Table des matières
Objectif de la liaison de la gaine du câble
Les câbles électriques à haute tension sont dotés d'un conducteur concentrique extérieur sous la forme d'un écran métallique et/ou d'une gaine métallique qui entoure le conducteur principal et la couche d'isolation. Les écrans métalliques et les gaines métalliques sont désignés collectivement par le terme "gaine". La gaine comprend également toute(s) couche(s) d'armure métallique(s) dans le câble. La gaine métallique d'un câble sert notamment à assurer le retour du courant de défaut, le retour des courants de charge capacitifs induits, le potentiel de terre (tension de contact nulle ou à peu près) pour la sécurité des personnes, et la barrière contre l'humidité pour l'isolation du câble.
Pour les circuits de câbles à haute tension transportant plus de 500 A environ, des dispositifs de liaison de la gaine sont mis en œuvre pour réduire (souvent de manière significative) les pertes de courant de la gaine. Bien que les dispositifs de collage entraînent un coût supplémentaire pour l'équipement et la maintenance, ils permettent souvent d'utiliser des câbles de taille considérablement plus petite pour fournir les mêmes courants de charge. Le dispositif de liaison de la gaine métallique choisi pour les systèmes de câbles à haute tension a le deuxième impact le plus important sur les courants nominaux des câbles, juste après la résistance thermique externe (l'environnement installé) des câbles. Les courants nominaux des câbles haute tension sont calculés à l'aide de la série de normes IEC 60287.
Un système de liaison de la gaine est utilisé pour protéger l'isolation de divers composants du système de câble pendant le fonctionnement normal ainsi que contre les surtensions transitoires dues à la foudre, aux commutations et aux surtensions de défaut. En outre, la disposition de la liaison de la gaine est également importante du point de vue de la sécurité.
Dans ce rapport, nous expliquons les types suivants : la liaison solide, la liaison monopoint, la liaison croisée et la liaison par impédance.
La liaison transversale sectionnée est la liaison spéciale la plus courante pour les lignes de transmission HT et THT, sauf si la longueur de la ligne est courte, auquel cas la liaison monopoint est le plus souvent utilisée.
Se référer à des articles séparés pour la conception du conducteur de continuité de terre (ECC), la sélection du limiteur de tension de la gaine (SVL) et la sélection du fil de liaison.
Pertes dans la gaine du câble
Le champ magnétique généré par le flux de courant dans les conducteurs principaux des câbles crée un effet "transformateur" qui induit un courant dans la gaine. En raison de ces courants induits dans la gaine, deux types de pertes peuvent se produire : les pertes par courant de circulation et les pertes par courants de Foucault. La présence de pertes de courant dans la gaine provoque un échauffement supplémentaire à l'intérieur du câble, ce qui réduit la capacité de transport de courant du conducteur du câble.
Les courants de Foucault circulent radialement et longitudinalement dans les gaines de câbles et sont générés selon les mêmes principes que les effets de peau et de proximité. Les courants de Foucault sont généralement plus faibles que les courants circulants et sont générés dans la gaine du câble, quel que soit le système de liaison des câbles à âme unique.
Si des courants de circulation sont présents dans la gaine (en fonction de la disposition de la liaison de la gaine), leur intensité est généralement beaucoup plus importante que celle des courants de Foucault.
Des courants de circulation se produisent dans la gaine pour la liaison solide des câbles à âme unique et des câbles multiconducteurs où une gaine individuelle entoure chaque âme du conducteur. Pour les gaines qui sont reliées en un seul point ou en croix, il n'y a pas de courants de circulation, mais des pertes par courants de Foucault se produisent quand même.
Conceptions de collage de la gaine
Liaison solide
Méthode
Figure 1. Système de câbles massifs
Figure 2. Système de liaison solide avec points de mise à la terre intermédiaires
Application
Avantages
- Solution simple et peu coûteuse.
- Le champ magnétique externe au câble est faible en raison de la direction opposée du courant de la gaine par rapport aux courants du conducteur.
- Un entretien minimal est nécessaire.
- La tension de la gaine est considérée comme étant en tout point au potentiel de la terre.
Inconvénients
- Le courant circulant dans les conducteurs du câble induit des courants de circulation dans les gaines qui peuvent représenter jusqu'à 80 % du courant du conducteur.
- La chaleur générée par les pertes par effet joule dues à la circulation du courant provoquera un échauffement supplémentaire qui entraînera un déclassement du système de câble et des dimensions de câble plus importantes pour les dispositifs de liaison solide.
Considérations relatives à la conception
- Utilisez deux câbles de mise à la terre parallèles et indépendants à chaque point de mise à la terre (extrémité ou milieu) pour réduire le risque de déconnexion.
- Les câbles de liaison aux points de mise à la terre doivent être capables de résister aux courants de défaut.
- En fonction de la longueur et d'autres paramètres, des points de mise à la terre intermédiaires peuvent être inclus.
- L'ampleur du courant de circulation est indépendante de la longueur du circuit.
Collage en un seul point
Méthode
Figure 3. Système de câble collé à point unique
Figure 4. Système de câble collé à point unique sectionné
Application
Avantages
- La liaison à point unique permet d'améliorer l'intensité nominale du câble puisque les pertes de courant de circulation induites dans la gaine sont éliminées.
- Une seule longueur de câble est nécessaire, ce qui fait de la liaison monopoint une solution économique.
- Le courant ne circule pas longitudinalement le long des gaines. En effet, il n'y a pas de chemin électrique continu en boucle fermée pour la gaine. Par conséquent, les pertes dues au courant de circulation de la gaine sont éliminées. (Il convient de noter que les pertes par effet de Foucault de la gaine seront toujours présentes).
Inconvénients
- Cette méthode provoque une augmentation de la tension le long du câble et ces tensions sont proportionnelles au courant du conducteur et à la longueur du câble. Pour les câbles unipolaires, cette tension augmente avec l'espacement des phases individuelles.
- Pour réduire cette tension, on installe un ECC parallèle aux câbles, ce qui augmente considérablement le coût du système de câblage.
- Il faut veiller à isoler la gaine à l'extrémité libre pour éviter tout danger lié aux tensions induites.
Considérations relatives à la conception
Dans un système de câble collé en un seul point, une tension est induite sur la gaine du câble pendant le fonctionnement, augmentant progressivement avec la distance du point mis à la terre. Cette tension induite atteint un maximum au point le plus éloigné de l'extrémité mise à la terre. Par conséquent, la longueur maximale de la section du câble est régie par la tension permanente admissible sur la gaine à l'extrémité isolée.
La tension induite sur la gaine doit être calculée de manière à ne pas dépasser une limite de tension de contact acceptable pour des raisons de sécurité. La plupart des pays disposent d'une norme nationale qui régit les tensions debout maximales autorisées aux fréquences électriques, car il s'agit d'une question importante, en particulier pour les travailleurs de la maintenance, et ces limites de tension sont généralement comprises entre 35 et 400 V, en fonction du pays et des réglementations appliquées.
Aux points les plus éloignés de l'extrémité mise à la terre, la gaine doit être efficacement isolée de la terre pendant toute la durée de vie du système de câble. Si le niveau de surtension prévu est supérieur à 75 % du niveau d'isolation de base (BIL) de l'isolateur de la gaine, un limiteur de tension de la gaine (SVL) doit toujours être utilisé. Le SVL est généralement connecté entre la gaine ouverte et le point de mise à la terre pour protéger la gaine du câble contre les surtensions pendant les transitoires causées par la commutation, l'éclairage ou les défauts.
Un CCE est installé en parallèle avec les câbles d'un système à liaison unique, sauf lorsque les deux extrémités du câble partagent un système de mise à la terre commun. L'emplacement relatif de l'ECC par rapport aux conducteurs de phase doit être soigneusement étudié et l'ECC doit être transposé au milieu du système de câbles.
Liaisons croisées
Méthode
Figure 5. Câbles à liaisons croisées sans transposition
Figure 6. Câbles à liaisons croisées avec transposition
Les types
Continu Type de liaison croisée
Liaison transversale sectionnée
Liaisons croisées directes
Liaisons croisées des lignes courtes
Liaisons croisées dans les installations en tunnel
Bien que, dans cette configuration, les fils de liaison transversale ne transportent pas de courant de choc, ces fils doivent être dimensionnés pour transporter les courants de court-circuit du système. Par rapport à la liaison transversale classique où les SVL sont connectés en étoile, le SVL de l'installation en tunnel est connecté en triangle. En raison des tensions induites plus élevées en conditions normales et transitoires, une tension nominale plus élevée pour le SVL est nécessaire dans ce type d'installation.
Applications
Avantages
- Par rapport à la liaison monopoint, la configuration de liaison croisée présente l'avantage de ne pas être limitée en longueur.
- Les courants de circulation sont considérablement réduits, ce qui se traduit par des pertes de gaine moindres et des courants nominaux de câble plus élevés.
- Outre l'inhibition des courants de gaine pendant le fonctionnement normal à charge équilibrée, les gaines forment un chemin continu d'un bout à l'autre du circuit du câble et sont mises à la terre aux deux extrémités. Par conséquent, en cas de défaut de mise à la terre, les courants de gaine peuvent circuler sur toute la longueur du câble, ce qui élimine la nécessité d'un ECC séparé.
- Outre les économies réalisées grâce à l'élimination de l'ECC, les gaines des câbles fonctionnent plus efficacement comme conducteurs de blindage lors de défauts à la terre qu'un ECC parallèle. Par conséquent, les tensions induites dans les câbles parallèles, les lignes de communication, les pipelines, les clôtures, etc., sont réduites lors de défauts à la terre dans un système à liaisons croisées par rapport à un système similaire à liaison unique.
Inconvénients
- Coûteux et compliqué.
- La liaison transversale des gaines réduit considérablement le courant circulant dans les gaines. Toutefois, il est difficile de s'assurer que toutes les sections ont la même longueur.
Considérations relatives à la conception
La longueur de chaque section et l'espacement des câbles sont limités par les niveaux de tension induite et les différences de tension entre les gaines et les points de mise à la terre.
Pour les circuits de câbles croisés, les tensions gaine-terre les plus élevées sont causées par des défauts biphasés et triphasés. Si le circuit de câbles croisés est inséré au milieu d'une ligne aérienne, les défauts monophasés produisent les tensions gaine-terre les plus élevées, qui augmentent avec les impédances de terre.
Liaison par impédance
Méthode
Dans le transformateur de liaison de gaine, les deux extrémités de chaque gaine de câble sont connectées électriquement à un transformateur de liaison de gaine triphasé, comme le montre la figure 7.
Figure 7. Liaison d'impédance par transformateurs de liaison de gaine
Application
Avantages
- Le schéma du transformateur de liaison est efficace pour limiter les courants de gaine induits, que les distances entre les voûtes de câbles soient égales ou inégales.
Inconvénients
- Un espace supplémentaire pour la chambre forte est nécessaire.
- Les dispositifs d'impédance sont relativement coûteux car ils doivent être conçus pour résister aux courants de défaut
- En fonctionnement normal, les troisièmes harmoniques peuvent être induites dans la gaine, ce qui peut provoquer des interférences sur les lignes de télécommunication voisines.
- Les courants continus vagabonds qui pénètrent par la mise à la terre peuvent provoquer la saturation des noyaux de fer et perturber le fonctionnement des réacteurs ou des transformateurs.
Considérations relatives à la conception
Conclusions
Le collage des gaines est l'un des aspects les plus importants de la conception, nécessitant une attention particulière, pour la transmission des câbles d'énergie à haute tension. Le collage de la gaine du câble sert une multitude d'objectifs et a un impact significatif sur le coût global du système et sur le courant nominal des câbles.
