La foudre et les installations électriques HT

n° 168la foudre et lesinstallationsélectriques HT

CT 168 édition juillet 1993

Benoît de Metz-Noblat

Ingénieur ESE, il a travaillé dans leGroupe Saint-Gobain commeingénieur de recherche, puis enmaintenance et travaux neufs dansun site de production.Entré chez Merlin Gerin en 1986, ilest maintenant au Service Etudes deRéseaux dans lequel il est respon-sable d'un groupe chargé des étudesde surtensions, d'harmoniques, etde stabilité dynamique des réseaux.

Cahier Technique Merlin Gerin n° 168 / p.2

lexique

BIL : (Basic Impulse Level) : niveaud'isolement au choc d'un appareil.

PSEM : Poste Sous EnveloppeMétallique, aussi appelé poste blindéen HTB et appareillage sousenveloppe métallique à isolationgazeuse selon le vocabulaireinternational (VEI 441-12-05),couramment dénommé GIS (GasInsulated Switchgear) ou appareillagehermétiquement clos : ensembled'appareillage de commande,protection et sectionnement, placédans une enveloppe métalliqueétanche reliée à la terre et isolé dansdu gaz (en général du SF6).A ne pas confondre avecl'appareillage blindé (Metal-cladSwitchgear) dont les matériels sontplacés dans des compartimentsdistincts ayant des cloisons métalliques(cf. CEI 298).

MCOV : (Maximum ContinuousOperating Voltage) : tension maximalepermanente que doit supporter unparafoudre.

tension de pas : tension susceptibled'apparaître entre les deux pieds d'unmarcheur.

RemarqueLes niveaux de tensions font l'objet de différents classements selon les décrets, lesnormes, et autres spécifications particulières telles celles de certains distributeursd'énergie, ainsi en ce qui concerne les tensions alternatives supérieures à 1 000 V :

le décret français du 14 novembre 1988 définit deux domaines de tension :HTA = 1 kV < U ≤ 50 kV,HTB = U > 50 kV.

le CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique) dans sacirculaire du 27 juillet 1992 précise :MT = 1 kV < U ≤ 35 kV,HT = U > 35 kV.

la publication CEI 71 précise des gammes de tensions les plus élevées pour lematériel :gamme A = 1 kV < U < 52 kV,gamme B = 52 kV ≤ U < 300 kV,gamme C = U ≥ 300 kV.

Une révision est prévue, elle retient seulement deux gammes :gamme I = 1 kV < U ≤ 245 kV,gamme II = U > 245 kV.

le distributeur national d'énergie en France, EDF, utilise maintenant le classementdu décret cité ci-dessus.

Nota : Les sigles THT et UHTquelquefois utilisés ne sont définis paraucune norme. Dans ce CahierTechnique, THT est employé pour lestensions supérieures à 300 kV.


la foudre et les installations électriques HT

sommaire

1. Introduction p. 42. Le phénomène «foudre» Généralités p. 5

Principales caractéristiques p. 5Prédiction de foudre p. 6Mécanisme d'impact et modèleélectrogéométrique p. 7

3. La foudre et les installations Foudroiement d'une ligne p. 8Propagation d'onde p. 9Effets dus à la foudre p. 10

4. Moyens de protection Principes généraux p. 10Protection 1er niveau p. 11Protection 2ème niveau p. 12Protection 3ème niveau p. 12Distance de protection p. 13Exploitation des réseaux etindisponibilité p. 16Normes p. 17

5. Exemple d'étude de foudre Généralités p. 19Méthode de calcul p. 19Modélisation du poste p. 19Simulations déterministes p. 20Calcul statistique de la fréquencede foudroiement et du risqueassocié p. 20Interprétation de ces calculs p. 22

6. Conclusion p. 23Annexe : bibliographie p. 24

Ce Cahier Technique a plusieursobjectifs : présenter une synthèse globale sur lephénomène «foudre» et sur ses effetsdans les installations électriques, indiquer les moyens opérationnelsactuels de protection en vue de limiterles effets néfastes, évoquer les problèmes de continuitéde service, montrer les points principaux dudéroulement des études de foudre àpartir d'un exemple sur une installationTHT développé par le service Etude deRéseaux de Merlin Gerin.

Il est particulièrement orienté transportet distribution d'électricité, plusprécisément réseaux HTA et HTB, pourlesquels la foudre doit être prise encompte dans la coordination del'isolement lors de la conception desouvrages. L'aspect BT est néanmoinsévoqué mais plus rapidement.

Ce document est complété d'unecourte bibliographie.

électriques


1. introduction

La foudre est un phénomèneperturbateur important dufonctionnement de toutes lesinstallations électriques, à plusieurstitres : toute la gamme de puissance et tousles niveaux de tension sont concernés :depuis le transport d’énergie THTjusqu’aux circuits intégrés en passantpar les alimentations BT et lestransmissions de données, elle peut être à l'origine de pertur-bations momentanées dans lacontinuité de service, donc de dégra-dations de la qualité des alimentations, elle peut causer des destructions dematériel, et en conséquence delongues interruptions de service desinstallations, elle constitue un danger pour lespersonnes (tension de pas, élévationde potentiel des masses et du circuit deterre).

La foudre a toujours été une cause deperturbations dans l’utilisation de

l’électricité. Mais il faut noter l’exigenceassez récente et croissante de laqualité des systèmes électriques(fiabilité, disponibilité, continuité deservice...) ainsi que le souci toujourspermanent de minimiser les coûts deproduction et d’utilisation de l’électricité.Cela conduit à constater que la foudreest devenue un «point dur» dansl’amélioration de tous ces facteurs.C’est pour cela qu’elle fait maintenantpartie des grandes préoccupations desélectriciens, qu’ils soient distributeursd’énergie (EDF, régies), constructeursde matériels (tel Merlin Gerin),concepteurs (Bureaux d’Études,ingénieries...), ou installateurs.

Une étude des effets de la foudre sedéroule en deux étapes, mais nécessiteau préalable une bonne connaissancedu phénomène.Pour cela des travaux internationauximportants ont été entrepris, enparticulier par EDF, depuis lesannées 70, permettant maintenant une

description suffisante de cesmécanismes.Ces deux étapes ont pour objectif : prévoir ce qui peut se passer sur uneinstallation donnée et préconiser dessolutions d’amélioration. Ceci estpossible par l’utilisation de logicielsspécialisés qui simulent lecomportement des installations, validépar l’expérience. puis réaliser une étude technico-économique de coordination del’isolement prenant en compte le coûtdes installations, de la maintenance,des interruptions de service.

Rappel : la coordination de l’isolementconsiste à définir, à partir des niveauxde tension et surtension susceptiblesd’être présents sur une installation, unou des niveaux de protection contre lessurtensions, pour ensuite pouvoirchoisir les matériels de l’installation etles dispositifs de protection. Ce sujetest traité dans le Cahier Techniquen° 151.


2. le phénomène «foudre»

Dans ce chapitre, après quelquesgénéralités sur les phénomènesélectriques atmosphériques, sontprésentés : les caractéristiques principales de lafoudre du point de vue de l’ingénieur, puis des données de prédiction, enfin le mécanisme d’impact par lemodèle électrogéométrique.

généralitésLa terre et l’électrosphère, zoneconductrice de l’atmosphère (épaisseurde l’ordre de 50 à 100 km), constituentun condensateur sphérique naturel quise charge par ionisation, d’où unchamp électrique dirigé vers le sol del’ordre de quelques centaines devolts/mètre.L’air étant faiblement conducteur, ilexiste donc un courant de conductionpermanent associé, de l’ordre de1 500 A pour tout le globe terrestre.L’équilibre électrique est assuré lorsdes décharges par pointes, par pluieset coups de foudre.La formation des nuages orageux,masses d’eau sous forme d’aérosols,s’accompagne de phénomènesélectrostatiques de séparation decharges : les particules légèreschargées positivement sont entraînéespar les courants d’air ascendants, etles particules lourdes chargéesnégativement tombent sous l’action deleur poids. Il arrive également qu’à labase du nuage se trouvent des îlots decharges positives à l’endroit de pluiesintenses.Globalement à l’échellemacroscopique, il y a création d’undipôle.Lorsque le gradient limite de tenue auclaquage est atteint, une décharge seproduit au sein du nuage ou entrenuages ou entre nuage et sol.Dans ce dernier cas on parle defoudre.

Le champ électrique nuage-sol peutatteindre -15 à -20 kV/mètre sur solplat. Mais la présence d’obstaclesdéforme et augmente localement cechamp d’un facteur 10 à 100 ou même1 000 selon la forme des aspérités(phénomène aussi appelé «effet depointe»). Le seuil d’ionisation de l’airatmosphérique est alors atteint, soitenviron 30 kV/cm, et des déchargespar effet couronne se produisent. Surdes objets d’assez grande taille (tour,cheminée, pylône) ces déchargespeuvent être à l'origine des coups defoudre, ou les diriger.

Classification des coups de foudreUn Coup de Foudre -CdF-, entrenuages et terre, se décompose en deuxphases : le développement d’une pré-décharge ou traceur (leader en anglais),canal ionisé, qui provoque le coup defoudre proprement dit, décharge d’arcvisible de courant intense.

Les CdF se distinguent selon deuxcritères principaux qui sont leur sens dedéplacement et leur polarité : CdF descendants : développement dutraceur depuis les nuages vers le sol(cas sur terrains assez plats),

CdF ascendants : développement dutraceur depuis le sol vers les nuages(cas de terrains montagneux), CdF négatifs lorsque la partienégative du nuage se décharge (80 %des cas en pays tempérés), CdF positifs lorsque la partie positivedu nuage se décharge.

principalescaractéristi quesForme d’ondeLe phénomène physique de la foudrecorrespond à une source de courantimpulsionnel, à savoir une suite dedécharges d’une quantité d’électricitésur un court intervalle de temps.

La forme d’onde réelle est trèsvariable : elle consiste en un front demontée jusqu’à l’amplitude maximale(de quelques microsecondes à20 microsecondes) suivi d’une queuede décroissance de quelques dizainesde microsecondes (cf. fig. 1).

Le domaine spectral associé s’étenddans une bande de 10 kHz à plusieursMHz.

fig. 1 : oscillogramme d’un courant de foudre.

0 25 50 75 100 125 150

0

- 20

- 45

tempsen µs

I en kA


Amplitude des coups de foudreLa distribution statistique expérimentaledes coups de foudre en amplituderépond à une loi normale donnée dansla figure 2.

Raideur de frontLa distribution en raideur de front descoups de foudre est donnée dans lafigure 3.

Pour les études de foudre les valeurssuivantes sont en général choisies : amplitudes 100 kA ou 200 kAauxquelles sont associéesrespectivement une probabilité dedépassement de 5 % et 1 %, forme d’onde triangulaire : temps demontée 2 µs et temps de descente àmi-queue 50 µs, d’où un front de 50 ou100 kA / µs.

Nota : ce temps de front est différent decelui de l’onde normalisée (1,2 µs)définie pour les essais en laboratoire(cf. CEI 60).

Charge des coups de foudreEn moyenne cette charge est dequelques dizaines de coulombs maiselle peut dépasser 300 C.

prédiction de foudreL’implantation en France d’un réseaude localisation des déchargesorageuses date de 1986 avec lacréation de Météorage.

Météorage exploite un réseau destations de détection réparties surl’ensemble du territoire national etreliées aux calculateurs d’un centreopérationnel basé à Paris.Ces stations distantes de 200 à 300 kmmesurent les ondes électromagnétiquescréées par les décharges orageuses(sensibilité 800 km). Elles permettentd’établir une caractérisation des oragesà partir des informations suivantes : localisation, datation (à la milliseconde), polarité d’onde (> 0, < 0), amplitude d’onde (0, à plusieurscentaines de kA), nombre d’arcs.

Météorage offre différents services quiintéressent des applications trèsdiverses, en particulier le transport et ladistribution d’énergie électrique.Quelques exemples parmi ses presta-tions : alerte, signalisation, observation,surveillance, expertise, qualification,consultation, interrogation, statistiques.

fig. 3 : distribution statistique expérimentale, en raideur de front, des courants de foudre,positifs et négatifs, suivant IEEE.

0,1

0,51

5

10

2030

4050607080

90

99

1 2 5 10 20 50 100 200 1 000

coups defoudrepositifs

99,9 %

coups defoudrenégatifs

amplitude (kA)

moyenneIEEE

probabilité :

fig. 2 : distribution statistique expérimentale, en amplitude, des coups de foudre positifs etnégatifs, selon IEEE.

0,1

0,91

510

20

304050607080

90

99

0,1 0,5 50 100

coups defoudrepositifs

99,9 %

coups defoudrenégatifs

1 2 5 10 20

3

969798

99,5

probabilité :

d i

d t(kA / µs)


Les deux caractéristiques de prédictionsuivantes sont utilisées dans les étudesde foudre.

Niveau kéraunique NkC’est le nombre de jours par an où letonnerre a été entendu à un endroitdonné. Il s’agit d’une notion apparem-ment assez approximative mais en faitutile.En France, le niveau Nk moyen est de20 avec une fourchette allant de 10 enrégions côtières de la Manche jusqu’àplus de 30 dans les régionsmontagneuses.Dans le reste du monde, Nk peut êtrebien plus élevé, par exemple plus de180 en Afrique tropicale ou enIndonésie.

Densité de foudroiement NC’est la densité annuelle de coups defoudre au sol exprimée en nombre deCdF / km2 / an, quel que soit leurniveau d’intensité.En France la densité N est comprise,selon les régions, entre 2 et6 CdF / km2 / an.Une relation pratique lie, en valeurmoyenne, Nk et N : N = Nk / 7.

mécanisme d’impact etmodèle électrogéométriqueLe mécanisme d’impact de la foudre sedéroule de la façon suivante : un traceur issu d’un nuage serapproche du sol à faible vitesse ;lorsque le champ électrique estsuffisant, une conduction brutales’établit donnant lieu à la décharge defoudre. une approche pratique expérimentalea permis d’établir la relation qui lie ladistance d’entre les points d’amorçageet de décharge d’un canal de foudre àl’intensité I du coup de foudre :

d = 9,4 x I2/3 ou d = 6,7 x I0,8 selon

les auteurs, avec :d = distance d’amorçage en mètres(striking distance),I = courant de foudre en kA. le modèle électrogéométrique estalors développé tel celui appliqué à unetige verticale donné par l’exempleci-après (cf. fig. 4).

Soit une tige verticale de hauteur h etde sommet H, les zones définies dansl’espace sont les suivantes : zone I, entre le sol et la parabole p,lieu des points équidistants de H et dusol : à l’instant d’amorçage, tout traceurétant dans cette zone touchera le solpuisque plus près de celui-ci que de H. zone II, au dessus de la parabole : àl’instant d’amorçage, tout traceur étant

dans cette zone sera capté par H dèsque la distance H au traceur estinférieure à la distance d’amorçage d.Pour un courant d’intensité donnée Idonc de distance d’amorçage définie, ladistance à la tige x , dite rayon decapture, est :

si d > h x = 2 . d . h − h2

si d < h x = d

Le rayon de capture de la tige estd’autant plus grand que le coup defoudre est intense.Pour de très faibles intensités, le rayonde capture devient inférieur à la hauteurde la tige qui peut alors devenircaptatrice sur sa longueur, ce qui estvérifié expérimentalement.

fig. 4 : représentation des différentes zones de protection offertes par une tige verticale.

parabole py

x

H

h/2

h

d

d

h

zone Iimpacts au sol

zone IIcapture par la tige


3. la foudre et les installations électriques

Ce chapitre aborde l’analyse dufoudroiement d’une ligne, desgénéralités sur les effets de la foudre etdonne quelques informations sur lapropagation des ondes.

foudroiement d’une ligneA partir du modèle électrogéométrique,la fréquence de foudroiement secalcule en tenant compte de la surfacede capture de l’élément considéré.

La figure 5 donne, pour une densité deN = 4 . CdF / km2 / an (soit un niveaukéraunique d’environ 30), la fréquencede foudroiement (nombre de CdF paran) d’une tige verticale de hauteur h etd’un conducteur horizontal de longueur100 km à une hauteur h.

La formule empirique généraleindiquant le foudroiement (nombre totalde CdF par an) d’une ligne (pylônes,câbles de phases et de garde) est lasuivante :

NL = Nk N130

+ l

70

. α .

L100

avec :Nk = niveau kéraunique,NL = foudroiement de la ligne,N1 = foudroiement du conducteurhorizontal le plus élevé (cf. fig. 5),L = longueur de la ligne en km,l = largeur de la ligne en m (entre lesconducteurs extérieurs),α = facteur d’influence des pylônes etdes câbles de garde (cf. fig. 6).

Cette expression prend en compte : le foudroiement d’un conducteur(N1), la présence des conducteursextérieurs (l), la répartition entre pylône et lignefonction de la structure de la ligne (α), la longueur de la ligne (L) : pour un calcul de coordinationd’isolement, L ≈ 1,5 km est généra-lement choisie car au-delà l’effet de lafoudre devient négligeable, pour un calcul de continuité deservice, c’est la longueur totale de laligne sur laquelle des amorçages sontpossibles, donc des interruptions deservice, qui est retenue.

Coups de foudre directs(sur conducteurs de phase)Lorsque la foudre tombe sur unconducteur de phase d’une ligne, lecourant i(t) se répartit par moitié dechaque côté du point d’impact et sepropage le long des conducteurs quiprésentent une impédance d’onde Z devaleur comprise entre 300 et 500 Ω(cf. fig. 7).Il s’en suit une onde de tensionassociée :

u(t) = Z . i(t)

2

fig. 6 : répartition du foudroiement d’une ligne entre les pylônes et les conducteurs.

Au niveau des pylônes la tension croîtet se propage : en onde pleine en atteignant savaleur maximale

Umax = Z . I max

2lorsque

Z . I max

2 < Ua

avec Ua = tension d’amorçage à l’ondede choc de la chaîne d’isolateurs oudes éventuels éclateurs de protection,elle est sensiblement proportionnelle à

fig. 5 : fréquence de foudroiement pour une densité N = 4 CdF / km2 / an : courbe 1 : d’une tige verticale de hauteur h (avec N1 x 10-3), courbe 2 : d’un conducteur horizontal de longueur 100 km à une hauteur h (avec N1).

nombre de câblesde garde 0 1 2 3

foudroiement sur pylône (%) 55 35 20 10

sur portée (%) 45 65 80 90(câbles de gardeet de phases)

facteur d'influence α 1,65 1,40 1,20 1,05

2 3 4 5 6 8 10 20 30 4050 70 100 200 500 1 000

10

20

30

N1

0

Nb CdF/an

h enmètres

(2)

(1)


la longueur de la distance dans l’air(≈ 550 kV / m), et doit tenir compte d’unretard à l’amorçage pour les fronts trèsraides, en onde coupée à la tensiond’amorçage lorsque

Z . I max

2 ≥ Ua

La valeur limite du courant de foudre audelà de laquelle il y a amorçage, doncinterruption de service, est appeléecourant critique Ic :Ic = 2 . Ua / Z.

L’ordre de grandeur de Ic est de 5,5 kApour les lignes 225 kV, 8,5 kA pour400 kV, 19 kA pour 750 kV. Lesfréquences correspondantes sontrespectivement de 95 %, 90 %, et 60 %(cf. fig. 2) . A noter qu’en 20 kV savaleur est voisine de 0, d’où desamorçages systématiques.

Coups de foudre indirects (surconducteurs de garde ou pylônes)(cf. fig. 8)Dans ce cas l’écoulement du courantde foudre vers la terre provoque uneélévation du potentiel des structuresmétalliques.La tête du pylône atteint un potentieldépendant de son inductance propre Let de la résistance de terre R au choc.

u(t) = R . i(t) + L . di(t)dt

La tension peut atteindre la limited’amorçage à l’onde de choc de lachaîne d’isolateurs. Il s’agit de l’«amor-çage en retour» ou «backflashover».Une partie du courant se propage alorssur la ou les phases amorcées, vers lesutilisateurs ; ce courant est en généralsupérieur à celui d’un CdF direct.

En très haute tension l’amorçage enretour est peu probable (niveau d’amor-çage des isolateurs), c’est pourquoil’installation de câbles de garde estintéressante (interruptions de servicelimitées). Mais en dessous de 90 kVl’amorçage en retour se produit mêmepour de faibles valeurs de la résistancede terre (< 15 Ω), d’où un intérêt limité(interruptions de service plusfréquentes).

propagation d’ondeLa propagation de l’onde de foudre estun concept auquel l’électrotechnicien apeu à faire dans ses travauxquotidiens.

fig. 8 : chute de la foudre sur un câble de garde.

Qu’en est-il en réalité ?Toute modification de l’état électriqued’un conducteur en l’un de ses pointsse propage à grande vitesse, de150 000 à 300 000 km/s selon lediélectrique entourant le conducteur,soit à la fréquence industrielle de 50 Hzune distance parcourue de 3 000 à6 000 km en une période.Dans le domaine industriel, cettedistance est, sauf cas particulier, sanscommune mesure avec la longueur desconducteurs concernés. Il est alorslégitime de simplifier en considérantque la transmission d’onde est instan-tanée en tout point de l’installation.Dans le cas de la foudre, il s’agit dephénomènes à «haute fréquence» : dequelques dizaines de kHz à plusieursMHz, à comparer avec la «basse

fréquence» industrielle de 50 Hz ou60 Hz.

Particularités des phénomènes«haute fréquence»Dans ce domaine de fréquences, leslois de l’électricité habituellementutilisées ne sont plus suffisantes : d’une part, l’hypothèse de quasistationnarité, supposant que la tensionse transmet instantanément en touspoints d’un réseau, devient fausse : letemps de transmission n’est plusnégligeable devant la période desphénomènes étudiés (exemple : à1 MHz, la période est de 1 µs soit300 m). d’autre part, les capacités parasitesdes éléments, l’effet de peau, lecouplage électromagnétique... devien-nent importants voire prépondérants.

fig. 7 : chute de la foudre sur un conducteur de phase.

U = k R . i + L di

dt

U = Z . i

2

i

t

U

i/2

i/2

i

L

R

U

(1/2 - k) ik.i

@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@À@À@À@À@À@À

i/2i/2

i


…et conséquences pratiques quantaux étudesIl s’ensuit que pour appréhenderquantitativement les effets de la foudre,(cf. exemple au chapitre 5) il faut : tout d’abord considérer les lois depropagation des ondes, connues sousle nom «d’équations du télégraphiste».Eu égard aux distances parcourues(quelques mètres à quelqueskilomètres) le régime des ondes nes’établit pas instantanément, dansl’espace et le temps. ensuite tenir compte des lois deréflexion, de réfraction aux points dediscontinuités, et de superposition desondes à chaque instant et en chaqueendroit. enfin, adapter le modèle qui décrit leséquations de fonctionnement physiquedes éléments pour tenir compte desphénomènes prépondérants en hautefréquence.

Exemple : un transformateur soumis àun transitoire ne se comporte plus, àcette fréquence, comme uneinductance en série avec un rapport detransformation, mais comme undiviseur capacitif (capacités HT/terre,BT/terre, HT/BT). Dans ce cas lerapport de transformation HT/BT peutêtre très différent de sa valeur àfréquence industrielle.

Atténuation de propagation due àl’effet couronneLes surtensions atmosphériques qui sepropagent le long des conducteurs sont

déformées à cause de l’effet couronne(perte par ionisation de l’air entourant leconducteur, importante pour U > 1 MV).Cela se traduit par une atténuation deleur amplitude et de la raideur de leurfront. Il est estimé qu’après 1,5 km lessurtensions atmosphériques ne présen-tent plus de danger pour les postes.

effets dus à la foudreDans ce paragraphe sont pris enconsidération les principaux effets,directs et indirects, consécutifs à lapropagation du courant de foudre. Anoter que même si ce courant arrivepar la haute tension, il peut atteindretous les circuits électriques (pertur-bations conduites et rayonnées). Ceseffets, qui concernent donc tous lesniveaux de tension, sont : thermiques (fusion d’éléments,incendies, explosions). mécaniques, dus aux effortsélectrodynamiques des conducteursparallèles proches. de choc diélectrique, suite auxmontées en potentiel lors de lapropagation d’onde à travers lesimpédances présentées par lesconducteurs. de perte d’isolement parcontournement de l’isolateur d’unephase entraînant un «courant de suite»à la terre à fréquence industrielle. d’élévation de potentiel de terre :il est usuel d’atteindre des potentiels deplusieurs centaines de kV au puits de

terre de l’équipement HT concerné. Laloi de variation, fonction de la distanceà la prise de terre, est approxima-tivement hyperbolique, d’où despotentiels, et leurs gradients associés,très grands à proximité des puits deterre, même à plusieurs dizaines demètres. électromagnétiques à hautefréquence (spectre très large) :rayonnement parasite, induction etcouplage de circuits. également électrochimiques,acoustiques et physiologiques.

Tous ces phénomènes sont sourcede : dégradation de matériel, de façonbrutale comme les claquagesdiélectriques par surtension, ou parvieillissement prématuré à cause decontraintes non destructricesimmédiatement mais répétées, dysfonctionnement des installationsparticulièrement au travers des circuitsà courants faibles, exemple :perturbations parasites deséquipements de contrôle-commande etde communication, réduction de la continuité de servicepar des interruptions longues (cas dedestruction de matériel) ou courtes(dysfonctionnement des automatismesde réseaux), danger pour l’homme et les animaux,notamment par l’apparition de latension de pas pouvant entraîner uneélectrisation voire électrocution.

4. moyens de protection

Après quelques principes généraux deprotection, sont développés, plus endétail, les moyens de protectionprimaire (par décharge directe) puissecondaire (par limitation desperturbations transmises).

principes générauxLa protection en général, et despersonnes en particulier, est d’autantmeilleure qu’un écoulement maximaldes perturbations vers la terre est

assuré, le plus près possible dessources de perturbation.La condition d’une protection efficaceest donc d’assurer des impédances deterre minimales, en créant desmaillages et des interconnexions deprises de terre chaque fois quepossible. En pratique, en HTB, dans lespostes une impédance de terreinférieure à 1 Ω à fréquence industrielleest habituellement demandée, et pourles pylônes une impédance de 10 à15 Ω est recherchée.

Contre les courants de foudre et lesélévations de potentiel qu’ils induisent,il y a lieu de distinguer plusieursniveaux de protection (critèred’énergie) : premier niveau : dérivation vers le solde l’essentiel de l’impact, et premierécrêtage. Ce niveau intéresseprincipalement les ouvragessusceptibles d’être foudroyés (lignes etpostes). deuxième niveau : limitation de latension résiduelle par écrêtage


complémentaire. Il est destiné àprotéger, contre les surtensionsconduites, les équipements des posteset/ou des installations. Plusieursdispositifs de protections répartis dansl’installation peuvent être nécessaires àla dissipation de l’énergie associée àl’écrêtage. troisième niveau : en BT, dans le casd’équipements sensibles (informatique,automatismes, télécommunications,réseaux BT, …), et en complément desniveaux précédents, des dispositifssupplémentaires tels que filtres série et/ou limiteurs de surtensions peuvent êtrenécessaires.

Nota : il est préférable que toutes cesprotections soient envisagées dès laconception des installations ou dessystèmes. Ceci pour éviter desmodifications ultérieures difficiles àmettre en œuvre et de coût élevé.

protection 1 er niveauSon but est de limiter les impactsdirects sur les ouvrages électriques endétournant la foudre vers des lieuxd’écoulement privilégiés.Détourner la foudre de façon contrôléevers des points précis se fait au moyende : paratonnerres basés sur le principede la distance d’amorçage : ce sont destiges effilées placées en haut desstructures à protéger, reliées à la terrepar le chemin le plus direct(conducteurs de descente entourantl’ouvrage à protéger et interconnectésau réseau de terre).Les observations montrent que laprotection est bonne contre les coupsde foudre directs dans un cône dont lesommet coïncide avec la pointe et dedemi angle au sommet 45°. cages maillées ou de Faraday quiconsistent en la réalisation d’unmaillage fermé de conducteurshorizontaux et verticaux reliés au sol àun réseau de terre. La largeur de mailleest inférieure à 15 mètres et des tigesverticales sont placées aux noeuds desmailles, en partie supérieure. Lacouverture de la zone à protéger estéquivalente à une multiplicité deparatonnerres.

Dans ces deux cas (paratonnerres etcages maillées), le modèleélectrogéométrique permet dedéterminer la zone protégée par la

méthode de la «sphère fictive» : lepoint d’impact de la foudre estdéterminé par l’objet au sol le plusproche de la distance d’amorçage d dutraceur. Tout se passe comme si letraceur était entouré d’une sphèrefictive de rayon d se déplaçant avec lui.Pour une bonne protection il faut que lasphère fictive roulant sur le sol,atteigne un dispositif de protectionsans toucher les objets à protéger(cf. fig. 9).

Ainsi pour une protection contre uncourant de foudre très faible, 2 kAenviron (probabilité cumulée ≈ 100 %),la distance d’amorçage critique est de15 m. Si une probabilité de 97 % est

acceptable, le courant de foudrecorrespondant est alors de 5 kA et ladistance critique de 27 m. la création d’écransLes câbles de garde entrent dans cettecatégorie. Ce sont des conducteursparallèles aux câbles de phases, situésau dessus d’eux et reliés à la terre parl’intermédiaire des pylônes. Ilsconstituent une protection efficacecontre le foudroiement des lignesaériennes : leur mission est de capterles coups de foudre dont l’intensité estsupérieure au courant critique Ic.

Les notions développées au chapitreprécédent permettent de déterminer laposition optimale des câbles de garde.

fig. 9 : détermination d’une zone protégée par la méthode de la «sphère fictive».

paratonnerre

traceur

sphèrefictive

zoneprotégée(cône)

45°

d = distance d'amorçage critique


Sur le schéma de la figure 10, sontprésentés les différentes zonesd’amorçage d’une ligne aérienne : la zone I : amorçage au sol, la zone II : amorçage de la phasesans contournement d’isolateur (I < Ic), la zone III : amorçage sur câble degarde.

La protection des phases par le câblede garde est déterminée par l’angleoptimal de protection θopt .Lorsque θ ≠ θopt, des «défautsd’écran» sont possibles : des coups defoudre d’amplitude supérieure aucourant critique peuvent atteindre lesconducteurs de phases et provoquerdes défauts. Le nombre de défautsd’écran est fonction de θ.

protection 2 ème niveauCette protection s’applique en hautetension.Son objectif est d’assurer que le niveaud’isolement au choc ou BIL (BasicImpulse Level) des différents élémentsdu poste ne soit pas dépassé(coordination des isolements).Son principe est de créer un circuit dedérivation à la terre, permettant ainsil’écoulement du courant de foudre, paramorçage ou conduction. Deux typesd’appareils sont utilisés pour limiter latension : l’éclateur, plus ancien, et leparafoudre qui tend à le supplanterdans de nombreuses applications. l’éclateur, qui fonctionne paramorçage, présente des handicapsimportants : une assez grande dispersion de satension d’amorçage (jusqu’à 40 %), un retard à l’amorçage fonction de lasurtension, un amorçage sensible aux influencesexternes, conditions atmosphériquespar exemple, il crée un front d’onde coupée trèsraide pouvant détruire les enroulementsde machines situées à proximité, il crée aussi un courant de suite à50 Hz, le courant ainsi dérivé est «vu»par l’appareil de protection contre lesdéfauts terre qui commande alorsl’ouverture en amont de la lignetouchée. le parafoudre est un semi-conducteurà résistance non linéaire (de plusieursMΩ à quelques Ω), en général àl’oxyde de zinc (ZnO), dont lescaractéristiques sont bien maîtrisées.

fig.10 : les différents cas d’amorçage d’une ligne aérienne, à noter ici que l’angle deprotection θ = θopt.

Il est connecté entre phases et terre. son fonctionnement est similaire àcelui de l’éclateur, mais il contrôlemieux la tension :- peu de dispersion de sa tensionrésiduelle caractéristique U = f(I) ou«residual voltage»,- retard à la conduction quasiment nul,- retour naturel à l’état initial (isolant)donc sans établissement d’un courantde suite. principaux critères dedimensionnement d’un parafoudre- sa tension maximale permanente, ou“Maximum Continuous OperatingVoltage» -MCOV- doit être supérieureà la tension maximale d’exploitation duréseau, avec une marge de sécurité de5 %,- sa tension nominale, ou «ratedvoltage» fixée à 1,25 x MCOV,- son niveau de protection,

- sa capacité énergétique à supporterdes surtensions temporaires, donnéepar une courbe amplitude-durée. l’utilisation d’un parafoudre ou d’unéclateur n’est efficace que souscertaines conditions d’implantation, eten particulier selon les distances qui leséparent du matériel à protéger et desa terre ; d’où l’importance de la notionde «distance de protection» duparafoudre, objet d’un paragraphespécifique.

protection 3 ème niveauAppliquée en BT et pour leséquipements sensibles, cette protectioncontre la foudre et/ou ses effets n’estpas développée dans ce CahierTechnique, elle fait l’objet d’ouvragescités dans la bibliographie annexée.

câble de gardephase 1

phase 2

phase 3

p

d

d

limite d'amorçage aux câblesde phases pour I = Ic

h

ligne de positionnement du câblede garde pour θ = θopt

θ

zone II

zone I

zone III


cas critère surtension maximale commentairessur le transformateur

1 2 . Vp front r raide, distance D importante.Pas d'effet de distance du parafoudresur la tension maximale du transforma-

soit : T < 2 . τ teur, le parafoudre limite cette tensionà 2 . Vp.

2 front r lent, distance D courte.La présence du parafoudre limite, par

soit : T > 2 . τ dépassementeffet de distance, la tension maximale dutransformateur : le dépassement du seuilVp est proportionnel à D et à r, d'où lanotion de «distance de protection».

3 cas limite entre 1 et 2.

soit : T = 2 . τ

A titre indicatif, elle se réalise avec lesméthodes et les éléments suivants : étude de compatibilitéélectromagnétique (CEM), conception des réseaux de terre(interconnexions, dimensionnement…), coordination des limiteurs desurtensions avec les protection desurcharge et de court-circuit, et lesdispositifs différentiels, protection parallèle limitant lestensions de choc au moyen deparasurtenseurs : éclateurs à gaz,varistances (SiC, ZnO), diodes àavalanche, filtres RC, protection série limitant la puissancetransmise à l’aide d’absorbeursd’ondes, ou filtre HF, transformateursd’isolement à écran, conditionneurs deréseau, ou alimentations statiques sansinterruption -aussi appelées onduleurs-.

distance de protectionLa notion de «distance de protection»est mise en évidence dans l’exemplesuivant, volontairement simpliste.

ExempleUne onde de surtension se propage surune ligne et arrive au niveau d’un posteconstitué d’un transformateur protégépar un parafoudre (cf. fig. 11).

Les différents éléments sont définisainsi : ligne : impédance caractéristique : Zc, vitesse de propagation d’onde : v, distance parafoudre-transfor-mateur : D, temps de propagation entre A et B :

τ = D / v,

parafoudre à caractéristique parfaite :pour toute tension appliquée supérieureà Vp, sa conduction est instantanée etsa limitation rigoureuse à Vp, la prise de terre a une impédancenulle, les connexions matériel-parafoudre etparafoudre-terre sont de longueurnulle, transformateur : aux fréquencesconsidérées, son impédance d’entréeest très supérieure à Zc, ainsi une ondeen tension arrivant sur le transfor-mateur est à peu près totalementréfléchie (doublement de la tension aupoint de réflexion), onde de surtension incidente : elle aun front de raideur constante r = dV / dt

fig. 13 : surtensions maximales sur le transformateur, et exemple pratique.

fig. 12 : représentation d’une onde desurtension.

fig. 11 : schéma d’un circuit (ligne et postede transformation) pour l’étude de lapropagation d’une onde de surtension defoudre.

et une tension constante sur la queueavec T = Vp / r temps de montée dufront de l’onde jusqu’à Vp (cf. fig. 12).Trois cas peuvent se présenter, ils sontrésumés dans le tableau de la figure 13.Les diagrammes des figures 14, 15 et16 décrivent respectivement lesphénomènes des cas 1 et 2.(Voir pages 14, 15 et 16).Exemple : si la tension de choc maxi-male admissible par le transformateurest fixée à 1,3.Vp, alors

1,3 . Vp ≥ Vp + 2 r . D

vD’où la distance parafoudre-transformateur à ne pas dépasser :

D ≤ 0,15 Vp . v

r = 0,15 . T . v

Application numérique, avec :Vp = 1 200 kV,v = 300 m / µs,r = 2 000 kV / µs,⇒ D ≤ 27 m.

Nota :dans la réalité il faut tenir compte : des connexions des parafoudres, auxmatériels et à la terre, des caractéristiques réelles desparafoudres, de la configuration du réseau avecles ruptures d’impédances et lesdifférentes vitesses de propagation, des éléments capacitifs dont lestransformateurs.

D >v . Vp

2 . r

D <v . Vp

2 . r

D =v . Vp

2 . r

= 2r . D

v

= Vp . 2τT

Vp + 2r . D

v

⇒ Vp + 2 r . D

v = Vp (1 +

2 . τT

)

Vp + 2r . D

v

= Vp + Vp = 2Vp

V

T

Vp

t

A

B

Zc

Zc

transformateur

parafoudre

ligne

D, v, τ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ

A et B : points de mesure


Vp

Vp

Vp

Vp

Vp

A B

Vp

-Vp

Vp

-Vp

Vp

arrivée de l'ondeen A

arrivée de l'onde en B

2 Vp

Vp

Vmaxi

l'onde due au parafoudre arrive en B

le parafoudre créeune deuxième ondepour maintenir en Aune tension cons-tante égale à Vp

arrivée en B de la deuxième onde due au parafoudre

réflexion en B dela deuxième ondedue au parafoudre

réflexion de l'ondeen B la réflexionatteint A

le parafoudre créeune onde pour maintenir en A unetension constante égale à Vp

la réflexion en Bde l'onde due auparafoudre atteint A

Vp

-Vp

Vpréflexion en B de l'onde due au parafoudre

la réflexion atteint A

le parafoudre créeune onde pour main-tenir en A une tensionconstante égale à Vp

arrivée de l'ondeen A

arrivée de l'ondeen B

réflexion de l'ondeen B

Vp

Vp

2 Vp

Vp

l'onde due auparafoudre arriveen B

2 Vp

Vp

Vp

-Vp

réflexion en B del'onde due auparafoudre

A B

-Vp

Vp la réflexion en B del'onde due auparafoudre atteint A

-Vp

Vp le parafoudre créeune deuxième ondepour maintenir en Aune tension constanteégale à Vp

Vp arrivée en B de la deuxième onde dueau parafoudre

-Vp

Vp réflexion en B de la deuxième onde due au parafoudre

-Vp

cas n° 2cas n° 1

Vp

Vp

t = 0

t = T + τ

t = 3 τ

t = T + 2 τ

t = 4 τ

t = T + 3 τ

t = 5 τ

t = T + 4 τ

t = 3 τ

t = T/2 + 2 τ

t = 4 τ

t = T/2 + 3 τ

t = 5 τ

t = T/2 + 4 τ

t = 6 τ

t = τ

t = T

t = 2 τ

t = 0

t = τ

t = 2 τ

t = T/2 + τ


fig. 15 : répartition temporelle des tensions dans la liaison protégée par le parafoudre cas 1 (front raide) et 2 (front lent) du tableau de la figure 13.

fig. 14 (ci-contre) : diagrammes de la propagation d’une onde de tension de foudre cas 1 (front raide) et 2 (front lent) du tableau de la figure 13,positions A et B données sur la figure 11.

T/2 + ττ 3 τ

T/2 + 2 τ T/2 + 3 τ5 τ4 τ

T/2 + 4 τ6 τ

T/2 + 5 τ2 τ

2 Vp

Vp

0

0 T 2T

6

54321

2 Vp

Vp

0

T + τTτ 3 τ

T + 2 τ T + 3 τ5 τ4 τ

T + 4 τ6 τ

T + 5 τ2 τ0

1

2

3

4

6

5

cas n° 1

cas n° 2

@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ

A B

D, v, τ

transformateur

parafoudre

ligne

1 2 3 4 5 6

onde incidente (T)première onde créée par le parafoudredeuxième onde créée par le parafoudreprofil de tension

onde incidente (T) réfléchiepremière onde créée par le parafoudre, et réfléchiedeuxième onde créée par le parafoudre, et réfléchie


fig. 16 : diagramme de la surtension maximale sur le transformateur (point B du schéma) en fonction de T pour τ donné (cas 2 du tableau de lafigure 13).

exploitation des réseaux etindisponibilitéDans les réseaux de distributionpublique, la foudre est une des causes(50 %) de creux de tension et decoupures brèves.

Ces coupures d’alimentation, réaliséespar les appareils de protection, sontnécessaires à l’élimination du défaut(fin de l’amorçage d’un éclateur ouarrêt du contournement d’un isolateur).

Pour améliorer la continuité de service,leurs durées sont réduites (coupuresbrèves) par les réenclenchementsautomatiques des appareils deprotection (disjoncteurs).

Les cycles de réenclenchement sontdifférents selon les niveaux detension : en THT : réenclenchement rapide enmonophasé (< 0,5 s) ou lent entriphasé (1,5 s à 5 s), en HTB : réenclenchement triphaséet emploi de disjoncteur shunt enmonophasé (0,15 s), en HTA : réenclenchement rapide etlent triphasé (0,35 s, 15 s).

Pour l’utilisateur, ces coupuresreprésentent une gêne qu’il estpossible d’atténuer ou d’éliminer par : l’utilisation de sources auxiliaires detype alimentation statique sansinterruption (souvent appelée onduleur)

pour les alimentations du contrôle-commande, l’informatique..., la définition et la mise en œuvred’une bonne sélectivité des protectionspropres au réseau de l’utilisateur,pour une élimination rapide des défautsayant la foudre comme origine, l’îlotage préventif, en période d’orage,des consommateurs prioritaires sur unréseau autonome : les charges«sensibles» sont alors alimentées parune production interne à l’établisse-ment, les autres charges continuent àêtre alimentées par le distributeurpublic d’énergie.

0 τ 2 τ 3 τ 4 τ 5 τ 6 τ 7 τ 8 τ 9 τ

Vp

2 VpT = 3 τ

T = 4 τ

T = 2 τ

T = 8 τT = 10 τ T = 12 τ T = 14 τ T = 16 τ

A B

transformateur

parafoudre

ligne

D, v, τ

@À@À@À@À@À@À

ligne

T = 5 τ T = 6 τ

T = 7 τ


normesL’intérêt des normes est de guider leconcepteur d’installation dans : les cas de surtension à considérerpour les calculs des contraintesélectriques représentatives, le choix des niveaux de tenue desmatériels (BIL), le choix des caractéristiques desdispositifs de protection.Les principales normes afférentes à cesujet sont listées en annexe.Quelques points particuliers sontindiqués ci-après.

CEI 60-1 : Techniques des essais àhaute tension - 1ère partie- section 6 : essais au choc de foudreDifférentes formes d’onde sont définies(choc de foudre plein, choc de foudrecoupé sur front ou sur queue)auxquelles sont associées des duréescaractéristiques.La figure 17 donne l’exemple d’un CdFnormalisé.

section 8 : essais aux chocs decourantPour les essais quatre chocs decourant normalisés de type doubleexponentielle, fonction de la durée dufront et de la durée à mi-valeur sontutilisables : choc 1 µs / 20 µs, choc 4 µs / 10 µs, choc 8 µs / 20 µs, choc 30 µs / 80 µs.

CEI 694 : Clauses communes pourles normes de l’appareillage à hautetension(Application française : NF C 64-010)Cette norme précise que les niveauxd’isolement assignés doivent êtrechoisis parmi les valeurs indiquéesdans des tableaux dont un extrait estdonné dans la figure 18.

Elle indique aussi que les essais detension de choc de foudre doivent êtreeffectués en utilisant l’onde normalisée1,2 / 50 µs.

CEI 99-1 : Parafoudres - 1ère partie-(Application française : NF C 65-100)Section 6 : essais de typeCette section décrit les essais de typeprévus par la norme : tenue à l’isolation externe, vérification de la tension résiduelleaux chocs de courant de foudre d’uneonde 8 / 20 µs, tenue aux courants de choc delongue durée,

essais de fonctionnement, vieillisse-ment accéléré, capacité de dissipationde la chaleur, stabilité thermique, sur-tension de foudre et de manœuvre,…

CEI 71-1 : Coordination del’isolement - 1ère et 2ème parties-La tenue diélectrique du matériel auxcontraintes de foudre doit être choisiesur la base des surtensions prévues defaçon que les exigences de la coordi-nation de l’isolement soient satisfaites.Pour les surtensions de foudre, lesprincipes de coordination peuvent êtrefondés sur une méthodeconventionnelle ou statistique.

avec la méthode conventionnelle, lecritère de la coordination est la marge

entre la valeur maximale prévisible etla tension de tenue déduite d’un essaiau choc. Cette marge détermine uncoefficient de sécurité ne devant pasêtre inférieur à une valeur basée surl’expérience, de l’ordre de 1,25.

avec la méthode statistique, quiadmet que des défauts d’isolementpuissent se produire, il s’agit dequantifier le risque de défaut.Le critère de la coordination consisteà choisir une marge caractérisée parun facteur de sécurité statistique entrela tension de tenue statistique auxchocs (probabilité de tenue 90 %) et lasurtension statistique (probabilité dedépassement 2 %).

fig. 18 : exemples de valeurs de tension (selon CEI 694) parmi lesquelles il faut prendre lesniveaux d’isolement assignés.

tension assignée (kV efficaces) 7,2 24 72,5 245 420 525

niveaux d’isolement assignés 40 95 325 850 1 300 1 425aux chocs de foudre (kV) 60 125 950 1 425 1 550

145 1 050

fig. 17 : exemple de CdF normalisé selon CEI 60, ici T1 = 1,2 µs, T2 = 50 µs.

1,0

0,9

0,5

0,3

001

U

B

A

t

T

T1

T'

T1 = 1,67 TT' = 0,3 T1 = 0,5 T

T2


La figure 19 donne, à titre d’exemple, lacorrélation entre le risque de défautet le coefficient de sécurité statistique.Il est à noter qu’actuellement l’emploide la méthode statistique estpratiquement limité au cas de l’isolationauto régénératrice (défaut n’entraînantpas de dégradation de matériel).

fig. 19 : corrélation entre le risque de défaut (R) et le coefficient de sécurité statistique (γ) pourdiverses distributions de surtensions de foudre (σg = écart type), selon CEI 71.

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3γ

R

1

5

10-1

5

10-2

5

10-3

5

10-4

5

10-5

σg = 40 %

σg = 60 %


5. exemple d’étude de foudre

Ce chapitre a pour objet d’informerglobalement sur la démarche d’unetelle étude, la méthode employée, etles conclusions pratiques. En particuliersont successivement présentés laméthode de calcul, la modélisation duposte avec les hypothèses de calcul,les simulations déterministes, l’aspectstatistique et les conclusions.

généralitésL’étude présentée concerne lacoordination d’isolement d’un PSEM-Poste Sous Enveloppe Métallique- trèshaute tension pour lequel il fauts’assurer de la bonne tenuediélectrique des éléments de la chaînedu système électrique. Ces élémentsont des niveaux de BIL différents, etconcrètement se pose la question de lanécessité d’adjonction de parafoudres,et de leur définition (emplacement,dimensionnement).

Ce type d’étude tend à se généraliser,dans le cadre de la réalisation depostes importants : les utilisateursdemandent ainsi aux installateurs etfournisseurs de matériel «clés enmains» de justifier quantitativement lebien fondé du dimensionnement desinstallations.La réalisation de telles études demeurel’affaire d’équipes d’ingénieursspécialisés ayant compétence,expérience et savoir-faire suffisants, etdisposant de moyens informatiquesadaptés.

Nota : l’exemple présenté dans cechapitre a été établi à partir d’une étuderéelle pour la fourniture d’un poste500 kV, confiée au Service Études deRéseaux (faisant partie de la DirectionTechnique) par le DépartementRéalisation d’Ensemble de Merlin Gerinen charge de l’affaire.

méthode de calculElle met en œuvre plusieurstraitements successifs etcomplémentaires : premièrement, des calculsdéterministes permettent d’évaluer les

contraintes en tension dansl’installation pour différentes valeursdes paramètres influents tels que : typede coup de foudre, intensité et pointd’impact de la foudre, présence etemplacement de parafoudre,impédance de terre... deuxièmement, à partir des donnéesstatistiques de foudre, un calcul defréquence de foudroiement et de risqueassocié, enfin, un résultat sur la tenue duposte en terme de probabilité.

Déroulement des calculsdéterministes modélisation du posteLe fonctionnement de chacun deséléments du réseau et leurconfiguration topologique (leurinterconnexion physique réelle), sontdécrits par des équations établies àpartir des lois électriques qui régissentces fonctionnement et configuration.Cette modélisation nécessite uneanalyse préalable du réseau afin de nedécrire que ce qui est représentatif duproblème.La résolution des équations se fait surordinateur à l’aide d’un programmespécialisé, par exemple «EMTP»(Electromagnetic Transient Program).

simulation des ondes de courant defoudre et des tensions associées pourchaque solution envisagée.La résolution pas à pas des équationspermet d’exprimer de façon quasicontinue l’évolution des variablescourant / tension en chaque point duréseau en fonction du temps.Cette simulation reproduit doncanalogiquement ce qui se passe enréalité. La foudre est représentée parune source de courant délivrant uneonde triangulaire ou bi-exponentielledont les durées de front et de queue etla valeur de crête sont ajustables.

modélisation du posteCette modélisation est limitée ici à desdescriptions générales suffisantes pourune compréhension globale, sans lesdétails utiles aux seuls spécialistes.

Hypothèses générales coup de foudre sur le câble de garde,avec claquage (en retour) d’un isolateurdu deuxième pylône de la ligne(position la plus défavorable).

onde de foudre sur le câble de garde : valeur de crête : 200 kA, forme triangulaire : 2 / 50 µs.

longueur considérée de la lignefoudroyée limitée à L = 1,5 km du poste(cf. chapitre 2).

phase contournée : la plus éloignée du câble de gardeayant subi l'impact, à tension industrielle négligeable.

configuration étudiée : schémad’exploitation du PSEM avec lalongueur maximale du jeu de barres enservice (cas défavorable).

fréquence de modélisation deséléments : 1 MHz.

Données techniques principales ligne 500 kV : 4 câbles par phase, 2 câbles de garde, matrice d’impédance :

Zdirecte ≈ 300 ΩZhomopolaire ≈ 500 Ω

pylônes : impédance caractéristique : 120 Ω, hauteur : 43 m, résistance de terre 25 Ω.

isolateurs : chaîne de 29 éléments capot et tige(aussi appelés «assiettes»), tension de contournement : 2 600 kV, retard à l’amorçage : l’instant duclaquage dépend de la forme et del’amplitude de la surtension selon unecourbe typique tension-temps.

PSEM : impédance caractéristique : 70 Ω, impédance de prise de terre duposte : < 1 Ω.

capacité : transformateurs de puissance : 7 nF, transformateurs de mesure : 4 nF.

parafoudres : caractéristique U = f(I)qui exprime la non-linéarité de ceséléments.

toutes connexions (hors lignes) :1 µH/m linéaire.


Schéma étudié(cf. fig. 20)

simulations déterministesLes simulations sont effectuées pourdifférentes variantes : présence ou nonde parafoudres à l’aval du PSEM et auxbornes du transformateur,caractéristiques propres desparafoudres.

Pour chacune d’elles, sontparticulièrement observées lessurtensions maximales développées auniveau des transformateurs de mesure,du PSEM, et du transformateur depuissance. Ces surtensions sontcomparées aux BIL possibles. Lesrésultats montrent (cf. fig. 21), pour desBIL 1 550 kV, la nécessité d’au moinsdeux parafoudres (transformateur demesure, transformateur de puissance).

fig. 20 : schéma général et configuration du PSEM.

Le tableau de la figure 21 et lescourbes principales de la figure 22correspondent au cas le plus sécurisantoù trois parafoudres identiques sont enservice (n° 1, 2 et 3).Il est intéressant d’observer larépartition du CdF de 200 kA : leslignes et pylônes écoulent l’essentiel ducourant alors que seulement moins de14 kA arrivent au poste, où environ lamoitié est absorbée par lesparafoudres. C’est donc une fractiontrès faible du CdF (< 5 %) qui provoquedes élévations de tension proches destenues diélectriques limites desmatériels.

Nota :il a été vérifié que les CdF directs surphase sont moins contraignants que lesCdF en retour. En effet, la fonctiond’écran du câble de garde limite lecourant des CdF directs, calculé selon

le modèle électrogéométrique, à 12 kAenviron.Ce niveau est inférieur au courantcritique, il n’y a donc pas amorçage dela chaîne d’isolateurs. Dans cesconditions les contraintes calculéesd’impact direct dans le poste sontinférieures à celles d’impact en retour.

calcul statistique de lafréquence de foudroiementet du risque associéLa fréquence moyenne defoudroiement de la ligne se calcule enappliquant la formule présentée auchapitre 3 :

NL = NkN130

+ l70

. α .

L100

d’où NL = 1,03 CdF / an.

3

2

point de tensionmaximale du PSEM

1sous tensionhors tension

amorçage

parafoudres :n° 1 = tête de ligne, n° 2 = du poste de transformation,n° 3 = du transformateur

transformateur demesure

câble de garde

conducteur de phase

poste de transformationréseau

1 2 PSEM transfor-mateur

a)

b)

source n° 11

2

source n° 2

circuits :


fig. 21 : tableau présentant le coefficient de sécurité de chacun des éléments de l’équipement étudié. La valeur à retenir pour l’ensemble est icide 40,5 %.

fig. 22 : courbes obtenues par simulation de surtensions de foudre.

emplacements des parafoudres

à proximité en aval du en amont dutransformateur poste blindé transformateurde mesure de puissancede U

oui oui oui

oui non oui

oui oui non

0

0 2 4 6 8 10 12 14

200

150

100

50

kilo amp

a

b

cd

a = courant de foudre.partie du courant de foudre écoulé :b = vers la terre par le pylône foudroyé,c = vers la terre par le dernier pylône de ligne précédent le PSEM,d = vers le PSEM par la phase amorçée.

0 2 4 6 8 10 12 14-1,2

-1,0

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

mega volt

micro sec

a b c

a = tension sur le transformateur de mesure,b = tension maximale sur le PSEM -cf. fig. 20-,c = tension sur le transformateur de puissance.

micro sec

10

12

kilo amp

2

4

6

8

0

0 2 4 6 10 128 14

partie du courant de foudre écoulé :a = vers la terre par le parafoudre tête de ligne (1), b = vers la terre par le parafoudre du PSEM (2),c = vers la terre par le parafoudre du transformateur (3),d = vers le PSEM par la phase amorcée.

a

b

c

d

micro sec

a = tension sur le parafoudre tête de ligne (1),b = tension sur le parafoudre du PSEM (2),c = tension sur le parafoudre du transformateur (3).

0 2 4 6 8 10 12 14-1,2

-1,0

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

mega volt

micro sec

a b c

surtensions (kV) et coefficient de sécurité (%) =BIL − U max

U max

au niveau de chaque élémenttransformateur de mesure PSEM transformateur de puissanceBIL 1 550 kV BIL 1 800 kV BIL 1 550 kV BIL 1 550 kV BIL 1 800 kV

1 096 kV 1 103 kV 1 004 kV

41,4 % 64,2 % 40,5 % 54,2 % 79,3 %

1 263 kV 1 235 kV 1 044 kV

22,7 % 42,5 % 25,5 % 48,5 % 72,4 %

1 096 kV 1 103 kV 1 560 kV

41,4 % 64,2 % 40,5 % - 0,6 % 15,4 %


La fréquence d’apparition des défautsprovoqués par des CdF ≥ 200 kA estdéterminée sur la courbe de lafigure 2 :P = 1 %.

La fréquence d’occurrence de telsdéfauts est alors :Fd = NL

x P ≈ 0,01 défaut / an.

Le temps de retour Tr c’est-à-dire letemps moyen entre deux défauts estTr = 1 / Fd ≈ 100 ans.

Une façon pratique d’interpréter cesgrandeurs est d’exprimer le risque Rcorrespondant : celui-ci donne laprobabilité d’apparition duphénomène pendant la durée de vie tdu poste.

R = 1 − e− t

Tr .

Soit pour 30 ans : R ≈ 26 %.

interprétation de cescalculsLa conclusion de cette étude sous uneforme synthétique s’exprime en unephrase : il y a une chance sur quatre(26 %) pour que pendant la vie duposte (30 ans), une surtension due à lafoudre atteigne ou dépasse 1 103 kVcorrespondant à 71 % du BIL défini(1 550 kV), soit un coefficient desécurité calculé de 40 %.

Ce résultat aide alors à définir lesniveaux de protection des matériels, enl’interprétant selon les normes, l’état del’art, les contraintes économiques…

Notons que tous ces calculs résultentd’un choix de valeurs des paramètresinfluents. Parmi ceux-ci : certains sont déterminants (parexemple : impédances de terre des

pylônes et des postes, amplitudes desCdF), et/ou ont une plage de dispersion trèslarge (par exemple : tension declaquage et retard à l’amorçage desisolateurs), et/ou sont mal connus (par exemple :statistiques de configuration de réseau,corrélation entre amplitudes et frontsdes ondes de foudre), et/ou sont négligés (par exemple :processus de vieillissement et effetcouronne).

Le choix de ces valeurs peut donner àpenser que les résultats sont imprécis.En fait, les retours d’expérienceprincipalement analysés par les distri-buteurs d’énergie confirment ces choixa posteriori : ainsi, la méthodologie del’exemple donné dans ce chapitre estproche des pratiques d’EDF.


6. conclusion

Ce document fait une courte synthèsesur la question de la foudre dans lesinstallations électriques, et constitueune initiation élémentaire sur ce sujeten général mal connu et devenuimportant.

Il vise principalement les installationshaute et moyenne tension : la foudreconstitue de fait un facteur trèscontraignant pour les matériels etdéterminant pour la maîtrise de lacoordination de l’isolement.En basse tension, la foudre neconstitue qu’un volet parmi toutes lesperturbations électriques existantes(cf. bibliographie).

Dans ce Cahier Technique, lesprincipaux aspects utiles ont étéabordés, en essayant de donner lemaximum d’informations sur les plansqualitatif et quantitatif : connaissance dela foudre, ses effets sur les installationsélectriques, les moyens de protectionopérationnels actuels, les normes.Mais de l’ensemble du document, deuxdéveloppements particuliers sont àretenir : la notion de distance de protection deparafoudre, liée au phénomène de lapropagation d’ondes à fréquences trèsélevées (MHz), un exemple, présenté à partir d’uneétude réalisée par Merlin Gerin pour

une installation très haute tension. Cetexemple qui décompose la procédured’une «étude de foudre» montre com-ment peut être quantifié le risque dedestruction d’un matériel par la foudre.

Le monde de l’électrotechniquecommence à être assez biensensibilisé au problème de foudre, etde telles études tendent à se systé-matiser dans le cadre des grandsprojets internationaux.La tendance actuelle à considérer lephénomène de foudre dès laconception des installations, ne peutque croître, et ainsi contribuer à unemeilleure qualité de l’énergie électrique.


annexe : bibliographie

Normes CEI 56 : Disjoncteurs à courantalternatif à haute tension.

CEI 60-1 : Techniques des essais àhaute tension - 1ère partie -(Application française : NF C 41-101 et102). CEI 71 : Coordination de l’isolement(Application française : NF C 10-100).

CEI 76-1 : Transformateurs depuissance - 1ère partie : Niveauxd’isolement et essais diélectriques -(Application française : NF C 52-100,partie 3).

CEI 99-1 : Parafoudres - 1ère partie -(Application française : NF C 65-100).

CEI 289 : Bobines d’inductance(Application française : NF C 52-300).

CEI 298 : Appareillages sousenveloppe métallique pour réseaux àcourant alternatif de tensions assignéescomprises entre 1 et 52 kV (Applicationfrançaise : NF C 64-400).

CEI 694 : Clauses communes pourles normes de l’appareillage à hautetension (Application française :NF C 64-010).

NF C 17-100 : Protection contre lafoudre - Installation de paratonnerres :règles.

Spécifications EDFSérie HN 65 : protection contre les surtensions enhaute tension, éclateurs en haute tension, parafoudres en haute tension.

HN 112 : Coordination d’isolement duréseau 400 kV.

HN 115 : Principes de conception et deréalisation des mises à la terre.

HN 119 : Coordination d’isolement duréseau 225 kV.

Publications diverses Les propriétés diélectriques de l’air etles très hautes tensions.Collection EDF.

«La foudre : la comprendre pour s’enprotéger.»Nathan éditeur.

Traité d’électricité.Volume 22 : haute tension.Ecole polytechnique de Lausanne - EPL

Les perturbations électriques etélectromagnétiques.CIGRE, Revue Electra.

Editions des techniques de l’ingénieur.

Overvoltage and InsulationCoordinationCIGRE, Comité 33.

Cahiers Techniques Merlin Gerin La protection des fileries BT contreles perturbations électromagnétiquesdans les postes HT et THT.Cahier Technique n° 137B. CAVALADE.

Les perturbations électriques en BTCahier Technique n° 141R. CALVAS.

La CEM : la compatibilitéélectromagnétique.Cahier Technique n° 149F. VAILLANT.

Surtensions et coordination del’isolementCahier Technique n° 151D. FULCHIRON.

Calcul des courants de court-circuitCahier Technique n° 158B. DE METZ NOBLAT etG. THOMASSET.

Réal. : Illustration Technique Lyon -DTE - 07/93 - 3500 - Imprimeur : Léostic

La foudre et les installations électriques HT

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