République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université des Sciences et de Technologie d’Oran Mohamed Boudiaf FACULTÉ DE Génie Electrique DEPARTEMENT d’Electrotechnique MEMOIRE EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLÔME DE MAGISTER SPECIALITE : ELECTROTECHNIQUE OPTION : EXPLOITATION DES RESEAUX DE TRANSPORT 400Kv ET PLUS. Présenter par : Mr : MOKHTARI AHMED Sujet du mémoire CALCUL DU CHAMP ELECTROMAGNETIQUE RAYONNE PAR UN COUP DE FOUDRE EN PRESENC E D’UN SOL DE CONDUCTIVITE FIN IE SOUTENUE LE : DEVANT LE JURY COMPOSÉ DE : Président : M S. FLAZI Professeur (USTO-MB) Rapporteur : M Z.AZZOUZ Professeur (USTO-MB) Co-Rapporteur : M B.GHEMRI M.A (A) (USTO-MB) Examinateurs : M T.BOUTHIBA Maître de conférences (USTO-MB) M L.KOTNI Maître de conférences (USTO-MB) Remerciements Ce travail a été effectué au sein de l’équipe de compatibilité électromagnétique au laboratoire de développement et d’entraînement électrique (LDEE), sous la direction du professeur Z.AZZOUZ. Je tiens à exprimer tous mes remerciements et mes reconnaissances à son égard pour sa confiance en m’accueillant dans son équipe, et m’a donné la possibilité de mener ce travail dans des excellentes conditions. Comme je le remercie vivement pour sa patience, ces conseils, ces grandes qualités scientifiques et humaines et son professionnalisme qui m’ont aidé et guidé tout le long de ce travail. J’adresse mes sincères remerciements et reconnaissances à mon co-encadreur Monsieur B.GHEMRI pour son amitié, ses aides et ses conseils qui ont m’éclairé le droit chemin de cette étude. J’exprime ma reconnaissance au Professeur S. FLAZI pour l’honneur qu’il m’a fait en présidant le jury de soutenance, qu’il trouve ici l’expression de mes remerciements les plus vifs. Que tous les membres de jury qui ont bien voulu évaluer et examiner mon travail, trouvent ici l’expression de mon profond respect. Je remercie : M. BOUTHIBA.T, Maître de conférences (USTO-MB) M. KOTNI.L, Maître de Conférences (USTO-MB) Je remercie également monsieur H.KHALED pour son aide si précieuse. Mes remerciements s’adressent également à tout le corps enseignant qui a contribué à ma formation. Je n’oublierais pas d’adresser mes remerciements à mes collègues et amis avec lesquels ce fut toujours agréable de travailler. Je ne terminerais pas sans associer à mes remerciements tous les membres de ma famille pour leur soutien tacite, amicale et morale. Table des Matières Introduction générale..........................................................................................................................................1 Chapitre I : Description Phénoménologique Expérimentale de la Foudre I-1 Introducion ........................................................................................................................................................3 I-2 La CEM, quelques définitions .....................................................................................................................3 I-3 Conception de base de la CEM ...................................................................................................................6 I-4 Phénoménologique expérimentale de la foudre ......................................................................................9 I-4-1 Mécanisme de la formation de l’orage...............................................................................................9 I-4-2 Catégories de coups de foudre............................................................................................................10 I-4-3 Décharges négatives nuage-sol...........................................................................................................11 I-5 Observations expérimentales......................................................................................................................13 I-5-1 Caractérisation du courant de l’arc en retour..................................................................................13 I-5-2 Courant mesurés à la base du canal...................................................................................................15 I-5-3 Vitesse de l’arc en retour......................................................................................................................17 I-5-4 Caractéristiques du champ électromagnétique...............................................................................17 a) Distances supérieures à 1 km.................................................................................................................17 b) Distances inférieures à 1 km..................................................................................................................19 I-6 Conclusion........................................................................................................................................................22 Chapitre II : Modélisation et simulation spatio- temporelle du courant de foudre II-1 Introduction....................................................................................................................................................23 II-2 Formulation du champ electromagnetique rayonne par la foudre..................................................24 II-2-1 Champ électromagnétique au dessus du sol..................................................................................24 II-2-1-1 Equations générales........................................................................................................................24 II-2-1-2 Cas d’un sol parfaitement conducteur ......................................................................................25 II-2-1-3 Validation de l’hypothèse d’un sol parfaitement conducteur.............................................26 II-2-1-4 Approximation de Cooray-Rubinstein......................................................................................27 II-2-2 Champ electromagnetique en dessous du sol................................................................................28 II-2-2-1 Formule de Cooray.........................................................................................................................29 II-3 Modélisation du courant de foudre..........................................................................................................30 II-3-1 Modèles du courant à la base du canal de foudre......................................................................30 II-3-1-1 Modèle bi-exponentiel.................................................................................................................30 II-3-1-2 Modèle d’Heidler..........................................................................................................................31 II-3-1-3 Modèle hybride (Heidler - bi-exponentiel)...........................................................................33 II-3-2 Modélisation de la distribution spatio-temporelle des courants d’arcs en retour le long du canal...........................................................................................................................................................35 II-3-2-1 Modèle de la ligne de transmission TL.................................................................................35 II-3-2-2 Modèle de la ligne de transmission modifiée MTL.........................................................36 a) Modèle de la ligne de transmission modifié avec décroissance linéaire MTLL...............36 b) Modèle de la ligne de transmission modifiée avec décroissance exponentielle MTLE.37 II-3-2-3 Modèle de Bruce et Golde BG.................................................................................................38 II-3-2-4 Modèle de la source de courant mobile TCS.......................................................................39 II-3-3 Généralisation des modèles d’ingénieur.......................................................................................40 II-4 Distribution du courant dans la tour et dans le canal de foudre .....................................................41 II-4-1 Modèle de Rachidi et al ...................................................................................................................41 II-4-2 Modèle de Baba et Rakov ...............................................................................................................42 II-4-3 Exemple d’illustration .....................................................................................................................43 II-5 Conclusion .....................................................................................................................................................47 Chapitre III : Calcul du champ électromagnétique rayonné par un coup de foudre III.1 Introduction...................................................................................................................................................48 III.2 Calcul du champ électromagnétique généré par la foudre...............................................................48 III.3 Calcul du champ électromagnétique......................................................................................................51 III. 3.1 Formulation du champ magnétique par l’algorithme de Delfino et al..................................51 III.3.1.1 Points de branchement................................................................................................................54 III.3.1.2 Termes de dépendance du champ EM de la conductivité du sol...................................56 III.3.2 Calcul de la composante azimutale du champ magnétique.......................................................58 III.4 Conclusion....................................................................................................................................................61 Chapitre IV : Analyse et résultat du champ E.M rayonné par un coup de foudre IV.1 Iintroduction..................................................................................................................................................62 IV.2 Influence de la conductivité finie du sol sur le champ électrique................................................62 IV.3 Influence de la distance radiale D par rapport au canal de foudre...............................................63 IV.4 Influence de la profondeur S par rapport au sol.................................................................................66 IV.5 Algorithme de Delfino...............................................................................................................................68 VI.5.1 Champ magnétique azimutal................................................................................................68 IV.6 Conclusion.....................................................................................................................................................73 Conclusion générale...........................................................................................................................................74 Bibliographie.........................................................................................................................................................76 Introduction Générale Introduction générale La multiplication des usages de l’électricité dans la vie quotidienne et l’exigence d’un plus grand confort ont fortement contribué à la hausse de la demande quantitative de l’électricité ces derniers temps. Parallèlement, l’évolution de la technologie dans le domaine de l’électrotechnique, et l’apparition dans le secteur tertiaire et industriel de matériels de plus en plus sophistiqués a donné naissance à plusieurs phénomènes indésirables qui perturbent le bon fonctionnement des appareils. Dans ce contexte, les perturbations électromagnétiques produites par un coup de foudre constituent un danger permanent pour tout système électrique ou électronique, allant des circuits imprimés jusqu’aux lignes et ouvrages constituant un réseau électrique ou un réseau de télécommunication. Pour les réseaux électriques le problème devient de plus en plus difficile à gérer car ces derniers connaissent un développement et un niveau de complexité de plus en plus croissant faisant intervenir des dispositifs de contrôle commande à base d’électronique. Ces dispositifs sensibles qui servent au pilotage à distance du réseau électrique sont très vulnérables et donc souvent perturbés par les champs électromagnétiques présents dans l’environnement du réseau électrique et ses composants. Ceci se traduit par une modification néfaste des ordres de décision engendrant souvent des dysfonctionnements du réseau électrique. Il devient alors impératif de faire des investigations théoriques et expérimentales afin d’identifier les champs électromagnétiques agresseurs et de quantifier leurs effets sur les différents éléments du réseau électrique. Ceci permettra d’adopter des stratégies de protection plus efficaces. L’étude de l’interaction entre le champ électromagnétique rayonné par la foudre et les systèmes électriques, ainsi que celle de la coordination des stratégies de protection sont généralement basées sur des distributions statistiques du courant mesuré à la base du canal de foudre obtenues en utilisant des tours instrumentées ou à l’aide des techniques de déclenchement artificiel de la foudre. 1 Introduction générale L’objectif qui a été souligné pour notre travail est le calcul du champ électromagnétique engendré par un coup de foudre en considérant un point d’observation en-dessous et au dessus du sol, Dans le même cadre, on va mettre en évidence la conductivité finie du sol par la biais de deux techniques. La première est basé sur l’approximation de Cooray. La seconde utilise l’algorithme de Delfino et al. Ainsi, et dans l’objectif d’esquisser cette problématique, on a structuré ce mémoire selon les points suivantes : Le chapitre I présente une description phénoménologique de la foudre, sa formation, les principales classifications, son développement et enfin les observations expérimentales. Le chapitre II est consacré à l’étude des différents modèles du courant à la base du canal de foudre, ainsi que la distribution spatio-temporelle de ce courant dans le canal de foudre. Le chapitre III fera l’objet d’une présentation détaillée des formalismes liés au calcul du champ électromagnétique avec la prise en compte de la conductivité finie du sol. Dans le quatrième chapitre, on analysera les résultats numériques obtenus sur la base des techniques théorique exposées. Une approche de comparaison sera aussi présentée. L’objectif étant de valider les résultats obtenus par simulation par rapport à ceux présentés dans la littérature. Finalement, on conclura notre étude par une conclusion générale où nous indiquerons les perspectives de ce travail dans le cadre des recherches menées par l’équipe CEM au sein du laboratoire LDEE. 2 C hapitre I Description Phénoménologique Expérimentale de la Foudre Chapitre I Description phénoménologique expérimentale de la foudre I.1 Introduction L’environnement électromagnétique est devenu un paramètre important qu’il faut prendre en compte dans tout projet industriel faisant intervenir des procédés électriques et /ou électroniques. Cette prise en compte doit avoir lieu dès la conception à l’installation du produit. Aux différents stades d’évolution de celui-ci, les facteurs d’influence pris en considération en l’occurrence rayonnement et conduction, doivent être évalués et maîtrisés. Ainsi le recours à l’identification des sources potentielles de perturbations électromagnétiques, constitue un grand pôle d’intérêt dans le domaine de la compatibilité électromagnétique (CEM). Cette discipline se présente comme un ensemble de règles et de méthodologies ayant comme objectif d’assurer à un système donné un degré d’immunité vis-à-vis de son environnement de façon à ce qu’il puisse fonctionner sans aucune dégradation importante de ses performances. Pour ce faire une longue ère de recherche fondamentale et expérimentale a été nécessaire. Une recherche dont les buts principaux étaient et demeurent la compréhension des mécanismes d’interférences entre les systèmes électriques avec leur environnement, la mise au point de modèles de simulation numérique et de moyens de mesure de plus en plus performants. Ainsi, ce chapitre à comme vocation une présentation brève de la CEM. Par la suite, le phénomène de foudre sera décrit d’une manière succincte [17]. I.2 La CEM, quelques définitions Les notions et les préoccupations du domaine de la compatibilité électromagnétique ne sont pas récentes, bien que le vocabulaire spécialisé – que nous utiliserons après quelques définitions indispensables – soit apparu assez récemment. Dés que les applications de l’électricité se sont étendues au domaine de la transmission d’information, on a dû faire face aux perturbations que pouvaient provoquer l’usage de certains appareils. L’exemple typique est l’impossibilité d’écouter la radio dans de bonnes conditions à proximité d’un 3 Chapitre I Description phénoménologique expérimentale de la foudre moteur en fonctionnement si celui-ci n’est pas muni d’un dispositif ‹‹antiparasite ››. Dans les anciens vocables, le terme ‹‹ parasite ›› désignait l’effet des perturbations électromagnétiques provoquées par le truchement de signaux parasites, et le terme ‹‹ antiparasite ›› désignait un dispositif destiné à combattre leurs effets. De simples notions de confort, le problème s’est ancré dans la nécessité et la responsabilité juridique, à partir du moment où les installations ont impliqué des ensembles juxtaposés de puissance et de commande automatisée, véhiculant des données cruciales pour la sécurité des personnes et des biens. L’usage conjoint d’applications de forte puissance, de système de communication et d’organes de traitement de l’information est aujourd’hui généralisé, et les niveaux d’énergie des signaux de ces derniers sont devenus très faibles. Dans ce contexte, la réglementation CEM est devenue en quelque sorte une question de survie technologie [1]. L’évolution de la réglementation en cartière de CEM s’est produite selon les dates suivantes : 1934 : Création du CISPR (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques) par la commission électrotechnique internationale (CEI) qui développe des normes pour éviter les interférences parasites [3]. Durant la deuxième Guerre Mondiale, l’utilisation d’appareils électroniques (radio, navigation, radar) s’est accélérée. Beaucoup de cas d’interférences entre radio et systèmes de navigation aérienne ont été relevés. Le CISPR continue son activité en produisant plusieurs publications techniques présentant des techniques de mesure des perturbations, et recommandant des valeurs limites d’émissions. Plusieurs pays européens ont adopté ces valeurs limites recommandées par le CISPR [2]. 4