Procédures d'estimation du comportement à la foudre des lignes de transport – aspects nouveaux et guide sur les procédures d'estimation du comportement à la foudre des lignes de transport

Contexte

Les étapes, et les dates, importantes du développement de ces procédures d'évaluation du comportement à la foudre des lignes de transport sont:

• 1950: Les principes fondamentaux de calcul de tenue à la foudre des lignes de transport sont présentés par l'AIEE (American Institute of Electrical Engineers).
• 1982: Publication par l'EPRI d'une méthode simplifiée utilisable pour le calcul manuel, ou pour les calculateurs programmables.
• 1985-1997: Adoption et perfectionnement par l'EEE de la méthode EPRI, qui a été ensuite publiée comme norme IEEE 1243, et développée comme un outil logiciel en libre accès, IEEE-Flash.
• 1991: Publication de la Brochure Technique (BT) CIGRE 63 “Guide sur les procédures d'évaluation du comportement à la foudre des lignes de transport”.
• 1999: Publication par A.R. Hileman du livre “Insulation coordination for power systèmes" (Coordination de l'isolement dans les réseaux électriques), qui fournit les informations de base et les détails concernant les méthodes simplifiées proposées dans les communautés CIGRE et IEEE.

Les principes et les procédures proposées dans ces publications de référence sont aujourd'hui largement partagés, mais une mise à jour est nécessaire pour les enrichir des dernières avancées des recherches sur la foudre et sur les techniques de calcul.

De nombreux pays ont aujourd'hui accès à des informations détaillées sur l'activité de foudre par le biais des systèmes de localisation de la foudre (LLS). Ces systèmes ont connu des développements permanents aux plans de l'efficacité de la détection, de la précision de la localisation, de la précision de classification et de l'estimation du courant-crête de foudre.

Des recherches importantes ont été conduites pour comprendre le processus de capture des chocs de foudre sur les structures. Ceci permet de mieux estimer combien de foudroiements vont toucher une ligne et va permettre de positionner plus efficacement les terminaux aériens ou les conducteurs de protection destinés à réduire le nombre des foudroiements directs des conducteurs de phase. En outre les enregistrements vidéo des foudroiements des lignes aériennes et des pylônes suggèrent que les méthodes couramment utilisées de calcul des systèmes de protection, telles que la méthode du Modèle Electro-Géométrique, peuvent ne pas être capables de prédire avec précision l'effet de capture , quand des traceurs ascendants jouent un rôle significatif dans le processus de capture, comme c'est le cas pour les structures élancées de grande hauteur et pour les conducteurs d'une ligne, à haute ou à très haute tension.

Les techniques de calcul les plus modernes, telles que la Méthode des Moments (MoM) et la Méthode des Différences Finies dans le Domaine Temporel (FDTD), voient une multiplication de leurs utilisations pour le calcul des transitoires électromagnétiques (EMT) dans les réseaux électriques. Ces méthodes, qu'on désigne couramment comme les méthodes numériques d'analyse électromagnétique (NEA) et qui reposent sur la résolution directe des équations de Maxwell, permettent une simulation plus précise de la réponse aux foudroiements des structures relativement courtes présentant des paramètres non uniformes, que sont les supports des lignes de transport et les électrodes de terre. Les résultats produits par application de ces techniques  modernes peuvent aujourd'hui être utilisées pour développer des modèles perfectionnés du comportement en haute fréquence des électrodes de terre et des pylônes de ligne de grande hauteur, qui sont appelés à être utilisés dans les méthodes très diffusées et efficaces de calcul informatique de circuit, telles que différents programmes EMT mis en œuvre.

Enfin, les PC modernes offrent des capacités de calcul très largement supérieures à celles dont on disposait dans les années 1990, et permettent une modélisation plus sophistiquée de l'interaction entre le foudre et les lignes électriques, réduisant en conséquence le besoin de faire appel à des méthodes simplifiées. Ces capacités sont tout particulièrement requises quand on veut évaluer l'efficacité de certaines méthodes de protection, telles que les parafoudres de ligne.

Domaine couvert

La présente BT complète et actualise la BT 063 CIGRE “Guide sur les procédures d'évaluation du comportement à la foudre des lignes de transport”, en intégrant les dernières informations et en décrivant les techniques et les hypothèses les plus récentes utilisées pour évaluer la tenue à la foudre des lignes aériennes de transport. Des exemples de leur application sont en plus inclus, qui peuvent servir de benchmarks.

Approach

La BT CIGRE 063, publiée en 1991, est un document très complet qui est toujours largement utilisé comme une référence pour les calculs de comportement à la foudre, et il est important de noter que la plus grande partie de l'information donnée dans cette BT est toujours reconnue comme pertinente, et utilisable. La nouvelle BT constitue par conséquent un complément de la BT 063, apportant des éléments nouveaux ou mis à jour. La BT 063 sera aussi republiée, dans le nouveau format CIGRE, comme un document associé à la présente BT.

Depuis la publication de la BT 063, CIGRE a produit plusieurs documents de référence qui ont servi de base pour la nouvelle BT, dont les numéros sont:

• No. 072 Guide pour l'évaluation de la tenue diélectrique des isolations externes,        
• No. 376 Paramètres de la foudre nuage vers sol, issus des systèmes de localisation de foudre. Les effets sur le fonctionnement du système électrique,
• No. 440 Utilisation des parafoudres pour la protection contre la foudre des lignes de transport,
• No. 549 Paramètres de la foudre pour utilisations dans l'ingénierie des lignes,
• No. 704 Evaluation des méthodes de protection contre la foudre, pour les lignes de transport HT et THT, CA et CC,
• No. 781 Impact de la dépendance à la fréquence des paramètres de sol sur la réponse des électrodes de terre, et sur le comportement à la foudre des réseaux électriques,
• No. 785 Méthodes de calcul électromagnétique pour les études des chocs de foudre, avec un focus sur les méthodes FDTD.

Les information contenues de ces BT ont été assimilées et utilisées pour produire des recommandations et des directives actualisées.

Les travaux ont été conduits avec pour but de proposer une alternative pratique à la méthode actuellement appliquée du Modèle Electro-Géométrique (EGM), et pour répondre à la critique qui en est faite, à savoir qu'elle devient imprécise quand  les traceurs ascendants jouent un rôle important dans le processus de capture, comme c'est le cas pour les lignes HT et THT. Une autre motivation de ce développement tient au fait que des modèles plus physiquement raisonnables, tels que ceux qui sont globalement rassemblés sous le terme "Modèles de Progression des Traceurs" (LPM), ont moins de chance d'être utilisés pour les calculs du comportement général à la foudre, du fait de la charge de calcul très élevée qu'ils requièrent.

Vue d'ensemble de la BT

Dans le chapitre 2 on décrit les caractéristiques physiques et le développement d'un choc de foudre, dans la mesure où elles impactent le comportement des lignes. On y présente également les hypothèses de base et la méthodologie de calcul de la tenue à la foudre des lignes aériennes de transport.

Le chapitre 3 donne un résumé des techniques d'observation de la foudre, ainsi que des caractéristiques pertinentes relatives à la fréquence et à la sévérité des incidents de foudre, qui sont utiles pour le calcul le taux d'indisponibilité fortuite des lignes. Il constitue une synthèse des documents de référence CIGRE et IEEE, publiés précédemment et qui doivent être consultés pour plus de détails sur l'état de l'art et sur les informations de base. 

Les modèles de capture des coups de foudre sont discutés dans le chapitre 4. Ils sont utilisés pour calculer le niveau d'incidence de la foudre sur les lignes de transport et pour concevoir les arrangements de protection des conducteurs de phase contre les coups de foudre directs. Une nouvelle procédure simplifiée, basée sur le modèle de capture de la foudre de Rizk, est proposée comme une alternative à la Méthode du Modèle Electro-Géométrique appliquée aujourd'hui, pour améliorer la prédiction des incidences de foudre dans le cas où les traceurs ascendants jouent un rôle important dans le processus de capture.

Une vue d'ensemble des concepts de modélisation fait l'objet du chapitre 5, avec pour objectif de fournir des directives pour l'application des modèles en haute fréquence des circuits pour le calcul des surtensions de foudre sur les lignes aériennes. Ce chapitre est rédigé comme un complément du chapitre 5 de la BT 63, et par conséquent il se limite aux développements récents concernant la représentation des coups de foudre, des supports des lignes de transport, de la dépendance à la fréquence des électrodes de terre, et de la modélisation du contournement des isolateurs. Le chapitre se conclut par des directives spécifiques au développement des modèles de calcul des amorçages en retour.

La BT se termine par un chapitre 6, dans lequel on énumère une liste de propositions de recherches futures jugées nécessaires

Plusieurs annexes sont jointes et fournissent des informations complémentaires:

• L'Annexe A donne la liste des abréviations et des variables utilisées dans le document.
• L'Annexe B fournit un résumé des paramètres du courant d'un choc de foudre descendant négatif, obtenus par mesure directe sur des structures de faible hauteur.
• L'Annexe C donne la description analytique représentant les formes d'onde du choc de foudre initial et des chocs en retour subséquents, obtenues par simulation dans le domaine temporel. On explique à la fois les formes d'onde du courant du choc initial de CIGRE et celle du courant de choc initial présentant deux pics. .
• L'Annexe D décrit deux méthodes de calcul de l'incidence de foudre sur les lignes de transport. La première est le Modèle Electro-Géométrique modifié appliqué au Japon, la seconde étant la proposition de mise en œuvre simplifiée du modèle de capture de la foudre de Rizk.

Suggestions de travaux complémentaires

Il subsiste un besoin de perfectionner et d'actualiser les procédures et les modèles basés sur les recherches les plus récentes. Sur ce sujet un apport important vient des études dans lesquelles les taux d'indisponibilité fortuite calculés sont comparés aux taux moyen sur le long terme d'indisponibilité fortuite des lignes qui sont en service depuis très longtemps.

Dans ce document une contribution significative est constituée par la proposition du modèle simplifié de la capture de la foudre, développé par Rizk. Le GT a commencé à travailler sur la validation de la méthode, mais des benchmarks complémentaires sont encore nécessaires.

 Un autre point appelant des investigations complémentaires porte sur les améliorations des recommandations concernant les caractéristiques des décharges, initiale et subséquentes, et plus spécifiquement de celles de polarité positive, en rapport avec les lignes de transport. A ce sujet il sera important de recueillir des données supplémentaires provenant de mesures directes réalisées sur des structures courtes, mises à la terre, qui sont semblables à des supports de ligne de transport.

La méthodologie des calculs des performances présentée dans la BT comporte encore de nombreuses simplifications, auxquelles sont souvent associés de facteurs de correction. Des études supplémentaires sont requises pour proposer des directives plus détaillées concernant la sélection de la valeur appropriée de ces facteurs.

Des développements complémentaires pour perfectionner les techniques de modélisation mises en œuvre pour déterminer le comportement des configurations plus complexes (telles que les lignes multi-circuit), et pour évaluer l'efficacité des mesures de protection (telles que les parafoudres de ligne) sont requis, ainsi que des investigations sur l'efficacité et la faisabilité de mesures de protections nouvelles telles que des câbles de terre enterrés.