Article

1 - APPROCHE PHÉNOMÉNOLOGIQUE

2 - APPROCHE THÉORIQUE

3 - CONCLUSION

4 - GLOSSAIRE

5 - ANNEXES

Article de référence | Réf : D3073 v1

Modélisation par circuits électriques équivalents des réseaux de terre

Auteur(s) : James ROUDET, Édith CLAVEL, Jean-Michel GUICHON, Patrice JOYEUX

Date de publication : 10 nov. 2018

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RÉSUMÉ

Les réseaux de terre sont indispensables dans la protection du bâtiment et des personnes contre les agressions externes comme la foudre. Ceux-ci sont appelés à jouer des rôles de plus en plus importants dans le cadre du bâtiment dit intelligent bardé de dispositifs électriques. Cet article propose une méthode de modélisation adaptée aux particularités des conducteurs enterrés. Les modèles proposés couvrent une large gamme de fréquences et s’expriment sous forme de circuits électriques équivalents et sont facilement implantables dans un simulateur circuit (0D) permettant d’intégrer des sources de perturbation externes, des composants et systèmes hétérogènes.

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ABSTRACT

Modeling Earth Networks by Equivalent Electric Circuits. Theory

Earth networks play a vital role in protecting buildings and people from external aggression such as lightning. These networks are bound to play more and more important roles in ‘smart’ buildings fitted with many electrical devices. This article proposes a modeling method adapted to the particularities of buried conductors. The proposed models cover a wide range of frequencies and are expressed in the form of equivalent and easily implantable electrical circuits in 0D simulation software for integrating external disturbance sources and heterogeneous components and systems.

Auteur(s)

  • James ROUDET : Professeur des universités Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, G2Elab, Grenoble, France

  • Édith CLAVEL : Maître de conférences HdR Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, G2Elab, Grenoble, France

  • Jean-Michel GUICHON : Maître de conférences Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, G2Elab, Grenoble, France

  • Patrice JOYEUX : Ingénieur Hager Company, Hager Electro, Obernai, France

INTRODUCTION

Actuellement l’électrification des bâtiments industriels, tertiaires ou domestiques à des fins fonctionnelles ou d’efficacité énergétique conduit de plus en plus couramment à constater des problèmes de compatibilité électromagnétique. Les réseaux de terre sont essentiels pour maintenir l’équipotentialité du bâtiment quelles que soient les conditions d’exploitation. Ceux-ci interviennent dans la protection des biens et des personnes contre des défauts d’isolement ou des agressions externes comme la foudre.

En revanche, ils n’ont jamais été dimensionnés vis-à-vis de la propagation des perturbations conduites dans la bande [10 kHz-30 MHz] générées en interne au bâtiment par les convertisseurs d’électronique de puissance toujours plus présents dans les nouvelles constructions.

La conception des réseaux de terre fait appel généralement à des dimensionnements empiriques. Ces dimensionnements restent simplistes ou, au contraire, sont issus de modélisations numériques lourdes et donc peu utilisables. Par ailleurs, l’existence de perturbations occupant des bandes de fréquences de plus en plus étendues réclame des modèles tenant compte de ce paramètre. Dans la perspective de nouveaux bâtiments l’équipotentialité des câblages devra être assurée sur une large plage fréquentielle. Ce dernier aspect a été peu étudié jusqu’à présent.

L’objectif de cet article est de proposer des modèles sous forme de circuits électriques équivalents des constituants des réseaux de terre (pieux, grilles, plaques conductrices, câblages filaires...). Ceux-ci seront introduits dans un simulateur 0D (simulateur de circuit électrique) qui peut intégrer des sources de perturbations comme les convertisseurs d’électronique de puissance, la foudre et les différents composants du réseau de distribution comme les parafoudres ou autres protections, les transformateurs de distribution, les charges... pour peu que l’on dispose de leurs modèles « circuits ». Les avantages de cette technique de modélisation sont nombreux :

  • approche métier aisée grâce à la manipulation de composants discrets et accès très rapide au calcul des grandeurs globales ;

  • compréhension et analyse des phénomènes physiques, maîtrise des paramètres prédominants, lien conservé avec la géométrie du réseau de terre et de distribution ;

  • dimensionnement et optimisation facilités grâce à une approche semi-analytique ;

  • proximité de développement avec la méthode PEEC électromagnétique qui fait autorité aujourd’hui dans le calcul des dispositifs de câblage en électrotechnique et électronique de puissance, etc.

Ce premier article propose une méthode de modélisation originale basée sur la résolution analytique de l’équation de Poisson dans le but d’obtenir un modèle sous forme de circuit électrique équivalent d’un ensemble conducteur-terre. Des formulations analytiques inédites ont été élaborées. D’abord adaptées aux géométries de base elles permettent ensuite de s’intéresser à des systèmes complets. Une méthode numérique est proposée pour étendre la validité fréquentielle des modèles et accéder à des grandeurs locales et globales des phénomènes physiques dans le cas de conducteurs enterrés.

Un second article montrera comment traiter des situations impliquant des conducteurs enterrés de géométrie complexe et une analyse de sensibilité des paramètres débouchera sur une vision touchant à la conception des réseaux de terre plus concrète notamment grâce à la formulation de règles simples. Il s’achèvera par un exemple de simulation globale d’un bâtiment.

Le contexte général de ces travaux est abordé dans l’article [D 1 305].

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KEYWORDS

electromagnetic compatibitity   |   earth networks   |   equivalent electrical circuits   |   buried conductors

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d3073


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   H115 : Principes de conception et de réalisation des mises à la terre.  -  EDF NI 115 (1984).

  • (2) - TAKASHIMA (T.), NAKAE (T.), ISHIBASHI (R.) -   Calculation of complex fields in conducting media.  -  IEEE Trans. Electr. Insul., vol. EI-15, n° 1, p. 1-7 (1980).

  • (3) - GOUICHICHE (Z.) -   Contribution à la modélisation des systèmes de terre en vue de la simulation des réseaux électriques du bâtiment.  -  Thèse de l’Université Grenoble Alpes (2017).

  • (4) - PAUL (C.R.) -   Analysis of multiconductor transmission lines.  -  Wiley-IEEE Press. (2007).

  • (5) - CLAVEL (E.) -   Vers un outil de conception de câblage : le logiciel InCa.  -  Thèse de l’Université Grenoble Alpes (1996).

  • (6) - GROVER...

1 Outils logiciels

ALTAIR FLUX, [Flux][Flux-PEEC] 15, chemin de Malacher, 38340 Meylan, France.

MATLAB SIMULINK https://fr.mathworks.com/products/simulink.html

SPICE https://bwrcs.eecs.berkeley.edu/Classes/IcBook/SPICE/

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