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Préoccupations concernant les champs électromagnétiques sous les lignes aériennes triphasées à haute tension

Champs électriques et magnétiques

En relation avec l'utilisation accrue du mobiletéléphones au cours des dernières décennies, de plus en plus de préoccupations concernant les éventuels effets nocifs des champs électromagnétiques sur l'homme ont été exprimées. Les lignes aériennes produisent des champs électriques et magnétiques.

Préoccupations concernant les champs électromagnétiques près des lignes aériennes triphasées à haute tension

Préoccupations concernant les champs électromagnétiques près des lignes aériennes triphasées à haute tension

Une différence importante entre les champs générés par les antennes utilisées pour la communication mobile et les lignes à haute tension est la fréquence de fonctionnement. Les champs des lignes à haute tension ont une basse fréquence de 50 Hz ou 60 Hz, alors que les champs des antennes sont dans le domaine des GHz.

De plus, l'objectif même des antennes est la génération et le rayonnement de champs alors qu'il ne s'agit que d'un effet secondaire indésirable dans le cas de lignes à haute tension.

Pour se faire une idée la force des champs électromagnétiques d’une ligne haute tension proche du sol, une ligne haute tension ayant les dimensions indiquées à la figure 1 est considérée dans cet article.

Puisque nous considérons un système triphasé symétrique,la tension dans les conducteurs individuels est déphasée de 120 ° et les tensions et les courants dans les conducteurs varient avec la fréquence du réseau 50 Hz. Ces variations de tension et de courant influencent les champs électromagnétiques.

L’intensité de champ dépend de l’instant considéré, c’est-à-dire que les champs alternent également.

Dimensions de la ligne haute tension considérée

Figure 1 - Dimensions de la ligne haute tension considérée

Voyons maintenant les champs électrique et magnétique d’une ligne haute tension:

  1. Champ électrique
  2. Champ magnétique

1. champ électrique

Le champ électrique d'une ligne à haute tension dépendsur la tension, la forme de la tour et la configuration des lignes conductrices. Le calcul analytique du champ électrique est très difficile car l'impédance de la terre doit être intégrée.

Par conséquent, nous abandonnons la dérivation et ne présentons queles résultats d'une simulation pour la configuration donnée à la figure 1. La figure 2 montre le comportement des tensions des trois phases. En ce qui concerne la figure 1:

  • vousR(t) correspond à la tension dans le conducteur gauche,
  • vousS(t) à celui du conducteur intermédiaire et
  • vousT(t) à celui dans le bon conducteur.

Dans les simulations suivantes, trois instants t1, t2 et T3 sont pris en compte, comme indiqué à la figure 2.

Tensions de phase dans les trois phases

Figure 2 - Tensions de phase dans les trois phases

Les valeurs résultantes des champs électriques sontfortement dépendant de la tension. Les champs électriques pour les tensions entre phases de 110 kV, 220 kV et 400 kV (valeurs moyennes fondamentales) sont considérés. Le champ électrique disparaît exactement sur le sol car le potentiel y est nul.

En relation avec le système de coordonnées de la figure 1, les valeurs des champs sont présentées à la figure 3 en distance de 2 m au dessus du soly = 2 m, jusqu’à 80 m dans les directions x positive et négative.

Seulement aux instants où la tension du conducteur central reçoit sa valeur maximale ou passe à zéro, lorsque les valeurs de tension des conducteurs gauche et droit sont égales, on obtient un motif symétrique.

Dans le même temps, le champ assume en moyenne la valeur maximale (t1) ou la valeur minimale (t2) à ces moments. le instant instant t3 est un exemple où le champ n'est pas symétrique.

Champ électrique à l'instant t1 (haut), t2 (milieu) et t3 (bas) à 2 m au dessus du sol (conducteur à 20 m au dessus du sol)

Figure 3 - Champ électrique à l'instant t1 (haut), t2 (milieu) et t3 (bas) à 2 m au dessus du sol (conducteur à 20 m au dessus du sol)

À titre de comparaison, le champ d’air statique naturel obtient une intensité de champ d’environ 0,1 kV / m. En cas d’orage, les valeurs jusqu’à 20 kV / m sont possibles.

De plus, dans une maison, nous sommes constamment exposés aux champs électriques de différents appareils. Sur une distance de 30 cm, il est possible de mesurer des champs allant jusqu'à 0,5 kV / m autour d'appareils électriques.

La peau humaine sert de bouclier de sécurité et est suffisant pour ne pas permettre aux champs électriques des lignes de transmission d'entrer. Dans les bâtiments, le champ électrique provenant de l'extérieur et variant avec 50 Hz est réduit à au moins un dixième.

Les valeurs des champs électriques générés par les lignes haute tension à 2 m au dessus du sol (Figure 3) ne sont donc pas beaucoup plus fortes que celles auxquelles nous sommes exposés.

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2. champ magnétique

Contrairement au champ électrique, le champ magnétique peut être calculé analytiquement assez facilement car la terre n’influence que faiblement le champ magnétique.

En utilisant la loi de Biot-Savart, un conducteur droit porteur de courant crée un champ magnétique avec la valeur (formule 1):

Champ magnétique de la loi de Biot-Savart

Ainsi R désigne la distance entre le point auquel le champ est calculé et le conducteur, et la direction du champ est toujours tangentielle aux cercles autour du conducteur.

Ceci peut maintenant être appliqué pour la calcul du champ magnétique pour une ligne triphasée. Pour chaque conducteur la valeur et la directiondu champ magnétique est déterminé. Ensuite, les trois vecteurs de champ résultant des trois phases sont résumés et la valeur globale du champ est calculée.

Comme le champ d’un conducteur droit ne dépend que de la distance entre le conducteur et le point où le champ est calculé (Formule 1), on peut utiliser un modèle bidimensionnel pour dériver les formules.

Les relations sont données à la figure 4 pour un seul conducteur.

Champ magnétique d'une ligne droite

Figure 4 - Champ magnétique d'une ligne droite

La valeur du champ magnétique à l’emplacement (xB| h) résultats avec (Formule 1) dans:

La valeur du champ magnétique à l'emplacement (xB | h)

Nous supposons que je flux dans le positif z direction, c’est-à-dire hors du papier. En sens opposé, je devient négatif. Afin de résumer les champs magnétiques des trois phases, B est divisé en X et y coordonnées:

Le champ magnétique B est divisé en coordonnées x et y

Avec:

formules sin b et cos b

cela se traduit par:

Champs magnétiques Bx et par formules


Le calcul du champ global est effectué en additionnant les champs simples dans les directions x et y. Ce champ varie dans le temps, tout comme le champ électrique.

Sur la figure 5, les valeurs quadratiques moyennes (valeur quadratique moyenne) du champ global pour la configuration de la figure 1 et pour les courants valeur efficace 1000 A, 700 A et 500 A à une distance de 2 m du sol sont donnés. (Cela signifie que les courants de phase sont ces valeurs divisées par √3.)

Valeur efficace du champ magnétique à différents endroits à une hauteur de 2 m au dessus du sol (conducteur à 20 m au dessus du sol)

Figure 5 - Valeurs efficaces du champ magnétique à différents endroits, à une hauteur de 2 m au dessus du sol (conducteur à 20 m au dessus du sol)

On suppose que la hauteur du conducteur est constamment 20 m. En considérant un affaissement de ligne, les valeurs du champ magnétique seraient plus élevées.

La valeur efficace est calculée par les valeurs instantanées comme suit:

La valeur efficace est calculée par les valeurs instantanées

Le calcul du champ magnétique à de grandes distances du conducteur peut être simplifié par quelques approximations.

Comme la direction du champ magnétique est toujourstangentielle au cercle autour du conducteur, nous pouvons conclure que le champ global est plus ou moins perpendiculaire (normal) à la terre à grande distance (Figure 6).

Champ magnétique à grande distance

Figure 6 - Champ magnétique à grande distance

Nous supposons que la distance entre P et le conducteur correspond à la distance en x directionpar exemple, la distance pour le conducteur du côté gauche est égale à x + a.

En notation de phaseur, le champ magnétique en P a pour résultat:

Champ magnétique à P

À l'approximation

Approximation

pour les petits ε cela se traduit par:

approximation pour petit ε


A partir de la condition que la somme des courants soit égale à zéro à chaque instant:

Somme des courants

la formule simple:

Valeur absolue du champ magnétique à grande distance

est dérivé, et avec cela aussi le valeur absolue du champ magnétique à grande distance (Formule 2):

valeur absolue du champ magnétique à grande distance

Ainsi jeph dénote le courant de phase en A; avec x et a en mètre une densité de flux B dans Trésultats. Pour le calcul du champ directement sous une ligne aérienne, (formule 2) ne peut pas être utilisé, car l'hypothèse selon laquelle la distance entre les conducteurs est beaucoup plus petite que la distance jusqu'au point de calcul ne tient plus.

Concernant (Formule 2), le champ serait infini à x = 0, ce qui n'est évidemment pas correct. Cependant, la formule de calcul du champ magnétique à de grandes distances est utile et montre la diminution quadratique du champ lorsque la distance augmente.

Bien que les champs magnétiques soient à peine amortis par la peau humaine, ils ne provoquent que de faibles courants dans le corps.

Les appareils électroménagers, tels que les mélangeurs ou les fers à repasser électriques, génèrent des champs magnétiques 10 µT à une distance de 30 cm. Pour provoquer des problèmes cardiaques chez l'homme, il est nécessaire de choisir des intensités de champ alternées à une fréquence de 50 Hz et 1 Tesla. C'est dix mille fois plus que l'intensité du champ sous une ligne à haute tension.

Bien que des centaines d'études menées par des scientifiques du monde entier aient conclu à l'innocuité des dommages causés à l'homme par les lignes à haute tension, des recherches approfondies sont entreprises.

Dans de nombreux pays européens, des autorités ont toutefois défini des valeurs limites maximales concernant les intensités de champ magnétique, qui ne peuvent pas être dépassées par les lignes à haute tension.

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Référence // Transmission et distribution d'énergie électrique par Goran Andersson; EEH - Laboratoire de systèmes électriques à l'ETH Zurich

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