Modélisation des systèmes de mise à la terre des lignes électriques soumis à des transitoires de foudre

Modelling of grounding systems of transmission lines struck by lightning

• Auteur / Autrice : Xavier Legrand
• Direction : Philippe Auriol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Régime transitoire (électricité)

Traitement du signal

Courants électriques -- Mise à la terre

Foudre

Mots clés libres

Modèle électromagnétique

Réseau de transport d'électricité

Coordination de l'isolement

Résumé

Ce travail de thèse porte sur la modélisation des systèmes de mise à la terre des lignes électriques soumis à des transitoires de foudre. Nous identifions et caractérisons tout d’abord les différents paramètres qui influencent le comportement des systèmes de mise à la terre, en particulier lorsqu’ils diffusent un courant de la foudre. Nous proposons alors de représenter dans un premier temps ce comportement en fréquentiel, en nous appuyant sur un modèle électromagnétique issu de la théorie des antennes. Nous montrons en effet en détaillant la théorie de ce modèle et en le validant expérimentalement, qu’il s’agit de l’approche la mieux adaptée aux structures qui nous intéressent. Cette modélisation fréquentielle est alors appliquée afin d’établir diverses règles d’ingénierie permettant d’optimiser la structure des systèmes de mise à la terre. A partir de la représentation du système de mise à la terre dans le domaine fréquentiel, nous élaborons alors un modèle décrivant son comportement dynamique pour les études de transitoires en temporel. Notre approche nous permet de représenter par des équations d’état dans des logiciels de type EMTP-RV un système de mise à la terre complexe possédant plusieurs points de connexion avec le réseau électrique. Cette modélisation est validée et se montre bien adaptée pour répondre à plusieurs questions qui reviennent souvent lors d’études de coordination des isolements et de CEM. Nous montrons alors comment calculer en temporel les grandeurs électriques se propageant dans le sol au voisinage d’un système de mise à la terre, dans l’optique d’estimer leurs effets sur son environnement matériel (câbles enterrés) ou humain (sécurité). Nous montrons ainsi qu’il est bien adapté pour les études de sécurité autour d’un pylône foudroyé. Nous développons finalement un algorithme original permettant de calculer l’expression proposée par Pollaczek pour calculer les couplages faisant intervenir des conducteurs enterrés. Cet algorithme, basé sur une méthode de quasi-Monte Carlo, se montre efficace et facile à mettre en oeuvre. Il nous permet de disposer d’une alternative aux formules approchées utilisées classiquement.

The PhD Thesis deals with the modelling of grounding systems of transmission lines with particular reference to the transient phenomena occurring when the conductors of these lines are struck by a lightning stroke. The first part presents the description of the role of grounding systems in transmission lines ; then it contains a brief summary of lightning phenomenology and of the main phenomena involved in the problem of interest. This part of the thesis serves as a base for the next developments as it is devoted to the analysis of the parameters that have the most important influence on the lightning response of the grounding system, withe particular concern on the mechanicsm of the diffusion of the current into the ground. The second part covers the response in the frequency domain of grounding system. The main models proposed in the literature are briefly analysed and one of them, the so-called electromagnetic model, is chosen as reference for the following developments. The choise is justified by thorough theoretical analysis and by comparison with experimental results obtained at the candidate's laboratory. Such a model is then employed in order to find some general criteria aimed at optimizing the structure of the grounding systems of interest. The third part of the thesis is devoted to the development of an innovative procedure ; aim of this procedure is to include the earlier mentioned reference model of grounding systems into transient analysis programs based on circuit and line theory, such as the Electromagnetic Transient Program (EMTP). The aim is to provide a "time-model" of grounding systems, to be used for transients studies. The developed approach allows the representation by means of state equations implemented in the revised version of the EMTP RV of a complex grounding system, having an arbitary number of electrical connections with the transmission system. Such a result is of particular importance for advanced insulation coordination studies and, more in general, for EMC problems involving grounding systems. The developed tool allows also, fourth part of the thesis, for analysis on the propagation of transient phenomena by ground electrodes, with the final aim of evaluating lightning deleterious effects on burien cables and on humans, with reference for this case to step and contact voltages. Cable modelling and risk evaluation for humans with reference to the problem of interest are two points dealt with too in this part of the dissertation. Finally, a part is devoted to the development of an effective numeric method to compute the so-called Pollaczek integral, used in the literature to compute the mutual impedance between an overhead and another overhead/underground conductor of the earth-return impedance of an underground cable, although they give origin to numerical complexities that often lead to use of simpligied models.