Efficacité des parafoudres de ligne pour la protection contre la foudre des lignes aériennes de transport

Les parafoudres à oxyde métallique apportent une capacité de protection supérieure contre les surtensions se manifestant dans les réseaux électriques, du fait de leur excellente caractéristique non-linéaire courant-tension, comme montré sur la Figure 1. Alors que les parafoudres éliminent les surtensions dans les postes, des défauts provoqués par la foudre affectent souvent les lignes électriques de transport et de distribution. Cela a conduit, pour limiter les risques d'interruptions de service provoquées par la foudre, à appliquer des contremesures telles que la réduction de la résistance des mises à la terre des supports, la multiplication des câbles de garde aériens, la réduction de l'angle de protection de ces câbles de garde et l'augmentation de la tension d'isolement.

Comme c'est largement démontré, les parafoudres à oxyde métallique apportent un potentiel essentiel d'amélioration de la coordination de l'isolement contre les surtensions de foudre dans les réseaux de transport et de distribution, parce que leur capacité de protection conduit à un bilan technico-économique souvent plus favorable que celui des contremesures classiques évoquées auparavant.

Dans certains pays la demande sociale de qualité de la fourniture d'électricité, et des réductions des interruptions dues à la foudre, a conduit à développer l'utilisation des parafoudres de ligne (LSA) (Figure 2). Le concept spécifique du LSA adopté et la technique d'essai ont été normalisés, et une norme CEI couvrant les parafoudres de lignes à éclateur externe (EGLA) (Figure 2b) a été publiée pour la première fois en 2011 [CEI 60099-8, 2011]. La norme CEI dédiée aux LSA, et couvrant à la fois les parafoudres de lignes sans éclateur ((NGLA) (Figure 2a) et les EGLA est en cours de développement par un groupe de projet du TC 37 de la CEI. Ainsi la norme CEI  traitant des recommandations d'utilisation et de sélection des parafoudres [CEI 60099-5, 2018] devrait fournir des informations mises à jour sur ces LSA.

 

La BT 440 “Use of Surge Arresters for Lightning Protection of Transmission Lines” [CIGRE, 2010], apporte des informations de base sur la conception et l'utilisation des LSA, avec des études de cas typiques pour une approche analytique. Depuis sa publication, il y a une dizaine d'années, l'utilisation des LSA s'est développée et il était nécessaire de partager l'expérience d'exploitation supplémentaire recueillie. Pour une mise en œuvre efficace des LSA certains problèmes techniques importants, qui n'avaient pas été traités dans la BT 440, devaient aussi être examinés. Ils sont présentés ci-après, et ils explicitent le fondement et les motivations de l'activité du GT C4.39

(a) Expérience d'utilisation des LSA

Les LSA sont souvent installés sur des lignes existantes. S'intéressant à l'amélioration de la qualité de la protection contre la foudre de ces lignes, il a été retenu d'étudier les conditions d'une mise en œuvre efficace et du fonctionnement des LSA. Toutefois, à l'exception de quelques pays, les LSA ne sont pas communément installés sur des lignes de transport et de distribution, et il se peut que des informations techniques nécessaires telles que les caractéristiques importantes des LSA, la manière dont on peut les utiliser et quelle efficacité peut en être espérée, etc., soient limitées. Il est par conséquent intéressant de résumer l'expérience d'exploitation dans les pays qui ont mis en œuvre les LSA en premier, d'accéder à un savoir utile et de le partager avec les ingénieurs du monde entier.

 (b) Implications des études récentes sur la foudre  

Ces dernières années ont vu des progrès en matière d'études de la foudre, portant sur des caractéristiques et des paramètres telles que la densité du foudroiement au sol, le courant du coup de foudre et le transfert de charge, etc. En particulier la BT 549 “Lightning Parameters for Engineering Application" [CIGRE, 2013] fournit une synthèse des études réalisées sur plus de trois décennies. Par conséquent il est devenu nécessaire de prendre en compte le savoir acquis récemment pour évaluer le comportement à la foudre des lignes avec LSA.

 (c) Approches de modélisation et techniques de simulation pour l'évaluation de la performance de protection des lignes.

Au cours des dernières décennies on a développé des techniques d'analyse et diverses approches numériques de la simulation des chocs de foudre dans les réseaux électriques. Les pratiques analytiques deviennent de plus en plus courantes avec la grande popularité des outils de modélisation, tels le Programme de Transitoires Electromagnétiques (ATP-EMTP) et le Flash IEEE, etc. La BT 440 [CIGRE, 2010] présente et expose la méthodologie couramment suivie pour une telle analyse, concernant les LSA, et donne des informations de base sur les LSA eux-mêmes. Dans la BT 543 “Guideline for Numerical Electromagnetic Analysis Method and its Application to Surge Phenomena”, [CIGRE, 2013 (2)], on examine les limitations de EMTP et on présente les méthodes NEA (Numerical Electromagnetic Analysis) comme une solution plus performante. Les techniques "Full-wave" EMF-FDTD sont encore loin d'une utilisation pratique, dans la mesure où elles demandent un grand volume de préparation, concernant en particulier la précision de la modélisation des installations réelles intégrant des LSA.

(d) Implication des systèmes de localisation de foudre (LLS)

Les systèmes LLS sont devenus courants dans beaucoup de pays, pour surveiller les incidences de foudre dans les réseaux électriques, avec des informations de localisation des points d'incidence, ou pour évaluer le risque de mise hors service de ligne à partir des données accumulées localement. Dans certains pays  on a récemment  connecté/intégré plusieurs LLS dans un réseau de détection de la foudre destiné à fournir un service de surveillance, à l'échelle nationale ou continentale, de l'activité de foudre. La densité des impacts au sol (GFD) peut être déterminée à partir des données de détection au lieu des niveaux kérauniques conventionnels. Tenant compte des améliorations récentes de la technologie en matière de précision de la localisation, de l'estimation du courant-crête, et de la structure du réseau de détection de la foudre, on pense que les LLS vont faciliter la mise en œuvre efficace des LSA, en estimant la densité locale des incidences de foudre sur la ligne permettant de définir le point d'installation des LSA, ou de déterminer le point d'impact de foudre où une surcharge de LSA est suspectée.

Contenu de la BT

L'objectif de la BT est fournir les informations les plus récentes sur les utilisations des LSA. Pour atteindre l'objectif le GT C4.39 a identifié les activités d'ingénierie à mener, qui portent sur l'analyse des contraintes de foudre, sur les conceptions des LSA, sur les retours d'exploitation, sur la performance de protection, et sur l'utilisation des LLS. Par ces travaux le GT a contribué à rassembler les informations techniques nécessaires à une mise en œuvre effective des LSA. Les points ci-après illustrent le contenu de la BT.

Aspects de la foudre relatifs à la mise en œuvre des LSA

Les résultats des études de la foudre les plus récentes sont brièvement résumés, parmi lesquels, en particulier, la séquence des coups de foudre, les paramètres liés à la mise en œuvre des LSA, et les scénarios typiques de défauts liés  à la foudre attendus sur les lignes aériennes de transport et de distribution. On examine ensuite les paramètres de la foudre qui sont importants, pour la conception des LSA et pour analyser le comportement des LSA en matière de protection des lignes aériennes de transport et de distribution.

Qu'est un LSA ?

Les LSA sont des parafoudres qui ont été intentionnellement conçus pour être directement installés sur des lignes aériennes de transport et de distribution. Leur conception peut être classée en conception NGLA, EGLA et éclateur limiteurs de courant (CLG). Les caractéristiques typiques, les performances, et les manières dont ils sont utilisés, sont présentées, et concernent la conception, la capacité de tenue de l'énergie de foudre, les caractéristiques de protection contre la foudre et les problèmes critiques à prendre en compte. Les données présentées permettent une compréhension de base et constituent un corpus d'informations utiles pour une mise en œuvre efficace des LSA

Capacité de transfert de la charge de foudre des parafoudres

Dans les normes CEI et IEEE les plus récentes des parafoudres, une nouvelle méthode d'essai d'évaluation de la capacité de transfert de charge et de la capacité de tenue en énergie a été définie, cependant il n'y a pas assez d'informations disponibles à ce jour sur les capacités de transfert de charge de foudre des LSA qui sont requises pour l'utilisation en exploitation. En conséquence les capacités de transfert requises pour des utilisations types de LSA ont été examinées, sur la base d'études de la foudre et d'analyses.

Retour d'expérience d'exploitation des LSA

Une enquête internationale a été menée auprès de plusieurs pays dans lesquels on pensait que des LSA étaient en service pour protéger les lignes aériennes de transport et de distribution. Les réponses au questionnaire portant sur l'efficacité des LSA sont résumées, avec les problèmes critiques rencontrés, et les expériences particulières de certains pays sont également présentées, pour permettre des échanges d'informations utiles à la communauté des ingénieurs des parafoudres.

Approches numériques

On présente, et on analyse, des informations de base sur les outils actuels de modélisation destinés à l'analyse des chocs de foudre, et sur les procédures générale d'analyse nécessaires à l'évaluation de l'efficacité des LSA. L'efficacité des LSA contre les surtensions de foudre est ensuite évaluée analytiquement pour des applications typiques de LSA. Certains résultats obtenus au moyen d'outils basés sur la théorie des circuits et l'Analyse Electromagnétique Numérique (NEA) sont également examinés.

LLS et mise en œuvre des LSA

Les LLS peuvent potentiellement être utilisés pour la mise en œuvre des LSA. Les évolutions récentes de la technologie des LLS, telles que l'amélioration des performances de localisation du point d'impact et celle de l'estimation du courant-crête de foudre sont présentées. On examine ensuite les possibilités d'utilisation des LLS dans la mise en œuvre des applications LSA, en intégrant le retour d'expérience de l'utilisation des LLS recueilli dans l'enquête internationale sur les LSA.

Remerciements

Le GT C4.39 exprime des remerciements particuliers aux utilisateurs de LSA du Brésil, du Canada, de Croatie, de France, du Japon, de Malaisie, de Slovénie, d'Afrique du Sud et de Thaïlande, qui ont apporté leurs réponses au questionnaire de l'enquête internationale sur le comportement en exploitation des LSA.