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Comprendre la norme IEEE 80 et son importance dans l'échouement des sous-stations

La norme IEEE 80-2013, intitulée « Guide for Safety in AC Substation Landing », concerne principalement les sous-stations en AC extérieures, classiques ou isolées au gaz, y compris les sous-stations de distribution, de transmission et de production d'installations. Cette norme complète fournit des lignes directrices essentielles pour la conception de systèmes de mise à la terre sûrs et efficaces qui protègent le personnel contre les risques de choc électrique en cas de défaillance.

La norme IEEE 80 est un élément essentiel de la conception de la mise à la masse des sous-stations. La norme fournit des directives pour le calcul des paramètres de grille de mise à la masse dans les sous-stations haute tension, assurant la protection du personnel en contrôlant les tensions tactiles et les tensions de marche tout en minimisant les impédances de courant de faille.

La norme IEEE Std 80 est basée sur les critères de sécurité des potentiels de toucher et d'étape acceptables.Cette approche reconnaît qu'une faible résistance au sol sous-station n'est pas en soi une garantie de sécurité, et il n'existe pas de relation simple entre la résistance du système de sol dans son ensemble et le courant de choc maximal auquel une personne peut être exposée.

Concepts fondamentaux : Impédance, résistance et réactivité dans les systèmes de mise à la terre

Avant de plonger dans les procédures de calcul, il est essentiel de comprendre les concepts électriques fondamentaux qui régissent les systèmes de mise à la masse des sous-stations. L'impédance représente l'opposition totale au courant dans un circuit AC et se compose de deux composants primaires : la résistance et la réactivité.

Résistance au sol

La résistance au sol est la composante résistive de l'impédance et représente l'opposition au courant à travers la terre et les conducteurs de mise à la terre. L'équation est basée sur le Guide de sécurité de l'IEEE pour la mise à la terre des sous-stations AC (IEEE Std 80-2013), section 14.2, équation 57, et combine essentiellement les propriétés résistives d'une plaque métallique, des conducteurs et la profondeur à laquelle elle est enterrée.

La résistance de la grille est la résistance équivalente de la grille de mise à la terre à distance, compte tenu de la résistivité du sol et de la géométrie de la grille. Ce paramètre est influencé par plusieurs facteurs, dont la longueur totale des conducteurs enterrés, la zone couverte par la grille de terre, la profondeur de l'enfouissement et, surtout, la résistivité du sol au site d'installation.

Réaction au sol

L'impédance de grandes grilles (plus de 40 000 m2) enfouies dans une terre à faible résistance (moins de 75 Φ-m) sans terrain étendu relié peut être supérieure à la résistance estimée, ou lorsque des conducteurs de terrain étendus sont raccordés à la grille, l'impédance de la grille du système de mise à la terre sera inférieure à la résistance estimée.

La réaction inductive devient particulièrement importante dans les systèmes de mise à la terre plus grands et à des fréquences plus élevées. Dans les conditions de défaillance, la fréquence du courant de faille (généralement 50 ou 60 Hz) interagit avec l'induction des conducteurs de grille au sol pour produire un composant réactif qui doit être pris en compte dans le calcul de l'impédance totale.

Impédance totale

L'impédance totale combine à la fois les composants de résistance et de réaction et est généralement exprimée en nombre complexe. L'ampleur de cette impédance représente l'opposition globale au courant pendant les conditions de défaillance, tandis que l'angle de phase indique la relation entre les composants résistifs et réactifs.

Collecte préliminaire de données essentielles

Les calculs précis de l'impédance dépendent fortement de la qualité et de l'exhaustivité des données d'entrée.Dans la première étape, les détails du projet sont essentiels, et le plan général de localisation de la sous-station devrait fournir de bonnes estimations de la zone à couvrir par la grille terrestre.

Mesure de la résistance au sol

La résistivité du sol est sans doute le paramètre le plus critique qui affecte les performances du système de mise à la terre. Il faut effectuer de nombreuses visites sur le site de la sous-station pour mesurer la résistivité du sol, et une série de mesures doit être établie à l'aide de la méthode à quatre broches.

Les mesures doivent être effectuées à différentes profondeurs et à différents endroits du site de la sous-station pour tenir compte de la stratification et des variations du sol. De nombreux logiciels disponibles sur le marché utilisent un modèle de sol multicouche, tandis que le modèle de sol monocouche suppose une résistivité généralement uniforme et homogène du sol et est calculé en utilisant la moyenne arithmétique des données de résistivité du sol mesurées.

La résistivité du sol peut varier considérablement selon la composition du sol, la teneur en eau, la température et la présence de sels dissous. Les valeurs peuvent varier de moins de 10 γ-m pour le sol organique humide à plus de 10 000 Φ-m pour le terrain rocheux sec. Ces variations influent de façon significative sur la conception et les performances du système de mise à la terre.

Géométrie et mise en page de la grille de base

Des informations détaillées sur la configuration de la grille de terre sont essentielles pour des calculs précis, notamment la surface totale couverte par la grille, l'espacement entre les conducteurs, la longueur totale des conducteurs enterrés, la profondeur de l'enfouissement, le diamètre et le matériau du conducteur. La surface du système de mise à la terre est le facteur géométrique le plus important pour déterminer la résistance de la grille.

La disposition de la grille consiste généralement en une boucle de conducteur périphérique avec des conducteurs croisés formant un motif de maille. Selon l'IEEE Std 80, cette conception devrait inclure une boucle de conducteur entourant toute la zone mise à la terre, ainsi que des conducteurs croisés adéquats. L'espacement de la maille affecte à la fois la résistance et les gradients de tension sur la surface, avec un espacement plus étroit fournissant généralement de meilleures performances mais à des coûts de matériaux plus élevés.

Données actuelles sur les défaillances

Il est essentiel de comprendre le courant de défaillance maximal potentiel pour les calculs de sécurité et le calibrage du conducteur, notamment pour déterminer l'ampleur du courant maximal de défaillance au sol, la durée de la défaillance (généralement basée sur les temps de compensation du relais protecteur) et le facteur de division actuel qui explique comment le courant de défaillance se divise entre le système de mise à la terre et d'autres voies de retour.

L'équation pour le calcul du facteur de division de l'IEEE 80, Section 15.9 est : Sf = , où Sf est le facteur de division du courant de faille, Zeq est l'impédance équivalente du sol de transmission et/ou de distribution de l'Utilitaire, et Rg est la résistance au sol de la sous-station en . Ce facteur de division est essentiel pour déterminer la quantité du courant de faille total qui circule réellement dans le système de mise à la terre de la sous-station.

Détails de configuration du système

Les renseignements additionnels sur le système comprennent les niveaux de tension présents à la sous-station, les configurations et impédances des transformateurs, la présence et les caractéristiques des fils de protection de surface, ainsi que les détails sur tout conducteur de mise à la terre étendu, comme les neutrons enterrés ou les boucliers de câbles.

Calcul de la résistance au sol étape par étape

Le calcul de la résistance au sol constitue le fondement de la détermination de l'impédance. La norme IEEE 80 fournit plusieurs méthodes de calcul de la résistance au sol, la plus couramment utilisée étant l'équation Schwarz simplifiée pour les systèmes combinés de grille et de tige de terre.

Formule de base de résistance au réseau

L'équation est basée sur la norme IEEE 80-2013, section 14.2, équation 57: Rs = ρ[(1/LT) + (1/ √(20A))(1 + 1/(1 + h √(20/A)))], où A est la zone occupée par la grille de sol en m2. Dans cette formule:

  • Rs est la résistance au sol en ohms (-)
  • ρ (rho) est la résistivité du sol en ohm-mètres (-m)
  • LT est la longueur totale des conducteurs enterrés en mètres (m)
  • A est la zone occupée par la grille de terre en mètres carrés (m2)
  • h est la profondeur d'enfouissement des conducteurs de grille en mètres (m)

Cette équation permet de modéliser efficacement la grille de terre en combinant un réseau de conducteurs horizontaux enfouis et une plaque métallique équivalente. Cette équation montre qu'une plus grande surface et une plus grande longueur totale du conducteur de mise à la terre utilisé entraîneraient une résistance inférieure à la grille de terre.

Calcul de la longueur totale du conducteur

La longueur totale du conducteur enterré (LT) comprend tous les conducteurs horizontaux de grille plus la longueur de toutes les tiges de terre verticales. Pour une grille rectangulaire avec espacement uniforme, le calcul est simple. Par exemple, pour une grille avec des conducteurs espacés à intervalles de 5 m : Nombre de conducteurs par côté = 50 / 5 + 1 = 11, Longueur totale = 11 × 50 × 2 = 1100 m.

Lorsque des tiges de terre sont incluses, leur contribution effective à la longueur du conducteur horizontal doit être ajoutée. Cependant, l'interaction entre la grille et les tiges de terre est complexe et nécessite la prise en compte des effets de résistance mutuelle.

Résistance au réseau combiné et à la tige de terre

Lorsqu'un système de mise à la terre comprend à la fois une grille horizontale et des tiges de terre verticales, la résistance combinée n'est pas simplement une combinaison parallèle. Schwarz a utilisé l'équation suivante introduite par Sunde et Rüdenberg pour combiner la résistance de la grille, des tiges et de la résistance au sol mutuelle pour calculer la résistance totale du système, Rg.

La formule de résistance combinée est : Rg = (R1 × R2 - Rm2) / (R1 + R2 - 2Rm), où R1 est la résistance de la grille seule, R2 est la résistance de toutes les tiges de terre ensemble, et Rm est la résistance mutuelle entre la grille et le système de tige de terre. La résistance combinée de la grille et du lit de tige sera inférieure à la résistance de l'un ou l'autre des composants, mais encore supérieure à celle d'une combinaison parallèle.

Cette équation peut être sensible à la précision de calcul. L'équation est assez sensible aux petits changements dans les nombres, et arrondir pendant une étape intermédiaire peut jeter le résultat par assez pour aller négatif. Par conséquent, il est essentiel de maintenir une précision suffisante tout au long du processus de calcul et d'utiliser des outils de calcul lorsque possible.

Exemple pratique : Calcul de la résistance au réseau

Considérez une sous-station avec une grille de 50m × 50m, un espacement entre conducteurs de 5m, une profondeur d'enfouissement de 0,5m et une résistivité du sol de 100 γ-m. Premièrement, calculez la longueur totale du conducteur.

La surface de grille A = 50 × 50 = 2 500 m2. Utilisant la formule de résistance simplifiée : Rs = 100 × [(1/1100) + (1/ √(20×2500)) × (1 + 1/(1 + 0.5 √(20/2500)))]. Découpe ceci : 1/ √(20×2500) = 1/ √50000 = 1/223,6 ↓ 0,00447. Terme de correction de profondeur : 1/(1 + 0.5 √(20/2500)) = 1/(1 + 0.5×0.0894) = 1/1.0447 ↓ 0,957.

Par conséquent, Rs = 100 × [0,000909 + 0,00447 × (1 + 0,957)] = 100 × [0,000909 + 0,00447 × 1,957] = 100 × [0,000909 + 0,00875] = 100 × 0,00966 ↓ 0,97 ↓. Cette valeur de résistance relativement faible indique une bonne performance de mise à la terre pour cette configuration.

Détermination des composantes de la réaction au sol

Bien que la résistance domine généralement dans l'impédance du système de mise à la terre, le composant réactif devient significatif dans certaines configurations et doit être calculé pour la détermination complète de l'impédance.

Réaction inductive des grilles de sol

La réactivité inductive d'un système de mise à la terre provient des champs magnétiques créés par les courants de faille qui traversent les conducteurs de grille. L'inductance dépend de la géométrie du conducteur, de l'espacement et de la fréquence du courant de faille. Pour une fréquence de puissance typique de 60 Hz, la réactivité inductive peut être calculée à l'aide de la formule : XL = 2πfL, où f est la fréquence en hertz et L est l'inductance dans les henries.

L'inductance d'une grille au sol est complexe à calculer avec précision et dépend de la configuration de la grille. Pour les grilles rectangulaires, il existe des formules approximatives qui tiennent compte des dimensions de la grille et de l'espacement du conducteur.

Considérations relatives à la fréquence

La fréquence des courants de faille affecte de façon significative la composante réactive de l'impédance. La plupart des calculs de mise à la terre de sous-station supposent une fréquence de puissance (50 ou 60 Hz), mais des phénomènes transitoires tels que les frappes éclair impliquent des fréquences beaucoup plus élevées.

À la fréquence de puissance, l'effet de la peau sur les conducteurs est généralement négligeable pour les tailles typiques des conducteurs de mise à la terre. Cependant, à des fréquences plus élevées, le courant a tendance à s'écouler près de la surface du conducteur, réduisant efficacement la surface de section transversale du conducteur et augmentant sa résistance.

Effets capacitifs

La capacité de réaction dans les systèmes de mise à la terre est généralement négligeable aux fréquences de puissance mais peut devenir significative aux fréquences supérieures. La capacité existe entre les conducteurs enterrés et la terre environnante, formant une capacité répartie le long de la longueur des conducteurs. Pour la plupart des applications de mise à la terre sous-station pratique à 50/60 Hz, les effets capacitifs peuvent être ignorés en toute sécurité.

Combiner résistance et réactivité pour calculer l'impédance totale

Une fois les composants résistifs et réactifs déterminés, ils doivent être combinés pour obtenir l'impédance totale du système de mise à la terre. Cette combinaison suit les principes de l'analyse de circuit AC en utilisant des mathématiques de nombre complexes.

Représentation complexe en cas d'impédance

L'impédance totale Z est exprimée en nombre complexe : Z = R + jX, où R est la résistance, X est la réactivité nette (XL - XC), et j est l'unité imaginaire ( √-1). Pour les systèmes de mise à la terre, la réactivité capacitive est généralement négligeable, donc X ↓ XL.

L'ampleur de l'impédance est calculée comme suit : -Z - = √(R2 + X2). Cette grandeur représente l'opposition totale au courant et est utilisée dans les calculs du courant de défaillance et les déterminations de la montée potentielle au sol. L'angle de phase - - est donné par : - = arctan(X/R), ce qui indique la relation entre les composants résistifs et réactifs.

Exemple de calcul pratique de l'impédance

Considérez un système de mise à la terre avec une résistance calculée de 0,97 γ et une réactivité inductive estimée de 0,15 γ à 60 Hz. L'impédance totale est : Z = 0,97 + j0,15 ш. L'amplitude est : φZ φ = √(0,972 + 0,152) = √(0,9409 + 0,0225) = √0,9634 φ 0,98 ш. L'angle de phase est : φ = arctan(0,15/0,97) = arctan(0,1546) -8,8°.

Cet exemple montre que pour les systèmes de mise à la terre typiques, l'amplitude de l'impédance n'est que légèrement supérieure à la valeur de résistance, et l'angle de phase est relativement faible, ce qui confirme que la résistance est la composante dominante dans la plupart des applications de mise à la terre des sous-stations.

Quand la réactivité devient importante

Bien que la résistance domine dans la plupart des cas, la réaction devient plus importante dans certaines situations. Les grands systèmes de mise à la terre avec des réseaux de conducteurs enfouis étendus peuvent avoir une inductance appréciable. Les conducteurs de mise à la terre étendus, tels que les neutrons enterrés de longue date ou les fils de terre en hauteur, peuvent contribuer à une réaction inductive importante.

Critères de sécurité : Calculs de la tension de toucher et d'étape

Le calcul de l'impédance dans la norme IEEE 80 a pour but ultime de garantir que le système de mise à la terre puisse dissiper en toute sécurité les courants de défaillance sans créer de gradients de tension dangereux. La phase suivante consiste à déterminer les critères de contact et d'étape, où la tension maximale de conduite d'un circuit accidentel ne doit pas dépasser les limites définies par l'IEEE Std 80, et les tensions tolérables de contact et d'étape sont déterminées en fonction de la caractérisation du matériau de surface et du courant de défaut maximal attendu.

Comprendre la tension tactile

La tension tactile est la différence de tension entre une structure à la terre et la surface du sol qu'une personne peut toucher pendant une défaillance. Cela se produit lorsqu'une personne touche simultanément une structure métallique à la terre (comme un boîtier d'équipement ou une clôture) et se tient sur la surface du sol.

La tension tactile maximale admissible dépend de plusieurs facteurs, dont la durée du courant de faille, la résistivité du matériau de la couche de surface et le poids corporel de la personne. La norme IEEE 80 fournit des formules pour calculer les tensions tactiles tolérables en fonction de ces paramètres, impliquant généralement un facteur de correction de la couche de surface qui explique les matériaux à haute résistance comme la roche concassée ou l'asphalte.

Comprendre la tension de l'étape

La tension de l'étape est la différence potentielle entre deux points de la surface du sol, à environ 0,3 à 1 mètre de distance, représentant la tension qu'une personne peut ressentir en se rapprochant d'une faille. Ce gradient de tension existe parce que le courant de faille qui traverse la terre crée une distribution potentielle, avec les potentiels les plus élevés près du point où le courant entre dans la terre et diminue les potentiels à de plus grandes distances.

La tension de l'étape est généralement moins dangereuse que la tension du toucher parce que le trajet du courant est de pied en pied plutôt que de travers le torse. Cependant, elle peut encore être mortelle dans certaines conditions, en particulier pour les animaux à quatre pattes qui ont une plus grande longueur de pas. La tension maximale de l'étape est calculée à l'aide de formules similaires à celles de tension du toucher mais avec différents facteurs géométriques.

Augmentation potentielle du sol (RGP)

La hausse potentielle du potentiel de sol est la tension maximale que le système de mise à la terre atteint par rapport à la terre éloignée pendant une faille. Il est calculé comme suit : GPR = Si × Rg, où Si est le courant de faille maximal qui traverse le système de mise à la terre et Rg est la résistance au sol.

Le GPR représente la tension la plus défavorable qui pourrait apparaître dans le système de mise à la terre et sert de base au calcul des tensions réelles au toucher et à l'étape à divers endroits à l'intérieur et autour de la sous-station. Une résistance au sol plus faible entraîne un GPR plus faible pour un courant de faille donné, ce qui explique pourquoi il est généralement souhaitable de minimiser la résistance au sol.

Calculs de la tension de mesh

La tension de maille est la tension tactile maximale qui peut se produire dans un maillage de la grille de terre. Elle se produit généralement au centre d'un maillage d'angle où le gradient de tension est le plus raide. IEEE Standard 80 fournit des formules détaillées pour calculer la tension de maille qui tient compte de la géométrie de la grille, de l'espacement des conducteurs, de la profondeur d'enfouissement et de la résistivité du sol.

La formule de tension du maillage implique des facteurs géométriques qui dépendent de la configuration du maillage. Ces facteurs sont dérivés de la théorie du champ électromagnétique et ont été validés par des essais approfondis et des mesures sur le terrain. La tension calculée du maillage doit être inférieure à la tension tactile tolérable pour assurer la sécurité.

Considérations avancées dans les calculs d'impédance

Au-delà des procédures de calcul de base, plusieurs facteurs avancés peuvent avoir une incidence significative sur la précision et l'applicabilité des calculs d'impédance pour les systèmes de mise à la terre des sous-stations.

Modèles de sols multicouches

La stratification du sol implique des couches géologiques avec des résistances différentes qui nécessitent une analyse composite. Le sol réel est rarement uniforme et la plupart des sites présentent des structures de sol stratifiées avec des résistances différentes à différentes profondeurs. Différentes méthodes sont suggérées avec l'aide de l'IEEE 80 pour estimer la résistivité apparente du sol de trois couches dans lesquelles un système de mise à la terre consiste en une grille avec des tiges.

On utilise couramment des modèles de sol à deux couches, comprenant une couche supérieure avec résistivité ρ1 et épaisseur h1, et une couche inférieure avec résistivité ρ2 s'étendant à une profondeur infinie. Le facteur de réflexion K = (ρ2 - ρ1)/(ρ2 + ρ1) caractérise l'interface entre les couches. L'effet du facteur de réflexion sur le mesh et les tensions de marche, la résistance du système de mise à la terre et la tension du mesh est étudié.

Pour les structures plus complexes du sol, des modèles à trois couches ou à plusieurs couches peuvent être nécessaires, qui nécessitent des techniques d'analyse plus sophistiquées et nécessitent généralement l'utilisation de logiciels informatiques spécialisés. La résistivité apparente du sol utilisée dans les calculs doit être soigneusement déterminée en fonction du modèle du sol et des dimensions du système de mise à la terre.

Variations saisonnières et effets environnementaux

L'humidité et la température sont des changements saisonniers qui influent sur la résistivité du sol et qui peuvent modifier les performances de la grille. La résistivité du sol peut varier considérablement en fonction de la teneur en eau, de la température et des conditions saisonnières.

Ces variations signifient que la performance du système de mise à la terre peut changer tout au long de l'année. Les pratiques de conception conservatrices utilisent généralement la résistivité du sol la plus élevée attendue (correspondant aux conditions les plus sèches ou les plus froides) pour assurer une performance adéquate dans les scénarios les plus défavorables.

Division actuelle et facteur de fractionnement

Dans la plupart des installations de sous-station, le courant de faille ne circule pas tous dans le système local de mise à la terre. Une quantité proportionnelle du courant reviendra à la source et une partie sera acheminée par chaque terrain de transmission ou de distribution.

Zeq est obtenu à partir du tableau C.1 de l'IEEE 80, et c'est l'impédance observée par le courant passant par le fil de protection supérieur et par le sol de transmission ou de distribution. La détermination précise du facteur de fractionnement nécessite des informations détaillées sur la configuration du système d'utilité, y compris le nombre et les caractéristiques des lignes de transmission, des fils de protection supérieur et des neutres de distribution reliés à la sous-station.

Effet des matériaux de surface

Habituellement, une couche de surface protectrice de haute résistivité (par exemple, gravier) est utilisée pour minimiser le courant passant par le corps humain, assurant la sécurité des individus à l'intérieur de la sous-station. Le matériau de la couche de surface a un effet profond sur les tensions tolérables des touches et des marches. L'asphalte a une très haute résistivité (environ 10 000 ohm-mètres quand humide) qui augmenterait considérablement les tensions d'étape et de toucher.

Les matériaux de surface courants comprennent la roche concassée, le gravier, l'asphalte et le béton. Chacun a des caractéristiques de résistivité différentes qui affectent le courant qui peut couler à travers les pieds d'une personne pendant une faille. La norme IEEE 80 fournit des facteurs de correction pour divers matériaux de surface qui sont appliqués aux formules de tension de base du toucher et de l'étape.

Corrosion et rendement à long terme

La corrosion électrolytique est une dégradation à long terme du système de mise à la terre, qui affecte à la fois la conductivité et l'intégrité mécanique. Les conducteurs de mise à la terre enfouis dans le sol sont sujets à la corrosion au fil du temps, ce qui peut accroître la résistance et entraîner une défaillance mécanique.

Les conducteurs de cuivre ont généralement une bonne résistance à la corrosion dans la plupart des sols, mais la corrosion galvanique peut se produire à des connexions entre des métaux différents. Certaines installations utilisent des conducteurs de cuivre étamé ou appliquent des revêtements protecteurs pour améliorer la résistance à la corrosion.

Taille du conducteur et sélection du matériel

Différents facteurs sont inclus dans le calibrage des conducteurs tels que les propriétés thermiques du matériau, la capacité de courant, l'impédance ainsi que la caractérisation du sol. Le calibrage approprié des conducteurs garantit que le système de mise à la terre peut transporter en toute sécurité des courants de défaillance sans surchauffe ou défaillance mécanique.

Considérations thermiques

La principale préoccupation dans le calibrage du conducteur est de s'assurer que le conducteur peut résister aux effets thermiques du courant de faille sans fusion ni dommages. La norme IEEE 80 fournit des formules pour calculer la surface transversale minimale du conducteur en fonction de la magnitude et de la durée du courant de faille. La formule tient compte des propriétés du matériau du conducteur, y compris sa température de fusion, sa capacité thermique et sa résistivité.

Pour les conducteurs de cuivre, le calcul tient compte de la température initiale (généralement la température ambiante), de la température maximale admissible (généralement bien en dessous du point de fusion pour éviter le recuit) et des propriétés thermiques du cuivre. La durée de la défaillance est critique parce que les durées de défaillance plus longues nécessitent des conducteurs plus grands pour dissiper la chaleur produite.

Exigences de résistance mécanique

Au-delà de la capacité thermique, les conducteurs de mise à la terre doivent avoir une résistance mécanique suffisante pour résister aux contraintes d'installation et rester intacts pendant toute la durée de l'installation. La taille du fil de 35 mm2 (2 AWG) ou plus doit être échouée.

La taille minimale du conducteur est souvent dictée par des considérations mécaniques plutôt que par des exigences électriques. De nombreuses normes précisent les dimensions minimales du conducteur (comme le 2/0 AWG pour les conducteurs de grille principale) pour assurer une résistance mécanique et une longévité adéquates.

Sélection du matériel

Le cuivre est le matériau le plus courant pour les conducteurs de mise à la terre de sous-station en raison de son excellente conductivité électrique, de sa bonne résistance à la corrosion et de sa facilité d'installation. L'acier plaqué cuivre offre une alternative rentable avec une bonne résistance mécanique, bien qu'avec une plus grande résistance que le cuivre solide.

Le choix du matériau influe à la fois sur la performance électrique et sur la fiabilité à long terme du système de mise à la terre. Les coûts du matériau, la disponibilité locale, les pratiques d'installation et les conditions environnementales sont tous des facteurs dans la décision de sélection.

Outils de modélisation et de simulation informatiques

Les calculs de potentiel de toucher et d'étape peuvent être une tâche fastidieuse et laborieuse, et l'IEEE Std 80 recommande l'utilisation de logiciels informatiques pour calculer les résistances de grille, les tensions de maille et d'étape, et aussi pour créer des visualisations potentielles de gradient du site.

Avantages de la conception assistée par ordinateur

Les logiciels modernes peuvent gérer les calculs complexes requis par la norme IEEE 80 beaucoup plus efficacement que les méthodes manuelles. Les logiciels informatiques peuvent être utilisés pour aider à la conception de grilles de mise à la terre en modélisant et en simulation de différentes configurations de grilles de mise à la terre, et les outils sont soit des paquets autonomes ou des modules de module externe pour le logiciel d'analyse de système d'alimentation (comme GroundMat de PTW ou l'évaluation de la conception de grille de terre d'ETAP).

Ces outils offrent plusieurs avantages, dont la capacité de modéliser des géométries complexes de grille, le calcul automatique de tous les paramètres pertinents, la visualisation des gradients de tension et des distributions de courant, l'optimisation de la conception de grille pour répondre aux critères de sécurité au coût minimum, et l'analyse de sensibilité pour comprendre les effets des variations de paramètres.

Solutions logicielles disponibles

Parmi les exemples de paquets autonomes, citons SES Autogrid et SafeGrid. Ces programmes spécialisés sont conçus spécifiquement pour l'analyse des systèmes de mise à la terre et comprennent généralement de vastes bibliothèques de modèles de sol, de types de conducteurs et de configurations standard. Ils peuvent effectuer une analyse détaillée des éléments finis pour modéliser avec précision la distribution du courant et les gradients de tension.

Les ensembles d'analyses de systèmes d'alimentation intégrés comprennent souvent des modules de mise à la terre qui s'interfacent avec l'analyse en court-circuit et d'autres études de systèmes.

Validation et vérification

Les ingénieurs devraient vérifier que les données d'entrée sont correctes et complètes, vérifier que les résultats sont raisonnables et compatibles avec les calculs effectués à la main pour des cas simplifiés, comprendre les limites et les hypothèses du logiciel et valider les conceptions critiques avec des mesures sur le terrain lorsque c'est possible.

Les modèles informatiques sont aussi bons que leurs données d'entrée. Les déchets entrants, les déchets s'appliquent entièrement à l'analyse du système de mise à la terre. Une attention particulière aux mesures de résistivité du sol, des données précises de géométrie de la grille et des valeurs réalistes de courant de faille sont essentielles pour obtenir des résultats significatifs.

Mesure et essai des systèmes installés

Une fois un système de mise à la terre installé, il faut effectuer des mesures pour vérifier qu'il satisfait aux spécifications de conception et aux exigences de sécurité.

Méthode de chute de potentiel

La méthode de chute de potentiel est la technique la plus courante pour mesurer la résistance au sol. Avec les électrodes de courant et de potentiel à la terre éloignée, et en supposant que les mesures ne sont pas influencées par un couplage mutuel ou d'autres interférences, on peut trouver l'impédance de mise à la terre.

La mesure nécessite un placement prudent des électrodes d'essai pour s'assurer qu'elles se trouvent dans la partie « plate » du profil potentiel où la mesure est relativement insensible à la position de la sonde.

Défis de mesure et sources d'erreurs

Les erreurs d'impédance mutuelle résultant de l'orientation parallèle des conducteurs d'essai peuvent être approchées par la formule de Carson pour les conducteurs infinis, mais la précision dépendra de la longueur de l'espacement parallèle du conducteur, de la fréquence et de l'approximation de la résistivité de la terre.

Mesures de la tension du contact et de l'étape

Outre les mesures de résistance, les tensions réelles de contact et de pas peuvent être mesurées lors des essais de défaillance échelonnés. Ces mesures permettent de vérifier directement que le système de mise à la terre satisfait aux critères de sécurité dans des conditions réalistes.

Les résultats sont comparés aux valeurs calculées et aux limites de sécurité pour vérifier le rendement du système. Toute différence entre les valeurs mesurées et calculées doit être étudiée et peut indiquer des erreurs dans les données de résistivité du sol, la géométrie du réseau ou les hypothèses de calcul.

Stratégies d'optimisation de la conception

Les réseaux de sous-stations industrielles à courant alternatif sont souvent sur-estimés en raison de la limitation des logiciels, des difficultés de modélisation des paramètres de manière réaliste, de la mauvaise application du facteur de fractionnement et de la sur-conception qui entraîne des coûts de projet plus élevés en raison des matériaux supplémentaires requis, comme le cuivre, des barres de terre supplémentaires et un plus grand nombre de biens immobiliers.

Équilibrer la sécurité et les coûts

La conception du système de mise à la terre a pour but d'assurer une sécurité suffisante à un coût raisonnable, ce qui exige une optimisation minutieuse de divers paramètres de conception, notamment la surface de la grille et l'espacement des conducteurs, la taille et le matériau des conducteurs, le nombre et l'emplacement des tiges de terre, le matériau et l'épaisseur des couches de surface, et l'utilisation des ressources de mise à la terre existantes.

Les zones plus grandes à la terre se traduisent par une résistance plus faible au réseau et donc par des tensions plus faibles au GPR et au maillage. Cependant, l'élargissement de la zone de réseau augmente les coûts du matériel et peut ne pas être pratique en raison des contraintes du site.

Utilisation des infrastructures existantes

Le système de mise à la terre peut être optimisé en utilisant les terrains Ufer disponibles tels que les pieux et les semelles. Les électrodes en béton (sur les terrains Ufer) peuvent fournir une excellente performance de mise à la terre et devraient être intégrées dans la conception lorsque disponible.

Il est important que les concepteurs électriques et civils se coordonnent entre eux pour s'assurer que le sol/le remblayage approprié est utilisé et pour dimensionner correctement les barres d'armature dans les terrains d'Ufer, comme les semelles et les pieux.

Processus itératif de conception

La procédure de conception se divise en quatre étapes principales, et plusieurs itérations sont généralement effectuées pour satisfaire aux exigences de sécurité énoncées dans les règlements et les règles standard. Le processus de conception consiste généralement à commencer par une conception préliminaire basée sur l'expérience et les règles du pouce, à calculer les paramètres de performance, y compris la résistance, les tensions tactiles et les tensions des étapes, à comparer les résultats aux critères de sécurité et à modifier la conception si les critères ne sont pas respectés.

Ce processus itératif se poursuit jusqu'à ce qu'une conception soit trouvée qui répond à toutes les exigences de sécurité à un coût acceptable. Les outils informatiques facilitent grandement ce processus en permettant une évaluation rapide des alternatives de conception.

Pièges communs et pratiques exemplaires

L'expérience acquise avec de nombreuses conceptions de systèmes de mise à la terre a permis de déceler des erreurs courantes et de mettre en place des pratiques exemplaires qui améliorent la fiabilité et la sécurité.

Questions relatives à la qualité des données

Les données sur le terrain (p. ex., résistivité du sol) et les plages acceptables pour les variables de conception sont nécessaires pour le système de mise à la terre considéré. Les mesures de résistivité du sol doivent être récentes, représentatives des conditions réelles du site et prises à des profondeurs et à des emplacements appropriés.

L'utilisation de valeurs génériques ou supposées de résistivité du sol sans mesures spécifiques au site peut entraîner des erreurs significatives. De même, des données inexactes de géométrie de grille ou des valeurs incorrectes de courant de faille ne donnent pas de résultats fiables.

Mauvaise compréhension des critères de sécurité

Les sous-stations à faible résistance ne sont pas une indication de conception sûre, ni une sous-station à haute résistance nécessairement une indication de conception dangereuse. Une idée erronée commune est que l'obtention d'une valeur de résistance spécifique (comme 1 ohm ou 5 ohms) assure automatiquement la sécurité. En réalité, la sécurité dépend de la relation entre le courant de faille, la résistance au sol, et les tensions de toucher et d'étape résultant.

Il faut mettre l'accent sur le respect des critères de tension tactile et de tension au lieu d'atteindre une cible de résistance arbitraire. Dans certains cas, en particulier avec une résistivité élevée au sol, il peut être impossible ou peu pratique d'atteindre des valeurs de résistance très faibles, mais le système peut encore être sûr si des techniques de conception appropriées sont appliquées.

Négligence Division actuelle

Le facteur de division doit être calculé en fonction de la configuration réelle du système, y compris les fils de boucliers, les neutres de distribution et d'autres chemins de retour. En supposant que tout courant de faille traverse le système de mise à la terre local lorsque des chemins de retour importants existent, on obtient des conceptions inutilement coûteuses.

Qualité de l'installation

La vérification d'un système de grille commence par des inspections du plan de la station, montrant tous les équipements et structures majeurs, et la zone du système de mise à la terre est le facteur géométrique le plus important pour déterminer la résistance du réseau. Toutes les connexions doivent être correctement effectuées à l'aide de méthodes et de matériaux approuvés, les conducteurs doivent être enterrés à la profondeur spécifiée, la grille doit couvrir la zone prévue et les tiges doivent être conduites à la profondeur spécifiée.

Le contrôle de la qualité pendant l'installation est essentiel. Les inspections doivent vérifier que le système tel qu'il est construit correspond aux plans de conception et que toutes les connexions sont mécaniquement et électriquement saines.

Considérations particulières pour différents types de sous-stations

Bien que la norme 80 de l'IEEE fournisse des directives générales applicables à la plupart des sous-stations, différents types d'installations ont des considérations uniques qui influent sur les calculs d'impédance et la conception de la mise à la terre.

Sous-stations à gaz (SIG)

Dans le cas des installations à gaz intérieur, l'effet des courants de l'enceinte circulante peut être préoccupant. Les installations SIG ont des enceintes métalliques qui transportent des courants de défaillance et peuvent créer des défis uniques de mise à la terre. Les enceintes doivent être correctement mises à la terre et collées pour éviter les tensions dangereuses, et le système de mise à la terre doit tenir compte de la distribution du courant à travers les enceintes.

La nature compacte des installations SIG signifie souvent des grilles de sol plus petites, ce qui peut rendre plus difficile l'obtention d'une faible résistance. Cependant, la zone réduite signifie aussi une exposition à la tension de toucher et de pas plus faible dans certains cas.

Sous-stations de distribution

Dans les sous-stations de distribution plus petites, la plage généralement acceptable est de 1-5.-, selon les conditions locales. Les sous-stations de distribution ont généralement des courants de faille moins élevés que les sous-stations de transmission, ce qui peut simplifier les exigences de mise à la terre.

La conception de la mise à la terre doit tenir compte des caractéristiques spécifiques des systèmes de distribution, notamment la présence de neutres multi-échoués, la connexion au système de distribution d'utilité publique et le potentiel de transfert des tensions par le biais des connexions client.

Sous-stations de centrales

Les centrales présentent des défis uniques en raison des courants de défaillance importants disponibles auprès des générateurs et des équipements complexes. Le système de mise à la terre doit gérer non seulement les défaillances du système de transmission, mais aussi les défaillances des générateurs, qui peuvent avoir des caractéristiques différentes.

La présence de grandes machines rotatives introduit des considérations supplémentaires, notamment les tensions de l'arbre et les courants de roulement. Le système de mise à la terre doit être conçu pour minimiser les courants de circulation qui pourraient endommager l'équipement tout en fournissant des voies de courant de défaillance adéquates.

Documentation et tenue de registres

La documentation adéquate de la conception et de l'installation du système de mise à la terre est essentielle pour l'entretien, les modifications et le dépannage futurs. Les dossiers complets doivent comprendre des données sur les essais de résistivité du sol avec les emplacements et les dates, les calculs et les hypothèses de conception, les dessins tels que construits montrant les emplacements et les connexions réelles du conducteur, les spécifications et les rapports d'essais des matériaux et les résultats des mesures des essais de mise à la commande.

Cette documentation sert à de multiples fins, notamment fournir une base de référence pour les mesures futures visant à détecter la dégradation, à appuyer les modifications ou l'expansion de la sous-station, à démontrer la conformité aux normes et aux règlements et à faciliter le dépannage en cas de problèmes.

Entretien et essais périodiques

Les systèmes de mise à l'eau nécessitent des inspections et des essais périodiques pour assurer la performance continue. Au fil du temps, la corrosion peut augmenter la résistance, les connexions peuvent se détériorer et les conditions du sol peuvent changer.

La fréquence des essais dépend de la criticité de l'installation, des conditions environnementales et des exigences réglementaires.De nombreux services publics effectuent des mesures de résistance au sol tous les quelques ans dans le cadre de programmes d'entretien courants.

Conformité et normes réglementaires

Bien que la norme 80 de l'IEEE fournisse des conseils techniques complets, les concepteurs doivent aussi tenir compte d'autres normes et règlements applicables. Des normes nationales et internationales ainsi que des règlements locaux ont été élaborés pour déterminer les exigences de la conception du réseau terrestre et définir les paramètres pertinents.

Les normes connexes comprennent la norme IEEE Std 367-1996, la pratique recommandée de l'IEEE pour la détermination de l'augmentation du potentiel de la sous-station électrique au sol et de la tension induite par une défaillance électrique, la norme IEEE 81-2012, le guide IEEE pour la mesure de la résistivité de la terre, de l'impédance du sol et des potentiels de surface de la terre d'un système de sol, et la norme IEEE 142-1991, la pratique recommandée de l'IEEE pour la mise à la terre de systèmes industriels et commerciaux d'alimentation (livre vert de l'IEEE).

Les concepteurs doivent être au courant de toutes les exigences applicables et s'assurer que les conceptions répondent aux critères les plus stricts. Dans certains cas, les exigences réglementaires peuvent préciser les dimensions minimales des conducteurs, les valeurs maximales de résistance ou les pratiques d'installation particulières qui doivent être respectées.

Tendances futures et technologies émergentes

Le domaine de la mise à la terre des sous-stations continue d'évoluer avec de nouvelles technologies et une meilleure compréhension.Les matériaux avancés tels que le béton conducteur et le remblayage amélioré par graphite offrent un potentiel d'amélioration des performances dans des conditions de sol difficiles.

L'amélioration des techniques de mesure, y compris l'analyse de la fréquence et les essais transitoires, permet de mieux caractériser le comportement du système de mise à la terre dans différentes conditions.

L'intégration aux technologies de réseau intelligent permet une surveillance continue des performances du système de mise à la terre. Les capteurs peuvent détecter des changements de résistance ou de la survenue de défaillances au sol, fournissant un avertissement précoce des problèmes potentiels.

Liste de contrôle de mise en œuvre pratique

Pour assurer la mise en œuvre réussie des calculs d'impédance et de la conception du système de mise à la terre de la norme 80 de l'IEEE, suivez cette liste de contrôle complète :

Phase préalable à la conception

  • Effectuer un relevé complet de la résistivité du sol en utilisant une méthode en quatre points
  • Prendre des mesures à plusieurs endroits et profondeurs
  • Documenter les conditions du sol et les caractéristiques inhabituelles
  • Obtenir une enquête précise sur le site montrant toutes les structures et tous les équipements
  • Recueillir les données actuelles sur les défauts provenant des études du système
  • Identifier tous les fils de protection et les neutres de distribution
  • Déterminer les normes et les exigences réglementaires applicables

Phase de conception

  • Élaborer une disposition préliminaire du réseau en fonction des contraintes du site
  • Calculer la résistance au sol en utilisant les formules IEEE Standard 80
  • Déterminer la réaction au sol si elle est significative
  • Combiner résistance et réactivité pour trouver impédance totale
  • Calculer l'augmentation potentielle au sol (RGP)
  • Déterminer les tensions tolérables au toucher et à l'étape
  • Calculer les tensions réelles de maille et d'étape
  • Comparer les tensions calculées avec les limites tolérables
  • Conception itérée si les critères de sécurité ne sont pas remplis
  • Conducteurs de taille pour les exigences thermiques et mécaniques
  • Préciser les matériaux et les méthodes d'installation
  • Préparer des plans et des spécifications détaillés
  • Vérifier la conception à l'aide d'outils de simulation informatique

Phase d'installation

  • Vérifier que les matériaux répondent aux spécifications
  • Assurer une profondeur d'enfouissement adéquate pour tous les conducteurs
  • Utiliser des méthodes de raccordement approuvées (soudage exothermique préféré)
  • Installer les tiges de sol à une profondeur spécifiée
  • Appliquer le matériau de la couche de surface à l'épaisseur correcte
  • Documenter les conditions de construction avec des photographies et des mesures
  • Effectuer des inspections de qualité aux étapes critiques

Phase de mise en service

  • Mesurer la résistance au sol en utilisant la méthode de chute de potentiel
  • Comparer les valeurs mesurées avec les calculs de conception
  • Enquêter sur les écarts importants
  • Effectuer des mesures de tension tactile et de tension d'étape si possible
  • Documenter tous les résultats des essais
  • Préparer les plans et la documentation finals tels que construits

Entretien continu

  • Établir un calendrier d'essais périodiques
  • Effectuer des inspections visuelles des composants accessibles
  • Mesurer la résistance au sol à intervalles réguliers
  • Tenir des registres de toutes les mesures et observations
  • Étudier tout changement dans les performances
  • Effectuer des travaux de réparation au besoin
  • Mettre à jour la documentation pour tenir compte de toute modification

Conclusion

Le calcul de l'impédance selon la norme 80 de l'IEEE est un processus complet qui exige une attention particulière aux détails, à la collecte précise des données et à l'application correcte des formules et méthodes établies. Le processus comprend la compréhension des concepts fondamentaux de résistance et de réaction, la collecte de données précises sur la résistivité du sol et le système, le calcul de la résistance au sol à l'aide de formules éprouvées, la détermination des composants réactifs lorsque cela est important, la combinaison de la résistance et de la réaction pour trouver l'impédance totale, la vérification du respect des critères de sécurité pour les tensions tactiles et les tensions des étapes et l'optimisation de la conception pour la rentabilité tout en maintenant la sécurité.

La compréhension de la norme IEEE Std. 80 permet à l'ingénieur de fournir un système de mise à la terre rentable, sûr et fiable. La norme fournit un cadre rigoureux pour garantir que les systèmes de mise à la terre des sous-stations peuvent dissiper en toute sécurité les courants de défaillance sans créer de gradients de tension dangereux qui pourraient nuire au personnel.

La réussite de la conception des systèmes de mise à la terre exige non seulement une compétence mathématique, mais aussi un jugement technique, une compréhension du comportement du sol, une connaissance du fonctionnement du système électrique et une attention aux considérations pratiques d'installation.

En suivant l'approche systématique décrite dans la norme IEEE 80 et en appliquant les méthodes de calcul décrites dans ce guide, les ingénieurs peuvent concevoir des systèmes de mise à la terre qui assurent une protection fiable du personnel et de l'équipement tout au long de la vie de la sous-station.

Pour plus d'information et des spécifications techniques détaillées, consultez le document de la norme 80-2013 de l'IEEE, ainsi que les normes connexes telles que de la norme 81 de l'IEEE pour les techniques de mesure et de la norme 367 pour les calculs de potentiel de montée au sol.