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
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.
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.
Figure 1 - Dimensions de la ligne haute tension considérée
Voyons maintenant les champs électrique et magnétique d’une ligne haute tension:
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.
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.
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.
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.
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.
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):
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.
Figure 4 - Champ magnétique d'une ligne droite
La valeur du champ magnétique à l’emplacement (xB| h) résultats avec (Formule 1) dans:
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:
Avec:
cela se traduit par:
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.)
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:
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).
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:
À l'approximation
pour les petits ε cela se traduit par:
A partir de la condition que la somme des courants soit égale à zéro à chaque instant:
la formule simple:
est dérivé, et avec cela aussi le valeur absolue du champ magnétique à grande distance (Formule 2):
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.
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.
Référence // Transmission et distribution d'énergie électrique par Goran Andersson; EEH - Laboratoire de systèmes électriques à l'ETH Zurich