Modélisation électromagnétique des effets de la foudre sur les réseaux d'énergie électrique

Modéeling of the electromagnetic effect of lightning on electrical energy systems

• Auteur / Autrice : Alain Xémard
• Direction : Philippe Auriol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électrotechnique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protection contre la foudre

Électromagnétisme

Réseaux électriques (énergie)

Mots clés libres

Foudre directe

Foudre induite

Résumé

Ce mémoire de thèse traite de l’étude de l’effet de la foudre sur les réseaux de distribution et de transport d’électricité. Il a été motivé par le souci de disposer de méthodes d’études permettant d’éviter les effets néfastes des surtensions dues à la foudre qui sont susceptibles de se propager sur les réseaux électriques (destruction de matériels, courts circuits conduisant à des creux de tension, etc). Plusieurs points scientifiques spécifiques sont abordés. On s’intéresse tout d’abord aux différentes données expérimentales concernant le courant de foudre disponibles aujourd’hui pour identifier celles qui sont les plus appropriées pour réaliser ce type d’étude. Nous abordons ensuite la question des surtensions induites (ce sont les surtensions dues aux coups de foudre tombant à proximité des réseaux électriques). Nous présentons un modèle de couplage permettant de représenter le couplage entre le champ électromagnétique dû à un coup de foudre et une ligne multifilaire dont les paramètres varient en fonction de la fréquence. Ce modèle est employé pour déterminer le risque de défaillance dû à la foudre d’équipements d’un client domestique à basse tension. On s’appuie pour cela sur une méthode probabiliste de type quasi-Monte-Carlo. La dernière partie de la thèse est consacrée à l’étude du taux d’amorçage dû à la foudre des lignes de transport d’électricité. Il s’agit du nombre moyen d’amorçage des chaînes d’isolateurs par an et pour 100 km de ligne. Ce taux permet de quantifier le comportement à la foudre des ouvrages de transport. Nous présentons une méthode numérique permettant de le calculer automatiquement en s’appuyant sur le logiciel de calcul de transitoires électromagnétiques EMTP-RV. Nous appliquons ensuite cette méthode pour étudier différentes solutions permettant de réduire ce taux d’amorçage. Nous nous intéressons plus spécialement à l’emploi des parafoudres en ligne. Les parafoudres en ligne sont des parasurtenseurs installés en parallèle avec les chaînes d’isolateurs permettant d’éviter que les surtensions aux bornes des chaînes d’isolateurs ne soient supérieures à leur tension de tenue. Il s’agit là d’une solution relativement nouvelle qui nécessite des nombreux calculs d’optimisation afin d’installer les parafoudres d’une façon qui permette de concilier un coût raisonnable avec une bonne efficacité quant à la réduction du taux d’amorçage.

This P. H. D work is devoted to the study of some aspects of the effect of lightning on distribution and transmission electrical networks. It was motivated by the will to dispose of methods allowing to avoid some of the negative effects of lightning over-voltages which may propagate along electrical systems (destruction of apparatuses, short-circuits leading to voltage dips, e. T. C. ). Different scientific issues are considered. At first we analyse the different experimental data regarding lightning current available today in order to determine which ones are the most appropriate to conduct this type of study. Then we examine the issue of induced over-voltages (they are the over-voltages due to lightning strokes having a point of impact located in the vicinity of the electric network). We present a coupling model allowing to representing the coupling between the electromagnetic field due to a lightning stroke and a multi-conductor line whose parameters are varying versus frequency. This model is used in order to determine the risk of failure due to lightning of the apparatuses of a domestic low-voltage client. One use for that a probabilistic method of type quasi-Monte-Carlo. The last part of the thesis is devoted to the study of the flashover rate of transmission overhead lines. This rate corresponds to the average number of insulator string flashovers per year and for 100 km of line. It allows to estimate the lightning behaviour of transmission lines. We present a numerical method calculating this rate automatically which is based on the use of the electromagnetic transient calculation software EMTP-RV. Then we apply this method to study several solutions allowing to reduce the flashover rate in several configurations. We focus more specifically on the use of line arresters. Line arresters are voltage limiters installed in parallel with insulator strings allowing to limit the overvoltage between the terminals of the insulator strings at a value lower than their withstand voltage. This solution is relatively new and required numerous optimisation in order to install line arresters in a way which conciliates a reasonable cost and a good efficiency regarding the reduction of the flashover rate.