Guide complet pour la conception des systèmes de mise à la terre des postes électriques

Conception du système de mise à la terre / mise à la masse dans un réseau de terre de poste

Introduction au réseau de terre de poste

Dans les postes à isolation aérienne (PIA) haute et moyenne tension^[1], le champ électromagnétique, dont les causes sont les charges statiques des câbles et conducteurs nus et les conditions atmosphériques (surtensions), induit des tensions sur les parties non sous tension de l'installation qui créent des différences de potentiel entre les parties métalliques et la terre et aussi entre différents points du sol.

Des situations similaires peuvent se produire en cas de défauts entre parties sous tension de l'installation et parties non sous tension, par exemple en cas de court-circuit phase-terre.

Ces différences de potentiel donnent lieu à des tensions de pas et des tensions de contact, ou une combinaison des deux, qui peuvent entraîner la circulation d'un courant électrique à travers le corps humain, ce qui peut constituer un danger pour les personnes.

La tension de contact (E_t) peut être définie comme la différence de potentiel maximale qui existe entre une structure métallique mise à la terre susceptible d'être touchée par la main et tout point du sol, lorsqu'un courant de défaut circule.

Il est d'usage de considérer une distance de 1 m entre la structure métallique et le point au sol.

La tension de pas (E_s) est définie comme la différence de potentiel maximale qui existe entre les pieds lorsqu'un courant de défaut circule.

Il est d'usage de considérer une distance de 1 m entre les pieds.

Un cas particulier de tension de pas est la tension transférée (E_trrd) : où une tension est transférée à l'intérieur ou à l'extérieur du poste depuis ou vers un point distant externe au site du poste.

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D'autres concepts sont :

• Élévation de potentiel de la terre (GPR) : Le potentiel électrique maximal qu'un réseau de terre de poste peut atteindre par rapport à un point de terre distant supposé au potentiel de la terre lointaine. Cette tension, GPR, est égale au courant maximal du réseau multiplié par la résistance du réseau.
• Tension de maille (E_m) : La tension de contact maximale à l'intérieur d'une maille d'un réseau de terre.
• Tension de contact métal-métal (E_mm) : La différence de potentiel entre des objets ou structures métalliques à l'intérieur du site du poste qui peuvent être reliés par un contact direct main-à-main ou main-à-pieds.

Le diagramme de la Figure 1 illustre les phénomènes mentionnés ci-dessus.

Figure 1 – Tensions de contact, de pas et transférées

Afin de minimiser à des valeurs acceptables les courants traversant le corps humain, d'assurer la sécurité électrique pour les personnes travaillant à l'intérieur ou à proximité de l'installation, et aussi de limiter toute interférence électrique éventuelle avec des équipements tiers, les PIA doivent être équipés d'un système de mise à la terre (ou mise à la masse), auquel toutes les parties métalliques non sous tension de l'installation doivent être connectées, telles que structures métalliques, interrupteurs de mise à la terre, parafoudres, enveloppes de tableaux et de moteurs, rails de transformateurs et clôtures métalliques.

Puisque la mise à la terre influence les niveaux de surtensions du réseau électrique et de courant de défaut, et la définition des systèmes de protection, le système de mise à la terre doit être conçu pour garantir le bon fonctionnement des dispositifs de protection tels que les relais de protection et parafoudres.

La conception et la construction du système de mise à la terre doivent garantir que le système fonctionne pendant la durée de vie prévue de l'installation et doit donc tenir compte des extensions futures et du courant de défaut maximal pour la configuration ultime.

Le système de mise à la terre est constitué d'un réseau de câble en cuivre nu enterré, avec des piquets de terre supplémentaires, et doit être calculé, l'utilisation de la norme IEEE Std. 80-2000 étant recommandée.

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Formules importantes pour la conception d'un réseau de terre de poste

La section du câble enterré doit être calculée en fonction de la valeur du courant de court-circuit phase-terre, mais il est courant d'utiliser le courant de court-circuit triphasé à cette fin.

Pour ce calcul, la formule suivante doit être utilisée :Où :

• I”_K1 est le courant de court-circuit phase-terre [A]
• t_s est la durée du défaut [s]
• Δθ est l'élévation de température admissible maximale [°C] – pour le cuivre nu Δθ = 150 °C

Selon la norme IEEE susmentionnée, la tension de pas et de contact maximale tolérable et le courant maximal tolérable à travers le corps humain (I_hb) et la résistance du réseau de terre (R_g) sont calculées par les formules :

Tension de pas maximale tolérable

Tension de contact maximale tolérable

Courant maximal tolérable à travers le corps humain

Résistance du réseau de terre

Où :

• C_s est le facteur de déclassement de la couche de surface et est calculé par la formule :
• t_s est la durée du défaut [s]
• ρ_s est la résistivité du matériau de surface [Ω.m] – valeur typique pour pierres concassées/gravier mouillé : 2 500 Ω.m
• ρ est la résistivité de la terre sous le matériau de surface [Ω.m]
• h_s est l'épaisseur du matériau de surface [m]
• A est la surface occupée par le réseau de terre [m²]
• l_T est la longueur totale enterrée du conducteur, y compris les piquets de terre [m]

Si aucune couche de protection de surface n'est utilisée, alors C_s =1 et ρ_s = ρ

Ces calculs sont généralement effectués à l'aide de logiciels spécifiques.

Réseau de terre de poste

La Figure 2 montre un exemple de réseau de terre.

Figure 2 – Réseau de terre

Les méthodes les plus appropriées pour la connexion des jonctions du réseau de terre sont :

a.) Soudure exothermique

Figure 3 – Soudure exothermique

La soudure exothermique est un procédé de connexion permanente des conducteurs qui utilise du métal en fusion et des moules, basé sur une réaction chimique entre des oxydes métalliques (le conducteur) et de la poudre d'aluminium enflammée, qui agit comme combustible, avec libération d'énergie thermique. Cette réaction chimique est une composition pyrotechnique connue sous le nom de thermite.

Il doit être garanti que le nombre de soudures exothermiques effectuées avec chaque moule ne dépasse pas les indications du fabricant.

• À lire aussi : Quelle est la différence entre le neutre, la terre et la masse ?

b.) Connecteur C :

en utilisant un outil de sertissage hydraulique et des matrices avec une taille adaptée à la taille des connecteurs.

Figure 4 – Connecteur C et outil de sertissage

À proximité des boîtiers de commande des disjoncteurs, interrupteurs et sectionneurs, il doit être installé un tapis équipotentiel métallique, connecté au système de terre, similaire à celui montré à la Figure 5.

Figure 5 – Tapis équipotentiel métallique

Bon à savoir :

[1] Étant U_n la tension nominale du réseau : HT – U_n ≥ 60 kV ; MT – 1 kV < U_n ≤ 49,5 kV.

À propos de l'auteur : Manuel Bolotinha

- Licence en génie électrique – Énergie et systèmes de puissance (1974 – Instituto Superior Técnico/Université de Lisbonne)
– Master en génie électrique et informatique (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Université Nova de Lisbonne)
– Consultant senior en postes et systèmes de puissance ; Instructeur professionnel