UNIVERSITE D’ABOMEY-CALAVI
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ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI
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DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE Option : Energie électrique
POUR L’OBTENTION DU
DIPLÔME D’INGENIEUR DE CONCEPTION
Thème :
RENFORCEMENT DE LA SECURITE DU RESEAU HTA DE COTONOU PAR L’AMELIORATION DE
SON SYSTEME DE MISE A LA TERRE
Rédigé par :
David Sèwanou ABO
Sous la direction de :
Maître de mémoire : Maitre de stage :
Année académique 2015-2016 9ème Promotion
Pr. Vincent S. HOUNDEDAKO Enseignant à l’EPAC/UAC,
Maître de Conférences
Ing. Réné SOTOMEY
Chef Service Maintenance et Contrôle Commande à la DPMEER
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page i
Sommaire Sommaire
SOMMAIRE ... I DEDICACES ... III REMERCIEMENTS ... IV RESUME ... VI SIGLES ET ACRONYMES ... VII LISTE DES TABLEAUX ... VIII LISTE DES FIGURES ... IX
INTRODUCTION GENERALE ... 1
CHAPITRE 1 : ETAT DE L’ART SUR LES DEFAUTS DU RESEAU
HTA DE COTONOU ... 3
INTRODUCTION PARTIELLE ... 3
CONCLUSION PARTIELLE ... 17
CHAPITRE 2: NOTIONS DE BASE SUR LA MISE A LA TERRE ... 18
INTRODUCTION PARTIELLE ... 18
CONCLUSION PARTIELLE ... 35
CHAPITRE 3: MISE A DE LA VILLE DE COTONOU ... 36
INTRODUCTION PARTIELLE ... 36
CONCLUSION PARTIELLE ... 54
CHAPITRE 4: AMELIORATION DE LA RESISTIVITE DES SOLS
DIFFICILES ... 55
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page ii
INTRODUCTION PARTIELLE ... 55
CONCLUSION PARTIELLE ... 67
CONCLUSION GENERALE ... 68
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 70
ANNEXES ... 72
ANNEXE 2 : MESURES DES RESISTANCES DE TERRE DES CABINES ET RESISTIVITES DES SOLS EFFECTUEES A COTONOU ... 78
TABLE DES MATIERES ... 80
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page iii
Dédicaces Dédicaces
Ce travail est dédié à :
Ma mère, Alice IWIKOTAN, qui m’a transmis les règles morales de la vie et qui n’a cessé de m’offrir son soutien de toutes formes et son encouragement pour ma réussite. Que Dieu te protège.
Mon feu père, Paul Akomatè ABO, arraché très tôt à mon affection et qui m’avait tant prouvé son amour.
Mon frère aîné, Pascal ABO, pour son soutien moral et financier. Que Dieu nous guide afin que l’amour rayonne entre nous pour toujours.
Que le tout puissant vous protège ABO Sèwanou David
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page iv
Remerciements Remerciements
Nous voudrions, avant toute chose, rendre grâce à l’Eternel Dieu tout puissant, dispensateur de toutes grâces et de tous biens, sans qui ce travail ne saurait aboutir.
Que son saint nom soit loué pour l’éternité.
Aucun travail ne s’accomplit dans la solitude. Aussi, ai-je voulu, au terme de cet humble travail, remercier tous ceux qui, de près ou de loin, consciemment ou sans le savoir, y ont contribué sous quelque forme que ce soit.
D’entrée, je me dois de remercier mon maître de mémoire, Pr. Vincent S.
HOUNDEDAKO, pour son aide, ses conseils et sa disponibilité. Je lui adresse aussi mes remerciements pour la confiance et la compréhension qu’il m’a toujours manifestées.
Mes sincères remerciements vont également à l’endroit de :
Pr. Mohamed M. SOUMANOU, Directeur de l’EPAC pour votre dévouement vis-à-vis de notre école ;
Pr. Clément AHOUANNOU, Directeur Adjoint de l’EPAC pour tous les efforts consentis à l’égard de notre formation;
Dr. Théophile HOUNGAN, Chef Département Génie Electrique de l’EPAC, pour votre détermination à nous offrir une formation de qualité;
Dr. François-Xavier FIFATIN, enseignant à l’EPAC ;
Dr. Ramanou BADAROU, enseignant à l’EPAC ;
Dr. Robert HANGNILO, enseignant à l’EPAC ;
M. Luc NASSARA, enseignant à l’EPAC ;
M. Jacques AREDJODOUN, doctorant à l’EPAC ;
Dr. Cyrille BOCO, enseignant à l’EPAC ;
Pr. Jacques ADJAKPA, enseignant à l’EPAC ;
Les enseignants et techniciens du laboratoire de Génie Electrique de l’EPAC ; pour tous les efforts consentis pour notre formation ;
M. Laurent K. TOSSOU, Directeur Général de la Société Béninoise d’Energie Electrique (SBEE), pour nous avoir acceptés en tant que stagiaire ;
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page v
M. Cyprien HOUNSOUNOU, Directeur de la Production, des Mouvements d’Energie et des Energies Renouvelables (DPMEER) ;
Ingénieur René SOTOMEY, Chef du Service Maintenance et Contrôle Commande, notre tuteur de stage, pour l’attention particulière accordée à notre sujet et pour nous avoir servi de guide du début jusqu’à la fin de ce travail ;
Tout le personnel de la DPMEER, notamment M. Stéphano YEKPON, M. Félix SOVIDE pour leurs conseils qu’ils nous ont prodigués au cours des travaux ;
M. Eusèbe DATONDJI, Chef Service dépannage HTA-BT DRL 2 ;
Tous mes oncles et tantes, pour leurs aides et leurs responsabilités de parents ;
Mon grand frère Innocent K. BESSAN, pour son soutien et ses prières. Que Dieu te bénisse ;
Mon oncle Célestin IWOUIKOTAN, pour son soutien et ses conseils très objectifs. Que le Tout Puissant le lui rende au centuple;
Chantale Mahoulawè DEME qui a toujours su me soutenir pendant les moments difficiles. Que Dieu nous guide afin que l’amour rayonne en nous pour toujours. ;
Mes amis pour la patience, le soutien inconditionnel et le dévouement dont ils ont fait preuve ;
Mes camarades de promotion pour l’atmosphère de fraternité qui a régné tout le long de notre cursus de formation à l’EPAC ;
Les membres du jury : qu’ils trouvent ici l’expression de nos sentiments distingués, pour avoir accepté de juger notre modeste travail.
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page vi
Résumé
RESUME
Le travail exposé dans ce mémoire d’ingénieur de conception est consacré au renforcement de la sécurité du réseau HTA de la SBEE par l’optimisation de son système de mise à la terre. Nous avons effectué des mesures de la résistance des piquets de terre existants et la résistivité du sol de quelques sites afin de les comparer aux normes, d’analyser les résultats et d’apporter les améliorations éventuelles. Nous avons optimisé la résistance des piquets de terre tout en cherchant le compromis entre la résistance et le coût de l’électrode. Nous avons aussi étudié les différents facteurs qui influent sur la résistance des systèmes de terre. Nous avons étudié les méthodes d’amélioration de la résistivité du sol comme la méthode d’ajout d’une matière de résistivité réduite, la méthode d’explosion, la méthode d’ajout de l’eau de mer morte.
Enfin, un accent particulier a été mis sur la méthode d’ajout de la matière de faible résistivité pour améliorer la résistivité du sol.
Mots clés : Renforcement, sécurité, amélioration, système de terre.
ABSTRACT
The work described in this design brief is devoted to strengthening the safety of the SBEE's HTA network by optimizing its earthing system. Resistance measurements of existing ground piles and the soil resistivity of a few sites were performed to compare them to standards, analyze the results and make possible improvements. We have optimized the resistance of the earth rods while seeking the compromise between the resistance and the cost of the electrode. We have also studied the different factors that influence the resistance of earth systems. We studied methods for improving soil resistivity such as the method of adding a reduced resistivity material, the method of explosion, the method of adding dead sea water. Finally, particular emphasis was placed on the method of adding the low resistivity material to improve the resistivity of the soil.
Key words: Reinforcement, security, improvement, land system.
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page vii
Sigles et acronymes
Liste des sigles et acronymes BT : Basse Tension
BPN : Bobine de Point Neutre
CEI : Commission Electrotechnique Internationale DDR : Dispositif Différentiel à courant Résiduel EDF : Electricité de France
EDRF : Direction des études et Recherches d’Electricité de France F : Facteur de mise à la terre
HTA : Haute Tension catégorie A Hz : Hertz
I : Intensité du courant In : Intensité nominal KA : Kilo Ampère KVA : Kilo Volt-ampere KV : Kilo Volt
MVA : Méga Voltampère PE : Conducteur de protection
SBEE : Société Béninoise d’Energie Electrique TT : Neutre à la terre masse à la terre
TN : neutre à la terre masse au neutre
TNC : le neutre et conducteur de protection PEN sont confondus.
TNS : le neutre et conducteur de protection PE sont séparés.
TTR : les masses du poste et les masses de l’installation sont reliées à une même prise de terre
TTS : les masses du poste sont reliées à une terre séparée W :Watt
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page viii
Liste des tableaux Liste des tableaux
Tableau 2.1 : Résistivités moyennes des différents types de sol. ... 20
Tableau 3.1: Taux des résistances de terre par rapport aux normes. ... 41
Tableau A2.1: Mesures des résistances de terre des cabines HTA/BT et sous- station, Ville de Cotonou (saison des pluies 2016). ... 78
Tableau A2.2: Mesures des résistances de terre des cabines HTA/BT et sous- station, Ville de Cotonou (saison sèche 2016). ... 78
Tableau A2.3: Comparaison des valeurs des résistances des mises à la terre des deux saisons. ... 78 Tableau A2.4: Mesures des résistivités des sols, Ville de Cotonou, saison sèche 2016. ... 79 Tableau A2.5: Mesures des résistivités des sols, Ville de Cotonou, saison des pluies 2016. ... 79
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page ix Liste des figures
Liste des figures
Figure 1.1: Valeur du courant de défaut à la terre Jdéf=g(F) sur un réseau ... 8
Figure 1.2: Rapport des valeurs de courant à la terre ... 9
Figure 2.1: Tension de pas ... 21
Figure 2.2: Tension de pas en fonction de la distance ... 22
Figure 2.3: Schéma de mesure de la méthode de quatre électrodes. ... 23
Figure 2.4: Méthode de chute de potentiel. ... 24
Figure 2.5: Schéma de principe de la configuration TT ... 26
Figure 2.6: Exemple d’un défaut sur une phase ... 26
Figure 2.7: Schéma équivalent de l’exemple du défaut sur une phase ... 27
Figure 2.8: Schéma de principe de la configuration TN ... 27
Figure 2.9: Les schémas TNC et TNS ... 28
Figure 2.10: Schéma de principe de la configuration IT ... 29
Figure 2.11: Défaut d’isolement dans schéma de liaison à la terre TT... 31
Figure 2. 12: Défaut d’isolement dans le schéma de liaison à la terre TN ... 32
Figure 2.13: Premier défaut d’isolement dans le schéma de liaison à la terre IT ... 33
Figure 3.1: Schémas de liaison à la terre des cabines du réseau de distribution de Cotonou (Cabine à deux terres)... 37
Figure 3.2: Mesureur de terre C.A 6460 ... 38
Figure 3.3: Méthode de chute de potentiel. ... 39
Figure 3.4: Statistiques résistances des terres cabines HTA/BT du réseau de Cotonou ... 40
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page x Figure 3.5: Schéma de mesure de la méthode de quatre électrodes ou méthode
de Wenner. ... 42
Figure 3.6: Résistivité de quelques sites de la ville de Cotonou pendant la saison sèche en 2016 ... 43
Figure 3.7: Résistivité de quelques sites de la ville de Cotonou pendant la saison des pluies en 2016. ... 44
Figure 3.8: Valeurs moyennes des résistivités de quelques sites de la ville de Cotonou pendant la saison sèche en 2016. ... 44
Figure 3.9: Configuration de mise à la terre des cabines HTA/BT la plus utilisée. ... 45
Figure 3.10: Compromis entre la résistance et le coût d’un piquet de terre. .... 49
Figure 3.11: Influence de la longueur des piquets ... 50
Figure 3.12: Variation de la résistance équivalente en fonction de la longueur des piquets pour n=2, n=4, n=6 et n=8 ... 51
Figure 3.13: Influence de l’augmentation du nombre d’électrodes pour n=2, n=4, n=6 et n=8 sur le coût. ... 53
Figure 4.1: Ajout d’une matière de faible résistivité autour de l’électrode. ... 58
Figure 4.2: Prise de terre avec trous profonds [21]. ... 59
Figure 4.3: Réseau de terre avec des fissures de faible résistivité [20]. ... 60
Figure 4.4: Ajout de l'eau de la mer morte au trou du système de mise à la terre. ... 61
Figure 4.5 : Ajout de l'eau de la mer morte avec du charbon et de la limaille de fer dans le trou du système de mise à la terre [21]. ... 61
Figure 4.6: Résistance du piquet sans couche de charbon de bois (rouge) et résistance du piquet entouré de charbon de bois (autres couleurs). ... 63
Figure 4.7: Influence de la longueur des piquets de terre. ... 64
Figure 4.8 : Influence du diamètre des piquets de terre. ... 65
Figure 4.9: Taux de réduction de la résistance. ... 67
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page xi
Figure A1.1: Electrode cylindrique verticale. ... 72
Figure A1.2 : Résistance d’une électrode cylindrique. ... 73
Figure A1.3 : Résistance de prise de terre (mesure et calcule) ... 75
Figure A1.4 : Electrodes sur une circonférence. ... 75
Figure A1.5 : Réseau maillé. ... 76
Figure A1.6 : Boucle enterrée. ... 77
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 1
Introduction générale
INTRODUCTION GENERALE
L’énergie électrique est un facteur primordial du développement. Les pays en développement, souvent situés dans les régions tropicales comme le Bénin, ont encore à ce jour un déficit en taux d’électrification et, en plus, les réseaux électriques existants connaissent de nombreuses perturbations dues à la qualité du réseau et entrainent des interruptions dans la fourniture de l’énergie électrique qui peuvent durer parfois plusieurs jours.
Plusieurs causes sont à l’origine de la mauvaise qualité de service rendue par la SBEE dont la défectuosité ou l’inexistence du réseau de terre sur le réseau électrique.
La protection des installations électriques, des personnes et des biens requiert une approche systématique et globale pour minimiser les risques liés aux surtensions transitoires et autres perturbations. Par exemple, aucun paratonnerre ne peut capter et écouler sans risque l’énergie de la foudre sans une mise à la terre fiable.
Le fonctionnement des installations électriques dépend étroitement de la manière dont certains dispositifs sont mis à la terre et des valeurs des paramètres des mises à la terre (résistance, inductance, capacité,…). La mise à la terre dans les réseaux électriques paraît être relativement simple ; cependant elle n’a cessé de présenter des difficultés.
La configuration d’une prise de terre nécessite l’analyse préalable de la répartition du potentiel dans le sol autour de la prise de terre, cette répartition étant fonction des caractéristiques électriques du sol, c'est-à-dire de la résistivité du sol.
Le présent travail se justifie par de nombreux dégâts causés par les courts- circuits et les décharges atmosphériques ces dernières années dans les installations de grande étendue et notamment sur les réseaux HTA de la Société Béninoise d’Energie Electrique (SBEE) dans la ville de Cotonou. C’est dans la vision de bien assurer la sécurité des personnes et des biens que le présent travail dont le thème est
« Renforcement de la sécurité du réseau HTA de Cotonou par l’amélioration de son système de mise à la terre » vient comme un modeste apport pour l’atteinte de ces objectifs.
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 2 Nous avons structuré notre travail comme suit :
le premier chapitre fait état de l’art sur les défauts des réseaux HTA de Cotonou.
Le deuxième chapitre rappelle quelques notions de base sur la mise à la terre.
Le troisième chapitre est consacré à la mise à la terre du réseau HTA de la ville de Cotonou.
Le quatrième chapitre aborde l’amélioration de la résistivité des sols difficiles.
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 3
Chapitre 1 : Etat de l’art sur les défauts du réseau HTA de Cotonou Chapitre 1: ETAT DE L’ART SUR LES DEFAUTS DU RESEAU HTA DE
COTONOU
Introduction partielle
Le régime de défaut est le régime anormal de fonctionnement du réseau et l’incident le plus fréquent est un défaut d’isolement. Par leur taille énorme, les réseaux électriques peuvent subir plusieurs impacts de l’environnement qui peuvent initier des défauts.
Dans ce chapitre, il s’agira de faire un état de l’art sur les défauts observés sur les réseaux de distribution HTA et une présentation du réseau électrique de Cotonou.
1.1. Définition
On appelle ‘’défaut’’ toute perturbation qui engendre des modifications des paramètres électriques d’un ouvrage. Il est caractérisé par un phénomène non conforme au fonctionnement normal du réseau et pouvant, dans certains cas, conduire à un effondrement électrique de celui-ci et à la mise en danger de son environnement.
1.2. Origines des défauts
Le risque d’apparition d’un incident sur le réseau n’est pas nul car lié à de nombreux paramètres aléatoires. Ainsi, les courts-circuits peuvent avoir diverses origines [2] :
électrique : c’est l’altération des isolants des matériels de réseau, par exemple. En effet, les matériels électriques que l’on trouve sur le réseau ou dans les postes comportent des isolants (solides, liquides ou gazeux) constitués d’assemblages plus ou moins complexes placés entre les parties sous tension et la masse. Ces isolants subissent des dégradations au cours du temps qui conduisent à des défauts d’isolement et donc des courts-circuits ;
atmosphérique : les lignes aériennes sont soumises aux perturbations extérieures telles que la foudre, les tempêtes ou le givre ;
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 4
mécanique : c’est la chute d’un corps sur un conducteur ou la dégradation mécanique de conducteurs consécutive à des agressions extérieures par des engins de terrassement par exemple ;
humaine : ce sont les fausses manœuvres telles l’ouverture d’un sectionneur en charge par exemple.
1.3. Sources des défauts
La plupart des défauts dans les réseaux de distribution sont provoqués par la foudre pendant un orage. Des surtensions et surintensités dues à ce phénomène causent l'amorçage d'un arc électrique dans le réseau. Cependant, des objets à proximité du conducteur (branches d'un arbre, oiseaux, etc.) peuvent également réduire la distance d'isolation de l'air et provoquer de ce fait l'amorçage d'un arc électrique.
La détérioration d'un isolateur dû à l’affaiblissement de son pouvoir d’isolation et la tempête sont d’autres causes fréquentes de défaut.
Les accessoires du réseau constituent une autre cause de défaut : ce sont les isolateurs et les supports cassés, les bretelles ou ponts cédés, les conducteurs sur console, etc. Une autre cause de défaut plus rare vient des conducteurs rompus ou des lignes tombées à terre.
Pour les câbles, les défauts sont situés, dans la plupart des cas, dans une boîte de jonction défectueuse ou dans une boîte d’extrémité dégradée. Les défauts dans un câble même sont plus rares mais existent notamment pour de vieux câbles à cause d'une dégradation de l'isolant.
D'autres causes de défaut sur les câbles sont des endommagements ou coupures pendant des travaux de génie civil. Les défauts dans un câble sont, dans la plupart des cas, des défauts permanents car l'isolation des câbles est détruite par l'arc électrique contrairement à l'air autour des lignes aériennes où une désionisation est possible (isolation régénératrice) [5].
En résumé, les causes principales des défauts sont:
sur le réseau aérien:
- les agressions atmosphériques, (foudre, tempête) ;
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 5 - les chutes d’arbres ou corps étrangers ;
- les défaillances des matériels ; - les dépassements de puissance ;
sur le réseau souterrain :
- les causes inconnues ou non recherchées ; - les travaux des tiers ;
- les défaillances des matériels ; - les dépassements de puissance.
1.4. Les différents types de défauts 1.4.1. Les surtensions
On appelle surtension toute tension entre un conducteur de phase et terre ou entre deux conducteurs de phases dont la valeur maximale dépasse la valeur de crête correspondant à la tension la plus élevée pour le matériel. L’importance de la contrainte à laquelle elle soumet les isolants dépend grandement de sa valeur maximale et surtout de la vitesse avec laquelle elle s’établit [2].
Surtensions par décharges électriques atmosphériques :
Les orages sont des événements très habituels et très dangereux aussi. On estime que sur notre planète se produisent simultanément quelques deux mille (2000) orages et qu'environ cent (100) coups de foudre se déchargent sur la terre chaque seconde. Au moment de l’impact, la foudre provoque une impulsion de courant qui arrive à atteindre des dizaines de milliers d’ampères. Cette décharge génère une surtension dans le système électrique qui peut provoquer des incendies et la destruction des équipements électriques [5].
Conséquence : Risque accru de claquage des isolants dans l’air et /ou dans le transformateur.
1.4.2. Les surcharges
Elles se produisent lorsque les appareils installés sont trop puissants pour les lignes d’alimentation ou quand le travail demandé aux machines est exagéré, ce qui
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 6 conduit à un courant de surcharge maintenu qui peut provoquer un échauffement anormal pouvant entraîner la détérioration des installations [2].
Causes
- Courts-circuits ;
- pointes de consommation ou de transit d’énergie ;
- report de charge suite à la coupure d’une liaison en parallèle.
Conséquence
- Echauffement lent et progressif des parties actives, des masses métalliques, des isolants.
1.4.3. Les déséquilibres
On appelle déséquilibre sur une ligne ou dans une installation triphasée la différence entre les trois courants des phases [5].
Causes
- L’asymétrie des charges ;
- les défauts entre la phase et la terre ; - les courts-circuits ;
- circuit ouvert sur l’une des trois phases ;
- enclenchement ou déclenchement d’un sectionneur ou d’un disjoncteur défectueux (bretelle pendante) ;
- coupure de conducteur sans court-circuit.
Conséquences
- échauffement excessif et donc diminution de la rigidité mécanique des matériaux ;
- dégâts causés par les arcs ;
- efforts électrodynamiques anormaux d’où des déformations des barres de connexion ou des supports ;
- chutes de tension élevées risquant de causer le décrochage des alternateurs et de nuire à la stabilité des réseaux ; les machines asynchrones sont également sensibles aux creux de tension ;
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 7 - perturbations dans les circuits de télécommunication.
1.4.4. Les courts-circuits
Un court-circuit est une liaison accidentelle entre conducteurs à impédance nulle (court-circuit franc) ou non (court-circuit impédant) [13].
Un court-circuit peut être interne s’il est localisé au niveau d’un équipement ou externe s’il se produit dans les liaisons.
Causes
- Contact entre conducteurs (direct ou par objet interposé) ; - Claquage des isolants solides ;
1.5. Les défauts de court-circuit
1.5.1. Caractéristiques des défauts de court-circuit
Les défauts de court-circuit peuvent être caractérisés par le nombre de conducteurs affectés, leur durée et l'intensité du courant [16].
- En fonction du nombre de conducteurs affectés
- Les défauts monophasés : ce sont des défauts entre une phase et la terre ou une phase et le neutre. Ils génèrent la circulation d’un courant homopolaire. Leur intensité est limitée par la résistance de terre et par la mise à la terre du neutre.
- Les défauts biphasés : ce sont les courts-circuits entre deux phases ou une phase et le neutre avec ou sans mise à la terre ;
- Les défauts triphasés : ce sont les courts-circuits entre trois phases avec ou sans mise à la terre.
En fonction de la durée du défaut
Défaut sans coupure : c’est un défaut qui s’élimine sans coupure, même très brève de la clientèle. Il peut par contre produire des creux de tension significatifs (en cas de défauts polyphasés). Ce sont :
les défauts auto–extincteurs (monophasés ou polyphasés) qui disparaissent naturellement par eux-mêmes.
Défaut fugitif : c’est un défaut éliminé par un cycle rapide.
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 8
Défaut permanent : c’est un défaut qui n’a pu être éliminé par les différents cycles de réenclenchements.
1.6. Les courants de défaut [2]
Durant un court-circuit à la terre, les courants de défaut dépendent du régime de neutre. Dans le cas du neutre direct à la terre, le Facteur de mise à la terre est : (F ≤ 3), le comportement du réseau en présence d’un déséquilibre homopolaire présente une particularité que nous allons examiner [6].
Considérons un réseau, on étudie le courant de défaut à la terre pour un défaut biphasé à la terre. On compare ce courant à celui produit par un défaut monophasé pour différentes valeurs de F.
Figure 1.1: Valeur du courant de défaut à la terre Jdéf=g(F) sur un réseau Lorsque le facteur de mise à la terre est inférieur à 1 (cas des réseaux nord- américains), le courant de défaut à la terre maximal est obtenu pour un court-circuit biphasé à la terre. Sur de tels réseaux, l’étude des circuits de terre doit être réalisée pour un défaut [13].
RTE (EDF) fixe le facteur de mise à la terre dans un intervalle compris entre un et trois garantissant ainsi que le courant de court-circuit n’excèdera pas
𝐼𝑐𝑐𝑇𝑟𝑖 =𝑉𝑛
𝑍𝑑 (1.1)
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 9 Le rapport des courants de défaut à la terre varie avec la valeur du facteur de mise à la terre.
0,5 < 𝐽𝑑é𝑓𝑎𝑢𝑡𝑏𝑖
𝐽𝑑é𝑓𝑎𝑢𝑡 𝑚𝑜𝑛𝑜< 2 (1.2)
L’exploitant doit tenir compte de ces propriétés pour le réglage des protections contre les défauts d’isolement à la masse.
Figure 1.2: Rapport des valeurs de courant à la terre
Afin de détecter les défauts biphasés à la masse sur les réseaux dont le neutre est impédant, ERDF règle les protections masse tableau à une valeur [13].
ℜ ≤ 0,8 ×𝐼𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑒
2 (In est l’intensité maximale dans le neutre du réseau). Les conséquences des défauts de court-circuit sont variables selon la nature et la durée des défauts, le point concerné de l’installation et l’intensité du courant [19] :
au point de défaut, la présence d’arcs de défaut avec :
détérioration des isolants ;
fusion des conducteurs ;
incendie et danger pour les personnes.
pour le circuit défectueux :
les efforts électrodynamiques avec :
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 10 o déformation des jeux de barres ;
o arrachement des câbles.
suréchauffement par augmentation des pertes joules avec risque de détérioration des isolants ;
pour les autres circuits électriques du réseau concerné ou des réseaux situés à proximité :
les creux de tension pendant la durée du défaut, de quelques millisecondes à quelques centaines de millisecondes ;
la mise hors service d’une plus ou moins grande partie du réseau suivant son schéma et la sélectivité de ses protections ;
l’instabilité dynamique et/ou la perte de synchronisme des machines ;
les perturbations dans les circuits de commande.
1.7. Le plan des protections d’un réseau HTA
Ils doivent respecter les principes généraux suivants [19] :
afin de préserver la sécurité des personnes et l’intégrité des matériels électriques, tout défaut intervenant sur un élément du réseau ou raccordé à celui-ci doit être détecté rapidement et éliminé par le plan de protection ;
pour répondre aux obligations de continuité de la fourniture d’énergie électrique, le processus d’élimination du défaut doit respecter les principes de sélectivité ;
les usagers et les processus industriels doivent bénéficier à tout moment des services définis d’une manière contractuelle et réglementaire ;
la définition d’un plan de protection doit être étudiée en cohérence avec le régime de neutre.
1.7.1. La sélectivité et la sensibilité d’un plan de protection
Un plan de protection doit répondre aux critères de sensibilité et de sélectivité.
Etudier un plan de protection revient généralement à chercher le meilleur compromis entre ces deux critères.
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 11 On définit la sensibilité d'une protection homopolaire comme étant la valeur maximale de la résistance d’un défaut à la terre qui peut être détectée par le dispositif.
Elle dépend du critère utilisé, du réglage du relais, de la valeur du capacitif homopolaire du réseau et du dispositif de mise à la terre du neutre.
Sur un réseau 20 kV dont le neutre est mis à la terre par une résistance de 40 Ω, une protection à maximum d’intensité résiduelle réglée à 100 A présente une sensibilité de 80Ω.
La nécessité de disposer d’un plan de protection ayant une bonne sensibilité est à rapprocher de la répartition statistique des résistances de défaut.
Il faut cependant prévoir un dispositif complémentaire capable de détecter les défauts plus résistants afin de garantir la sécurité des biens et des personnes.
Le type de protection utilisé, la valeur du capacitif résiduelle, la valeur de l’impédance de mise à la terre du neutre, la tension d’exploitation et le réglage de la protection interviennent dans le niveau de sensibilité du plan de protection.
Suivant le critère utilisé, l’amélioration de la sensibilité est de nature à dégrader la sélectivité [13]
La sélectivité a pour objet de garantir la meilleure qualité de service au plus grand nombre d’usagers lorsqu’un défaut affecte un élément du réseau. Il faut considérer la sélectivité longitudinale et la sélectivité transversale. La première correspond à la sélectivité existant entre deux équipements successifs. La seconde intervient sur deux équipements de mêmes niveaux, deux départs par exemple [19].
La sélectivité peut être naturelle si le critère d’existence d’un défaut (le courant homopolaire par exemple) est maximal au point de mesure le plus proche du défaut.
La sélectivité étant obtenue par le réglage du seuil de fonctionnement du relais, on peut alors utiliser des protections dont la temporisation est dépendante de la valeur du courant. L’écart entre les points de mesure doit cependant être significatif afin d’éviter les erreurs provoquées par la dispersion des caractéristiques des relais et des capteurs.
On peut considérer que la sélectivité naturelle entre deux protections existe si l’écart entre les deux points de mesure est supérieur à 20 %.
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 12 La sélectivité chronométrique est assurée par un dispositif auxiliaire de temporisation. Le réglage du seuil est alors moins déterminant pour l’obtention d’une sélectivité. On utilise des relais dont la temporisation est indépendante de la valeur du courant [13].
1.8 Réseau électrique de Cotonou
Il est constitué de lignes souterraines et aériennes.
Postes sources et de répartition 1.8.1.1. Poste source de GBEGAMEY [4]
La poste source de Gbégamey reçoit l’énergie électrique de la sous station de Vêdoko-CEB par deux lignes souterraines (63 kV). Il assure la distribution d’une partie de cette énergie, à travers quatre (04) départs (postes), grâce à son poste de transformation équipé de deux transformateurs de puissance T1 et T2. L’autre partie de l’énergie est renvoyée au poste source d’Akpkpa.
Les deux transformateurs ont pour caractéristiques:
- T1: rapport de transformation 63/15 kV, puissances 20MVA - T2: rapport de transformation 63/15 kV, puissances 40MVA.
Départ C-179
Le poste C-179 se situe à GBEGAMEY près de la station DALLAS. La ligne qui le relie au poste source est caractérisée par une ligne souterraine en cuivre
La ligne provenant du poste alimente : une partie des zones: du champ de Foire, de l’hôpital Hubert MAGA, de l’USAID, du Camp Militaire GUEZO, du Ministère de l’Intérieur, de l’immeuble 40 Logements, de la pâte d’oie, Gbégamey et environs.
Départ 181
Le départ C-181 est caractérisé par une ligne souteraine. Ce départ alimente principalement les zones de WLACODJI, de l’ANCIEN PONT, de GANHI, de Maro Militaire, Zongo, OCBN, Cour Constitutionnelle, Financial Bank.
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 13
Départ 262
Ce départ communément appelé départ C-262 OCBN se situe près du bâtiment du Commandement de la Brigade de Recherche. Il est alimenté par une ligne souterraine.
De ce poste partent trois lignes souterraines pour alimenter les zones telles que:
Hall des arts, Zone résidentielle, Centre culturel chinois, port, CNCB, BOA, Domicile du Président KEREKOU, BCEAO, le Continental Bank, le carrefour les “3 BANQUES”, la Direction Générale de la SOBEMAP, la SOBEMAP, Port Autonome de Cotonou (PAC), le Port de pêche, la Base navale, la BOA et environs.
Départ 263
Le départ est caractérisé par une ligne souterraine. Ce départ transite d’abord par la cabine C-178 située dans la zone de la prison civile de Cotonou, puis alimente les zones de CSP, de St Michel, de MARO-MILITAIRE, de CSP, St Michel, Sikècodji St Jean et environs.
Du poste source de Gbégamey partent deux lignes triphasées 63 kV, dérivées de la ligne 63 kV en provenance de Vêdoko, vers le poste source d’Akpakpa à la DPMEER.
1.8.1.2. Poste source d’AKPAKPA [4]
Le poste reçoit les 63kV, par des câbles souterrains, à partir des jeux de barres du poste source de GBEGAMEY. Il est doté de deux transformateurs T1 et T2 de caractéristiques :
T1 : 63/15 kV 20MVA ; T2 : 63/15 kV 31,5MVA.
Il dispose également des groupes électrogènes qui permettent de compléter l’énergie achetée en cas de déficit énergétique.
Il dessert plusieurs départs.
Cotonou 1
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 14 Le poste est alimenté par une ligne souterraine. Il alimente, par une ligne aérienne les zones telles que : Clinique Akpakpa, GMB, quartier Jack, la Direction des Matériels et des Travaux Publics (DMTP), la société TRANSACIER, Akpakpa Dodomey, l’ex Bénin Plastique, la SOBEBRA, l’hôtel du golf, l’ex garage MERCEDES, SONACOP, SONAEC et environs.
Cotonou 3
Ce poste est alimenté par une ligne souterraine. Du poste part une ligne aérienne pour alimenter Akpakpa centre, Hôtel GL, Place Lénine et environs.
Cotonou 4
Le poste est alimenté par une ligne principale aérienne. La ligne alimente le ministère de la santé, l’usine SOBEPEC d’Akpakpa, l’ex usine SONICOG, la Cité vie nouvelle, la zone des Ambassades, la SOBETEX et leurs alentours.
Cotonou 5
La ligne qui alimente ce poste est aéro-souterraine. De ce poste parte une ligne aérienne qui alimente Wlacodji SCB, la zone de l’Ancien pont, la CENA et ses alentours, la zone de la Cour Suprême, DST, Ganhi, Hôtel du lac et ses alentours, Missessin, Padre Pio Gbêdjèwin et HOMEL.
Un bouclage peut être fait avec le départ Cotonou 3 en cas de défaillance.
SONACI P/N
Le poste reçoit l’énergie par une ligne aérienne. Il alimente, par une ligne aérienne les zone comme suit : la zone de Tanto, de Abattoir, les alentours de l’Imprimerie Tundé et la zone de Dandji.
St Michel
Le départ St Michel est alimenté par une ligne aérienne. Cette ligne quitte le poste et alimente les zones du nouveau pont, de Midombo, de Dédokpo et ses environs.
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 15
CIM BENIN (D1)
Le départ D1 est alimenté par une ligne aérienne. Ce départ alimente les zones comme : Agblangandan, Sèkandji, Lokocoucoumè, Donatin, Sèyivè, PK16 route de Porto-Novo, Champ de Tir, Cité Vie Nouvelle.
Croix Rouge (D2)
Le départ D1 est alimenté par une ligne aérienne. Il dessert les zones de Yénawa, de Sènadé, de Avotrou, de Ayélawadjè, de Hlacomè, de Akpokpota.
Cotonou 6
Les charges de départ sont envoyées sur le départ D2 afin de pouvoir décharger le transformateur T1.
D3, D4, D5.
Ces trois départs sont en réserve.
1.8.1.3 Poste de répartition C-442 de VEDOKO [4]
Le poste de répartition reçoit directement l’énergie électrique des transformateurs T2, T3 et T6 de la sous station de Vêdoko. Les caractéristiques de ces transformateurs sont les suivantes :
T2 : 161/15kV, 19MVA ; T6 : 161/15kV, 40MVA ; T3 : 161/63/15, 55/40/15MVA.
De ce poste, plusieurs départs prennent leurs sources pour desservir des zones.
C-236
Le poste se situe en face du stade de l’amitié de Kouhounou et est alimenté par une ligne aérienne qui traverse les quartiers de Vêdoko derrière la CEB, de Kouhounou et de Sotovi. Il alimente les zones de : Fifadji, Ste Rita, Kouhounou, Mènontin et environs.
10A
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 16 Le départ est alimenté par une ligne principalement aérienne longeant la route Vêdoko-Etoile Rouge- St Michel et prend fin au poste de répartition C-263 de St Michel. Il alimente les zones de : Vêdoko, Agontikon, Wloguèdè, Sikèkodji, Bar Tito, Gbèdjromédé, Hindé et Ayidjèdo.
204 (C-12)
La ligne utilisée pour alimenter ce départ est souterraine. Elle longe le tronçon Vêdoko-Barrière jusqu’à la cabine C-508 où elle se divise en deux dérivations pour desservir les quartiers de : Gondwana, Asecna, ENEAM et environs.
Agla-Cocotomey
Le départ reçoit de l’énergie par une ligne aérienne la ligne longe la voie de Godomey et prend la direction de Agla pour alimenter les quartiers deAgla et ses environs. La dérivation de la ligne longe la voie de Ouidah et alimente les quartiers de Hlazounto, de Godomey, de Cocotomey, Hêvié et environs.
10 B C-180
Le départ est caractérisé par une ligne principale souterraine. Il dessert les zones comme : zone des cocotiers, de l’Aéroport, des assistants techniques, de CNSS, de palais de justice de la Croix du Sud, le Ministère des Finances et environ.
20 A Calavi
Le départ 20A est alimenté par une ligne aéro souterraine. Les différentes zones que ce départs dessert sont les suivantes : Godomey, Université d’Abomey-Calavi, Zogbadjè, Agori, Akassato, Adjago, Zinvié et environs.
20 B
La ligne alimentant ce poste est aérienne. De ce poste partent quatre lignes, souterraines qui alimentent les zones telles que : St Michel, Missèbo, Dantokpa, Tokpa Hoho, Vog, Jonquet, Guinkomey, Scoa Gbéto, Air Gabon, Ganhi, Notre Dame, CSP, Clinique les Grâces, Sikècodji St Jean.
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 17
Station SONEB
Le départ station SONEB est caractérisé par une ligne soutérraine. Il constitue une alimentation secours du départ 10B.
FIDJROSSE
Le poste est alimenté par une ligne, aérienne qui longe le tronçon du carrefour
“Vêdoko” en passant par le carrefour “la Barrière” tout en desservant la zone du Cité Houéyiho et ses environs. Ensuite elle prend la voie pavée menant à la plage Djacko par une ligne qui dessert les quartiers Ayibatin, Gbèdégbé, Houénoussou, Adjaha, Wlacondji, Fidjrossè et Akogbato avant de prendre fin au poste C519 situé non loin de l’Agence Béninoise de l’Environnement (ABE).
Conclusion partielle
En examinant le contenu de ce chapitre, on peut dire que les défauts sur un réseau HTA présentent des risques pour la vie des personnes, la conservation des biens et la disponibilité de l’énergie électrique. Ainsi l’idée de prendre des précautions pour assurer la sécurité des personnes et des biens, nous avons présenté dans ce chapitre des notions générales sur les types de défauts sur les réseaux HTA, les origines et les causes de ces défauts ainsi leurs conséquences sur les réseaux HTA.
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 18
Chapitre 2: Notions de base sur la mise à la terre
Chapitre 2: NOTIONS DE BASE SUR LA MISE A LA TERRE
Introduction partielle
Plusieurs références détaillent depuis plusieurs dizaines d’années les mises à la terre des installations électriques. Le problème de mise à la terre est plus complexe qu’on ne le pense à cause de plusieurs facteurs qui interviennent dans le développement analytique des paramètres en jeu. Ces facteurs seront détaillés dans les chapitres qui vont suivre.
Dans le présent chapitre, nous allons rappeler les notions de base indispensables à l’analyse des mises à la terre des installations électriques à fréquence industrielle en mettant un accent particulier sur les propriétés des sols. Les différentes configurations de mise à la terre seront abordées sous l’aspect de leurs relations avec les réseaux de terre. Les normes des mises à la terre seront aussi décrites sommairement.
18.1. Définition d’un réseau de terre
La mise à la terre, parfois simplement appelée « la terre », est l'ensemble des moyens mis en œuvre pour relier une partie métallique conductrice à la terre. La mise à la terre est un élément important d'un réseau électrique que ce soit en haute ou basse tensions. Elle est caractérisée par sa résistance ou son impédance et doit être capable d’assurer l’écoulement du courant de défaut ou du courant de foudre sans se détruire par échauffement. Pour ces raisons, les mises à la terre ont pour but d’éliminer des potentiels anormaux sur les masses [11].
Pour une installation ou une structure de faible étendue, on emploie l’expression « prise de terre » en réservant le terme « réseau de terre » à l’installation importante telle que celles des postes.
A fréquence industrielle, l’étude du comportement d’un réseau de terre nécessite l’analyse préalable de la répartition du potentiel dans le sol qui l’entoure.
Cette répartition est fonction des caractéristiques électriques du terrain, c’est-à-dire de sa résistivité, des caractéristiques géométriques du réseau de terre et de la source. La conception d’un réseau de terre doit donc être précédée d’une étude géologique du sol.
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 19 18.2. Rôle d’une mise à la terre
Le rôle d’une mise à la terre d’une installation électrique [1] est de permettre l’écoulement rapide à l’intérieur du sol de courants de défaut de toutes origines ; il s’agit, par exemple, de causes dues aux défauts [15].
Lors de l’écoulement de tels courants par une prise ou un réseau de terre, des différences de potentiel peuvent apparaître entre certains points ou entre deux masses métalliques, par exemple entre la prisse de terre et le sol qui l’entoure, ou entre deux points de sol. Les schémas de liaison à la terre seront abordés sous l’aspect de leurs relations avec les réseaux de terre [11].
La conception des prises et des réseaux de terre doit permettre, même dans ces conditions, d’assurer le maintien de [11] :
la sécurité des personnes et des animaux ;
la protection des installations de puissance ;
la protection des équipements sensibles ;
le maintien d’un potentiel de référence.
18.3. Résistance et résistivité de la terre
Le sol (la terre) est constitué de matériaux à faible conductivité. Celle-ci est due aux sels et aux impuretés entre les isolants (oxyde de silice et oxyde d’aluminium).
A cause de la faible conductivité de la terre, tout courant qui passe à travers elle crée une grande chute de tension, ce qui revient à affirmer que le potentiel de la terre n’est pas uniforme.
La résistivité du sol est une quantité variable et la seule manière de la connaître avec précision est de la mesurer. Elle varie en fonction de plusieurs facteurs : la nature des sols, le taux d’impureté, la salinité, le taux d’humidité, la température,…
Le tableau ci-dessous donne une indication sur les résistivités des différents types de sol [7].
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 20 Tableau 2.1 : Résistivités moyennes des différents types de sol.
Nature du sol Résistivité en Ω.m
Sol très humide, marécages 30
Terrains agricoles, sols argileux et Limoneux
20 à 100
Sol argileux sablonneux 50 à 500
Sol sablonneux humide 300
Sol sablonneux sec 1000
Sol pierreux recouvert de gazon 300 à 500
Sol pierreux nu 1500 à 3000
Calcaires tendres 100 à 500
Calcaires fissurés 500 à 1000
Granits et grès très altérés 100 à 600
La résistance d’une mise à la terre est directement proportionnelle à la résistivité du sol si celle-ci peut être considérée comme homogène. D’autres facteurs dont il est nécessaire de tenir compte et qui caractérisent l’électrode de mise à la terre sont la matière, la forme, la profondeur dans le sol, le nombre, la structure [8].
Les différents types de sols rencontrés dans la ville de Cotonou sont présentés au troisième chapitre. Des mesures des résistivités de ces différents types de sols ont été effectuées sur quelques sites et leurs résultats figurent dans ledit chapitre.
18.4. Répartition de potentiel autour d’un réseau de terre
Avant d’étudier le comportement d’un réseau de terre écoulant un courant, il faut examiner la nature de la propagation des courants dans le sol, c’est-à-dire la répartition des potentiels autour du réseau de terre.
Le cas le plus simple est celui d’une électrode hémisphérique de rayon r, enterrée dans un sol supposé homogène de résistivité ρ. Le potentiel, à une distance x du centre de l’hémisphère parcouru par un courant I est donné par la relation [15] :
𝑈(𝑥) =𝐼 𝜌
2𝜋(1
𝑟 −1
𝑥) (2.1)
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 21 18.5. Résistance d’une électrode hémisphérique
La résistance de l’électrode hémisphérique est calculée à partir de la relation 𝑅 = 𝑈
𝐼, on aura donc 𝑅 = 𝜌
2𝜋(1
𝑟−1
𝑥) (2.2) Si 𝑥 → ∞, 𝑅 = 𝜌
2𝜋𝑟 (2.3)
Cette relation est la plus simple expression qui représente la résistance d’une mise à la terre réalisée avec une électrode hémisphérique. L’hypothèse 𝑥 → ∞ donne un résultat autant précis que 𝑥 est très grand [8].
18.6. Tension de pas
Comme représenté à la figure 2.1 ci -dessous, la tension de pas est la différence de potentiel entre deux points à la surface du sol, séparés par une distance de un pas, que l’on assimile à un mètre, dans la direction du gradient de potentiel maximum [11].
Figure 2.1: Tension de pas
Dans un sol supposé homogène, la tension de pas est directement proportionnelle à la résistivité du sol. En général, elle dépend de la distribution de potentiel dans le sol.
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 22 A une distance d de l’impact d’un courant de foudre au sol, en considérant un sol homogène de résistivité ρ et une répartition purement résistive de potentiel, la tension de pas est donnée par la relation [8] :
𝑈𝑝 = 𝜌 𝐼
2𝜋𝑑(𝑑+1) (2.4)
Dans ce cas, pour un courant de foudre de valeur de crête 50 kA par exemple, la tension de pas à une distance de 30 m du lieu d’impact est de :
- Up = 855.67 V pour ρ= 100 Ω.m (Europe par exemple) et
- Up= 25.67 kV pour ρ= 3000 Ω.m (région tropicale par exemple), pour d=30 m.
La courbe de la figure 2.2 donne la tension de pas en fonction de la distance pour une résistivité typique de 100 Ω.m.
Cette courbe qualifie bien la diminution de la tension de pas avec l’éloignement du point d’écoulement du courant à la terre. Dans notre cas, la tension de pas qui valait 398 kV à 1 m du point d’impact, tombe à 856 V à une distance de 30 m et à 312 V à 50 m [8].
Figure 2.2: Tension de pas en fonction de la distance
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 23 Cette tension cessera d’être dangereuse pour un être humain à 126 m du point d’impact. Tandis que pour une résistivité de 3000 Ω.m, cette distance sera de 690 m, dans un sol sec.
18.7. Mesure des résistivités des sols et des résistances des mises à la terre 18.7.1. Mesure des résistivités des sols
La direction des études et recherches d’Electricité de France a résumé les différentes méthodes qui ont été utilisées au fil du temps pour déterminer la résistivité d’un terrain .La méthode qui convient est celle de quatre électrodes décrite ci–dessous [4].
Figure 2.3: Schéma de mesure de la méthode de quatre électrodes.
Le champ électrique E au point O est déterminé en faisant le rapport entre la différence de potentiel ∆V, qui existe entre deux sondes de terre C et D disposées symétriquement par rapport à O et leur écartement ∆L (figure 2.3).
𝐸 = ∆𝑉
∆𝐿 (2.5)
La différence de potentiel ∆V peut être exprimée en fonction de la distance respective des points C et D par rapport aux courants -I et +I.
∆𝑉 = 𝑉𝑐 − 𝑉𝐷 =𝜌 𝑎 𝐼
2𝜋 [(1
𝐴𝐶̅̅̅̅− 1
𝐶𝐵̅̅̅̅) − ( 1
𝐴𝐷̅̅̅̅− 1
𝐷𝐵̅̅̅̅)] (2.6)
On en déduit la valeur de la résistivité apparente ρ des couches cumulées du sol sous le point O.
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 24 𝜌 = ( 1 2𝜋
𝐴𝐶̅̅̅̅ − 𝐶𝐵̅̅̅̅1 − 𝐴𝐷̅̅̅̅̅1 + 𝐷𝐵̅̅̅̅̅̅1 ) .∆𝑉
𝐼 (2.7)
C’est la formule générale utilisée pour la mesure de la résistivité apparente des sols, quelle que soit la longueur des segments, en négligeant l’enfoncement des piquets dans le sol. Le terme V/I est la résistance R qui est mesurée avec un telluromètre à quatre bornes dont le circuit voltmétrique est relié aux prises C et D et le circuit ampèremétrique aux prises A et B [4].
Dans le cas où le sol est homogène, la résistivité apparente est identique à la résistivité réelle [3].
18.7.2. Mesure des résistances des réseaux de terre
Le problème de la détermination de la résistance d’un réseau de terre est extrêmement complexe. A part les méthodes de calculs analytiques et numériques, il est nécessaire, dans la pratique, d’utiliser des électrodes auxiliaires d’une part pour injecter du courant dans la prise de terre étudiée et d’autre part pour mesurer l’élévation de potentiel de cette dernière [11].
C’est la méthode de chute de potentiel dont le schéma de principe est présenté à la figure 2.4 ci-dessous.
Figure 2.4: Méthode de chute de potentiel.
Un courant I est injecté entre les électrodes X et C et on mesure la différence de potentiel Ventre X et P.
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 25 Sous certaines conditions, la valeur du quotient V/I fournit la résistance de terre de l’électrode X. Grâce au déplacement des électrodes auxiliaires P et C, une vérification simple de résultat de mesure peut être effectuée. La méthode de chute de potentiel est la seule méthode de mesure de la résistance des mises à la terre à employer [11].
Pour éviter l’influence des courants telluriques et vagabonds existant naturellement dans le sol, la mesure s’effectue avec un courant alternatif dont la fréquence diffère de celle du réseau et de ses harmoniques. La plupart de telluromètres fonctionnent à une fréquence comprise entre 85 Hz et 135 Hz [15].
18.8. Les différentes configurations de mise à la terre
Il existe différentes configurations possibles pour effectuer la mise à la terre d’une installation : il existe par exemple les régimes TT, TN (C ou S) et IT. Ces lettres qui les composent désignent le régime de neutre.
La première lettre identifie la situation du neutre du côté du fournisseur [11] : - T : liaison directe du neutre à la terre.
- I : absence de liaison du neutre à la terre, neutre isolé ou liaison par l’intermédiaire d’une impédance.
La deuxième lettre désigne, elle, identifie la situation des masses du côté du client
- T : connexion directe des masses à la terre.
- N : connexion des masses au neutre.
Dans le cas d’un schéma TN, une troisième lettre est nécessaire : ce sont les lettres C ou S comme dans les schémas suivants :
- TNC : le neutre et conducteur de protection PEN sont confondus.
- TNS : le neutre et conducteur de protection PE sont séparés 18.8.1. La configuration TT
Ce régime de neutre est le plus simple à l’étude et à l’installation. C’est le schéma actuellement utilisé chez nous, en Bénin, et plus généralement en Europe pour la distribution [7].
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 26 Figure 2.5: Schéma de principe de la configuration TT
Imaginons à présent que le récepteur 2 soit en défaut et qu’un individu entre en contact avec la masse de ce récepteur (comme illustré sur le schéma ci-dessous).
Figure 2.6: Exemple d’un défaut sur une phase
Dans cet exemple, un courant de défaut circule dans la phase 3 du transformateur jusqu’au récepteur 2. Là, à cause du défaut d’isolement, il trouve deux chemins possibles : le corps humain et la carcasse métallique [8]. Il rejoint ensuite le transformateur par la terre pour fermer la boucle. Le schéma équivalent est le suivant :
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 27 Figure 2.7: Schéma équivalent de l’exemple du défaut sur une phase
Ce schéma illustre donc bien le fait que mettre l’installation à la terre n’est pas suffisante pour garantir la sécurité des personnes.
18.8.2. La configuration TN
Dans cette configuration, le neutre du transformateur est relié à la terre ; les masses métalliques sont reliées au neutre par l’intermédiaire du PE. C’est ce schéma qui est principalement utilisé dans les installations résidentielles aux Etats-Unis.
Figure 2.8: Schéma de principe de la configuration TN
Pour le régime de neutre TN, la création d’un défaut d’isolement au niveau d’un récepteur peut être assimilée à une liaison entre une phase et le neutre (court-circuit).
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 28 Il existe, comme énoncé précédemment, deux schémas d’installation possibles : les schémas TNC et TNS.
Figure 2.9: Les schémas TNC et TNS
On peut, à priori, se demander pourquoi il existe deux types de configurations pour le schéma TN. En effet, en regardant la figure ci-dessus, on constate aisément que le schéma TNC utilise moins de câbles et s’avère donc être moins coûteux. Cependant, en regardant plus attentivement, on remarque également que ce même schéma ne permet pas l’utilisation d’un dispositif différentiel. La raison en est simple, si on n’inclut pas le conducteur PEN (qui peut être parcouru par un courant) dans le DDR, il considérera ce courant comme un courant de défaut alors même qu’il n’y a pas de défaut [8].
A l’inverse, si on inclut le conducteur PEN dans le DDR, il ne déclenchera jamais, et ce, même en présence de défaut. Par conséquent, l’utilisation d’un schéma TNC nécessite l’emploi de simples disjoncteurs ou de fusibles.
18.8.3. La configuration IT
Dans cette configuration le neutre du transformateur est isolé de la terre. Elle présente donc des risques de surtension élevés. C’est pourquoi le neutre est souvent mis à la terre à travers une forte impédance. Ce type de schéma n’est donc possible que dans les installations alimentées par un poste de transformation privé. Il est
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 29 principalement utilisé dans les installations pour lesquelles la continuité du service est primordiale (hôpitaux, etc.).
Figure 2.10: Schéma de principe de la configuration IT
Aucune installation ne possède cependant un niveau d’isolation parfait. Il existe toujours entre les câbles conducteurs et la terre une impédance de fuite qui n’est pas infinie.
18.9. Comparaison des différentes configurations 18.9.1. Caractéristiques techniques
La comparaison des trois principaux types de schémas porte sur cinq caractéristiques essentielles d’un système de mise à la terre [3]. Ce sont :
- la sécurité : en cas de défaut, ce critère tient compte des risques encourus par les utilisateurs mais aussi des risques liés aux incendies et aux explosions. Ainsi, pour la sécurité des personnes, tous les systèmes présentent plus ou moins les mêmes garanties (sauf peut-être le schéma IT en cas de deux défauts). Pour les risques d’explosion ou d’incendies, le danger est lié à la valeur des courants de défaut (la chaleur dissipée étant proportionnelle à 𝐼𝑑2). Pour un seul défaut, le schéma IT présente donc peu de risque. A l’inverse, le schéma TN qui développe des courants de défaut de l’ordre du kA est à proscrire dans les environnements qui présentent des dangers d’explosion ou d’incendie ;
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 30 - la disponibilité : le but de l’installation électrique est bien sûr d’alimenter le bâtiment. Le critère de disponibilité traduit donc dans quelle mesure la puissance électrique reste disponible en cas de défaut.
Pour ce critère, c’est évidemment le schéma IT qui l’emporte puisqu’il a été conçu dans ce but ;
- la maintenance : ce critère présente deux aspects. Il prend en compte la facilité à trouver le défaut ainsi que son aisance à le réparer. On constate aussi qu’il est rapide d’identifier le défaut pour le TN mais que le temps de réparation est souvent long. A l’inverse, le IT permet des réparations plus rapides et moins coûteuses mais la détection du défaut y est parfois plus difficile. Dans les installations non domestiques utilisant le schéma IT, il est toutefois possible de mettre sur pied un système exploitation permettant d’améliorer efficacement la maintenance. Le TT reste quant à lui un bon compromis ;
- la fiabilité : elle traduit la stabilité du circuit face aux perturbations.
La fiabilité est excellente pour le TT ;
- les perturbations : ce critère détermine dans quelle mesure l’installation émet ou véhicule des perturbations pour les dispositifs qu’elle alimente.
Les perturbations sont de deux types. La première source de perturbation est celle induite par rayonnement électromagnétique et est donc d’autant plus faible que les courants de défauts sont petits. La seconde, elle, est due à la non-équipotentialité du conducteur PE utilisé comme potentiel de référence pour les systèmes électroniques. Cette dernière perturbation est surtout gênante pour le schéma TNC de par la présence d’harmoniques d’ordre 3 et multiples de 3 en plus du courant de neutre.
En plus de ces caractéristiques techniques, il est également intéressant de comparer les différences en termes de coût de chacune de ces installations.
Alors que le coût de l’installation croît respectivement suivant la configuration TN, IT et TT, le coût de la maintenance associé est lui respectivement décroissant si bien que si l’on considère le coût global lié à ces trois installations (installation et entretien) sur une période de 10 à 20 ans, on aboutit à des montants équivalents [7].
Mémoire d’Ingénieur de conception en GE-EE/réalisé par Sèwanou David ABO Page 31 18.10. Normes de mise à la terre
Les résistances des mises à la terre doivent avoir des valeurs maximales bien déterminées pour pouvoir remplir correctement leur mission de protéger les personnes et les matériels dans un système électroénergétique. Dans ce paragraphe, nous rappelons brièvement les normes de mise à la terre tant du point de vue de la sécurité des personnes que de celle des équipements. La situation est analysée par schéma de liaison à la terre.
18.10.1. Normes relatives à la sécurité des personnes
La norme 60479-1 de la Commission Electrotechnique Internationale (CEI) illustre les effets du courant électrique sur le corps humain et les animaux. Les courbes les plus importantes sont données en annexe. La même norme définit une tension de sécurité (tension de contact maximale admissible pendant au moins 5 s), elle est appelée tension limite conventionnelle 𝑈𝐿, valant 50 V pour les locaux secs et humides et 25 V pour les locaux mouillés) [3].
a) Le schéma de liaison à la terre TT
Soit un défaut d’isolement entre une phase BT et la terre. Le schéma de la figure suivante illustre ce cas.
Figure 2.11: Défaut d’isolement dans schéma de liaison à la terre TT
En rapport avec la norme CEI 60364-4, les dispositifs de protection [disjoncteur, fusible, dispositif différentiel à courant résiduel (DDR)] doivent être coordonnés avec le système de mise à la terre dans le but de déconnecter la charge si
