Lightning induced voltages in cables of power production centers

par Luis Gerardo Diaz Pulgar

Thèse de doctorat en Electronique des hautes fréquences, photonique et systèmes

Sous la direction de Alain Reineix et de Christophe Guiffaut.

Soutenue le 29-11-2016

à Limoges , dans le cadre de École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018) , en partenariat avec XLIM (laboratoire) .

Le jury était composé de Alain Reineix, Christophe Guiffaut, Philippe Baraton, Bernard Jecko, Céline Miry, Jean-Philippe Parmantier.

Les rapporteurs étaient Françoise Paladian, Farhad Rachidi.

mots clés

• Tensions induites
• Cables
• Foudre
• Centre de production d’électricité
• FDTD
• Fil mince
• Plans d’expérience
• Meta-modèles
• Foudre -- Lutte contre
• Centrales électriques
• Plan d'expérience
• Câbles électriques
• Tension de rupture

Titre traduit

Tensions Induites par une agression foudre dans les câbles de contrôle-mesure des centres de production d'énergie

Résumé

Lorsqu’un bâtiment d’un centre de production d’électricité est frappé par la foudre, il se produit une dangereuse circulation de courants dans tous les composants connectés au bâtiment: les murs, le réseau de terre, et les câbles sortant du bâtiment. L’intérêt du présent travail est d’étudier les tensions transitoires aux extrémités de ces câbles, en particulier des câbles contrôle mesure, dans la mesure où ces câbles sont connectés à des équipements électroniques susceptibles d’être endommagés par des perturbations électromagnétiques engendrées par la foudre. Une approche basée sur la résolution numérique des équations de Maxwell via une méthode FDTD est adoptée. Notamment le formalisme de Holland et Simpson est utilisé pour modéliser toutes les structures constituées d’un réseau de fils minces: l’armature métallique du bâtiment, la grille en cuivre du réseau de terre, la galerie de béton et le câble coaxial de contrôle mesure. Une validation des modèles électromagnétiques développés pour chaque composant du site industriel est présentée. Une analyse de sensibilité est conduite pour déterminer l’influence des paramètres du système. En outre, la technique des plans d’expérience est utilisée pour générer un méta-modèle qui prédit la tension maximale induite aux extrémités du câble en fonction des paramètres les plus influents. Cela représentent un outil de calcul précis et informatiquement efficace pour évaluer la performance foudre des câbles de contrôle et de mesure.

mots clés

• Induced voltages
• Cables
• Lightning
• Power generation centers
• FDTD
• Thin wire
• Design of experiments
• Meta-models

Résumé

When lightning strikes a building in a Power Generation Center, dangerous currents propagates through all the components connected to the building structure: The walls, the grounding grid, and the cables leaving the building. It is the interest of this work to study the transient voltages at the terminations of these cables external to the building.Particularly, the Instrumentation and Measure (IM) cables, since they are connected to electronic equipment susceptible of damage or malfunctioning due to lightning ElectroMagnetic perturbations. A full wave approach based on the numerical solution of Maxwell’s equations through the FDTD algorithm is adopted. Notably, the formalism of Holland and Simpson is used to model all the structures composed of thin wires: the building steel structure, the grounding copper grid, the concrete cable ducts and the coaxial IM cables. A validation of the model developed for each component is presented. A sensitivity analysis is performed in order to the determine the main parameters that configure the problem. Also, the Design of Experiments (DoE) technique is used to generate a meta-model that predicts the peak induced voltages in the cable terminations, as a function of the main parameters that configure the industrial site. This represents an accurate, and computationally efficient tool to assess lightning performance of IM cables.