En vue de l'obtention du diplôme :
Master 2
Option : Électrotechnique
Spécialité :
Réseaux Électriques
Présenté et soutenu par : MEKHALFIA Fayessal
Dirigé par :
Dr. Senaa KAOUCHE
2019-2020
Modélisation Electromagnétique Transitoire d’un Pylône THT muni de sa Prise de Terre.
Titre :
Délivré par :
Université Mohamed Seddik Ben Yahia - Jijel -
Remerciements
J
e remercie tout d’abord « ALLAH » de m’avoir donné le courage d’entamer et de finir ce mémoire dans de bonnes conditions.Je remercie vivement mon encadreur, Senaa KAOUCHE, d’avoir encadré ce travail avec beaucoup de compétence.
Merci pour votre indéfectible disponibilité, votre rigueur scientifique et la confiance que m’avez accordée au cours de l’élaboration de ce mémoire ; Merci pour votre
l’acuité de vos conseils éclairés.
Je remercie également les membres du jury d’avoir accepté d’évaluer ce travail.
Mes remerciements vont également au professeur B. NEKHOUL pour ses précieux conseils et ses solides compétences en électrotechnique et pour les efforts consentis
afin de nous assurer de meilleures conditions de travail.
Je remercie tous mes collègues et mes enseignants au sein de l’équipe
« Réseaux Électriques » :
B. HARRAT, B. KHELIFI, M. MELIT et N. BOUDJERDA.
Dédicaces
J
e dédié ce modeste travail :À toute ma famille particulièrement mes chers Parents À tous ceux qui me sont chères.
À tous ceux qui m'aiment.
À tous ceux que j'aime.
À vous cher lecteur.
Sommaire
Sommaire
Introduction Générale ... 1
Chapitre 1 Généralités Introduction ... 5
1. Organisation des réseaux électriques ... 6
1.1. Rôle ... 6
1.2. Principaux équipements du réseau électrique... 6
1.2.1. Avantages et inconvénients respectifs des lignes aériennes et souterraines.... 8
1.2.1.1. Lignes aériennes ... 8
1.2.1.2. Câbles souterrains ... 9
2. Les lignes électriques aériennes ... 10
2.1. Les composants d’une ligne électrique ... 10
2.2. Dimensionnement d’une ligne électrique ... 13
2.2.1. Dimensionnement géométrique ... 13
2.2.1.1. Distances d’isolement ... 13
2.2.2. Dimensionnement électrique ... 14
3. Quelques généralités sur les supports des lignes aériennes ... 15
3.1. Différentes dispositions des conducteurs ... 16
3.1.1. Armement en triangle ... 16
3.1.2. Armement en drapeau... 17
3.1.3. Armement en nappe ... 18
3.2. L’isolateur ... 19
3.2.1. Isolateur pour pylône ... 20
3.2.2. Vieillissement des isolateurs ... 21
3.2.2.1. La perforation ... 21
3.2.2.2. Le contournement ... 22
3.2.3. Isolateur avec cornes d’amorçage (éclateurs) ... 23
3.3. Prises de terre des pylônes de RTE (Réseau de Transport d’Energie) ... 23
4. Impact direct de la foudre sur le réseau électrique ... 24
4.1. Le générateur de courant onde de foudre... 24
4.2. Transitoires EM de foudre : danger pour la continuité du service ... 26
4.3. Coup de foudre direct sur une ligne de transport d’énergie... 27
4.4. Impact direct sur le pylône ou le câble de garde ... 29
4.4.1. Rôle et positionnement du câble de garde ... 29
4.4.2. Surtension sur le câble de garde ... 31
5. Notre problématique ... 31
Références chapitre 1 ... 33
Chapitre 2 Modélisation de l’Impact Direct de Foudre sur un Pylône par les Lignes de Transmission Introduction ... 34
1. Surtensions et coordination des isolements ... 35
1.1. Surtensions ... 35
1.1.1. Origine des surtensions ... 35
1.1.2. Conséquences des surtensions ... 35
1.2. Coordinations des isolements ... 36
1.2.1. Isolements, isolations et catégories des contraintes de tension... 36
1.2.1.1. Différents isolements et types d’isolation ... 36
1.2.2. Coordinations des isolements des réseaux électriques ... 37
2. Modélisation des transitoires de foudre dans le réseau électrique ... 38
2.1. Méthodes de modélisation ... 39
2.1.1. Méthodes en interaction locale (méthodes finies) ... 39
2.1.2. Méthodes en interaction globale (méthodes intégrales) ... 40
2.1.3. Modélisation de l’interaction onde de foudre-réseau électrique ... 40
3. Concept des lignes de transmission... 41
3.1. Equations des lignes de transmission ... 41
3.1.1. Solutions pour les lignes à deux conducteurs (bifilaires) ... 43
3.1.2. Quadripôle équivalent (2 ports) à une ligne bifilaire ... 45
4. Modélisation d’un réseau de lignes de transmission ... 46
4.1. Rappel sur quelques formalismes de C. R. Paul ... 46
4.1.1. Formalisme par matrice admittance ... 48
4.1.2. Formalisme par matrice impédance ... 50
4.2. Le formalisme EM topologique : le formalisme « [A][X] = [B] »... 51
4.2.1. Fondement du formalisme ... 51
4.2.2. Construction du système matriciel [A][X] = [B] ... 52
4.2.2.1. Construction de la sous matrice des tubes [𝐴1] ... 52
4.2.2.2. Construction de la sous matrice des nœuds [𝐴2] ... 53
4.2.2.3. Construction du sous vecteur [𝐵1] ... 53
4.2.2.4. Construction du sous vecteur [𝐵2] ... 54
4.2.2.5. Les éléments du vecteur des inconnus [𝑋] ... 54
4.2.2.6. Exemple sur les conditions aux noeuds d’un pylône ... 54
5. Les modèles du pylône électrique... 55
5.1. Modèle du pylône en ligne monophasée verticale sans pertes ... 56
5.2. Modèle du pylône multiconducteur (en ligne verticale multiconducteurs) ... 56
5.3. Modèles du pylône à étages multiples ... 57
5.4. Modèle du pylône impliqué : Le modèle complet ... 57
5.4.1. Modélisation améliorée par la théorie des lignes ... 57
5.4.1.1. Modèle électromagnétique du pylône ... 57
5.4.1.2. Modélisation du pylône par la théorie des lignes ... 58
6. Calcul des paramètres linéiques du pylône ... 59
6.1. L’impédance et l’admittance linéiques des segments verticaux du pylône ... 59
6.1.1. Approche de Gutierrez et all ... 59
6.1.2. Approche d’Ametani et all ... 62
6.2. L’impédance et l’admittance linéiques des bras horizontaux ... 64
6.3. Paramètres linéiques des mises à la terre des pylônes ... 66
6.3.1. Electrode horizontale ... 66
6.3.2. Electrode enterrée verticalement ... 67
7. Dépendance fréquentielle des paramètres électriques du sol ... 68
7.1. Modèle de Longmire et Smith... 69
7.2. Modèle de Messier ... 70
7.3. Modèle de Portela ... 71
7.4. Modèle de Visacro et Alipio ... 71
Conclusion ... 73
Références chapitre 2 ... 74
Chapitre 3 Applications Introduction ... 76
1. Validation du formalisme topologique [𝐀][𝐗] = [𝐁] en fréquentiel ... 77
1.1. Validation avec le Logiciel « Numerical Electromagnetics Code (NEC-4) » ... 77
1.2. Validation avec le formalisme topologique en temporel ... 80
2. Applications ... 85
2.1. Effets de la géométrie de la prise de terre ... 85
2.2. Grille de mise la terre ... 89
2.3. Dépendance fréquentielle des caractéristiques physiques électriques du sol ... 92
2.4. Efficacité d’une prise de terre en fonction de la teneur en eau du sol ... 97
Conclusion ... 99
Références chapitre 3 ... 100
Conclusion Générale ... 101
Introduction Générale
1 | P a g e
Introduction Générale
’impact direct de la foudre sur les pylônes de lignes de transport d’énergie ou les conducteurs aériens est l'une des principales causes de panne des systèmes électriques (réseaux électriques). Au Canada, sept des douze pannes de courant majeures survenues en 2019 seraient dues à un coup de foudre sur les lignes électriques [IG-1]. De telles pannes peuvent affecter la vie de millions de personnes pendant plusieurs jours, voire plusieurs semaines, et coûtes extrêmement chers aux entreprises de services publics.
Les réseaux de lignes de transport d'électricité, en raison de leurs vastes dimensions physiques, sont les composants les plus critiques d'un système électrique complexe du point de vue de la fiabilité par rapport à l’impact direct de la foudre (problématique des transitoires électromagnétiques de foudre). Les pannes dues à un coup de foudre sont causées par trois mécanismes différents : flashover, midspan-flashover et back-flashover.
Le premier type se produit lorsque la foudre frappe directement les conducteurs de phase en raison de l'absence de câble de garde. Un flashover à mi-portée (midspanflashover) se produit lorsqu'un éclair frappe les câbles de garde et que la distance entre ces derniers et les conducteurs de phase n'est pas suffisante pour empêcher un flashover. D'un autre côté, lorsqu'un coup de foudre frappe directement le sommet d'un pylône ou les fils de terre, alors des ondes de surtension sont générées et traversent la structure métallique (pylône) qui a été touchée et par conséquent un contournement des isolateurs se produit si le champ électrique à travers la chaîne d'isolateurs dépasse la rigidité diélectrique de l'air.
Ce phénomène est appelé back-flashover et est la principale cause de coupures pour les lignes de tensions inférieures à 500 kV [IG-2].
Bien que les caractéristiques du système de mise à la terre de la ligne de transmission ne soient pratiquement pas suffisantes lors d’un flashover ou d’un midspan-flashover, elles jouent un rôle fondamental dans l'atténuation du backflashover [IG-3]. En effet lors d’un impact direct sur un pylône, si la mise à la terre est bien dimensionnée, elle va permettre
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2 | P a g e d’éviter une forte augmentation du potentiel de la terre (GPR : Ground Power Rise) qui est l’origine du backflasover.
Pour prévenir ce type d’incidents et minimiser la durée des pannes, le transporteur de l’énergie doit garantir particulièrement un bon dimensionnement du circuit de terre. Il existe trois approches pour la spécification d'un système de mise à la terre : expérimentale, analytique ou bien numérique.
Les mesures sont effectuées en utilisant la méthode de la chute de potentiel. Cette méthode est basée sur le passage d'un courant dans un système de mise à la terre utilisant une sonde de courant auxiliaire puis mesurant la tension entre l'électrode de masse et une sonde de potentiel. Bien que les essais expérimentaux soient nécessaires, il s’avère qu’ils ne peuvent garantir une réponse fiable sachant surtout le caractère inhomogène des sols (stratification et fortes variations des résistivités).
Pour compléter l’analyse de cette problématique de connaissance du comportement transitoire d’une mise à la terre, les ingénieurs de recherche de ce domaine, font appel à la modélisation. En modélisation des transitoires électromagnétiques, nous rencontrons les modèles basés sur les circuits, sur les équations des lignes de transmission et ceux sur la résolution numérique des équations de Maxwell [IG-4]. Les approches des circuits et les lignes de transmission sont basées sur une approximation quasi-statique, ce qui limite leur validité, surtout pour les circuits, en hautes fréquences. La solution numérique des équations de Maxwell [IG-4] est basée sur la méthode des éléments finis (FEM), la méthode des moments (MOM), la méthode des différences finies en temporel (FDTD) ou les circuits électriques partiels équivalents (PEEC). La résolution numérique des équations de Maxwell (formalisme pleine onde) est la procédure de modélisation la plus rigoureuse et la plus précise sur une large gamme de fréquence [IG-4].
Notre travail de Projet de Fin d’Etudes, consiste à modéliser le comportement transitoire d’un pylône électrique équipé de sa mise à la terre lors d’un impact direct de foudre. Dans notre travail, nous nous intéressons tout particulièrement au Ground Power Rise « GPR ».
Une modélisation transitoire électromagnétique précise de la décharge de foudre à travers un pylône équipé de sa prise de terre, considéré comme un système électrique
3 | P a g e complexe 3D, nécessite la prise en compte des détails et des dimensions géométriques du pylône et de la prise de terre, des frontières ouvertes (air et sol), de l’inhomogénéité introduite par le sol (une partie de la structure électrique est aérienne et l’autre souterraine),…etc.
Dans notre travail, après analyse de notre dispositif (structure métallique de nature filiforme avec d’importantes dimensions géométriques), nous avons optés pour l’utilisation du formalisme topologique électromagnétique en fréquentiel [IG-5] ; ce formalisme élaboré à partir de la solution générale des lignes de transmission et des lois de Kirchhoff, est plus simple dans son implémentation et va nous permettre de tenir compte de l’effet de la fréquence sur les caractéristiques électriques du sol et donc sur le GPR.
Ce mémoire est divisé en 3 chapitres. Le premier nous le consacrons aux généralités afin de familiariser le lecteur avec notre travail ; nous donnons un bref exposé sur les réseaux électriques, lignes électriques, pylônes, isolateurs, phénomène de foudre, protection contre les incidents, …etc. Dans le deuxième chapitre après un bref aperçu sur les surtensions et transitoires électromagnétiques de foudre, nous abordons l’aspect modélisation en rappelant les approches les plus rencontrées dans la littérature. Dans ce même chapitre, après une introduction à la théorie générale des lignes de transmission et aux travaux de C. R. Paul [IG-6], nous développons les différentes étapes nécessaires à la compréhension théorique et l’implémentation du formalisme topologique électromagnétique ; enfin de ce chapitre, nous présentons quelques modèles (expressions) pour la prise en compte de la variation des caractéristiques électriques (conductivité et permittivité) du sol.
Le troisième chapitre nous le consacrons aux validations et applications ; après une validation de notre modélisation par confrontation de nos résultats à ceux obtenus par la méthode des moments (MoM), nous proposons plusieurs applications pour mettre en évidence l’effet de la géométrie de la prise de terre ainsi que celle de la fréquence sur le GPR.
Nous terminons ce mémoire par une conclusion générale et des perspectives.
4 | P a g e
Références Bibliographiques – Introduction Générale
[IG-1] «List of major power outages», https://en.wikipedia.org/wiki/List of major power- outages.
[IG-2] F. H. Silveira, S. Visacro, A. De Conti, and C. R. De Mesquita, « Backflashovers of Transmission Lines Due to Subsequent Lightning Strokes », IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 54, N°. 2, pp. 316-322, Avril 2012.
[IG-3] S. Visacro, « Direct strokes to transmission lines: Considerations on the mechanisms of overvoltage formation and their influence on the lightning performance of lines », J.
Lightning Res., vol. 1, pp. 60-68, 2007.
[IG-4] Y. Baba and all, « Guideline for Numerical Electromagnetic Analysis Method and its Application to Surge Phenomena », CIGRE - Working Group C4.501, June 2013.
[IG-5] S. KAOUCHE, « Analyse de Défauts dans un Réseau de Lignes ou de câbles », Thèse de Doctorat, Université de Jijel, juin 2007.
[IG-6] C. R. PAUL, «Analysis of Multiconductor Transmission Lines », John Wiley & Sons, Inc., New York, 1994.
Chapitre 1
Généralités
5 | P a g e
Introduction
a foudre est un phénomène atmosphérique qui constitue une des contraintes majeures pour les réseaux aériens de transport de l'énergie électrique. En fait, il est connu qu'un coup de foudre tombant sur les conducteurs de phase d'une ligne aérienne, son câble de garde ou le pylône entraîne presque toujours un défaut, qui, bien que fugitif, entraîne le déclenchement de la ligne. Il est aussi connu qu'il est possible de réduire le nombre de défauts par un aménagement convenable de lignes et des équipements composant les réseaux, au moyen de l'installation de câbles de garde et d'équipements de protection tel que les parafoudres ou les éclateurs, ainsi que par une réduction des résistances de mise à la terre des pylônes. Cependant, ces techniques sont restées empiriques jusqu'à ce que le développement de nouvelles connaissances portant sur le mécanisme d'impact de la foudre aient permis, récemment, d'obtenir de sensibles améliorations.
L’objectif de notre projet de fin d’études de master en électrotechnique (option : Réseaux Électriques) est d’étudier par modélisation le comportement transitoire d’un pylône équipé de sa mise à la terre et supportant une ligne de transport d’énergie lors d’un impact de foudre. Pour introduire notre travail, nous proposons dans ce premier chapitre quelques généralités. Après un très court aperçu sur le réseau électrique, nous donnons en premier un exposé détaillé sur les principaux composants des lignes de transport d’énergie (conducteurs de phase, pylône, câble de garde et isolateur). Pour introduire notre problématique, nous introduisons le phénomène de foudre et ses conséquences (dégradation et dysfonctionnement) sur le fonctionnement du réseau électrique. En fin de ce chapitre nous proposons un paragraphe où nous posons notre problématique.
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6 | P a g e
1. Organisation des réseaux électriques 1.1. Rôle
Les réseaux électriques [1-1] sont les infrastructures qui permettent d’acheminer l’énergie électrique des installations de production jusqu’aux installations de consommation. Les réseaux utilisent le courant alternatif triphasé sinusoïdal à la fréquence de 50 Hz (60Hz). Le réseau électrique est exploité à différents niveaux de tension et organisé en fonction de ces derniers (figure 1.1).
Figure 1.1. Schéma de l’organisation des réseaux électriques en fonction de leur tension.
Les réseaux de transport et d’interconnexion à très haute tension (THT) assurent la liaison entre les centres de production et les grandes zones de consommation. Ils permettent d’acheminer, là où elle est consommée, l’énergie la moins chère possible à un instant donné. Par ailleurs, le maillage du réseau contribue à la sécurité d’alimentation et permet de faire face, dans des conditions économiques satisfaisantes, aux aléas locaux ou conjoncturels qui peuvent affecter l’exploitation (indisponibilité d’ouvrage, aléas de consommation, incidents…).
1.2. Principaux équipements du réseau électrique
Le réseau électrique est constitué de lignes électriques (figure 1.2) exploitées à différents niveaux de tension [1-1], connectées entre elles dans des postes électriques
7 | P a g e (figure 1.3). Les postes électriques permettent de répartir l'électricité et de la faire passer d'une tension à l'autre grâce aux transformateurs.
Un réseau électrique doit aussi assurer la gestion dynamique de l'ensemble production - transport - consommation, mettant en œuvre des réglages ayant pour but d'assurer la stabilité de l'ensemble.
Les réseaux THT contribuent donc de façon déterminante au maintien de l’équilibre entre la demande et l’offre, ainsi qu’à la sécurité d’alimentation et à l’économie de l’exploitation.
Figure 1.2. Lignes électriques THT.
Les lignes assurent la continuité électrique entre deux nœuds du réseau et peuvent être classées selon les types suivants :
- lignes de grand transport : entre un centre de production et un centre de consommation ou un grand poste d’interconnexion ;
- lignes d’interconnexion : entre plusieurs régions ou plusieurs pays (secours mutuel) ; - lignes de répartition : entre grands postes et petits postes ou gros clients nationaux ;
8 | P a g e - lignes de distribution : vers les consommateurs BT.
Figure 1.3. Poste électrique aérien.
Les différentes classes de tension en courant alternatif sont définie, de la manière décrite dans le tableau 1.1 (unités : Volts), [1-1].
Tableau 1.1. Classification des niveaux de tension.
Notons que deux types de lignes électriques sont utilisés généralement :
Lignes aériennes (transport et répartition) ;
Lignes souterraines (distribution et traversée de cours d’eau).
1.2.1. Avantages et inconvénients respectifs des lignes aériennes et souterraines 1.2.1.1. Lignes aériennes
Avantages :
9 | P a g e 1. Sont moins coûteuses que les lignes souterraines au point de vue des frais d'installation et de réparation ;
2. Permettent une surveillance aisée de leur état et un repérage facile des accidents et défauts ;
3. Peuvent être réparées très rapidement en cas d'accident ou de défaut ; l’indisponibilité aléatoire moyenne par 100 km est de 2h/an pour une ligne aérienne et de 35 h/an pour un câble souterrain à 150 kV ;
4. Peuvent être surchargées en intensité de courant sans trop de danger.
Inconvénients :
1. Sont exposées aux surtensions d'origine atmosphérique ;
2. Leur installation donne lieu à de difficiles discussions avec les propriétaires des terrains surplombés ;
3. Soulèvent des problèmes d'esthétique et de respect des sites ;
4. Sont susceptibles d'induire des forces électromotrices perturbatrices ou dangereuses dans les circuits de télécommunication ;
5. Sont susceptibles de produire des perturbations radioélectriques gênant les réceptions de radiodiffusion et de télévision ;
6. La rupture de leurs conducteurs est susceptible de présenter des dangers pour les personnes, les animaux et les choses ;
7. Selon certains, les champs électriques et magnétiques peuvent exercer une influence néfaste sur la santé.
1.2.1.2. Câbles souterrains
Avantages :
1. Constituent la seule solution possible dans les agglomérations denses ; 2. Sont soustraites aux surtensions d'origine atmosphérique ;
3. Ne causent par d'interférences avec les circuits de télécommunications ;
4. Ne produisent aucune gêne pour les réceptions de radiodiffusion et télévision ; 5. Seule solution possible pour traverser de larges fleuves ou des bras de mer lorsque la distance à franchir dépasse 3 km.
10 | P a g e
Inconvénients :
1. Sont d'un coût beaucoup plus élevé que celui des lignes aériennes. La différence est d'autant plus grande que la tension est plus élevée ;
2. Le repérage des défauts y est délicat et lent ; 3. Les réparations sont coûteuses ;
4. Leurs armures et gaines doivent être protégées contre les effets de corrosion dus aux courants vagabonds ;
5. Risquent d'être détériorés en cas de mouvements de terrains (particulièrement à craindre dans les régions minières) ;
6. Leur isolement est susceptible d'être détérioré par élévation de température des conducteurs en cas de surcharge.
Ce listing des avantages et inconvénients des deux types de lignes électriques, donne l’avantage aux lignes électriques aériennes dans la mesure que le coût à la pose et à la réparation des pannes est très largement moindre.
2. Les lignes électriques aériennes 2.1. Les composants d’une ligne électrique
Les principaux composants des lignes aériennes sont [1-2] : - Les conducteurs (Phases + câble(s) de garde) ;
- Les isolateurs ;
- Les supports (poteaux, pylônes…) ; - Les fondations ;
- Autres accessoires (pinces de suspension, jonctions de connecteurs, amortisseurs dynamiques,…).
Les conducteurs sont des câbles constitués de brins toronnés de cuivre ou d'aluminium ou d'alliages spéciaux d'aluminium à haute résistance mécanique (figure 1.4).
11 | P a g e Figure 1.4. Conducteur de phase en brins toronnés.
Afin de diminuer, ou carrément supprimer, l’effet Couronne, le conducteur d’une phase peut être réalisé en faisceau double, triple ou quadruple de conducteurs maintenus à distance par des entretoises (figure 1.5).
Figure 1.5. Conducteur de phase en faisceau.
Les isolateurs, en porcelaine ou en verre, se présentent sous deux formes : isolateurs rigides (ou à tiges) utilisés jusqu'aux tensions de 15 kV et les isolateurs de suspension composés généralement de plusieurs éléments accrochés les uns aux autres. Ces derniers sont employés jusqu’aux tensions les plus élevées (chaînes d'isolateurs).
Un pylône électrique est un support vertical (figure 1.6) portant les conducteurs d'une ligne à haute tension. Le plus souvent métallique, il est conçu pour supporter un
12 | P a g e ou plusieurs câbles aériens et résister aux aléas météorologiques et sismiques (foudre y compris), aux vibrations des câbles et/ou du pylône.
Figure 1.6. Pylônes électriques.
Pour les réseaux de transport THT, la hauteur des pylônes, (tableau 1.2), nécessaire parfois pour des raions techniques, expose le réseau électrique et son environnement à des risques d’incidents majeurs qui altérent fortement la qualité de l’énergie électrique (coupures, surtensions, ….) [1-2].
Pays Caractéristiques du pylône
Monde Pylône près de Jiangyin (Chine), Yangtze River Crossing, 346 mètres (plus haut que la tour Eiffel).
Europe Pylônes d'une ligne 380kV sur l'Elbe près de Stade (Allemagne) Elbe Crossing 222,7 mètres.
Canada Pylône d'Hydro-Québec à 735 kV à Sorel-Tracy 174,6 mètres.
France Près de Bordeaux traversant la Garonne, 118 mètres.
Près de Nantes traversant la Loire, 116 mètres.
Belgique À Tamise deux pylônes treillis de 127 mètres pour faire traverser l'Escaut à une ligne de 380 KV (Spie Batignolles 1970-71).
Tableau 1.2. Pylônes électriques les plus hauts.
13 | P a g e 2.2. Dimensionnement d’une ligne électrique
La prise en compte de l’environnement climatique, malgré le perfectionnement des études météorologiques et des statistiques, est toujours la préoccupation majeure des constructeurs de ligne. Par suite des nombreux usages actuels de l’électricité, souvent incompatibles avec des interruptions longues d’alimentation, les lignes doivent, en effet, assurer la desserte électrique dans les conditions météorologiques les plus sévères [1-2].
Dans ce domaine, les directives de construction ont fait l’objet de nombreuses études et constituent un ensemble cohérent confirmé par le retour d’expérience. Une autre préoccupation, plus récente, est la qualité du service. La réduction du nombre de défauts fugitifs provoqués par la foudre et affectant les lignes est possible. On sait que ceux-ci engendrent des perturbations très gênantes pour les utilisateurs industriels.
2.2.1. Dimensionnement géométrique 2.2.1.1. Distances d’isolement
Une ligne aérienne est caractérisée par sa tension entre phases. Cette tension définit l’isolement de la ligne qui est obtenu en maintenant, en toutes circonstances, entre les conducteurs et les objets au potentiel de la terre et entre les conducteurs eux-mêmes des intervalles d’air de longueur suffisante.
Ces intervalles sont soumis en permanence à la tension de la ligne, mais ils subissent également des contraintes exceptionnelles, les plus gênantes étant les surtensions provoquées par la foudre [1-2]. Ils peuvent, de surcroît, varier en fonction des conditions climatiques (température ambiante, vitesse du vent, surcharge de givre ou de neige) ou sous l’effet d’efforts électrodynamiques provoqués par un défaut. La détermination de l’isolement d’une ligne est donc complexe et intègre :
- distances verticales au-dessus du sol des constructions et des voies de circulation ; - distances aux obstacles latéraux ;
- distances aux autres lignes aériennes.
Le maître d’œuvre doit choisir d’autres distances intervenant dans le fonctionnement de la ligne ou dans sa qualité de service ; par exemple les distances entre phases ou entre
14 | P a g e conducteurs et masse des supports. Certaines distances minimales sont, de surcroît, imposées par les travaux d’entretien.
2.2.2. Dimensionnement électrique
Le dimensionnement électrique doit tenir compte de ce qui suit [1-2] :
• Échauffement des conducteurs et courants admissibles ;
• Effet couronne : l’effet couronne est caractérisé par des effluves et des aigrettes apparaissant autour des conducteurs d’une ligne à très haute tension. L’intensité du phénomène dépend :
o du champ électrique superficiel au niveau des conducteurs ; o des conditions atmosphériques ;
o de l’état de surface des conducteurs.
• Qualité de service et défauts affectant les lignes aériennes : parmi les défauts fugitifs produisant des coupures brèves et des creux de tension dans les réseaux, ceux provoqués par la foudre et la pollution sont directement liés au dimensionnement électrique des lignes ;
• Tenue des lignes aux courants de court-circuit (lignes THT et HT) : les courants de court–circuit sont importants dans les réseaux à haute tension HTB et interviennent dans le dimensionnement des lignes. Les éléments suivants subissent des contraintes :
o les chaînes d’isolateurs et les pièces d’équipement en cas de contournement sont soumis à l’effet de l’arc électrique, d’autant plus destructeur que l’intensité du courant de court–circuit est plus élevée ;
o les conducteurs, les câbles de garde, les mises à la terre et tous les matériels de connexion sont parcourus, en cas de défaut, par les courants de court-circuit et subissent des échauffements ;
o enfin, les conducteurs sont soumis à des efforts électrodynamiques ; certains matériels, telles les entretoises équipant les lignes à 400 kV, doivent supporter des efforts importants.
15 | P a g e
• Mise à la terre des supports : les pylônes métalliques des lignes à haute tension sont obligatoirement mis à la terre. Les prises de terre sont réalisées par des cadres métalliques ou des fils métalliques, placés au fond des fouilles et autour des cheminées des massifs, ou encore par des piquets métalliques de plusieurs mètres enfoncés dans le sol. La section minimale des fils métalliques est égale à 50 mm2. Les prises de terre des lignes HTB sont réalisées avec des fils en acier doux (fils Armco), en fil d’acier gainé de cuivre (fils Cooperweld) ou en cuivre. Les quatre pieds des pylônes métalliques sont équipés de prises de terre et les résistances qui en résultent pour les supports sont généralement comprises entre 7 et 10 Ω dans les sols meubles et humides (argiles, marnes, tourbe). Dans les sables et graviers ou dans les sols rocheux, il est nécessaire, pour se rapprocher des valeurs précédentes, de procéder à des améliorations constituées par des boucles métalliques disposées en surface ou par des piquets atteignant les couches profondes.
Remarque :
Dans notre travail de projet de fin d’études de master, nous traitons le problème de foudroiement d’un pylône électrique équipé d’une ligne THT, qui concerne le dimensionnement électrique d’une ligne plus particulièrement le circuit de terre des pylônes et les isolateurs de support des conducteurs de phases. Pour familiariser le lecteur avec notre problématique, nous donnons quelques détails sur la technologie des pylônes, des isolateurs et des circuits de terre dans ce qui va suivre.
3. Quelques généralités sur les supports des lignes aériennes
Les supports en général, les pylônes et les poteaux en particulier sont des maillons nécessaires à la constitution des lignes aériennes de transport et de distribution de l’électricité.
De forme et d’importance très variées, les supports peuvent aller des simples poteaux en bois ou en béton, d’une douzaine de mètres en hauteur, aux pylônes treillis d’acier, de plus de 50 m de hauteur et ayant une masse pouvant atteindre, voire dépasser 100 tonnes [1-3].
16 | P a g e Les supports sont définis en fonction des contraintes mécaniques principalement créées par les conducteurs qu’ils supportent et en fonction des contraintes d’isolement électrique.
3.1. Différentes dispositions des conducteurs
La silhouette des supports et leurs dimensions en largeur se trouvent déterminées par la disposition des conducteurs, compte tenu des distances minimales à respecter entre conducteurs et masse et entre les conducteurs eux-mêmes [1-3].
Les différentes dispositions des conducteurs (ou armements de la ligne) ainsi que les avantages et inconvénients de ces principaux modes d’armement sont donnés ci-après.
3.1.1. Armement en triangle
La figure 1.7 en donne quelques exemples. Cet armement exige des dimensions transversales réduites, donc permet d’obtenir assez facilement une bonne tenue du support aux efforts de torsion, mais la hauteur est nécessairement élevée.
Pour éviter le télescopage des deux conducteurs situés du même côté du support, en cas d’oscillations verticales résultant de détente après rupture ou de charges dissymétriques de givre, on dispose généralement ces deux conducteurs dans deux plans verticaux suffisamment distants (figure 1.7.a, c et d).
La disposition en triangle symétrique par rapport à l’axe du support (armement en chapeau de gendarme - figure 1.7.b -) réduit le plus possible les inconvénients précités, mais n’est commodément réalisable que pour les lignes à tension assez basse, à isolateurs rigides, l’un des conducteurs étant attaché à un isolateur placé en tête de support. Pour les lignes à haute tension, ce type d’armement, fréquemment utilisé en Amérique du Nord, est réalisé à l’aide d’isolateurs rigides en porcelaine et, souvent, en matériaux synthétiques.
17 | P a g e Figure 1.7. Armements en triangle.
3.1.2. Armement en drapeau
Il est peu fréquent pour les lignes HTB à un seul circuit (sauf pour certains angles), mais assez habituel pour les lignes HTA et BT (figure 1.8.a). En HTB, cette disposition est utilisée pour les lignes à deux circuits (figure 1.8.b et c).
Cet armement présente les défauts de l’armement en triangle, mais cette disposition est pratiquement imposée pour un grand nombre de lignes, notamment en HTB, lorsque l’encombrement en projection horizontale est limité (zones fortement urbanisées, en traversées de forêts) [1-3].
18 | P a g e Figure 1.8. Armements en drapeau.
Dans les zones fortement givrées, les contacts entre phases sont plus fréquents (charges de givre différentes sur les conducteurs, décharge de givre). Une solution, lorsque l’on ne peut éviter ce type d’armement, est l’emploi d’espaceurs isolés entre phases, techniques de plus en plus utilisées en 63 et 90 kV. Ces espaceurs, placés en milieu de portée, sont du même type qu’un isolateur composite. Leur légèreté est un atout supplémentaire.
3.1.3. Armement en nappe
Il est d’usage fréquent pour les lignes HTA et HTB (figure 1.9.a). Le pylône du type chat, très utilisé en France pour les lignes HTB, peut être considéré comme armé en nappe, bien que la poutre centrale soit légèrement plus haute que les consoles (figure 1.9.b).
Cet armement en nappe exige des supports plus larges mais moins élevés que pour les autres armements et donne une plus grande sécurité en cas de décharge de givre ou
19 | P a g e d’oscillations verticales des conducteurs. Il permet, par installation de deux câbles de garde, de protéger la ligne contre les coups de foudre et est bien adapté aux lignes de montagne [1-3].
Figure 1.9. Armements en nappe et nappe-voûte.
3.2. L’isolateur
Un isolateur électrique (figure 1.10) est un composant électrotechnique disposé pour enrober (isolateur de traversée) ou être la jonction d’un conducteur électrique nu (isolateur de support). Souvent utilisés en transport aérien du courant de haute et très
20 | P a g e haute tension (HT et THT), ils se présentent comme des disques empilés, en verre ou en céramique. Toutefois, on les préfère aujourd’hui en matériaux composites (plus légers et plus économiques).
(a) Isolateur de traversée (b) isolateur de support Figure 1.10. Isolateur électrique en céramique.
C’est grâce aux isolateurs électriques que les pylônes et les postes électriques urbains ne présentent pas de risques d’électrocution pour les populations [1-4]. Fabriqués dans des matériaux isolants comme le verre ou les polymères, ils évitent tout contact direct entre la ligne HT ou THT et le pylône métallique, de sorte que le courant électrique ne se propage pas dans ce dernier. Les isolateurs électriques ont connu de grandes avancées techniques depuis l’invention de l’électricité, notamment sur le plan risques et sécurité urbains, du fait que les réseaux sont partout autour de nous.
3.2.1. Isolateur pour pylône
L’isolateur est formé par un isolant (verre, céramique ou matériaux synthétiques) auquel sont fixés deux pièces métalliques M1 et M2 (figure 1.11) ; M1 se fixe au pylône et M2 porte le conducteur. L’isolateur possède un double rôle :
• Rôle mécanique : porte le conducteur ;
• Rôle électrique : isole le conducteur par rapport au pylône.
21 | P a g e Figure 1.11. Schéma simplifié d’un isolateur pour pylône.
Ces isolateurs sont des composants indispensables au transport et à la distribution de l’énergie électrique. Leur fonction est de réaliser une liaison entre des conducteurs THT (HT) et la terre.
• Ils maintiennent les conducteurs dans la position spécifiée (isolateurs d’alignement et d’ancrage) ;
• Ils assurent la transition entre l’isolation interne (huile, SF6) et l’isolation externe (air atmosphérique), ils permettent de raccorder les matériels électriques au réseau (traversées de transformateur, extrémités de câbles) et ils constituent, également, l’enveloppe de certains appareils (disjoncteurs, parafoudres, réducteurs de mesure).
3.2.2. Vieillissement des isolateurs
Deux phénomènes entraînent le vieillissement des isolateurs et conduisent à deux manifestations différentes [1-5] ; la perforation de l'isolateur par un arc électrique dans son volume et le contournement de l'isolateur à sa surface par un arc électrique.
3.2.2.1. La perforation
Elle se produit quand des décharges partielles se produisent au voisinage des imperfections des isolateurs (vide, inclusion, inhomogénéité), et vont progressivement ronger l'isolateur, jusqu'à l'apparition d'une décharge complète détruisant par explosion l'isolateur (décharge intrinsèque-perforation) ;
M1
M2
Ailettes
Conducteur aérien
22 | P a g e 3.2.2.2. Le contournement
Un isolateur électrique permet d'assurer la séparation physique des parties conductrices ; dans les conditions normales de fonctionnement il est soumis en continu à un fort champ électrique créé dans l'air dans l’environnement de l'équipement. Des événements particuliers (ex : foudre) peuvent provoquer des surtensions et le champ électrique dépasse la rigidité diélectrique de l'air et entraînent la formation d'un arc entre les parties conductrices et sur la surface de l'isolateur (figure 1.12), c’est le contournement.
Cet arc est aussi dénommé le « flashover ». La contamination de la surface de l'isolant réduit la résistance à la rupture et augmente la tendance au claquage de l’isolant [1-5].
Il faut distinguer deux cas dû à :
1) une surtension (foudre par exemple) qui provoquera une décharge électrique à la surface de l'isolateur suivant des mécanismes à peu près similaires aux décharges dans les intervalles d'air (streamer et/ou leader) ;
2) la pollution atmosphérique est une des causes principales des interruptions de l’alimentation en énergie des réseaux électriques. La maîtrise des conditions optimales du fonctionnement de ces réseaux, vis-à-vis de ce type de défaut d’isolement commence par le choix d’isolateurs qui présentent les meilleures performances sous pollution.
Figure 1.12. Ligne de contournement sur un isolateur.
Le contournement provoque l’ouverture du disjoncteur, car il établit un court-circuit entre le conducteur et le pylône (défaut monophasé à la terre). Le contournement cause habituellement l'interruption momentanée de l'écoulement de l'énergie dans le réseau.
De telles interruptions, bien qu'étant nocives, peuvent être tolérées dans des endroits ruraux. Dans des secteurs urbains avec les industries de pointe, les interruptions ne sont
Décharge électrique : contournement
23 | P a g e pas acceptables parce qu'elles entraînent d'énormes pertes financières de production, de machines bloquées et des pertes de contrôle du cycle du processus.
3.2.3. Isolateur avec cornes d’amorçage (éclateurs)
Les cornes d’amorçage forment un dispositif équipant généralement les isolateurs haute tension (figure 1.13), composé d’éléments conducteurs courbés en vis-à-vis, et destinés, en cas de surtension, à créer un arc ailleurs qu’à travers l’isolateur, empêchant ainsi sa destruction par l’arc. C’est le principe des cornes d’amorçage que l’on voit sur les équipements de transport d’électricité mais ils sont également utilisés en basse tension sous forme d’appareillage électrique modulaire et pour les installations de télécommunication avec une efficacité limitée.
Figure 1.13. Des isolateurs dotés de cornes d’amorçage de part et d’autre.
3.3. Prises de terre des pylônes de RTE (Réseau de Transport d’Energie)
La prise de terre d’un pylône est dimensionnée en fonction du type de ses fondations et de la valeur de la résistivité du sol, pour obtenir une résistance de terre R50Hz inférieure à 10 Ω pour les niveaux de tension HTB 225/400 kV et 63/90 kV.
Ces valeurs ont été choisies de manière à limiter le nombre de défaillances des ouvrages HT par amorçage en retour à un niveau globalement acceptable sur le réseau et à permettre un fonctionnement correct des protections de distance (détection des défauts) [1-6].
24 | P a g e La figure 1.14 présente la configuration la plus fréquemment utilisée pour les pylônes tétrapodes du réseau HTB français : la mise à la terre est réalisée à chaque pied à l’aide de conducteurs disposés en boucles à la périphérie du béton des fondations.
En pratique la résistivité du sol est mesurée avant la mise en place des pylônes. Si sa valeur est trop élevée pour permettre d’obtenir avec les boucles une résistance de terre inférieure à 10 Ω, la prise de terre est complétée par des conducteurs enterrés horizontalement (antennes) ou verticalement (pieux).
Figure 1.14. Prise de terre d’un pylône HTB, type « 4x3 boucles ».
4. Impact direct de la foudre sur le réseau électrique 4.1. Le générateur de courant onde de foudre
La foudre correspond à un phénomène naturel de décharge électrique [1-7] qui se produit à partir des orages de nuages (les cumulonimbus), à l'intérieur d'un nuage, entre nuages ou entre le nuage et le sol. Pour des raisons très pratiques (perturbations des réseaux électriques et de télécommunications, incendies, …..), les décharges de foudre qui ont été l’objet d’études approfondies sont les décharges nuage-sol.
Cette décharge orageuse, nuage-sol, correspond une onde de choc normalisée [1-8]
(figure 1.15).
25 | P a g e Figure 1.15. Onde de choc du courant de foudre.
Le choc de foudre normalisé est largement utilisé pour les essais de matériel : T1= 1,2 μs ± 0,36 μs (temps de montée), T2= 50 μs ± 10 μs (temps à mi-hauteur).
Des études très approfondies ont montré que les coups de foudre peuvent être modélisés par un générateur de courant à la base du canal dont l'amplitude peut varier de quelques kA à quelques centaines de kA [1-8]. Le canal ionisé est ensuite considéré comme une antenne verticale sur laquelle va circuler un courant dit « courant d'arc en retour [1-9] ». La propagation de ce courant le long du canal est à l'origine d'un rayonnement électromagnétique
Dans la littérature [1-10] deux expressions analytiques sont le plus souvent utilisées pour représenter le courant à la base du canal (onde de choc). En premier, la fonction bi- exponentielle :
𝒊(𝟎, 𝒕) = 𝑰𝟎(𝐞𝐱𝐩(−𝒂. 𝒕) − 𝐞𝐱𝐩(−𝜷. 𝒕)) (1.1)
Où :
𝑰𝟎: La valeur crête du courant ; 𝒂: L’inverse du temps de descente ; 𝜷: L’inverse du temps de montée.
Puis, plus récemment F. Heideler [1-10] a proposé une nouvelle expression analytique :
26 | P a g e 𝒊(𝟎, 𝒕) =𝑰𝟎
𝛈. (
𝒕 𝝉𝟏)
𝒏
𝟏+(𝒕 𝝉𝟏)
𝒏 . 𝒆𝒙𝒑 (− 𝒕
𝝉𝟐) (1.2)
Où :
𝛈 = 𝒆𝒙𝒑 (− (𝝉𝟏
𝝉𝟐) ( √𝒏𝝉𝝉𝟐
𝟏
𝒏 )) (1.3)
Avec :
𝑰𝟎 : est l’amplitude du courant à la base du canal ;
𝝉𝟏 : est la constante de temps du front ;
𝝉𝟐 : est la constante de décroissance ;
𝛈 : est le facteur de correction de l’amplitude ;
𝒏 : est une constante entière entre 2 et 10.
4.2. Transitoires électromagnétiques de foudre : danger pour la continuité du service Le réseau électrique occupe pratiquement tout le territoire d’un pays ; aussi pour le besoin du transport de l’énergie les lignes électriques sont portées par des armatures métalliques ¨les pylônes¨ dont la hauteur peut dépasser parfois les 300m. L’importante étendue et la présence des pylônes, rendent le réseau une cible facilement accessible à la décharge orageuse (foudre). La foudre peut atteindre par impact direct (coup au but) ou par impact indirect (couplage électromagnétique) le réseau électrique [1-11].
L’impact direct est le plus sévère car il s’agit d’une injection directe d’une très grande quantité d’énergie dans le réseau électrique qui va provoquer des surtensions par conduction. De manière indirecte (surtension induite) lorsque la foudre tombe au voisinage d’une ligne conductrice ou d’une installation électrique, l'impact de foudre est accompagné d'un rayonnement électromagnétique ; si ce dernier atteint un conducteur (une ligne électrique par exemple), le flux électromagnétique est générateur de tensions induites élevées.
Un impact de foudre direct ou indirect est généralement responsable d’un défaut dit externe transitoire. En effet, un coup de foudre s’accompagne d’une décharge dont l’intensité peut aller jusqu’à quelques centaines de kA. La mesure a aussi montré qu’un coup de foudre s’accompagne d’une émission électromagnétique de très forte valeur. En
27 | P a g e impact direct «coup au but», la décharge transitoire peut occasionner de sévères dégâts en absence de protections appropriées.
Aussi, il est maintenant établi que lors d’un impact indirect (couplage électromagnétique de l’onde de foudre avec le système électrique), le matériel électrique du réseau ainsi que les dispositifs qui y sont connectés sont fortement perturbés voire même endommagés par les perturbations induites. La foudre génère des ondes électromagnétiques provoquant des perturbations radiophoniques et la destruction de certains équipements sensibles aux perturbations électromagnétiques. Ces phénomènes sont source de [1-11] :
dégradation de matériel ;
dysfonctionnement des installations ;
réduction de la continuité de service par des interruptions longues.
Il va de soi qu’il est nécessaire de protéger les systèmes électriques qui peuvent être affectés par de nombreux types d’incidents. Il convient de distinguer la protection des ouvrages du réseau proprement dit (lignes…) et celle du système production–transport.
La protection du système production–transport est essentielle, car certains incidents (pertes de ligne en cascade, pertes brutales de moyens de production importants…) peuvent induire des conséquences catastrophiques (effondrement du système électrique).
Les dangers des surtensions internes temporaires proviennent de l’amplitude, de la durée et de la répétition de ces surtensions et concerne la coordination de l’isolement.
4.3. Coup de foudre direct sur une ligne de transport d’énergie
Il se manifeste par l’injection dans la ligne, d’une onde de courant de plusieurs dizaines de kA. Cette onde de courant, qui peut faire fondre des conducteurs en se propageant de part et d’autre du point d’impact (figure 1.16), provoque une augmentation de tension U donnée par la formule [1-12] :
𝑼 = 𝒁𝑪 . ( 𝒊
𝟐) (1.4)
28 | P a g e Avec 𝒊 le courant injecté et 𝒁𝑪 l’impédance homopolaire caractéristique de la ligne (300 à 1000 ohms).
Figure 1.16. Coup de foudre direct sur un conducteur de phase, l’onde de courant se propage de part et d’autre du point d’impact.
𝑼 atteint donc des valeurs de plusieurs millions de volts, ce qui n’est supportable par aucune ligne. En un point de celle-ci, par exemple au premier pylône rencontré par l’onde, la tension croît jusqu’à ce que se produise le claquage de la distance d’isolement (la chaîne d’isolateurs). Suivant que l’amorçage a eu lieu ou pas (fonction de la valeur du courant injecté dans la ligne) l’onde qui continue à se propager après le pylône est dite coupée ou pleine. Pour différentes tensions de réseau, il n’y a pas amorçage au-dessous du courant critique indiqué par la droite de la figure 1.17. Pour les réseaux dont la tension est inférieure à 400 kV, pratiquement tous les coups de foudre directs entraînent un amorçage et un défaut à la terre.
En fait, il est estimé que seulement 3 % des surtensions, observées sur le réseau public MT français 20 kV, dépassent 70 kV et sont donc imputables à des coups de foudre directs. De plus, du fait de l’atténuation de l’onde de tension au cours de sa propagation le long de la ligne, les surtensions maximales (très rares) à l’entrée d’un poste ou d’un bâtiment sont évaluées à 150 kV en MT. Rappelons que la plus haute tenue au choc de l’appareillage 24 kV est de 125 kV.
29 | P a g e Notons que lors d’un coup de foudre direct sur une ligne électrique, le courant peut se propager et atteindre toutes les installations distribuées par la ligne même si elles sont localisées à plusieurs kilomètres du point d’impact. Ces courants sont d’autant plus destructeurs que la majorité de l’énergie du coup de foudre est « conduite » par le réseau.
Figure 1.17. Distribution statistique de l’intensité des coups de foudre directs et intensités minimales d’amorçage en fonction du niveau de tension du réseau [1-12].
4.4. Impact direct sur le pylône ou le câble de garde
Cibles privilégiées, les pylônes et les conducteurs de phases sont fréquemment frappés par la foudre, aussi a-t-on rapidement introduit des câbles de garde (figure 1.18), reliés directement aux pylônes mis à la terre, au-dessus des lignes sous tension à protéger.
4.4.1. Rôle et positionnement du câble de garde
Le câble de garde est initialement prévu pour prévenir l’impact direct du coup de foudre sur les lignes de transport d’énergie. Les câbles de garde, montés sur les lignes THT et HT, ce sont des fils conducteurs tendus au-dessus des lignes de phase. Ils sont reliés à la terre par l’intermédiaire des pylônes. Ils forment un écran protecteur des lignes de phase [1-8] en recevant à leur place la foudre (figure 1.18).
Son positionnement (figure 1.19) est réalisé sur la base d’un modèle dit électro- géométrique [1-8].
30 | P a g e Figure 1.18. Protection des lignes aériennes par câbles de garde.
N
p
M m
G
d d α
R S T
h I
II
III
x β
Figure 1.19. Modèle électrogéométrique pour le positionnement du câble de garde.
La zone de capture du câble de garde est d’autant plus étendue que le coup de foudre est intense. Il serait alors intéressant de regarder si ce modèle est optimal pour prévenir l’impact indirect dont la fréquence est plus importante.
En utilisant le modèle électrogéométrique, la position du câble de garde est choisie en fonction des contraintes mécaniques et du design du pylône. Cette position est définie par l’intersection de l’axe de symétrie du pylône et d’un arc de cercle (figure 1.19).
