LES MÉCANISMES D’AGRESSION DE LA FOUDRE ET LES SYSTÈMES DE MISE À LA TERRE

LES MÉCANISMES D’AGRESSION DE LA FOUDRE ET LES SYSTÈMES DE MISE À LA TERRE

Effets dus à la foudre

En considérant les principaux effets, directs et indirects, consécutifs à la propagation du courant de foudre et même si ce courant arrive par la haute tension, il peut atteindre tous les circuits électriques (perturbations conduites et rayonnées). Ces effets, qui concernent donc tous les niveaux de tension, sont :
-Les effets thermiques (fusion d’éléments, incendies, explosions).
– Les effets mécaniques, dus aux efforts électrodynamiques des conducteurs parallèles proches.
– L’effet de choc diélectrique, suite aux montées en potentiel lors de la propagation d’onde à travers les impédances présentées par les conducteurs.
– Perte d’isolement par contournement de l’isolateur d’une phase entraînant « un courant de fuite » à la terre à fréquence industrielle.
– Élévation de potentiel de terre : il est usuel d’atteindre des potentiels de plusieurs centaines de kV au puits de terre de l’équipement HT concerné. La loi de variation, fonction de la distance à la prise de terre, est approximativement hyperbolique, d’où des potentiels et leurs gradients associés, très grands à proximité des puits de terre, même à plusieurs dizaines de mètres.
– Les effets électromagnétiques à haute fréquence (spectre très large) : rayonnement parasite, induction et couplage de circuits.
Également électrochimiques, acoustiques et physiologiques.
Tous ces phénomènes sont source de :
Dégradation de matériel, de façon brutale comme les claquages diélectriques par surtension, ou par vieillissement prématuré à cause de contraintes non destructrices immédiatement, mais répétées.
Dysfonctionnement des installations particulièrement au travers des circuits à courants faibles, exemple : perturbations parasites des équipements de contrôle-commande et de communication.
Réduction de la continuité de service par des interruptions longues (cas de destruction
de matériel) ou courtes (dysfonctionnement des automatismes de réseaux).
Danger pour l’homme et les animaux, notamment par l’apparition de la tension de pas pouvant entraîner une électrisation.

Les systèmes de mise à la terre (systèmes de MALT)

Les systèmes de mises à la terre ont été introduits par Benjamin Franklin. Célèbre inventeur des parafoudres. Plusieurs références détaillent depuis plusieurs dizaines d’années les mises à la terre des installations électriques.

 Défmition d’un réseau de terre

Un réseau de terre, parfois simplement appelé « la terre », est constitué d’un ensemble de conducteurs enterrés, en contact direct avec le sol sont reliés électriquement entre eux, afin de permettre aux courants permanents et aux courants de défaut de s’y écouler vers la terre, ils sont caractérisés par leurs résistances ou impédances.
L’étude du comportement d’un système de MALT, en fréquence industrielle nécessite l’analyse préalable de la répartition du potentiel dans le sol qui l’entoure. Cette répartition est fonction des caractéristiques électriques du sol, c’est-à-dire de sa résistivité, permittivité et sa perméabilité, aussi les 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.

Composantes du système de .mise à la terr-e

Une conne!{ion conductrice, qu’elle soit intentionnelle ou accidentelle, entre un circuit électrique @ l’équipement et la terre, ou un .corps condut teur qui remplace la terre.

Rôle des systèmes de MALT

Que ce soit en haute ou basse tension, une bonne mise à la terre doit être capable d’assurer 1′ écoulement du courant de défaut ou de courant de foudre sans se détruire par échauffement. Le courant à écouler dans le sol peut être de différente nature :
– Courant à fréquence industrielle (par exemple suite à un court-circuit phase/pylône) ;
– Courant harmonique ;
-Courant transitoire d’origines diverses (foudre, manœuvre … etc.).
Une bonne mise à la terre doit assurer la sécurité des personnes à proximité des installations, notamment dans les zones fréquentées (abords de piscines, terrains de camping … etc.) et la protection des équipements (qualité de service) ou des installations de tiers, reliés, ou à proximité (canalisations de transport de fluide, installations de télécommunication … etc.)

Sécurité des personnes et des animaux (Tension de contact et tension de pas)

Lors de l’écoulement dans le sol de courant élevé, la sécurité doit être assurée à l’intérieur de l’installation électrique et ses abords immédiats par une limitation de la tension de pas et de la tension de toucher à des valeurs non dangereuses pour 1 ‘homme ou les animaux. Cette limitation est obtenue grâce à la connaissance et au contrôle de la répartition idéale dont on doit chercher à se rapprocher, est l’équipotentialité de l’ensemble des prises de terre.

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Table des matières

RÉSUMÉ
ABSTRACT
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTES DES SYMBOLES ET DES ABRÉVIATIONS
CHAPITRE I INTRODUCTION
1.1 Contexte et problématique
1.2 Objectifs
1.3 Méthodologie et démarche scientifique
CHAPITRE 2 GÉNÉRALITÉS SUR LES MÉCANISMES D’AGRESSION DE LA FOUDRE ET
LES SYSTÈMES DE MISE À LA TERRE
2.1 Introduction
2.2 Phénoménologie de la décharge atmosphérique
2. 2.1 La formation des nuages orageux
2.2.2 L’électrification et la répartition des charges électriques au sein d’un nuage
2. 2. 3 La foudre et les éclaires
2.3 Classification des coups de foudre
2.3.1 La formation de la décharge négative nuage -sol
2.3.2 Traceur par bond
2.3.3 Le processus d’attachement
2.3.4 L’arc en retour
2.4 Principales caractéristiques des foudres
2.4.1 Forme d’onde
2.4. 2 Amplitude des coups de foudre
2.4.3 Raideur de front
2.5 Conséquence de la décharge atmosphérique
2.5.1 Foudroiement direct d’une ligne (sur conducteurs de phase)
2.5.2 Foudroiement indirect d’une ligne (sur conducteurs de garde ou pylône)
2.5.3 La distribution du courant de foudre le long de la structure
2.6 Effets dus à la foudre
2.7 Les systèmes de mise à la terre (systèmes de MALT)
2. 7.1 Définition d’un réseau de terre
2. 7.2 Composantes du système de mise à la terre
2.8 Rôle des systèmes de MALT
2. 8.1 Sécurité des personnes et des animaux (Tension de contact et tension &~)
1.8.1.1 La tension de pas
2.8.1.2 Tension de toucher (ou de contact)
2.9 Protection des installations de puissance
2.9.1 Protection des équipements sensibles
2.9.2 Maintien d’un potentiel de référence
2.10 Conclusion
CHAPITRE 3 FACTEURS INFLUENÇANT LE COMPORTEMENT DES SYSTÈMES
DE MISE À LA TERRE
3.1 Introduction
3.2 Environnement des prises de terre
3.2.1 Nature des sols
3.2.1.1 Larésistivité
3.2.1.2 Permittivité
3.2.1.3 Perméabilité
3.2.2 L’inductance des systèmes de MALT
3.2.3 La capacité et la conductance
3.3 Le phénomène de décharge dans le sol (le phénomène d’ionisation)
3.4 Évaluation du seuil d’ionisation (Ecrit)
3. 5 Résistivité de la terre et résistance de mise à la terre
3.6 Mesures des résistivités des sols et des résistances des mises à la terre
3.6.1 Mesure des résistivités des sols
3.6.2 Mesure de la résistance de système de mise à la terre
3.6.2.1 Méthode de chute de potentiel
3.6.2.2 Méthode des trois points (triangle)
3.7 Techniques d’amélioration de la résistance du sol
3.8 Comportement typique d’une mise à la terre
3.9 Conclusion
CHAPITRE 4 MODÈLES ET MODÉLISATION DES SYSTÈMES DE MALT SOUMIS A UNE
DÉCHARGE ATMOSPHÉRIQUE (FOUDRE)
4.1 Introduction
4.2 Les différentes configurations des systèmes de MALT
4.3 Les méthodes analytiques et empiriques dans la modélisation des câbles
de mise à la terre
4.4 Méthodes numériques dans la modélisation des systèmes de mise à la terre
4.4.1 Méthode des circuits équivalents
4.4.2 La théorie des lignes de transmission (TLT)
4.4.3 Modèle électromagnétique d’une mise à la terre
4.4.3.1 Théorie des antennes
4.4.3.2 Résolution numérique de 1 ‘équation intégrale
4.4.3.3 Méthode des moments
4.5 Modélisation des systèmes de MALT en utilisant la méthode des circuits
équivalents sous Matlab SIMULINK (SimPowersystems)
4.5.1 Paramètres de modélisation d’une MALT
4.5.2 Modélisation de la source (courant de foudre)
4.6 Modélisation de l’influence de l’ionisation du sol
4.7 Conclusion
CHAPITRE 5 LES RÉSULTATS DES SIMULATIONS ET LES CALCULS D’IONISATION
RÉALISÉS
5.1 Introduction
5.2 Comportement transitoire des électrodes horizontales et verticales et
validation du modèle
5.3 Grille de mise à la terre
5.3.1 Grille de mise à la terre 1 * 1
5.3.2 Grille de mise à la terre 2 * 2
5.3.3 Grille de mise à la terre 3 * 3
5.4 Comparaison entre la réponse des trois grilles
5.5 Effet du point d’injection
5.6 Calcul de l’influence de l’ionisation du sol
5.7 L’évaluation en 3D du potentiel d’un réseau de terre
5.8 Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE
RECOMMANDATION
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES
Annexe 1 Blocs des simulations
Annexe 2 Calculs analytiques des résistances de terre

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