Directives pour des travaux en sécurité sur des systèmes de câbles soumis à des tensions induites ou courants induits

Contexte

Pendant plusieurs phases différentes de la vie d'un système de câbles (installation / raccordement / maintenance / essais / mise à niveau / enlèvement), il peut être nécessaire de travailler sous des tensions ou des courants induits par un système sous tension.

Par exemple :

• Lors du tirage ou de la pose du câble
• Lors des opérations de raccordement dans le processus d'installation
• Lors de la vérification ou de la maintenance  des boîtes de raccordement des écrans
• Lors de la réparation d'un câble après défaillance
• Dans le processus de mise à niveau d'un circuit existant en vue d’en améliorer les performances
• Lors du retrait d’exploitation du câble pour son élimination en fin de vie.

Comme des conditions dangereuses pourraient se produire, il est important de mettre à disposition de toutes les parties qui pourraient être impliquées (gestionnaires de réseau, producteurs, fabricants, installateurs, instituts et laboratoires d'essai, ...) des directives appropriées pour travailler en toute sécurité sur les systèmes de câbles, à partir d’une terminologie claire à établir.

Champ d'application

La Brochure Technique est un guide complet, dans lequel tous les sujets liés aux travaux sous tensions ou courants induits sur les câbles terrestres, et les câbles offshore pour certains d’entre eux, sont abordés. Le guide couvre :

1. Les systèmes de câbles extrudés ou rubanés,
2. Les câbles HT mais aussi MT et même BT en courant alternatif lorsqu'ils font partie du schéma de connexion,
3. Les conditions des régimes permanents ou de défaut (contraintes du système de câbles en cas de défaut du réseau),
4. Les méthodes de calcul des tensions et/ou courants induits dans diverses configurations possibles (y compris les Champs Electro-Magnétiques ou l'effet magnétique des câbles ou lignes aériennes installés à proximité),
5. Les équipements de protection (gants, systèmes de mise à la terre....) nécessaires pour réaliser les travaux  dans des conditions sûres,
6. Tous les types de travaux possibles tels que la pose, les raccordements (jonctions ou extrémités) et les interventions sur les boîtes de raccordement des écrans.

Le document ne fournit pas d'analyse détaillée des effets des charges d’espace piégées ni du "retour de potentiel" des câbles HVDC (qui ne sont que brièvement mentionnés) ou des Champs Electro-Magnétiques. Ces sujets ne sont pas inclus dans le champ d'application des travaux.

Contenu de la Brochure Technique

La Brochure Technique traite de différents types de configuration et d'installation des câbles. Les tunnels, les tranchées ouvertes, la pose en tubes, les techniques sans tranchée, la pose mécanisée et les installations offshore sont pris en compte. Des précautions particulières de sécurité et un équipement approprié sont indiqués et décrits pour chacune des différentes installations.
Cette Brochure Technique fait uniquement référence aux risques associés à la tension induite sur les systèmes de câbles; elle n'évalue pas et n'examine pas les autres problèmes de sécurité possibles associés à d'autres risques sur les systèmes de câbles, tels que les contraintes mécaniques, etc.

Dans le Chapitre 1, la Brochure Technique commence par examiner et identifier le phénomène de la tension induite qui peut avoir plusieurs origines.
Dans le but d'identifier ce qu'est un environnement dangereux du fait de tensions ou courants induits, il est nécessaire de caractériser la limite des tensions de contact. Comme celle-ci varie d'un pays à l'autre et qu'il existe plusieurs normes différentes sur le sujet, le Groupe de Travail B1.44 a entrepris une évaluation détaillée de ces normes et lignes directrices et une réflexion approfondie sur ce qui devrait être recommandé et inclus dans une Norme Internationale appropriée.

Induced voltage mechanisms

Le principe de base souligné dans le guide est qu'avant d’entreprendre tout travail sur les systèmes de câbles électriques, il est fortement recommandé de conduire une analyse de risque et d’effectuer le calcul des tensions induites possibles. Cette analyse de risque suggérée est expliquée dans le Chapitre 2 Principes pour des travaux en sécurité. Trois principes différents pour des travaux en sécurité sont donnés et détaillés : travaux avec mise à la terre sans circulation de courant induits (qui est la méthode recommandée), travaux avec mise à la terre avec circulation de courants induits et travaux isolés.

Au Chapitre 3, un résumé détaillé des procédures de travail sûres est donné pour les différentes étapes du travail sur les systèmes de câbles : pose / tirage, coupe, jonction, terminaison, test, enlèvement. Il est rappelé que tous ces travaux doivent être effectués uniquement par du personnel qualifié et certifié et toujours en respectant les exigences locales réglementaires lorsqu’elles existent.

Le Chapitre 4 présente la méthodologie de calcul pour chacun des trois différents types de tensions induites. Quelques exemples de calculs sur des systèmes de câbles réels soumis à des tensions induites, provenant de différents pays, sont détaillés en annexe. Les conclusions et recommandations sont données au Chapitre 5.

Mécanismes de tension induite

Il existe plusieurs types de tensions induites qui peuvent affecter le potentiel de l'âme du câble ou de l'écran et de la gaine métallique. Selon des études antérieures du CIGRE, les différents types peuvent être divisés en trois catégories selon la façon dont s’effectue le couplage d'une source électrique à l'objet soumis à l'induction:

• couplage inductif
• couplage capacitif
• couplage par conduction

Chacune des trois possibilités de couplage doit être évaluée lorsqu'il s'agit de tensions induites. L'influence de chaque couplage dépend de la présence d'autres systèmes électriques dans l'environnement du câble et de la façon dont le système de câble est connecté à la terre.

Couplage inductif

Un conducteur isolé situé à proximité d’une ligne électrique ou d’un câble en service, que ce soit sur sa longueur complète ou sur une partie de son itinéraire, est soumis à une tension induite par induction magnétique.

L’induction est due au flux magnétique variable en fonction du temps que la ligne ou le câble à proximité (système source) induit dans une boucle dont le conducteur isolé fait partie. Le courant dans le système source en service, qu’il soit nominal ou causé par un défaut, induit une tension longitudinalement sur le conducteur isolé (que ce soit pendant son installation, son entretien ou sa réparation). Si la distance entre le conducteur isolé et le système source est faible et, surtout s’il y a un courant asymétrique dans le système source (par exemple un courant de court-circuit dû à un défaut), la tension induite peut atteindre plusieurs kilovolts. Cette tension est induite longitudinalement sur toutes les parties métalliques isolées du câble, c’est-à-dire l’armure, l’écran métallique, le conducteur et les conducteurs de terre parallèles (par exemple le conducteur accompagnant de terre (ECC)).

La valeur de la tension induite dépend du courant dans le système inducteur, de la distance entre le système source et le conducteur isolé, et de la longueur du parallélisme des deux systèmes. Il convient de noter que la valeur de la tension induite par couplage inductif ne dépend pas du niveau de tension des systèmes.

Couplage capacitif

Le couplage capacitif résulte du champ électrique créé par la mise sous tension d’un objet conducteur, tel qu’une ligne aérienne. La tension due au couplage capacitif est associée à une capacité entre la source et tout conducteur isolé exposé au champ.  Un diviseur de tension capacitif est formé par la terre, le conducteur isolé et l’objet sous tension, de sorte qu’une proportion de la tension source apparaît sur le conducteur isolé.

Par conséquent, les lignes aériennes et les jeux de barres peuvent induire une tension par couplage capacitif seulement sur les conducteurs isolés non écrantés par la terre ou une surface conductrice mise à la terre. Les câbles isolés haute tension ont un écran mis à la terre, qui confine le champ électrique à l’intérieur du câble et ne sont donc pas source de couplage capacitif.

Une tension à la fréquence industrielle apparait entre le conducteur isolé du câble et la terre; sa valeur est fonction principalement du niveau de tension de la ligne aérienne, de la distance entre la ligne aérienne et le conducteur isolé et des conditions d’exploitation de celle-ci (fonctionnement normal ou défaut). Il convient de noter que l’amplitude du couplage capacitif est indépendante du courant qui circule dans la ligne aérienne.

Chaque fois qu’un câble est laissé hors exploitation, l’écran métallique et le conducteur doivent être shuntés et raccordés à la terre pour empêcher leur montée en potentiel. Il convient de noter que seule une partie du système de câble doit être exposée au champ électrique pour que l’ensemble du câble soit affecté.

Couplage par conduction

Les courants de terre (tels que les courants de retour de défaut) qui traversent la prise de terre d’un système de mise à la terre (par exemple un immeuble de grande hauteur, un poste, une chambre de jonction de câble ou une centrale électrique) produisent une élévation du potentiel de la Terre locale (EPR) par rapport à toute terre éloignée. Les conducteurs connectés à ce système local peuvent transférer l’élévation de potentiel à n’importe quel autre système de mise à la terre auquel ils sont connectés, ces derniers peuvent être à plusieurs kilomètres.

Les systèmes de câble relient souvent deux systèmes de mise à la terre différents (entre deux postes par exemple). Dans de telles situations, il convient d’envisager le transfert de l’EPR. Ce transfert se fait déjà lors du fonctionnement normal des systèmes de câbles Haute Tension (EPR liée aux courants induits ou aux courants vagabonds). Il est aggravé en cas de défaut sur une partie du système, ce qui conduit localement à une importante montée en potentiel d’un système de mise à la terre. Un câble peut transférer cette montée en potentiel à un autre endroit qui a un potentiel de terre différent. En conséquence, il peut y avoir une différence de tension entre deux objets raccordés à la terre, l’un localement et l’autre à une terre distante.

Principes pour des travaux en sécurité

Lors des travaux d’installation d’une nouvelle liaison souterraine ou de travaux sur un système de câbles existant, il peut y avoir un risque pour la sécurité, à cause de tensions induites dangereuses, et/ou de de forts courants induits circulant dans le câble en travaux, même si celui-ci est déconnecté et isolé de tout système électrique et mis à la terre.

Il est important de savoir que même s’il peut être sans danger de travailler sur un câble isolé hors tension dans des conditions normales d’opération du réseau/système électrique, des tensions dangereuses peuvent apparaitre de façon imprévisible à tout moment à cause de défauts électriques externes au câble ou à cause des déclenchements, de la foudre ou autres surtensions sur le réseau.

Par conséquent, il est impératif d’inclure une analyse de risques pour la sécurité électrique lors de la préparation des modes opératoires éventuellement avec tensions induites et d’implémenter les conditions de travaux les plus appropriées parmi les 3 principes suivants :

• Travaux avec mise à la terre avec courants induits
• Travaux avec mise à la terre sans courants induits
• Travaux isolés, avec tensions induites ou tension résiduelle

Pour chacun de ces principes, des illustrations détaillées et des outils appropriés sont présentés.

Avant d’effectuer toute intervention sur une installation électrique, une analyse de risques électriques doit être effectuée. Cette analyse de risque doit spécifier comment l’intervention sera réalisée et quelles sont les mesures de sécurité et les précautions qui seront appliquées pour assurer la sécurité du chantier.

Si le système de câble est parallèle (en partie ou totalement) à une autre liaison souterraine ou aérienne en service, une attention particulière doit être apportée pendant les travaux.

Une estimation des valeurs de tensions induite et d’élévation de potentiel du sol peut être obtenue analytiquement en appliquant les équations détaillées dans le chapitre 4, ou par modélisation. Les paramètres électriques, courants et tensions, doivent être calculés en régime permanent ainsi qu’en régime transitoire (court-circuit, orage ou surtensions de manœuvres). Plusieurs cas doivent être pris en compte selon le type de défaut qui peut se produire sur les liaisons à proximité. Pour valider un modèle de calcul, il est recommandé de réaliser des mesures sur site. Lorsqu’il n’est pas possible de calculer avec précision les tensions induites en raison d’information inexactes concernant les facteurs externes voire des facteurs inconnus, alors il faut adopter le cas le pire pour les calculs.

Si les tensions induites ou montées en potentiel du sol calculées excèdent les limites autorisées, l’analyse de risque doit également inclure des recommandations sur la façon de réaliser des travaux en sécurité. Ces recommandations doivent indiquer la valeur maximale des résistances de terre pour réduire les tensions induites, la valeur de courant induit que doivent pouvoir écouler les câbles de mise à la terre et une description pas à pas adaptée aux travaux à réaliser.
Pour les travaux de montage de jonction et d’extrémités, les procédures de travail appropriées, permettant de garantir la sécurité et la mise à la terre, doivent être demandées au responsable des travaux. Avant de commencer tout travail, il est important d’assurer l’équipotentialité et la mise à la terre. Lorsqu’il n’est pas possible de garantir l’équipotentialité de la zone de travail ou s’il est requis de travailler de façon isolée, le type d’outil isolé et leur niveau d’isolement doit être décrit dans l’analyse de risque.

Conclusions et recommandations

Cette Brochure Technique présente et traite les différents aspects des tensions induites sur les systèmes de câbles. Trois types de couplages électriques sont considérés : (i) - couplage inductif, (ii) - couplage capacitif et (iii) - couplage par conduction (montée en potentiel du sol). L’accent de cette Brochure Technique est porté sur le calcul des tensions induites sur un câble en travaux, l’organisation des travaux en cas de tension induite, et les procédures à adopter lorsqu’il y a un risque de tensions induites ou courants induits dangereux.

Dans les cas où il existe un risque d'induction, deux grands principes de travaux en sécurité sont introduits : les «travaux avec mise à la terre» et les «travaux isolés».
Pour les travaux avec mise à la terre, il est possible de travailler sans courants induits, lorsqu’il n’y a qu’une mise à la terre réalisée localement sur la zone de travail uniquement, ou bien de travailler avec courants induits, si le câble est aussi mis à la terre aux extrémités éloignées. Dans les deux cas, l’équipotentialité de la zone de travail doit être assurée avant tout.
Tout au long de la Brochure Technique, tous les principes sont abordés mais la Brochure recommande des conditions de « travaux avec mise à la terre sans courants induits » comme solution principale pour garantir des travaux en sécurité là où il existe un risque de tensions induites, soit par couplage inductif, couplage capacitif ou montée en potentiel du sol.
Dans tous les cas, tous les travaux d'installation sous tension induite doivent toujours être effectués uniquement par du personnel qualifié et certifié, et toujours en respectant les exigences locales réglementaires lorsqu’elles existent.
Dans les annexes de cette Brochure Technique sont inclus plusieurs exemples de la façon d'effectuer des calculs de tension induite, avec plusieurs études de cas réels provenant de différents pays.

Il a été identifié qu’il n’existe pas de directive claire ni de norme appropriée pour l’évaluation de la tension de contact maximale autorisée sur un câble, en dehors d’un poste électrique. Par conséquent, dans cette Brochure Technique, sont citées plusieurs normes et directives qui sont associées à cette problématique et utilisées dans plusieurs pays. En outre, dans cette Brochure Technique est incluse une recommandation pour la IEC afin de mettre à jour la norme existante IEC 61936, dans laquelle sont données des limites de tension de contact en fonction du temps d’élimination du défaut, pour les câbles à l’intérieur d’un poste électrique. La recommandation est mentionnée dans le chapitre 1 et expliquée plus en détails dans l’annexe 1.