Principes de base et méthodes pratiques de mesure de la résistance CA et CC des conducteurs des câbles électriques

Introduction

Les conducteurs pour câbles isolés sont classés en fonction de leur dimension définie par leur résistance CC dans la norme CEI 60228. Cependant la plupart des liaisons électriques sont utilisées en CA, et pour des conducteurs de forte section des câbles et des lignes aériennes les pertes CA (pertes par effet de peau et par effet de proximité) peuvent conduire à des réductions importantes de capacité de charge. Ces pertes dépendent de la conception du conducteur et, par conséquent, la qualification de la résistance CA du conducteur devient un aspect critique de la conception du câble. Bien que ce sujet ait été étudié théoriquement dans le détail, et que différentes méthodes de mesure de la résistance CA aient été proposées dans la BT 272 de CIGRE, aucun montage, ou méthode spécifique, n'est actuellement prescrit par les normes CEI pour les mesures de la résistance des conducteurs, pas même en CC.

En CA un phénomène tel que l'effet de peau modifie la répartition du courant dans le conducteur et provoque ainsi des pertes supplémentaires. La conception du conducteur devient critique pour les fortes sections, pour lesquelles ces effets sont importants – la résistance CA d'un conducteur à 50 Hz est par exemple supérieure de 60% à la résistance CC pour un conducteur massif en cuivre de 2000 mm2  (Figure 1 et figure 2). On peut réduire la résistance CA, et par conséquent les pertes correspondantes, par exemple en utilisant des fils isolés.

La caractérisation de la résistance électrique CA des conducteurs de forte section est donc nécessaire pour les besoins de conception et de qualification des conducteurs. La BT donne une présentation générale du sujet, avec une discussion des bases théoriques des mécanismes de pertes CA et une description des facteurs critiques d'influence touchant les mesures électriques des conducteurs complexes. On expose les  méthodes de mesure de l'état de l'art, tant pour les mesures CC que CA. De plus on débat des meilleures pratiques en matière de systèmes de connexion et de mesure et de stabilisation de la température. Les résultats de l'essai à la ronde réalisé pendant les travaux, sur des conducteurs de référence et sur différents conducteurs de câbles électriques, sont en outre présentés. L'essentiel de la BT repose sur l'accumulation de connaissances tirées des publications et sur les recherches propres au groupe de travail. Le lecteur peut y trouver les recommandations préconisées pour une mesure précise des résistances CA et CC, mettant en œuvre la méthode électrique. Elle donne le détail des exigences sur l'environnement et les équipements, sur la vérification du bon fonctionnement du système de mesure, sur la préparation de l'échantillon du conducteur et sur l'ensemble du montage de mesure.  

Particularités propres aux mesures électriques CA

La méthode de mesure électrique met en œuvre des signaux électriques, et en la circonstance la chute de tension et le courant total dans le conducteur mesurés, pour déterminer la résistance CA d'une section du conducteur. Typiquement un circuit de courant et une boucle de mesure de tension sont présents dans le montage. Le circuit fermé du courant fournit le courant d'essai qui traverse le conducteur en essai (CUT). La boucle de tension est constituée de deux cordons de branchement du système de mesure aux points de prise de la tension – leur connexion au CUT -, le CUT lui-même, et la résistance/impédance interne du système de mesure (Figure 3).

Il est important de noter qu'en CA, la résistance CA mesurée peut dépendre de la configuration de la boucle de tension, du fait de la possible influence des champs magnétiques pénétrant la boucle de tension. La valeur résistance mesurée est composée ainsi :

Elle inclut le champ électrique au sein du conducteur, qui est lié à la distribution du courant dans l'échantillon, et également le champ magnétique formé par les cordons de mesure de la tension et l'échantillon. La valeur est habituellement normalisée par unité de longueur et donc donnée en valeur par unité. La distribution dans l'échantillon et le champ magnétique enveloppant le CUT sont influencés par de nombreux aspects du montage de mesure :

• La position du conducteur de retour (le conducteur de retour est le conducteur qui ramène le courant à sa source)
• La présence de matériaux conducteurs dans l'environnement (par ex. des éléments métalliques dans la structure de support, dans le mur ou dans le plancher)
• Le système de contact du courant (comment le courant est injecté dans un conducteur de structure complexe)

Essais à la ronde

Quatre échantillons ont  fait l'objet de mesures dans 8 laboratoires différents :

• Conducteur Milliken aluminium: 2000 mm²
• Conducteur Milliken cuivre: 2500 mm²
• Tige en cuivre: 50 mm de diamètre extérieur
• Tube de cuivre: 50 mm de diamètre extérieur; 40 mm de diamètre intérieur

Les mesures CC ainsi que les mesures CA ont été effectuées à 20 °C, et aussi, quand cela a été possible, à 90 °C, et ont été comparées aux valeurs théoriques calculées avec la CEI 60287 (comme montré sur la Figure 4, pour 50 Hz et 20 °C). Il faut noter cependant qu'il n'y a pas de solution analytique proposée pour les conducteurs Milliken, et que les valeurs de la CEI 60287 sont simplement des approximations empiriques pour des conceptions complexes. La qualité réelle dépend de la connaissance de la conception détaillée du conducteur et du processus de fabrication. Il en ressort que la résistance CA ne peut pas être déduite au moyen d'une formule empirique, mais doit être mesurée pour chaque conception de conducteur.

Les écarts entre les mesures des différents laboratoires sont supérieurs à la reproductibilité que l'on pouvait espérer, et probablement attendre, pour un système de conducteur. Ceci peut s'expliquer par le fait que les configurations de mesure étaient différentes, confirmant la sensibilité de la mesure au montage.

Néanmoins, les mesures portant sur des échantillons bien définis et radialement symétriques (tube ou tige) font apparaitre des écarts moindres. Ceci illustre, par ailleurs, la difficulté inhérente des mesures des pertes CA et de la mesure des conducteurs complexes. Cela montre combien il est important des respecter les directives et recommandations spécifiques si on veut obtenir des résultats comparables quand on procède à des mesures de résistance CA et CC.

Recommandations

La BT émet des recommandations concernant différents montages pour une mesure précise, et l'influence de différents paramètres tels que :

• La préparation de l'échantillon
• L'environnement des mesures
• Le conducteur de retour
• La boucle de tension
• Les connexions permettant d'injecter le courant
• Les branchements de la mesure de tension
• La gestion de la stabilité de la température       

Elle propose une nouvelle méthode d'interprétation et de classification des résultats, qui dépend des données de mesure, et qui en conséquence souligne la nécessité des mesures.

Conclusion

Les analyses et les études réalisées amènent à conclure que la mesure des résistances CC, et CA encore plus, est une tâche difficile, quand on recherche une précision élevée. Il faut prendre en compte beaucoup de facteurs si l'on veut évaluer avec précision un conducteur de conception complexe, tel qu'un conducteur Milliken.

La BT propose des montages bien définis qui permettent aux utilisateurs de réaliser des mesures précises sur les conducteurs en essai, qui prennent correctement en compte les impacts de différents choix de conception de conducteur.