Câble électrique aérien : types, sélection et installation

Sélection du bon câble électrique aérien pour une ligne de transport ou de distribution, il faut équilibrer trois variables interdépendantes : capacité de transport de courant continu, résistance mécanique à la traction et comportement à l'affaissement à long terme sous une température de fonctionnement maximale . Pour la plupart des applications moyenne et haute tension, le conducteur en aluminium renforcé d'acier (ACSR) reste le choix par défaut car le noyau en acier galvanisé supporte environ 55 à 65 % de la tension totale tandis que les torons en aluminium transportent le courant, une séparation des fonctions qu'aucun conducteur homogène ne peut égaler à un coût équivalent.

Types de conducteurs et composition des matériaux

Les câbles électriques aériens sont classés selon les matériaux et la configuration de câblage du conducteur. Les trois principales familles de conducteurs nus dominent le marché, chacune étant adaptée à des longueurs de portée et à des conditions environnementales distinctes.

L'ACSR, ou Aluminum Conductor Steel-Reinforced, se compose d'un noyau en acier toronné concentrique entouré d'une ou plusieurs couches de torons en aluminium 1350-H19 étirés durement. Le noyau en acier, disponible en différentes qualités de résistance, constitue la structure de traction, tandis que les couches d'aluminium transportent le courant avec une conductivité de 61,2% SIGC (Norme internationale de cuivre recuit). Un conducteur ACSR "Drake" typique, avec un toronnage 26/7 et un diamètre total de 28,14 mm, atteint une résistance à la traction nominale de 140 kN et une intensité admissible continue d'environ 907 ampères à 75°C dans des conditions de vent modéré.

ACAA, le conducteur tout en alliage d'aluminium, utilise un toronnage homogène de fils en alliage d'aluminium 6201-T81. Cet alliage incorpore du magnésium et du silicium pour atteindre une résistance à la traction environ le double de celle de l'aluminium conducteur électrique 1350-H19, éliminant ainsi le besoin d'un noyau en acier. Les conducteurs AAAC sont spécifiés là où la corrosion de l'âme en acier est un problème, en particulier dans les environnements côtiers ou industriels avec des chlorures ou des composés soufrés en suspension dans l'air. L'absence de noyau magnétique en acier élimine également l'hystérésis et les pertes par courants de Foucault, réduisant ainsi la résistance AC d'environ 3% à 5% par rapport à un ACSR de diamètre équivalent sous le même courant de charge.

AAC, le conducteur entièrement en aluminium composé entièrement de brins 1350-H19, offre la conductivité la plus élevée par unité de poids mais la plus faible résistance à la traction. Son utilisation est limitée aux courtes portées dans les réseaux de distribution urbains et aux chutes de barres omnibus dans les sous-stations, où la longueur de la portée dépasse rarement 50 mètres et où le conducteur n'est pas tenu de résister à des charges élevées de glace ou de vent.

Performances comparatives des types de conducteurs standards

Principes fondamentaux de l'intensité admissible et de l'évaluation thermique

Le courant admissible d'un câble électrique aérien n'est pas un nombre fixe mais est fonction du bilan thermique entre les pertes résistives (chauffage I²R), le rayonnement solaire absorbé par la surface du conducteur, le refroidissement par convection dû au vent et la perte de chaleur radiative vers le ciel. La norme IEEE 738 définit l'équation thermique en régime permanent qui régit cet équilibre. Dans les pires cas de plein soleil, de faible vitesse de vent de 0,6 m/s et de température ambiante de 40 °C, l'intensité admissible d'un conducteur donné peut être 25% à 35% de moins que la valeur publiée pour des conditions printanières modérées.

La température de fonctionnement du conducteur est la variable indépendante qui contrôle l'affaissement. Les conducteurs ACSR standard sont conçus pour un fonctionnement continu à 75°C, 90°C ou 100°C , avec des températures plus élevées autorisées en cas d'urgence ou dans des conditions de charge de pointe à court terme. Au-dessus de 93°C, les brins d'aluminium commencent à recuire, réduisant définitivement leur résistance à la traction. Les conducteurs haute température et faible affaissement (HTLS) tels que ACSS, G(Z)TACSR et ACCR utilisent des âmes en aluminium ou composites entièrement recuites pour fonctionner en continu à 150°C à 210°C , doublant à peu près la capacité admissible d'une ligne ACSR conventionnelle dans la même emprise sans nécessiter de tours plus hautes.

Calcul de la tension d'affaissement et pratique du cordage

La relation entre la tension du conducteur et l'affaissement est régie par l'équation de la caténaire, qui, pour des portées inférieures à 300 mètres, se simplifie en une approximation parabolique avec une erreur acceptable. Le processus de conception commence par le concept de travée dominante, une longueur de travée moyenne pondérée qui représente le comportement mécanique équivalent de toute une section tendue entre des structures sans issue. La tension initiale sans charge à la température de cordage la plus basse, généralement -20°C ou 0°F , doit être réglé de manière à ce que le conducteur ne dépasse pas 60 % de sa résistance à la rupture nominale sous la combinaison de charge de glace et de vent la plus sévère spécifiée par le Code national de sécurité électrique (NESC) pour la zone de chargement géographique.

Le cordage ne consiste pas simplement à tirer le conducteur jusqu'à une tension cible et à le serrer. Le conducteur doit être tendu jusqu'à une valeur d'affaissement mesurée par visée sur toute la travée avec un sagomètre de transit ou numérique, le conducteur étant à une température uniforme connue. Pour une portée de 300 mètres de l'ACSR Drake à 15°C sans vent ni glace, l'affaissement cible est d'environ 6,5 mètres , correspondant à une tension horizontale d'environ 17 kN. Après encliquetage, le conducteur se détend par tassement des brins et fluage métallurgique, perdant environ 10 à 15 % de la tension initiale sur les 1 000 premières heures de service . L'affaissement du cordage doit anticiper ce fluage en ciblant une surtension de 10 à 12 %, qui se détend ensuite jusqu'à l'affaissement final de conception.

Vibrations éoliennes et amortissement des conducteurs

Lorsqu'un vent laminaire constant traverse un câble aérien à des vitesses comprises entre 1 et 7 m/s, il libère des tourbillons de Kármán alternés qui induisent une force de portance cyclique perpendiculaire à la direction du vent. Cette vibration éolienne, dont les fréquences sont généralement de l'ordre de 3 à 150 Hz , force le conducteur à osciller à ou près d'une fréquence de résonance naturelle de l'un de ses modes de vibration les plus élevés. La contrainte de flexion qui en résulte au niveau de la pince de suspension du conducteur, où le mouvement est entièrement retenu, dépasse la limite d'endurance à la fatigue de l'aluminium d'environ 57 MPa (8,3 ksi) en dizaines de millions de cycles, qui s’accumulent en quelques jours dans des conditions de vent stables.

L'atténuation utilise des amortisseurs Stockbridge, des amortisseurs de vibrations en spirale (anciennement appelés amortisseurs en os de chien ou éléments amortisseurs en forme de spirale) ou des amortisseurs d'espacement sur des conducteurs groupés. Un amortisseur Stockbridge correctement réglé possède deux fréquences de résonance qui encadrent la fréquence dominante du conducteur, absorbant l'énergie vibratoire grâce au frottement interne de ses brins de câble messager. La distance de placement de l’amortisseur par rapport à la pince n’est pas arbitraire ; il doit être positionné à un point où l'amplitude du ventre de vibration du conducteur est suffisante pour exciter l'amortisseur. Pour une ligne typique de 132 kV avec conducteur ACSR Lynx, le premier registre est placé 0,8 à 1,2 mètres de l'embouchure de la pince de suspension , avec un deuxième amortisseur à 1,8 mètres sur les portées supérieures à 400 mètres.

Gestion des décharges corona et des champs électromagnétiques

À des tensions de transmission de 230 kV et plus, le gradient de champ électrique à la surface du conducteur se rapproche de la résistance au claquage diélectrique de l'air, environ 30 kV/cm au niveau de la mer . Lorsque le gradient de surface dépasse environ 17 kV/cm dans des conditions sèches, une décharge corona se déclenche, produisant un bruit audible, des interférences radio (RI) dans la bande de 0,5 à 1,6 MHz et une perte de puissance. Le gradient de surface est inversement proportionnel au rayon du conducteur ; un seul conducteur par phase doit avoir un diamètre d'au moins 24 mm pour 230 kV et 32 mm pour 345 kV pour maintenir le gradient en dessous du seuil corona.

Les conducteurs groupés résolvent ce problème en répartissant le courant de phase entre deux, trois ou quatre sous-conducteurs séparés par des entretoises rigides à des intervalles de 30 à 45 cm. Un faisceau double de conducteurs de 28 mm de diamètre à 400 kV atteint un diamètre équivalent d'environ 180 millimètres en termes de répartition du champ électrique, réduisant le gradient de surface d'un facteur d'environ trois par rapport à un seul conducteur de section transversale totale équivalente. L'espacement des entretoises est choisi pour optimiser l'équilibre entre l'uniformité du champ électrique et la stabilité mécanique contre l'oscillation sous la travée, un phénomène dans lequel le conducteur au vent protège celui sous le vent, créant une instabilité aérodynamique qui entraîne des mouvements de fouet elliptiques.

Sélection des isolants et coordination des lignes de fuite

Le conducteur aérien est soutenu mécaniquement et isolé électriquement par des chaînes de suspension ou d'isolateurs de tension. La ligne de fuite de l'isolateur, c'est-à-dire la longueur du trajet le long de la surface de l'isolateur depuis le raccord d'extrémité sous tension jusqu'à l'extrémité mise à la terre, doit être suffisante pour empêcher un contournement dans des conditions humides contaminées. La ligne de fuite spécifique est définie en mm de ligne de fuite par kV de tension phase-phase du système. Pour les zones de pollution lumineuse, une ligne de fuite spécifique de 16 mm/kV est suffisant ; pour embruns salins industriels lourds ou côtiers, 31 mm/kV ou plus est spécifié, obtenu en utilisant des cordes plus longues ou des isolateurs de type brouillard avec des jupes plus profondes.

Les isolateurs polymères composites avec des hangars en caoutchouc de silicone ont largement remplacé les chaînes à capuchon et broches en porcelaine et en verre pour les nouvelles constructions à 138 kV et moins, et sont de plus en plus acceptés aux niveaux EHV. La surface hydrophobe du caoutchouc de silicone fait perler l'eau plutôt que de former un film conducteur continu, supprimant ainsi le courant de fuite en un facteur de 10 à 100 par rapport à une surface en porcelaine hydrophile dans des conditions de contamination identiques. Le principal mode de défaillance des isolateurs composites est la rupture fragile de la tige centrale en fibre de verre due à une attaque acide ou à une infiltration d'eau au niveau d'un joint d'extrémité défectueux, un mécanisme qui nécessite une surveillance continue de la charge mécanique et une inspection visuelle de l'intégrité du boîtier.

Jointure, impasse et compatibilité matérielle

La fiabilité de la ligne aérienne dans son ensemble dépend de ses joints et terminaisons. Les joints à mi-portée, requis pour les longueurs de conducteur dépassant les capacités standard des bobines, doivent atteindre une résistance à la traction d'au moins 95 % de la résistance à la rupture nominale du conducteur et une résistance électrique ne dépassant pas 75 % de la longueur équivalente du conducteur non jointé. Les joints pleine tension de type compression, appliqués avec une matrice hexagonale et une presse hydraulique capable de atteindre 700 bars (10 000 psi), constituent la norme de l'industrie. Le corps du joint est constitué d'un manchon en aluminium qui glisse sur les brins d'aluminium et d'un manchon en acier séparé qui saisit le noyau en acier. Les deux manchons sont sertis indépendamment ; le manchon en acier en premier, transférant la pleine tension nominale à travers le noyau, suivi du manchon en aluminium, qui transporte le courant autour du joint en acier.

La corrosion galvanique bimétallique se produit partout où des brins de conducteurs en aluminium entrent en contact avec du matériel en alliage de cuivre en présence d'un électrolyte. L'aluminium, étant anodique au cuivre, se corrode de manière sacrificielle. Tous les connecteurs à compression et corps de pince pour conducteur en aluminium doivent être fabriqués en alliage d'aluminium ou être entièrement étamés pour empêcher tout contact direct cuivre-aluminium. Dans les structures sans issue de sous-station où la ligne aérienne en aluminium passe au bus en cuivre, une cosse de transition bimétallique soudée par friction isole les deux métaux tout en fournissant un chemin de courant à faible résistance évalué pour le courant de court-circuit complet de la ligne.