501 - Société Marocaine des Sciences Mécaniques

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
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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.).
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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.