Lignes aériennes électriques & pylônes : Types, conception & sécurité
En plus des postes à très haute tension en courant alternatif, ce que nous rencontrons plus fréquemment sont les lignes de transport et de distribution d'électricité. De hautes tours portent des conducteurs qui franchissent montagnes et mers, s'étendant vers l'horizon avant de atteindre les villes et les villages. C'est aussi un sujet intéressant—aujourd'hui, explorons les lignes de transport et leurs tours de soutien.
Transport et Distribution d'Électricité
Commençons par comprendre comment l'électricité est livrée. L'industrie de l'électricité se compose principalement de quatre étapes : la production, le transport, (le poste) la distribution, et la consommation.
La production comprend divers types de générateurs d'électricité—des sources traditionnelles comme les centrales thermiques au charbon et hydroélectriques, ainsi que des sources modernes comme l'énergie éolienne et solaire. Tous ces éléments relèvent de la catégorie de production.
Le transport repose sur les lignes de transport et les tours.
Le poste (ou transformation) utilise principalement des transformateurs. Les transformateurs élévateurs dans les centrales électriques augmentent la tension pour une transmission efficace sur de longues distances, tandis que les transformateurs abaissants du côté de la distribution réduisent la tension à des niveaux adaptés aux réseaux de distribution régionaux et aux utilisateurs finaux.
La distribution du côté des consommateurs implique divers transformateurs abaissants, ainsi que des équipements moyenne et basse tension, des tableaux de distribution et des câblages.
La consommation fait référence aux appareils électriques dans les foyers, ainsi qu'à l'utilisation d'électricité dans les infrastructures municipales, les bâtiments, les installations industrielles et autres applications.
En termes de structure, les lignes de transport sont divisées en deux types principaux : les lignes aériennes de transport et les lignes câblées. Voici un schéma d'un système de transport d'électricité :
Quels niveaux de tension conviennent au transport d'électricité sur de longues distances ? Pour réduire les pertes de transport et améliorer l'efficacité, on utilise généralement des tensions alternatives de 500 kV et plus pour le transport d'électricité. Les tensions comprises entre 500 kV et 750 kV sont classées comme des lignes de transport à très haute tension (THT), tandis que les systèmes de 1000 kV en courant alternatif sont connus sous le nom de lignes de transport à ultra-haute tension (UHT). En revanche, les lignes fonctionnant avec des tensions moyennes jusqu'à 110 kV–330 kV sont généralement catégorisées comme des lignes de distribution. Notez que ces classifications peuvent varier en fonction de la demande croissante d'électricité, de la capacité du système et des modèles de distribution énergétique régionaux.
Les niveaux de tension font référence à la tension entre phases—c'est-à-dire la tension entre deux des trois phases (A, B et C). Les 220 volts utilisés dans les foyers sont la tension de phase, qui est la tension entre une phase et la terre. En réalité, l'alimentation électrique résidentielle provient d'un système de tension de ligne de 380 volts. Seulement à l'entrée du bâtiment, les trois phases (A, B et C) sont séparées—chaque phase peut alimenter une unité différente d'un immeuble résidentiel. Ce que vous voyez généralement dans les villes ou les communautés résidentielles est une structure carrée, en forme de boîte—il s'agit d'un poste de transformation encastré (ou poste de transformation en boîte) (comme illustré ci-dessous).
Le poste de transformation en boîte intègre des équipements moyenne tension, des transformateurs et des dispositifs de distribution basse tension. Il transforme le réseau de distribution urbain moyen tension (généralement 10 kV ou 20 kV) en électricité de 380 V adaptée à l'utilisation résidentielle ou municipale. Vous ne voyez peut-être pas les câbles, car les réseaux de distribution urbains en Chine utilisent aujourd'hui principalement des câbles souterrains. Cependant, dans certaines zones résidentielles anciennes ou rurales, vous pouvez encore observer des lignes aériennes reliant les transformateurs puis se dirigeant vers les bâtiments ou les consommateurs individuels.
Dans les espaces ouverts, les lignes aériennes de transport que nous voyons couramment se composent de tours et de conducteurs. Il existe divers types de tours, et les lignes de transport sont classées comme étant soit en courant continu (CC) soit en courant alternatif (CA).
La production et la consommation d'électricité en Chine présentent un déséquilibre géographique significatif. Des ressources énergétiques abondantes telles que le charbon, l'énergie éolienne, solaire et hydraulique sont concentrées dans les vastes régions occidentales, tandis que les principaux centres de charge se trouvent à des milliers de kilomètres de là, dans les régions centrales et orientales. Ce déséquilibre géographique rend le transport d'électricité sur de longues distances essentiel.
Au cours des dernières années, avec le développement rapide des bases de production d'énergie éolienne et solaire à grande échelle, la demande de transport d'électricité sur de longues distances a continué à augmenter. En tant que colonne vertébrale de la livraison d'électricité, la construction des réseaux à ultra-haute tension (UHT) a été accélérée, fournissant un fort élan à la transition énergétique et au développement durable de la Chine. Tous ces systèmes de transport sur de longues distances dépendent des tours de transport et des lignes aériennes pour interconnecter le réseau.
Lignes Aériennes de Transport
Une ligne aérienne de transport se compose de conducteurs suspendus aux tours à l'aide d'isolateurs et de matériel, assurant une distance de sécurité appropriée entre les conducteurs et le sol ou les bâtiments. La fonction principale d'une ligne de transport est de transmettre l'énergie électrique, de connecter les centrales électriques et les postes de transformation, de permettre l'exploitation en parallèle et d'intégrer le système électrique en un réseau unifié.
Les lignes aériennes offrent des avantages tels que des coûts d'investissement plus faibles, une construction plus rapide, une installation simple et pratique, une identification facile des pannes et des dangers potentiels, ainsi qu'une maintenance et une réparation simples. Pour le transport sur de longues distances, les lignes aériennes sont principalement utilisées en raison de leur grande capacité de puissance. Plus la distance de transport est longue, plus le niveau de tension requis est élevé.
Cependant, en raison de leur large distribution et de leur fonctionnement continu en extérieur, les lignes aériennes sont souvent affectées par les conditions environnantes et les facteurs naturels. Cela conduit à diverses pannes opérationnelles, y compris les coups de foudre, les dommages causés par le vent, l'accumulation de glace, les flashovers dus à la pollution, les interférences externes, les oscillations des conducteurs et les incidents liés aux oiseaux.
De plus, lors de la manipulation de l'appareillage haute tension, les ingénieurs traitent généralement avec des systèmes haute tension (HT), très haute tension (THT) et ultra-haute tension (UHT), la plupart d'entre eux étant interconnectés via des lignes aériennes. Par conséquent, les exigences techniques pour les équipements haute tension sont étroitement liées aux conditions de ligne—telles que l'environnement de fonctionnement et les conditions de service. Comprendre les caractéristiques et les comportements de panne des lignes aériennes est donc essentiel pour comprendre les spécifications techniques des équipements haute tension.
Composants des Lignes Aériennes de Transport
Les principaux composants d'une ligne aérienne de transport comprennent les fondations, les tours, les conducteurs, les isolateurs, le matériel (accessoires), les dispositifs de protection contre la foudre (tels que les câbles de terre aériens et les parafoudres), et les systèmes de mise à la terre. Les lignes modernes peuvent également inclure des composants auxiliaires tels que le câble de terre optique (OPGW) et les systèmes de communication par porteur de ligne.
(1) Conducteurs
Les conducteurs transmettent le courant et délivrent l'énergie électrique. Un conducteur par phase est typique pour les lignes standard. Cependant, pour les lignes de transport à très haute tension (THT) et à grande capacité, on adopte couramment des conducteurs groupés—utilisant deux, trois, quatre ou plus de sous-conducteurs (souvent disposés en configuration circulaire)—pour réduire le décharge de couronne, minimiser les pertes de puissance et diminuer les interférences avec les signaux de radio, télévision et autres communications.
(2) Câbles de Terre et Systèmes de Mise à la Terre
Les câbles de terre sont suspendus au sommet des tours de transport et connectés au système de mise à la terre de chaque tour via des conducteurs de descente. En cas de coup de foudre, le câble de terre—positionné au-dessus des conducteurs de phase—intercepte la foudre, dérivant le courant de manière sûre à travers le système de mise à la terre vers la terre. Cela réduit la probabilité de coups directs sur les conducteurs, protège l'isolation des lignes des dommages dus à la surtension et assure un fonctionnement fiable. Les câbles de terre sont généralement installés sur toute la longueur des lignes de 110 kV et plus et sont couramment fabriqués à partir de cordes d'acier galvanisé.
(3) Tours (Pylônes)
Les tours supportent les conducteurs et les câbles de terre, ainsi que le matériel associé, en maintenant des distances électriques de sécurité appropriées entre les conducteurs, les tours, le sol et tout autre structure ou bâtiment de passage.
(4) Isolateurs et Chaînes d'Isolateurs
Les isolateurs sont les composants clés d'isolation d'une ligne de transport. Ils supportent ou suspendent les conducteurs tout en les isolant électriquement des tours, assurant une tenue diélectrique fiable. Soumis à des contraintes mécaniques, à des tensions électriques et à des gaz atmosphériques corrosifs, les isolateurs doivent posséder une résistance mécanique suffisante, des performances d'isolation et une résistance à la dégradation.
(5) Matériel (Accessoires)
Le matériel de ligne joue un rôle crucial dans le support, la fixation, la connexion et la protection des conducteurs et des câbles de terre, assurant des connexions robustes et fiables. Le matériel est classé en cinq types principaux selon sa fonction : serre-câbles, accessoires de connexion, accessoires de raccordement, accessoires de protection et accessoires de tirage.
(6) Fondations
La fondation ancre la tour au sol, empêchant l'inclinaison, l'effondrement ou l'affaissement.
Nous examinerons chacun de ces composants en détail dans les discussions ultérieures.
(7) Tours (Pylônes)
Il existe de nombreux types de lignes de transport et de tours, avec des niveaux de tension allant jusqu'à 1000 kV. Les matériaux des tours comprennent le bois, le béton, les structures treillis d'acier et les structures tubulaires d'acier, et leurs formes et conceptions varient largement. Le but d'une ligne de transport est de livrer l'électricité d'un bout à l'autre avec des pertes minimales. Par conséquent, dans la même classe de tension, les lignes sont conçues pour minimiser l'impédance et maximiser la section transversale des conducteurs. Les tours servent à supporter les lignes et à prévenir tout contact avec d'autres objets conducteurs qui pourraient causer des défauts de mise à la terre. Ainsi, elles sont construites pour être hautes et structuralement stables. L'image ci-dessous montre les types de tours courants.
Selon leurs fonctions réelles dans les applications d'ingénierie, les tours sont classées en plusieurs types : tours droites (de suspension), tours d'angle (utilisées pour changer de direction), tours terminales (pour la connexion aux postes de transformation), tours de permutation (utilisées pour la rotation de phase), et tours de grande portée (conçues pour traverser des fleuves, des lacs ou des détroits majeurs). À la base de chaque tour se trouve la fondation. Les conducteurs sont suspendus aux bras de croix via des chaînes d'isolateurs.
Si vous observez de près une tour treillis d'acier, vous remarquerez deux petits "cornes" s'étendant vers le haut—une de chaque côté—portant des fils fins. Ce ne sont pas des conducteurs d'électricité ; ce sont des câbles de terre aériens (câbles de protection), également connus sous le nom de câbles de terre, utilisés pour la protection contre la foudre.
Les tours de transport présentent diverses formes. Pour les lignes à circuit unique, les configurations courantes comprennent le type "verre à vin" avec des conducteurs disposés horizontalement et le type "tête de chat" avec une disposition triangulaire des conducteurs. Dans les zones où l'emprise foncière est limitée ou dans les régions économiquement développées où les terres sont rares, on utilise souvent des tours compactes portant deux voire quatre circuits sur la même structure. Pour les lignes de transport en courant continu (CC) à ultra-haute tension (UHT), il existe également des tours de type T, qui supportent deux circuits suspendus—d'un côté le pôle positif, et de l'autre côté le pôle négatif.
Un corridor de ligne de transport désigne la zone en bande latérale s'étendant à partir des conducteurs les plus externes d'une ligne aérienne haute tension. Sa largeur est déterminée par le niveau de tension et est réglementée par les Règlements sur la Protection des Installations Électriques. Par exemple, la zone protégée pour une ligne de 500 kV est de 20 mètres de large. Bien que des activités agricoles limitées soient autorisées dans cette zone, l'empilement de matières inflammables ou la construction de bâtiments y est strictement interdite.
Vous avez peut-être également remarqué de nombreux dispositifs en forme de pics et de petites "éoliennes" installés sur les tours de transport. Quel est leur but ? Ce sont tous des dispositifs de dissuasion des oiseaux ! Les pics anti-oiseaux empêchent les oiseaux de construire des nids, tandis que les petites "éoliennes" tournantes effraient les oiseaux—tous deux sont couramment montés sur les tours.
La structure des tours de transport offre un emplacement idéal pour les oiseaux pour construire des nids. Cependant, les excréments d'oiseaux sont conducteurs. Lorsqu'ils sont exsudés sur les chaînes d'isolateurs, ils peuvent créer un chemin conducteur entre le conducteur et la terre, potentiellement causant des flashovers, des défauts de mise à la terre, ou même des courts-circuits entre phases. Par conséquent, les lignes de transport sont très vulnérables à ce qu'on pourrait appeler des "oiseaux en colère." De plus, les grands arbres près des lignes de transport (ou des corridors) peuvent également menacer le fonctionnement sûr—par exemple, en causant des violations de la distance au sol ou des courts-circuits—and doivent donc être taillés régulièrement.
