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Introduction
Ce didacticiel présente les concepts clés utilisés dans la conception des systèmes de mise à la terre des sous-stations et des systèmes de mise à la terre. Une terminologie importante est abordée, notamment l'élévation du potentiel du réseau, les tensions de contact et d'échelon et la distribution du courant.
Les comportements d'exemples de systèmes de mise à la terre et de mise à la masse lors d'un défaut sont expliqués.
Table des matières
1 Augmentation du potentiel du réseau (GPR)
La figure 1(a) montre un système de mise à la terre simple composé de conducteurs horizontaux (également appelés "mailles" ou "grilles") enterrés à 0,5 m sous la surface de la terre et de conducteurs verticaux de 3 m de long (également appelés "piquets de terre") qui sont connectés à la grille formée par les conducteurs horizontaux. La grille horizontale est carrée et se subdivise en 4 mailles carrées.
La figure 1(b) montre les tensions de surface qui se produisent à la surface de la terre lorsque le système de mise à la terre est mis sous tension lors d'un défaut.
Lorsque le courant électrique est injecté dans la terre via un système de mise à la terre, il se heurte à une résistance qui dépend directement de la résistivité du sol. Le courant traversant cette résistance, le potentiel électrique du système de mise à la terre et de toutes les structures métalliques qui y sont reliées augmente. Le potentiel électrique maximal qu'un réseau de terre de sous-station peut atteindre par rapport à un point de mise à la terre éloigné supposé être au potentiel de la terre éloignée (0 volt) est appelé élévation du potentiel du réseau (GPR) [1].
Le GPR est directement proportionnel à l'ampleur du courant injecté dans le sol par le système de mise à la terre. Pour un courant d'injection donné, le GPR est directement proportionnel à la résistivité du sol. Il est donc très important, lors de la conception d'un système de mise à la terre, de disposer de mesures fiables de la résistivité du sol et de les effectuer sur le site de la sous-station afin de déterminer les propriétés du sol. Ces mesures sont nécessaires pour modéliser avec précision les performances du système de mise à la terre.
Pour un courant de défaut donné, le GPR est approximativement inversement proportionnel à la surface de la grille. Il convient de noter que la forme et la profondeur d'enfouissement de la grille influencent également le rapport GPR dans une certaine mesure.
Le GPR pour le réseau illustré à la figure 1 est de 2220 V et la tension de surface maximale, qui est toujours inférieure au GPR, est de 2060 V.
Figure 1 - Exemple de tracé des tensions du système et de la surface
2 Tensions de contact et de pas
La figure 1 montre que les potentiels de surface de la terre sont inférieurs au GPR et varient considérablement. Aux points situés directement au-dessus d'un conducteur de grille, les potentiels de surface de la terre sont les plus proches du GPR ; d'autre part, des chutes de potentiel se produisent au milieu des mailles de la grille et la différence entre le GPR et le potentiel de surface de la terre est maximale à ces points centraux. Cela signifie qu'une personne se tenant au centre d'une grille et entrant en contact avec toute structure métallique reliée au système de mise à la terre sera soumise à une tension tactile élevée.
Il convient de noter que la "tension de contact" est la différence de potentiel électrique entre le système de mise à la terre et tout endroit de la surface de la terre où une personne peut se tenir tout en entrant en contact avec une structure métallique sous tension (supposée être au même potentiel que le système de mise à la terre) [1].
Le graphique de la figure 2 (a) montre les tensions tactiles à l'intérieur et jusqu'à 1 mètre de distance de la grille. Les tensions tactiles maximales se produisent généralement aux coins d'une grille car les courants de fuite les plus élevés existent sur les conducteurs du périmètre (l'obtention d'un tracé du courant de fuite est un moyen de le montrer).
Comme le montrent la figure 1 et la figure 2 (b), le fort gradient de potentiel à l'extérieur du périmètre du système de mise à la terre peut entraîner l'apparition d'une différence de potentiel significative entre deux points de la surface de la terre sur lesquels les pieds d'une personne sont positionnés. On suppose généralement que la foulée d'une personne ne dépasse pas 1 m et une "tension de pas" est donc définie comme la différence de potentiel entre deux points de la surface de la terre distants de 1 m.
Les niveaux de tension par paliers sont généralement beaucoup plus faibles que les tensions de contact. Par conséquent, si des tensions de contact sûres peuvent être obtenues pour une conception, les tensions de pas ne devraient pas poser de problème.
Figure 2 - Tracés des tensions de contact et de pas en deux dimensions
Les tensions de contact et de pas sont, comme pour le GPR, directement proportionnelles au courant injecté dans la terre. En outre, pour un courant d'injection donné et un ensemble donné de proportions du réseau, les tensions de contact et de pas sont directement proportionnelles à la résistivité électrique de la terre.
Afin d'évaluer les performances d'un système de mise à la terre, le GPR et les tensions de contact et d'échelon survenant pendant les conditions de défaut sont comparés aux valeurs maximales acceptables qui sont également connues sous le nom de limites de tension maximales admissibles ou tolérables. Ces limites de sécurité sont calculées selon les méthodes des normes IEC et IEEE [1], [2].
Reportez-vous à la page qui explique comment calculer les limites de tension de contact et de pas.
Les limites de sécurité sont comparées aux tensions de contact et d'échelon réelles pour déterminer si la conception est sûre. Il existe deux approches principales pour parvenir à une conception sûre :
- Réduire (ou montrer) que les tensions de contact et de pas qui apparaissent en tout point de la sous-station et de son périmètre sont inférieures aux limites de sécurité.
Augmenter les limites autorisées en ajoutant une couche supplémentaire de pierre concassée ou d'asphalte à la surface à l'intérieur et à l'extérieur de la sous-station.
3 Distribution du courant de défaut
Lorsqu'une mise sous tension accidentelle ou un "défaut à la terre" se produit à proximité d'une sous-station, de grandes quantités de courant circulent à partir du conducteur de phase défectueux et retournent à la source d'énergie par tous les chemins conducteurs disponibles (voir figure 3).
La figure 3 montre le flux des courants de défaut pour deux sous-stations connectées par une ligne de transmission aérienne si un défaut se produit à proximité de la sous-station A. Les flèches indiquent la direction du flux du courant de défaut. Voici un didacticiel vidéo expliquant la distribution du courant de défaut à l'aide d'exemples concrets.
Lors d'un défaut, une partie du courant total de défaut retourne à la source d'alimentation (courant de défaut) par les chemins suivants :
- Fils de terre: une partie du courant de défaut circule entre le site du défaut et la source d'alimentation entièrement via les fils de terre (s'ils existent). Une autre partie du courant de défaut circule sur une certaine longueur des fils de terre et est ensuite injectée dans la terre par divers chemins de terre tels que les mises à la terre des pylônes de transmission ou les systèmes de mise à la terre des sous-stations autres que celle qui est la plus proche du défaut.
- Système de mise à la terre de la sous-station : une autre partie du courant de défaut est injectée dans la terre par le système de mise à la terre de la sous-station près de laquelle le défaut se produit. De là, il circule dans la terre jusqu'au système de mise à la terre de la source d'énergie, puis à travers le système de mise à la terre de la source d'énergie, jusqu'au générateur ou au transformateur qui fournit le courant de défaut.
- Système de mise à la terre auxiliaire: si la sous-station dispose d'un système de mise à la terre en plus de celui qui se trouve sur le site de la sous-station, une partie du courant de défaut sera déviée vers ce système de mise à la terre supplémentaire. Il convient de noter que les barres d'armature du plancher en béton armé d'un bâtiment peuvent être considérées comme un système auxiliaire de mise à la terre, de même qu'une terre éloignée.
La partie du courant de défaut injectée dans le système de mise à la terre de la sous-station est généralement appelée courant de réseau, ce qui entraîne une augmentation du potentiel dans le système de mise à la terre.
La quantité de courant de défaut qui circulera le long de chaque chemin dépend directement de leurs impédances relatives. Par exemple, si les fils de terre ont une faible impédance et ne couvrent pas une grande distance entre la sous-station en défaut et la source d'énergie, ils auront tendance à transporter une plus grande proportion du courant de défaut que s'ils sont longs et ont une impédance élevée. De même, si le système de mise à la terre de la sous-station a une très faible impédance, il conduira une proportion beaucoup plus importante du courant de défaut que s'il a une impédance élevée.
Dans la plupart des cas, le courant du réseau est bien inférieur au courant de défaut total fourni par la source. Il est donc utile d'analyser la distribution du courant de défaut pendant la phase de conception, mais des informations supplémentaires sur les chemins conducteurs sont nécessaires.
4 Conception visant à réduire le RPG
Un système de mise à la terre doit être conçu de manière à ce que le GPR ne dépasse pas 5000 V, principalement pour protéger l'équipement [3].
La réduction du RGP passe par la réduction de la résistance de la grille, ce qui est réalisé de manière plus efficace soit en augmentant la taille de la grille (surface couverte par la grille), soit en ajoutant des tiges qui sont enfoncées dans les couches inférieures du sol à faible résistivité. Le GPR peut être réduit dans une moindre mesure en ajoutant des conducteurs à l'intérieur de la grille.
Le tableau 1 montre les résultats calculés par le logiciel SafeGrid Earthing pour quatre systèmes de mise à la terre simples. Ces systèmes de mise à la terre consistent en un maillage carré de 20 m × 20 m enterré à 0,5 m de profondeur, avec des tiges (3 m de long) ajoutées. Les courants de défaut injectés dans les systèmes de mise à la terre et les sections des conducteurs sont respectivement de 1000 A et 70 mm2. Un modèle de sol uniforme d'une résistivité de 100 Ω.m est supposé.
Si l'on part du cas 1 et que l'on ajoute 2 conducteurs supplémentaires de 20 m de long installés en croix, le TFP diminue de 6,37 %. Si l'on ajoute 6 autres conducteurs de 20 m de long pour former la grille du cas 3 avec un total de 25 mailles, le TFP diminue de 14,1 %.
L'ajout de conducteurs internes à une grille est moins efficace que l'augmentation de sa taille. Le cas 4 montre qu'en augmentant la taille seule de 20 m à 25 m, le GPR diminue de 16,78 %.
Il est à noter que la réduction de la résistance de la grille augmentera le courant de la grille, ce qui entraînera une réduction plus faible de l'indice GPR obtenu en supposant qu'il n'y ait pas de variation de courant.
5 Conception visant à réduire les tensions de contact et de pas
Un système de mise à la terre doit être conçu de manière à ce que les tensions de contact en tout point du périmètre de la sous-station, lors d'un défaut, ne soient pas dangereuses. Les tensions de contact étant la différence de potentiel entre un point de la surface de la terre et le système de mise à la terre de la sous-station, la situation idéale est que le potentiel de la surface de la terre soit proche du GPR de la sous-station.
Les tracés des tensions de surface et des tensions de contact pour une grille à 4 mailles sont illustrés à la figure 4 (a) et (b) respectivement. Les 4 vallées dans le tracé des tensions de surface correspondent aux centres des 4 mailles et sont les points où existent les potentiels de contact les plus élevés. La tension de contact maximale pour cette grille est de 642 V.
Figure 4 - Tracés des tensions de surface et de contact pour une grille à 4 mailles
La figure 5 montre les tensions de surface et les tensions de contact pour la même grille, mais avec 25 mailles. L'augmentation du nombre de mailles rend les vallées beaucoup moins profondes. Les tensions de contact maximales sont donc beaucoup plus faibles. La tension de contact maximale pour cette grille est de 391 V.
Figure 5 - Tracés des tensions de surface et de contact pour une grille de 25 mailles
À un certain moment, l'amélioration obtenue par l'ajout de conducteurs de grille devient insignifiante. Dans la figure 5, il est déjà évident que l'on n'obtiendra pas beaucoup d'amélioration en rendant les vallées moins profondes, puisque le potentiel de contact est déjà presque uniforme dans toute la zone de la grille. Dans ce cas, si une amélioration est encore nécessaire, le GPR lui-même doit être abaissé, par exemple en augmentant la taille du système de mise à la terre.
Les tensions de pas dans la zone de la sous-station ne posent généralement pas de problème si les tensions de contact sont dans les limites de sécurité. Non seulement les tensions de pas dans la zone de la sous-station sont plus faibles que les tensions de contact, mais les êtres humains tolèrent également des tensions de pas plus élevées que les tensions de contact.
Les tensions progressives ne posent généralement de problème qu'autour du périmètre de la sous-station, où il existe généralement un gradient de potentiel élevé à la surface de la terre. En règle générale, la pente du gradient de potentiel est inversement proportionnelle à la taille du système de mise à la terre ; les tensions de pas sont donc susceptibles de poser un problème plus important pour les petits systèmes de mise à la terre que pour les plus grands. L'augmentation de la taille du système de mise à la terre est un moyen efficace de réduire les tensions d'échelon.
Bien que les tensions de contact à l'intérieur de la grille soient réduites, les tensions de contact sur le bord de la sous-station restent très élevées. Afin de protéger le personnel et l'équipement à l'extérieur de la sous-station, un anneau de calibrage enterré (appelé "conducteurs périmétriques" dans la norme IEEE 80) peut être ajouté à 1 m au-delà de la grille principale de mise à la terre de 20 m × 20 m afin de réduire les tensions de contact.
La figure 6 montre les tensions de contact et de pas sans anneau de nivellement. La tension de contact maximale est de 767 V. Les tensions de pas le long du périmètre de la sous-station ne sont pas non plus acceptables.
Figure 6 - Tracé 2D des tensions de contact et d'échelon sans anneau de calibrage
La figure 7 montre les tensions de contact et de pas avec l'anneau de nivellement enterré à la même profondeur que le réseau principal. L'installation de l'anneau de nivellement entraîne une réduction significative des tensions de contact et de pas. La tension de contact maximale diminue à 425 V et les tensions de pas le long du périmètre de la sous-station sont également réduites à environ 50 V, par rapport à 200 V sans anneau de nivellement.
Figure 7 Tracé 2D des tensions de contact avec anneau de gradation
6 Effets de la structure de résistivité du sol sur les tensions
Pour un site de poste électrique réel, la structure de résistivité du sol n'est généralement pas uniforme. Pour la majorité des sites, un modèle de sol multicouche est plus réaliste et plus précis pour évaluer les performances électriques des systèmes de mise à la terre.
Dans cette section, nous examinons les effets sur les tensions de surface des différences entre les résistivités des couches supérieure et inférieure pour un sol simple à deux couches. La plupart des structures de sol nécessitent un modèle de 3 à 5 couches.
Les modèles de sol à deux couches typiques sont les suivants :
- Modèle haut sur bas (la résistivité de la couche supérieure est plus élevée que celle de la couche inférieure)
- Modèle bas sur haut (la résistivité de la couche inférieure est plus élevée que celle de la couche supérieure)
Pour démontrer les différents effets des sols haut sur bas et bas sur haut sur les tensions de contact et de pas, une simple grille de mise à la terre de 20 m × 20 m sans tiges est utilisée.
La figure 8 montre les tensions de surface avec un modèle de sol haut sur bas dans lequel la résistivité du sol de la couche supérieure est de 500 Ω.m avec une profondeur de 1,5 m et la résistivité du sol de la couche inférieure est de 50 Ω.m. La tension de surface maximale est de 3595 V. Pour un modèle haut sur bas, le courant de défaut qui pénètre dans la couche supérieure de haute résistivité veut s'échapper dans la couche inférieure de faible résistivité.
Figure 8 - Tracés des tensions de surface du modèle de sol haut sur bas
La figure 9 montre les tensions de surface avec le modèle de sol bas sur haut dans lequel la résistivité du sol de la couche supérieure est de 50 Ω.m à une profondeur de 1,5 m et la résistivité du sol de la couche inférieure est de 500 Ω.m. La plus grande résistivité du sol de la couche inférieure empêche le courant de circuler dans les couches profondes du sol, ce qui entraîne une augmentation des tensions de surface. La tension superficielle maximale du modèle de sol bas sur haut atteint 5525 V.
Figure 9 - Tracés des tensions de surface du modèle de sol bas sur haut
La résistivité de la couche inférieure aura la plus grande influence sur la résistance de la grille et l'augmentation du potentiel de la grille par rapport à la couche supérieure (en raison de leurs épaisseurs relatives - l'épaisseur de la couche inférieure s'étend jusqu'à une profondeur infinie). Par conséquent, une couche inférieure à faible résistivité se traduira par une faible résistance globale de la grille et un faible GPR - c'est l'avantage. Toutefois, si le modèle de résistivité du sol est haut sur bas, les tensions de contact peuvent être beaucoup plus importantes que pour un modèle bas sur haut, en raison des fortes variations du profil des tensions de surface.
7 Utiliser des tiges pour améliorer la sécurité
Ⅰ. Tiges séparées avec prise en compte de l'effet de proximité
Les tiges installées dans le système de mise à la terre peuvent améliorer les performances, mais les tiges doivent être séparées par une distance adéquate pour être efficaces.
Comme le montre la figure 10, le champ d'un segment influencera les segments adjacents et vice versa - réduisant leur capacité à dissiper le courant de défaut, ce que l'on appelle l'effet de proximité. L'encombrement de plusieurs tiges verticales n'est pas aussi bénéfique en termes de $/Ω que ce qu'il est possible d'obtenir avec moins de tiges correctement espacées.
Pour illustrer ce phénomène, on a construit une grille simple (figure 11) avec 4 tiges de 5 m à chaque coin. Les tiges sont séparées de 1, 2, 3, 4, 5, 7,5, 10 et 20 m. Les conducteurs (horizontaux) de la grille sont isolés pour s'assurer que les résultats ne sont affectés que par l'espacement des tiges.
La figure 12 montre l'impédance de la grille en fonction de la variation de l'espacement des tiges. Il convient de noter que la résistance globale est considérablement réduite en séparant les tiges jusqu'à leur longueur. On peut donc en conclure que les tiges doivent être séparées à une distance supérieure à une longueur de tige.
Par conséquent, en général, pour que les tiges soient efficaces, elles doivent être espacées d'au moins leur longueur. Par exemple, des barres de 5 m de long doivent être espacées d'au moins 5 m.
Ⅱ. Utiliser efficacement les tiges en fonction des caractéristiques du sol
L'utilisation de tiges pour réduire les tensions peut être moins efficace dans certains cas.
Le tableau 2 montre l'impédance de réseau des systèmes de mise à la terre avec et sans piquets pour différents modèles de sol. L'installation des piquets réduit l'impédance du réseau, en particulier pour le modèle de sol haut sur bas.
L'impédance de la grille diminue de 86,14 % après l'ajout de barres pour le modèle de sol haut sur bas, alors que l'utilisation de barres sur le modèle de sol bas sur haut n'est pas très efficace (réduction de 24,53 %) car les courants restent dans la couche de terre arable. Ce problème peut être résolu en installant des contrepoids (conducteurs horizontaux qui s'étendent vers l'extérieur de la grille, généralement dans les coins) pour le modèle de sol bas sur haut, car cela augmente la zone couverte par la grille de mise à la terre. L'augmentation de la zone couverte par le réseau de mise à la terre améliore toujours les performances.
Références
[1] "IEEE Guide for Safety in AC Substation Earthing", IEEE Std 80-2013.
[2] "Effets du courant sur les êtres humains et le bétail - Aspects généraux". IEC 60479-1:2018.
[3] "Maximum Limit of Allowable Ground Potential Rise of Substation Grounding System" (Limite maximale de l'augmentation du potentiel de terre admissible du système de mise à la terre des sous-stations). IEEE Transactions on Industrial Applications (Volume 51, Issue 6, 2015).
