20 100 16 020 13 280 10 490 7 795 12 080 7 910 Module d’élasticité...(MPa) 130 000 124 000 124 000 124 000 124 000 124 000 112 000 84 000 84 000 Coefficient de dilatation linéaire...(10–6K–1) 13,5 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2 14,7 18,1 18,1
Tableau 9 – Câbles de garde almélec-acier à circuits de télécommunication incorporés
Désignation... Thym 107 Thym 157,4 Thym 268
Diamètre du circuit de télécommunication ... (mm) 7,3 10 10
Résistance linéique en continu à 20 °C ... (Ω/km) 0,53 0,330 0,246
Sections
almélec ...(mm2) 63 100,9 135,5
acier ...(mm2) 44 56,5 132
Composition
almélec ... (mm) 20 × 2,0 19 × 2,60 22 × 2,8
acier ... (mm) 14 × 2,0 18 × 2,0 42 × 2,0
Diamètre extérieur ... (mm) 15,3 19,2 23,6
Masse linéique sans graisse...(kg/m) 0,63 0,90 1,6
Charge de rupture assignée ... (daN) 8 500 11 500 23 600
Module d’élasticité...(MPa) 112 000 103 000 120 000
Coefficient de dilatation linéaire...(10–6K–1) 15,5 15,8 14,5
Le tableau 10 indique les câbles de garde le plus couramment uti- lisés en fonction des surcharges de givre ou de neige. Dans les zones de givre moyen ou lourd, on utilise des câbles de section plus importante, plus résistants mécaniquement et qui ont un comporte- ment géométrique, sous l’effet des surcharges, compatible avec celui des conducteurs.
Pour la vérification électrique, on se reportera à l’article [D 4 421], (§ 2.4.1). Le tableau 11 indique les courants de court-circuit dans les différents câbles de garde pour une température maximale de 170 °C des fils d’almélec.
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3. Association préconisée entre câble de garde et conducteur
En plus des considérations de dimensionnement aux courants de défaut et aux exigences de sécurité mécanique, le câble de garde ne peut être choisi indépendamment du conducteur qu’il protège. Il faut en effet vérifier que le câble de garde et le conducteur présen- tent un comportement géométrique comparable. On diminue ainsi les risques d’amorçage par rapprochement dangereux des deux types de câbles (en cas de surcharge différente de givre).
Le tableau 12 donne l’association mécanique entre câble de garde et conducteur, pour éviter les risques d’amorçage.
Le choix des conducteurs se fait en fonction des puissances à transiter. Le choix des câbles de garde se fait en fonction de l’inten- sité de court-circuit des postes de raccordement.
(0) Tableau 10 – Choix des câbles de garde
Câbles almélec- acier normaux
Câbles à circuits de télécommunication
Lignes courantes (givre léger)
Phlox 94,1 Phlox 116,2 Phlox 147,1
Thym 107 Thym 157,4 Zones givrées ou
montagneuses (givre moyen ou lourd)
Phlox 181,6 Phlox 228 Phlox 376
Thym 268
Tableau 11 – Courants de court-circuit admissibles dans les différents câbles de garde (2)
Désignation
Courant maximal (A) durée du défaut :
0,5s
durée du défaut :
0,25s Câbles à une couche d’almélec
Phlox 94,1 8 000 11 000
Phlox 116,2 8 500 12 000
Phlox 147,1 11 000 15 500
Phlox 181,6 13 500 19 000
Phlox 228 17 000 24 000
Phlox 288 21 500 30 000
Phlox 376 22 500 31 500
Câble à deux couches d’almélec
Pastel 147,1 18 000 25 500
Câbles Thym
Thym 107 8 500 12 000
Thym 157,4 15 000 18 000
Thym 268 20 000 28 000
(1) Échauffement maximal de 170 °C des fils d’almélec
Exemple : le Thym 157,4 convient en givre léger, alors que c’est le Thym 268 qui convient en givre moyen et en givre lourd.
Tableau 12 – Associations conducteurs / câbles de garde
Givre (clm)
Niveau de tension
Conducteurs
Câbles de garde
classiques
à circuits de télécommunication
incorporé
2
HT
Aster 228 Phlox 94,1 Thym 107 Aster 366 Phlox 116,2 Thym 157,4 Aster 570 Phlox 116,2 Thym 107
Thym 157,4
225 kV Aster 366 Phlox 116,2
Thym 157,4 Phlox 147,1
Aster 570 Phlox 147,1 Thym 157,4 400 kV Aster 570 Phlox 228 Thym 157,4
4
HT
Pastel 299
Phlox 181,6 Thym 268 Pastel 412
Pétunia 612 Phlox 228 Thym 268 225 kV Pastel 412 Phlox 288 Thym 268 Pétunia 612 Phlox 288 Thym 268 400 kV Aster 1 144 Phlox 288 Thym 268
6
HT
Pastel 299 Phlox 181,6 Thym 268 Pastel 412 Phlox 228 Thym 268 Pétunia 612 Phlox 288 Thym 268
225 kV
Pastel 412 Phlox 288 Thym 268 Pétunia 612 Phlox 376 Thym 268 Aster 1 600 Phlox 376 Thym 268 400 kV Aster 1 600 Phlox 376 Thym 268
