12ème congrès de Mécanique 21-24 Avril 2015 Casablanca (Maroc) EXPERIMENTATION ET IDENTIFICATION DU COMPORTEMENT MECANIQUE DES CABLES ELECTRIQUES DANS LES RESEAUX DE DISTRIBUTION AERIENS BASSE TENSION A CASABLANCA : APPLICATION AUX CABLES EN ALUMINIUM TORSADES CHOUAIRI A. a, EL GHORBA M. a, BENALI A.a, BOUDLAL E.c, BARBE N. b, BENOUNA A.b, HACHIM A.c, EL HAD K.c a. Ecole Nationale Supérieure d’Electricité et de Mécanique (ENSEM), Laboratoire de Contrôle et Caractérisation Mécanique des Matériaux et des Structures (LCCMMS), Oasis Route d’El Jadida, BP 8118, Casablanca , Maroc b. Société Lyonnaise Des Eaux de Casablanca (LYDEC), 48 Rue Mohamed Diouri, BP 16048, Casablanca, Maroc c. ISEM, Département Machines, Km 7 , route d'El Jadida, Casablanca, Morocco E-mail : [email protected] 1. Introduction Stabilité et croissance économique dépendent de réseaux de transport d'énergie électrique fiables. Aujourd’hui, ces réseaux affrontent deux défis majeurs qui touchent la mécanique et les structures de lignes électriques aériennes : d'une part, la fiabilité du réseau et le maintien du service, et d'autre part, la pérennité du réseau et l'augmentation de sa capacité de transition. Généralement, la fonction principale d’un réseau électrique est d’acheminer l’énergie des centres de production jusqu’aux consommateurs. La fourniture d’électricité, en ce qui concerne la sûreté et la disponibilité, constitue un point clef de la gestion des réseaux électriques. Ceci est particulièrement vrai pour les réseaux de distribution, lien entre les réseaux de transport et les consommateurs. La gestion de tels réseaux est complexe du fait de leur architecture, du faible nombre de données disponibles et des perturbations variées qui peuvent s’y produire. La localisation du défaut est un atout important car elle permet de cibler la réparation afin d’en réduire le coût. La fiabilité de ce câblage devient donc prépondérante et la mise au point de systèmes et de procédures de diagnostic, apparaît urgente. Notre objectif est de déterminer le comportement mécanique des différents éléments constitutifs des câbles électriques aériens à basse tension, ainsi, nous aborderons le procédé expérimental afin de compléter les études théoriques effectués dans les différentes étapes du plan d’expérience. A cet égard, le présent travail met le point sur le développement des essais mécaniques qui combine l’expérimentation couplé avec la caractérisation chimique, afin d’optimiser les performances de contrôle des câbles et déterminer leurs durées de vie critique. 2. Matériel et méthode Les câbles aériens sont principalement employés pour le transport et la distribution de l’énergie électrique dans les zones fortement urbanisées aux abords ou à l’intérieur des grandes villes, parfois pour résoudre des problèmes locaux particuliers, techniques ou d’environnement, pour lesquels la mise en œuvre est difficile ou impossible [1]. Toutefois, les câbles aériens sont de plus en plus utilisés en basse tension, même en zone rurale ou semi rurale. De plus, des progrès récents en basse tension faciliteront la mise en aérien dans un avenir proche. Généralement les conducteurs aériens sont des solides toronnés, alliant ainsi une souplesse en flexion et en torsion à une grande résistance en traction. Sous l’effet du vent, les lignes de transmission d’électricité peuvent subir des dommages [2] [3]. Figure 1 : Coupe transversale d’un câble basse tension isolé au polyéthylène réticulé Les figures 1 et 2 illustrent la constitution typique d’un câble tripolaire. D’un point de vue purement technique, on peut distinguer deux types de câbles; ceux isolés au papier imprégné (câble PILC) et ceux isolés au polyéthylène réticulé (câble XLPE). Figure 2 : Coupe verticale d’un câble basse tension isolé au polyéthylène réticulé Inéluctablement, l’isolant agencé autour du conducteur d’un câble vieillit et se dégrade au cours du temps. La destruction, partielle ou complète de cet isolant, implique un effort de maintenance du câble ou pire encore son remplacement [4] [5]. 2.1 Terminologie des câbles torsadés BT aluminium 12ème congrès de Mécanique 21-24 Avril 2015 Casablanca (Maroc) Figure 3 : Vue d’ensemble d’un échantillon de câble torsadé BT en Aluminium à 5 phases (3 conducteurs ALU + Neutre porteur A.G.S + 1 E.P) Les câbles faisceaux de réseau aérien sont constitués de trois conducteurs de phases isolés et assemblés autour d’un conducteur neutre isolé servant de porteur. Ils comportent 5 torons, chaque toron est constitué de 12 fils [6]. Les conducteurs de phase et d’éclairage public sont torsadés autour du conducteur neutre avec un pas à droite dont la longueur est comprise entre 20 et 25 fois le diamètre extérieur du faisceau (Figure 3). Le résultat de la composition chimique des différents conducteurs constituant le câble torsadé BT aluminium sont donnés par les figures 4, 5, 6. Figure 6 : Composition chimique des brins du neutre porteur D’après les résultats de la comparaison chimique des brins intérieur et extérieur ainsi que des neutres porteur, on remarque qu’il s’agit des conducteur en aluminium (Al) à haute résistance dont la teneur en aluminium dépasse 80%. Les autres éléments d’alliage sont le fer, crome ainsi qu’une faible teneur en silicium. 2.2 Endommagement des câbles aériens Figure 4 : Composition chimique des brins du conducteur extérieur Les lignes aériennes de transport d'énergie électrique parcourent de longues distances et traversent en général des régions très différentes de par leur relief (topographie du terrain, altitude, etc.), leur climat (température, pression, vent, etc.), leur environnement (zones industrielles, régions côtières, etc.). De ce fait, les équipements de transport d'énergie électrique sont exposés à diverses contraintes. Parmi celles-ci, la pollution, la neige fondante et le givrage atmosphérique des isolateurs sont reconnues comme étant les facteurs majeurs à l'origine des défauts enregistrés sur les lignes aériennes, et apparaissent ainsi comme des facteurs de très grande importance dans la qualité et la fiabilité du transport d'énergie. Les isolateurs peuvent en effet se recouvrir de poussière (faiblement conductrice mais hygroscopique). Les échantillons des brins en aluminium formant le câble torsadé sont donnés par la figure 7. Figure 5 : Composition chimique des brins du conducteur intérieur Figure 7 : Exemple de rupture d’un câble électrique basse tension L’endommagement des conducteurs en service se produit à l’interface entre le conducteur et les pièces d’équipement qui le retiennent (pinces de suspension, pinces d’entretoise, etc.). 12ème congrès de Mécanique 21-24 Avril 2015 Casablanca (Maroc) Le comportement du conducteur est ainsi très dépendant de l’amplitude de vibration (influençant l’amplitude du glissement et donc l’usure et la fissuration des fils), du système de serrage (chacun ayant ses propriétés propres quant au fretting) et de la lubrification de l’interface (qui réduit l’oxydation et diminue les contraintes tangentielles). Parmi les défauts les plus nocifs, on cite les défauts de gaine qui ne conduisent pas toujours à des pannes directes, mais peuvent générer à long terme des défauts de câble, notamment suite à la pénétration de l'humidité et à des dommages d'isolation (Figure 7). Bibliographie [1] G.F. MOORE, « Electric Cables Handbook », 3rd Edition Blackwell Science, 1997. [2] FAUVARQUE J.F. Polymères pour isolants électriques. Propriétés électriques des polymères et applications. Groupe Français d’Etudes et d’Applications des Polymère, GFP, 1993, ch. VII, pp 273-318. [3] J. ENGSTROM, « Underground Cables in Transmission Networks », Thesis in Department of Industrial Electrical Engineering and Automation, Lund University, 2007. [4] Mostafa KAMEL SMAIL « Développement d’une méthodologie dédiée à la réflectométrie en vue du diagnostic filaire » Thèse de doctorat, Université ParisSud XI, Faculté des Sciences d’Orsay 2010. Figure 8 : Prélèvement d’une gaine de câble endommagé La rupture de l’isolation, dénommée claquage, peut intervenir suivant différents mécanismes. Ceux-ci sont décrits dans plusieurs ouvrages (Figure 8). 2. Conclusion Dans les programmes d’amélioration des conditions de transport et de distribution de l’énergie électrique, un accent particulier est réservé à l’activité de traitement et de préventions des pannes. Ainsi, déterminer et connaître la durée de vie critique des brins des câbles électriques est l’un des éléments essentiels dans l’activité visant à diagnostiquer le degré de dégradation du système de distribution de l’énergie électrique. En ce sens, connaître le niveau de dommage est un des facteurs importants dans les déterminations de l’état de vieillissement et de dégradation des brins d’un équipement électrique. Un conducteur électrique n’est jamais parfait. Non seulement, on y trouve des défauts qui dérivent directement de la production du câble mais en outre, le passage du courant électrique peut développer plusieurs défaillance dans sa structure surtout avec une surcharge appliqué. Souvent, la connaissance d’un câble aérien nécessite une connaissance approfondie de chacun de ses éléments essentiels, on vise dans un premier temps la caractérisation mécanique des conducteurs électrique vierge pour compléter la caractérisation mécanique des câbles de distribution, ensuite, nous optons pour une caractérisation mécanique à travers un essai de traction sur des éléments défaillants et par suite le câble complet. [5] A. CHOUAIRI, H. OUAOMAR, A. BENALI, M. EL GHORBA, N.BARBE, A. BENOUNA, A. HACHIM, K. ELHAD «Mécanismes d’endommagements et méthodes de localisation des défauts liés aux câbles électriques dans les réseaux de distribution aériens basse tension», International Congress for Applied Mechanics, 8ème Edition des Journées d’Etudes Techniques 2014 (JET 2014), sous le thème : la mécanique et les matériaux, moteurs du développement durable, 28-30 Avril 2014, Marrakech, Maroc. [6] A. CHOUAIRI, A. BENALI, M. EL GHORBA, A. HACHIM, N. BARBE, A. BENOUNA «Influence du vieillissement sur les gaines isolantes des câbles électriques basse tension», 3ème Edition des Doctoriales de Rabat 2014, sous le thème "L'employabilité, la Création d'Entreprises et la Formation par la Recherche", Université Mohammed V-Agdal, Faculté des Sciences de Rabat (FSR), 06-08 Février 2014, Rabat, Maroc.