Câbles d`énergie : recherche et identification de défauts

17/09/2008
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Câbles d’énergie : recherche
et identification de défauts
par Henri KUZYK
Formateur Chef de projet au SFP (Service de la Formation Professionnelle)
d’Électricité de France
es matériels électriques ont évolué de manière extrêmement importante au
cours des 5 à 10 dernières années et des méthodes de recherche des défauts
ont considérablement été améliorées. D’ailleurs, après un jeu de chaises musi-
cales très âpre, il ne reste plus que deux constructeurs de voitures laboratoires
en Europe. Dans ce même temps, assez logiquement, plusieurs méthodes ont
progressivement décliné ou ont disparu. En conséquence, les modes opératoi-
res ont finalement été adaptés à cette nouvelle situation.
Après l’apport déterminant de Henri HUBIN (chef de la Division technique Élec-
tricité du Site SFP de Nanterre) dans les méthodes de recherche de défauts, c’est
aujourd’hui, un très petit groupe d’experts du Service de la Formation Profes-
sionnelle (SFP) d’Électricité de France qui entretient ce savoir. Une salle de cours
exceptionnelle permet de mettre en œuvre pratiquement tous les matériels exis-
tants, dans des conditions quasi réelles en prenant en compte toutes les
contraintes réglementaires et de sécurité.
En plus de la formation des utilisateurs (Électricité de France, RTE, filiales
d’EDF, entreprises d’électricité ou d’éclairage public, autres distributeurs en
Europe et dans le monde), cet outil permet également de participer au dévelop-
pement de nouveaux équipements, en partenariat avec les constructeurs de
matériels et de les valider.
Pour des techniques particulièrement nouvelles telles que les essais à très basses
fréquences (VLF), le diagnostic de câbles ou la mesure des décharges partielles, ce
partenariat implique la Division Recherche & Développement du groupe EDF.
Ce fascicule fait partie d’un dossier sur la recherche de défauts dans les
réseaux de câbles d’énergie :
— [D 4 541v2] « Câbles d’énergie : recherche et identification de défauts » ;
— [D 4 542] « Câbles d’énergie : prélocalisation des défauts par échométrie » ;
— [D 4 543] « Câbles d’énergie : théorie de l’échométrie » ;
— [D 4 544] « Câbles d’énergie : méthodes de localisation des défauts » ;
— [Doc. D 4 545] « Câbles d’énergie. Pour en savoir plus ».
1. Généralités................................................................................................. D 4 541v2 – 2
1.1 Câbles d’énergie.......................................................................................... — 2
1.2 Défauts ......................................................................................................... — 4
2. Procédure de recherche de défauts.................................................... — 6
3. Identification du défaut ......................................................................... — 6
3.1 Mesure de résistance d’isolement ............................................................. — 6
3.2 Essai diélectrique......................................................................................... — 8
3.3 Mesure de continuité .................................................................................. — 8
Références bibliographiques ......................................................................... — 8
Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. D 4 545
L

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1. Généralités
1.1 Câbles d’énergie
On peut les classer selon différents critères.
Par niveau de tension : hormis les cas particuliers des câbles à
huile ou à gaz en HTB, on note que tous les câbles à isolement
papier ou synthétique, quels que soient leurs niveaux de tension,
bénéficieront des mêmes méthodes de prélocalisation et de locali-
sation de défauts.
Par type de réseau : arborescents en basse-tension, à coupure
d’artère avec ou sans dérivation ou en double dérivation en HTA ou
encore strictement sans dérivation en HTB, la structure des réseaux
va seulement conditionner le choix de certaines méthodes de prélo-
calisation en raison du rapport efficacité/sécurité.
Par structure de câble : avant d’en arriver aux câbles unipolaires à
isolation synthétique posés aujourd’hui, nous avons connu diverses
évolutions en passant par les câbles tripolaires métallisés, les câbles
« tri plomb », ceux à ceinture, etc. La structure des câbles influence
directement le nombre des mesures à réaliser pour caractériser le
type du défaut.
1.1.1 Câble à champ radial
D’une manière générale, un câble unipolaire se présente sous la
forme d’un condensateur cylindrique (figure 1) constitué essentiel-
lement de :
— une âme conductrice câblée ou segmentée, en cuivre ou en
aluminium (les sections variant entre 0,35 et 1 600 mm2);
— un écran semi-conducteur interne (pour les câbles dont la ten-
sion d’utilisation est supérieure à 3 kV), extrudé ou rubané, dont le
rôle est d’homogénéiser le champ électrique ;
— une enveloppe isolante en matériau polymérique (polyéthy-
lène, polyéthylène réticulé, caoutchouc, polychlorure de vinyle, les
enveloppes isolantes en papier imprégné n’étant plus utilisées que
pour les câbles haute tension courant continu) dont l’épaisseur varie
entre 0,5 et 30 mm selon la tension d’utilisation et la nature du
matériau ;
— un écran semi-conducteur externe (cas des tensions
supérieures à 3 kV), dont le rôle est d’homogénéiser le champ élec-
trique au niveau des électrodes ;
— un écran métallique (en plomb, en aluminium ou en cuivre),
dont le rôle est :
• de constituer une électrode de référence,
• de permettre l’évacuation des courants de courts-circuits
homopolaires,
• d’assurer l’étanchéité radiale,
• d’orienter et de canaliser les lignes du champ électrique.
— enfin, une gaine de protection externe en matériau polymé-
rique, jouant un rôle de protection contre la corrosion, favorisant
l’étanchéité, la protection mécanique à la pose et, lorsque cela est
nécessaire, assurant une isolation électrique de l’écran par rapport au
sol.
Dans cette structure de câble, les écrans sont tous au même
potentiel et reliés à la terre. Les lignes de forces sont toujours per-
pendiculaires aux couches de l’isolant (figure 2a). Chaque conduc-
teur dispose d’un écran individuel (figure 2b). Ce câble ne peut donc
subir que des défauts phase/écran. Le défaut phase/phase direct est
impossible par construction, en théorie. Les utilisateurs disent que
cela peut être une réalité. On ne pose, aujourd’hui, que des câbles
torsadés (figure 3).
1.1.2 Câble à champ non radial
Cette structure concerne essentiellement les câbles basse tension.
Cependant, il y a quelques dizaines d’années, on a posé en réseau
des câbles à champ non radial jusqu’à des tensions de service de
15 kV. L’isolant est principalement du papier imprégné d’huile,
migrante ou non (figure 4).
Faute d’écran individuel, on constate que les isolants sont le siège
de contraintes importantes. En effet, le champ électrique en un point
quelconque de l’isolant est constamment variable en grandeur et en
dimension. Les lignes de force peuvent être tangentielles. Si des
bulles de gaz (vacuoles) sont emprisonnées entre les couches de
papier, on risque la destruction de l’isolant (figures 5 et 6).
Ce câble ne dispose que d’un seul écran, collectif. Les défauts
phase/écran, mais aussi ceux entre phases sont possibles.
1.1.3 Tensions maximales d’essais
La tension assignée est un ensemble de trois valeurs exprimées
en kV qui s’écrivent habituellement sous la forme suivante :
—U0 est la tension efficace entre phase et écran ;
—U est la tension efficace entre deux phases ;
—UM est la tension efficace entre phases, pour laquelle le câble
et ses accessoires ont été conçus.
C’est la valeur de U0 qui sert à définir l’épaisseur de l’isolant, la
tension d’essai diélectrique et la tension maximale à mettre en
œuvre en situation de recherche de défauts. Ce qu’on a appelé
« tension spécifiée » il y a quelques années correspond à U0.
Figure 1 – Câble S23 radial
Figure 2 – Câble radial
U0/UU
M
()
Gaine PVC
Laque vinylique
Écran en
aluminium
Écran semi-conducteur
externe
Semi-conducteur
interne
Âme conductrice
en aluminium
Enveloppe
isolante PRC
Poudre
hygroscopique
câble tripolairebcâble unipolairea

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1.1.3.1 En situation de recherche de défaut
L’expérience a montré que pour les ouvrages BT et HTA, il ne fal-
lait pas dépasser trois fois la valeur de la tension assignée U0 du
câble ou de la liaison en essai.
Cette prescription s’applique à toutes les étapes d’une recherche
de défauts : essais diélectriques, méthodes de mesure, localisation
par ondes de choc, etc.
1.1.3.2 Sur câbles neufs HTA avant première mise en service
À ce jour, c’est la norme internationale CEI 60502 qui régit ces
essais pour les câbles HTA et HTB.
Si on les réalise en tension continue, la limite des essais est fixée
à 4 U0 et la durée de l’essai est de 15 min appliqué entre chaque
conducteur et l’écran. On doit faire autant d’essais que le câble
comporte de phases.
La norme prévoit une alternative pour réaliser les essais à
fréquence industrielle en appliquant :
— soit un essai pendant 5 min à la tension entre phases du
réseau ;
— soit un essai pendant 24 h à la tension nominale de service du
réseau.
En effet, des travaux menés dans le cadre de la CIGRE [1] montre
que le test à tension continue est préjudiciable pour les câbles syn-
thétiques anciens, car des zones de l’isolation restent polarisées
Figure 3 – Câble XLPE
Âme câblée aluminium
section 95, 150 et 240 mm
2
Écran semi-
conducteur extrudé
Écran semi-
conducteur extrudé,
pelable et rainuré longitudinalement
Écran aluminium
de 0,2 mm d’épaisseur
Gaine extérieur PVC
de 3 mm d’épaisseur
Isolement XLPE extrudé
épaisseur 5,5 mm
Poudre
hygroscopique
Figure 4 – Câble papier
Figure 5 – Câble ceinture non radial
Conducteur
Isolant
Bourrage
Écran semi-
conducteur ÉcranCeinture
Gaine étanche
Matelas
Armure
Revêtement
Conducteur
Isolant
Ceinture
isolante Matelas
Bourrage Revêtement
Gaine étanche
Armure
b
a
Conducteur
Isolant
Ceinture isolante
Écran métallique
Lignes de champ électrique
Figure 6 – Câble BT non radial
Tension limite maximale d’essais = 3 U0
Exemples
câble BT : U0=0,6 kV →Umax ≤1,8 kV
câble BT : U0=1kV →Umax ≤3kV
câble HTA 5,5 kV à ceinture : U0=5,5 kV →Umax ≤16,5 kV
câble HTA 20 kV à champ radial : U0=12 kV →Umax ≤36 kV
Conducteur
Isolant
Feuillards
d’acier
Neutre
périphérique
Neutre
sous plomb
Gaine extérieure

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après application de la tension, ce qui occasionne des contraintes de
champs qui viennent s’ajouter à celles de la tension de service. Des
recommandations ont été éditées dans ce sens par la CIGRE [2].
Une autre alternative, mise en œuvre par certains électriciens
européens, en Allemagne notamment, consiste à réaliser le test à
très basses fréquences (VLF) à 0,1 Hz et a été intégrée au document
normatif européen [3].
Concernant les réseaux d’Électricité de France, au lieu d’appliquer
ce type d’essais nécessitant des équipements nouveaux, c’est l’état
de la gaine extérieure qui est contrôlé. Un appareil agréé, le
TESTECRAN, mesure la résistance de la gaine (entre l’écran et la
terre). Dans le cas où cette valeur est inférieure à 2 MΩ, on se
retrouve dans le cas d’une recherche de défauts classique, avec une
suspicion d’incident. La limite des essais retombe à 3 U0. Si on est
au-dessus de cette valeur, le câble est considéré comme bon. Les
générateurs VLF pourraient, toutefois, être utilisés dès à présent.
1. 1.3. 3 S ur c â b l es B T
Aucun essai particulier n’est à appliquer hormis une vérification à
l’ohmmètre sur une position 500 V – 10 mA. Cependant, l’essai à
3U0 reste possible.
1.1.3.4 Diagnostic des câbles
Les techniques de diagnostic des câbles n’entrent pas dans le
périmètre traité par le présent dossier. Ces techniques visent à
apprécier l’état d’un réseau et par extension se prononcer sur sa
pérennité. Ces techniques sont l’objet de développements perma-
nents mais on peut ici donner les potentialités de certaines d’entres
elles à partir de travaux menés à la R&D d’EDF.
Mesure de l’angle du facteur de perte (tangente delta) : cette
mesure peut être réalisée à une très basse fréquence fixe (0,1 Hz ou
en balayant un spectre basse fréquence entre 0,001 et 100 Hz) per-
mettant de déceler les altérations de tronçons de câbles qui sont
dues à une pénétration d’humidité (isolation en PE ou en papier
imprégné).
Mesure de décharges partielles : cette mesure permet d’identifier
et de localiser, par réflectométrie, des points faibles d’un tronçon qui
sont le siège de microdécharges dans l’isolant, révélatrices d’un tra-
vail électrique qui induit la dégradation de ce dernier.
On peut donc, à partir de ces mesures, déceler les tronçons les
plus critiques et hiérarchiser leur remplacement préventif ou tout du
moins celui des points faibles localisés (accessoires de jonction, par
exemple).
1.1.4 Principales spécifications des câbles
actuellement utilisés
L’impédance caractéristique moyenne de ces câbles vaut 40 Ω.
Un récapitulatif des tensions assignées est consultable dans le
tableau 1.
Les câbles à isolation synthétique extrudée ont remplacé, depuis
une quinzaine d’années, en basse BT et en moyenne tension HTA et,
depuis dix ans environ, en haute tension alternative (HTB), les
câbles à isolation au papier imprégné. Cependant, on rencontre tou-
jours ces anciens câbles sur les réseaux. Un tableau des normes
concernées est consultable en [Doc. D 4 545].
1.2 Défauts
On peut séparer les défauts sur les câbles en deux grandes
familles : les défauts d’origine externe et les défauts d’origine
interne.
(0)
1.2.1 Défauts d’origine externe
Ils peuvent être dus :
— soit à une agression mécanique externe : coup de pioche ou de
pelleteuse (dans ce cas facilement décelables), accrochage par une
ancre ou un chalut dans le cas des câbles sous-marins ;
— soit à une pénétration d’eau au niveau du complexe externe
(entre gaine de protection et écran), suite à une détérioration au
cours du tirage ou à de trop fortes contraintes thermomécaniques
locales pendant le fonctionnement du câble ;
— soit à un défaut de montage d’un accessoire (jonction, dériva-
tion ou extrémité).
1.2.2 Défauts d’origine interne
Ils sont principalement dus :
— soit à un défaut de fabrication qui n’a pas été décelé lors des
essais de réception en usine (présence de vacuoles, impureté créant
des décharges partielles conduisant à la dégradation progressive de
l’enveloppe isolante) ; on peut néanmoins considérer que ce type de
défaut est peu fréquent dans la mesure où les câbles, d’une part,
subissent des essais de qualification poussés qui mettraient en évi-
dence de tels risques de défauts, d’autre part, font l’objet d’essais de
purge et de réception à de très hauts niveaux de tension (2,2 U0)
avant leur livraison en réseau ;
— soit à un échauffement local important dans le cas d’un terrain
de très forte résistivité thermique ;
— soit à un vieillissement à long terme du diélectrique (c’était le
cas des câbles à isolation au papier imprégné).
Tableau 1 – Principales tensions assignées (en kV)
Tension
nominale
du réseau
Câbles à champ radial Câbles à champ
non radial
U0/UAnciens
câbles U0
U0/UAnciens
câbles U0
0,6 0,6
11
33/3
3,2 3,2
5,5 3,2 5,5
66/6
10 6/10 5,8 10
15 8,7/15 8,7 15
20 12/20 11,6
30 18/30 17,5
45 26/45 26
63 36/63
90 52/90
150 87/150
225 130/225
400 231/400

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1.2.3 Fréquence des défauts
Depuis l’introduction des câbles à isolation synthétique extrudée,
le taux d’avaries (défauts entre conducteur(s) et écran(s)) du réseau
de distribution et de transport d’énergie électrique, hors zone
d’accessoires, est inférieur à 2 défauts par 100 km de liaison tri-
phasée et par an sur ces types de câbles.
En revanche, sur les anciens câbles encore en service, les taux
d’avaries sont beaucoup plus importants : jusqu’à 4 fois plus.
1.2.4 Nature des défauts électriques
On peut classer les défauts d’origine externe en quatre familles :
— les défauts d’isolement résistants ;
— les défauts d’isolement éclateurs ;
— les défauts de continuité ;
— les défauts intermittents.
1.2.4.1 Défauts d’isolement résistants
Ils se présentent comme une résistance shunt de valeur finie Rd
placée entre un conducteur de phase et l’écran métallique ou le neu-
tre, ou entre deux conducteurs (cas des câbles à champ non radial,
par exemple). Cette résistance est constituée d’un pont de carbone
plus ou moins continu dont la valeur peut être comprise entre quel-
ques ohms et plusieurs mégohms. Son schéma électrique est celui
de la figure 7.
La caractérisation est donc faite à partir de la mesure de Rd et de
la tension d’amorçage de l’éclateur. On dit qu’un défaut est franc si
Rd est inférieure à 5 Ω et que la tension d’amorçage en courant
continu est nulle ou extrêmement faible.
1.2.4.2 Défauts d’isolement éclateurs
Il s’agit de défauts d’isolement à très forte résistance shunt, mais
qui, soumis à une tension croissante, se comportent comme un
éclateur (figure 8) avec une tension d’amorçage Ua.
Dans ce cas, au moment de l’amorçage, toute l’énergie emmaga-
sinée dans la capacité constituée par le câble se décharge dans
l’éclateur. Si le générateur de tension est assez puissant (courant
limite élevé), le câble se recharge alors jusqu’à la tension Ua; on dit
qu’il relaxe.
En effet, jusqu’à ce que le courant de décharge id=0 à la tension
d’extinction, on a (u étant la tension délivrée par le générateur)
d’après le schéma électrique équivalent (figure 8b):
• pour u<Ua:
• pour u≥Ua:
avec Ccapacité du câble,
ic et idcourants de charge et de décharge,
Rarc résistance de l’arc,
Rirésistance interne du générateur.
Dans ces conditions, la tension u aux bornes du câble a l’allure de
la figure 9.
1.2.4.3 Défauts de continuité
Il s’agit d’une coupure d’un ou de plusieurs conducteurs, écran ou
neutre compris, avec une résistance de défaut shunt Rd plus ou
moins grande (figure 10), et une résistance de défaut série Rc plus
ou moins petite.
Sur cette figure,
τ est la constante de charge qui vaut environ 10–3 s
pour un câble de 10 km et une impédance interne de 30 Ω. La durée de
charge du câble jusqu’à Ua peut atteindre quelques secondes, celle de
la décharge quelques millisecondes.
uR
iicCdic
dt
--------+=
UaRarcid =
Figure 7 – Défaut d’isolement résistant
Figure 8 – Défaut d’isolement éclateur
Figure 9 – Courbe de relaxation
Figure 10 – Défaut de continuité
Rd
Âme
Écran
Éclateur
Âme
Écran
Éclateur
G
R
i
i
c
R
arc
CU
a
U
c
u
schéma électrique équivalentb
schéma du défauta
G générateur de tension continue
U
c
tension aux bornes du câble
U
a
tension d’amorçage
U
c
tension aux bornes du condensateur s’il n’y avait pas
d’amorçage
U
uC
tension résiduelle aux bornes du condensateur après amorçage
U
uC
U
a
U
c
τ = R
i
C
u
t
R
d
R
c
Écran
Coupure d’un conducteur