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Vue d'ensemble : Test de performance du réseau de terre
Les tests de performance des systèmes de mise à la terre jouent un rôle essentiel pour garantir la sécurité de fonctionnement des réseaux électriques. La méthode de la chute de potentiel (FOP) est couramment utilisée pour effectuer des tests d'impédance, en particulier pour les réseaux de mise à la terre complexes et de grande taille. Bien que la méthode FOP soit utile, elle a ses limites et l'utilisation de simulations logicielles peut grandement améliorer la façon dont les ingénieurs abordent ces tests.
En utilisant des modèles logiciels, les ingénieurs peuvent déterminer la meilleure façon de mettre en place des tests d'impédance de réseau et mieux prédire leur résultat. Cela permet de valider d'importants modèles de sols et de systèmes de mise à la terre utilisés pendant les phases de conception. Cet article technique explique comment les simulations logicielles rendent les tests d'impédance de réseau plus précis, ce qui permet d'améliorer la conception et les performances des systèmes de mise à la terre.
Le logiciel de mise à la terre ELEK SafeGrid a été utilisé pour la modélisation.
Pourquoi mesurer la résistance du réseau de terre ?
Bien que l'impédance mesurée d'un système de mise à la terre soit souvent appelée résistance, il existe une composante réactive qui peut être importante pour les réseaux de grande taille ou interconnectés.
Les principales raisons pour lesquelles nous mesurons l'impédance du système de mise à la terre sont les suivantes [1] :
- Pour vérifier la performance d'un système de mise à la terre nouvellement installé. Normalement, la valeur calculée déterminée pendant la phase de conception est comparée à la valeur mesurée.
- Détecter les changements dans un système de mise à la terre existant. Une variation significative d'une valeur mesurée entre deux périodes peut indiquer une détérioration grave ou une autre situation préoccupante.
- Déterminer l'élévation du potentiel du réseau (GPR) pour la conception de la protection des circuits d'alimentation et de communication.
Les principales méthodes de mesure de l'impédance des systèmes de mise à la terre (par ordre de complexité et de précision) sont la méthode des deux points, la méthode des trois points et la méthode des quatre points, communément appelée méthode de la chute de potentiel (FOP).
Il est relativement facile de mesurer l'impédance des petits systèmes de mise à la terre par rapport aux grands. La méthode FOP est préférée pour mesurer l'impédance des grands systèmes de mise à la terre. Le principal avantage de la méthode FOP réside dans le fait que les électrodes de tension et de courant peuvent avoir une résistance nettement supérieure à celle du réseau testé sans que la précision de la mesure en soit affectée de manière significative.
La chute du test de potentiel expliquée
Avec la méthode d'essai FOP, la résistance d'un système de mise à la terre est mesurée à l'aide d'une électrode de terre à distance. Une source de courant alternatif (CA) est connectée au réseau mesuré pour mesurer la résistance du réseau, et l'électrode de terre à distance fait circuler un courant dans le sol. Un circuit de mesure de la tension est alors connecté au système principal de mise à la terre et un dispositif sensible de mesure de la tension est utilisé pour mesurer la tension à la surface du sol en des points équidistants les uns des autres le long d'une ligne partant du système de mise à la terre et allant vers l'électrode distante. La figure 1 montre le montage de test d'un réseau de terre utilisant la méthode FOP.
Les tensions de surface mesurées sont converties en impédance apparente comme suit :
Résistance apparente = (tension au point d'injection du réseau - tension au point de surface de l'électrode de tension) / courant injecté.
Pour un emplacement donné de l'électrode de courant, il existe un espacement de l'électrode de tension qui donne l'impédance réelle de la grille du système de mise à la terre testé. Il existe une position théorique de 61,8 % de la distance de séparation entre le réseau de terre mesuré et l'électrode de courant, qui est la position correcte pour mesurer l'impédance exacte pour une résistivité uniforme du sol (et de nombreuses autres hypothèses).
L'impédance apparente est tracée en fonction de la distance X entre l'électrode de tension et le réseau mesuré (figure 2). La forme de la courbe d'impédance apparente entre le réseau mesuré et l'électrode distante doit augmenter fortement, s'aplanir (augmenter lentement) vers le milieu, représentant une zone où l'interaction entre l'électrode testée et l'électrode de retour est faible, et (pour les essais à zéro degré) augmenter à nouveau fortement à l'approche de l'électrode distante.
Questions importantes sur les tests de résistance de la terre
A quelle distance de la grille l'électrode de courant doit-elle être placée ?
L'électrode distante devrait idéalement être située à une distance infinie du système de mise à la terre, là où la densité du courant terrestre est proche de zéro. L'électrode distante est située à une distance d'au moins cinq (5) fois le diamètre maximal du système de mise à la terre mesuré [1].
En plaçant les électrodes de courant et de tension à environ 6,5 fois l'étendue du système de mise à la terre, on mesure 95 % de l'impédance de mise à la terre. Une extension à 50 fois les dimensions maximales du système de mise à la terre donne une précision de mesure attendue de seulement 98,5 % [2].
Une fois que les critères pour l'électrode de courant sont satisfaits, l'emplacement de l'électrode de tension doit être éloigné de l'influence du réseau testé et de l'électrode de courant pour mesurer avec précision l'impédance de mise à la terre.
Dans quelle direction et à quelle distance l'électrode de tension doit-elle être placée ?
L'impédance de terre peut être estimée en déplaçant l'électrode de tension entre le réseau testé et l'emplacement de l'électrode de courant (test à 0°). Cette direction est souvent la plus pratique car les câbles de courant y sont déjà installés. Il existe deux façons d'estimer l'impédance mesurée :
- L'impédance est théoriquement obtenue à une distance de l'électrode de tension qui correspond à 61,8 % de la distance de séparation entre le point d'injection du réseau de terre mesuré et l'électrode de courant distante ; ou
- Si deux ou trois mesures consécutives donnent une valeur constante, l'électrode de tension est hors de l'influence des autres électrodes et la mesure est supposée représenter la valeur réelle de l'impédance (méthode de la pente plate).
Ces méthodes posent de sérieux problèmes, notamment parce que les hypothèses de la règle des 61,8 % sont souvent violées et qu'il n'existe souvent pas de pente plate pour les sols multicouches.
Pour les mesures de tension dans la direction opposée (test à 180°) à l'électrode de courant, la ligne en pointillés illustrée à la figure 2 s'approchera toujours de la ligne continue par le bas, et la distance de séparation requise est beaucoup plus grande, ce qui peut poser un problème (théoriquement 161,8 % de la distance de séparation entre la grille et l'électrode de courant - voir l'annexe C de [1] pour la dérivation). Un autre problème est que les résultats sont plus sensibles à la non-uniformité du sol [1].
Il est recommandé d'effectuer les mesures de tension à angle droit (test à 90°) pour tester les systèmes de mise à la terre à faible impédance de 1 Ω ou moins [1]. Cela permet d'éviter d'introduire des erreurs significatives dans les mesures causées par le couplage mutuel AC entre les fils d'essai des électrodes de courant et de tension. Il est souvent impossible ou peu pratique de mesurer à un angle de 90° exactement, ce qui introduit des erreurs dans les tensions mesurées. Pour un angle inférieur à 90°, toute tension produite dans le fil de tension, due au couplage avec le courant circulant dans le fil de courant, s'ajoute à la tension mesurée souhaitée. Si l'angle est supérieur à 90°, l'effet inverse se produit ; la tension couplée mutuellement est négative et entraîne une réduction de l'impédance mesurée.
Le couplage mutuel étant moins important, les orientations 90-180° et 180-270° sont préférées à celles de 0-90° et 270-360° [2].
Quelles sont les limites du test de résistance à la terre ?
Les limites de la méthode de test FOP sont les suivantes :
- Une mesure précise de l'impédance apparente n'est possible que lorsque les champs de densité de courant du réseau produisent un hémisphère avec un centre électrique. Il peut être très difficile d'obtenir un résultat pour les réseaux qui sont soit grands, soit de forme complexe, soit avec des chemins de retour à la terre interconnectés.
- La règle des 61,8 % ne s'applique pas aux sols non homogènes (multicouches), et la partie plate de la courbe de résistance apparente peut se situer entre 10 % et 90 % de la distance.
Dans les sols non homogènes, la position appropriée de la sonde ne peut pas être déterminée par la simple observation de la forme de la courbe de résistance apparente. Il faut plutôt procéder à une simulation informatique du système de mise à la terre et du circuit d'essai pour prévoir la position appropriée de la sonde de tension [3].
Modélisation des logiciels
La modélisation logicielle d'un essai FOP pour un système de mise à la terre peut être utile pour les raisons suivantes :
- Établir la configuration d'essai optimale, par exemple en déterminant la séparation minimale requise entre l'électrode de courant et le système principal de mise à la terre, avant l'essai.
- Vérifier la validité des modèles de résistivité du sol et de mise à la terre utilisés pendant la phase de conception.
Pour une comparaison précise entre les mesures et les valeurs calculées, le test d'impédance du réseau doit être effectué sans connexion de fils de terre aériens, ou avec d'autres systèmes de mise à la terre fournissant d'autres voies de passage du courant de défaut. Pour les nouveaux systèmes de mise à la terre, cela se produit juste après la construction.
L'impédance d'un nouveau réseau de terre diminue généralement légèrement au fur et à mesure que la terre perturbée retrouve sa compacité naturelle, un an ou plus après la construction [1].
Comment modéliser un test de résistance du réseau de terre ?
Le réseau étudié et l'électrode distante sont modélisés, et un courant unitaire est simulé comme circulant entre eux. La tension à la surface du sol est mesurée le long d'une ligne dans la simulation, comme dans le test. La procédure complète étape par étape est expliquée dans le didacticiel Simuler un test de chute de potentiel [réf. 4].
Étude de cas - Résistance du réseau de terre d'une sous-station
La grille de terre est de 60 x 30 mètres avec 28 tiges verticales, comme le montre la figure 3. Le modèle de sol est composé de trois couches : une couche supérieure de 100 Ωm d'une épaisseur de 1 m, une couche intermédiaire de 200 Ωm d'une épaisseur de 1 m et une couche inférieure de 300 Ωm d'une épaisseur infinie. Une électrode de courant à distance a été ajoutée au modèle et placée à une distance cinq fois supérieure à la diagonale maximale de la grille primaire. Dans ce cas, la distance diagonale de la grille est d'environ 67 m ; par conséquent, l'électrode de courant à distance est située à x = 390 m.
Selon la règle de la chute de potentiel, l'impédance de réseau calculée devrait se trouver à une distance de 61,8 % du point d'injection de courant. Dans notre cas, 222 m est à 61,8 % du point d'injection. En zoomant sur le tracé tactile à 222 m, nous pouvons voir que l'impédance apparente à ce point est de 2,5 Ω, ce qui correspond à l'impédance apparente de la grille calculée dans SafeGrid.
Un examen plus approfondi de la différence entre la valeur théorique de 61,8 % et la valeur d'impédance SafeGrid calculée avec précision révèle une petite erreur de 0,41 %.
Étude de cas - Effet du couplage entre les fils du voltmètre et du générateur de courant
Dans cette étude de cas, nous considérons une grille à 16 mailles de 100 m sur 100 m enterrée dans un sol uniforme avec une faible valeur de résistivité de 10 Ωm à une profondeur de 0,5 m. L'impédance exacte de la grille à 80 Hz à partir d'une tige de 0,5 m qui relie le centre de la grille à la surface de la terre est de 0,052 Ω (angle de 6,07 degrés). La distance entre l'électrode de retour de courant du FOP et le point d'injection de la grille sur le sol est de 1 000 m, soit plus de 5 fois la diagonale de la grille. Nous avons également envisagé des fils isolés pour le générateur de courant et le voltmètre utilisés dans les tests FOP à zéro degré. Nous avons supposé que les emplacements du voltmètre et du générateur de courant, ainsi que leurs fils conducteurs, sont distants de 1 m. La distance entre le voltmètre et le générateur de courant est de 1 m. La distance entre les fils conducteurs est de 1 m. L'espacement entre les bornes d'entrée du voltmètre est de 1 cm, de même que l'espacement entre les bornes de sortie du courant du générateur. Le diagramme suivant montre la résistivité apparente des essais FOP à degré zéro en fonction de la distance X entre les électrodes de tension. En l'absence de fils, nous observons que la courbe présente une large zone plate dans laquelle l'impédance apparente du FOP est très proche de l'impédance réelle du réseau. Lorsque les fils sont présents, les valeurs d'amplitude et d'angle de l'impédance du FOP sont très éloignées de la valeur réelle de l'impédance du réseau.
L'erreur importante est due à la longueur des fils conducteurs pour l'injection de courant et le voltmètre, qui ne sont séparés que d'un mètre. Si l'on augmente l'espacement entre les fils, l'erreur est réduite dans une certaine mesure dans les essais de FOP à zéro degré [6]. Un moyen efficace d'atténuer l'effet des fils est d'appliquer d'autres méthodes de FOP, telles que le FOP à 90 degrés. La figure suivante montre les résultats associés aux tests à 90 degrés sur la même grille, le même espacement de boucle de courant et la même fréquence que précédemment, avec et sans les fils. Nous avons également appliqué les mêmes valeurs de distance entre les sondes de tension que précédemment, mais dans une direction perpendiculaire. Dans le test à 90 degrés sans les électrodes, nous observons que l'impédance apparente se rapproche de l'impédance exacte de la grille, à la fois en termes de magnitude et d'angles, lorsque la distance de la sonde de tension par rapport au point d'injection dans la grille est égale ou supérieure à la moitié de l'espacement de la boucle de courant. Nos examens indiquent que cette distance minimale diminue avec l'augmentation de la fréquence (résultats non montrés ici). Les résultats obtenus avec les cordons pour l'amplitude de l'impédance apparente indiquent des différences mineures par rapport à ceux obtenus sans cordons. Les différences dans les angles d'impédance dues à l'effet des dérivations sont plus importantes que celles de l'amplitude, mais par rapport au FOP zéro degré, elles sont beaucoup plus faibles et suivent des tendances similaires. Cette amélioration par rapport au FOP de degré zéro est due au fait que les fils de tension suivent une trajectoire qui s'éloigne des fils de courant à mesure que la distance de la sonde de tension augmente.
Recommandations pour les tests de résistance à la terre
La méthode de la chute de potentiel (FOP) est couramment utilisée pour réaliser des tests d'impédance, en particulier pour les grilles de mise à la terre complexes et de grande taille. Voici quelques suggestions pour la mise en place des tests :
- Prolonger l'électrode de courant jusqu'à au moins 5 fois les dimensions diagonales de la grille.
- Pour les réseaux dont l'impédance est inférieure ou égale à 1 Ω, effectuez les mesures de tension à angle droit (90°) par rapport à l'électrode de courant. S'il n'est pas possible d'obtenir un angle exact de 90°, veillez à ce qu'il soit compris entre 90° et 180°.
- Des erreurs de mesure importantes se produisent lorsque de longs fils de mesure de la tension sont parallèles aux fils d'injection de courant, en particulier dans les sols à faible résistivité. Pour atténuer ce phénomène, il est recommandé d'effectuer les mesures à un angle de 90°.
- Le test d'impédance du réseau doit être effectué sans connexion de fils de terre aériens, ou avec d'autres systèmes de mise à la terre fournissant d'autres voies de passage du courant de défaut.
- Modéliser la chute de l'installation d'essai potentielle à l'aide d'un logiciel, avant d'effectuer les essais.
Pour déterminer avec précision l'impédance du réseau de terre, nous formulons les recommandations suivantes :
- Le test de chute de potentiel ne donnera pas de résultats précis pour les grilles très grandes, compliquées ou de forme irrégulière.
- La règle des 61,8 % donne des résultats raisonnables, même pour les sols multicouches, à moins que le modèle de sol ne présente une résistivité faible ou élevée.
- Modéliser la chute des résultats potentiels des essais à l'aide d'un logiciel afin de valider les mesures effectuées sur le site.
Références
[1] IEEE Std 81-2012, IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Grounding System.
[2] IEEE Std 81.2-1991, IEEE Guide for Measurement of Impedance and Safety Characteristics of Large, Extended or Interconnected Grounding Systems.
[3] IEEE Std 80-2013, IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding.
[4] Simuler une chute de potentiel Tutoriel de test, https://elek.com/tutorials/safegrid/how-to-simulate-a-fall-of-potential-test/
[5] Logiciel de mise à la terre ELEK SafeGrid, V8.0.
