Essais & Simulations n°108

Compatibilité

Compatibilité électromagnétique Modélisation des effets électromagnétiques Modélisation des effets électromagnétiques d’un impact foudre sur un bâtiment et optimisation de sa protection par conducteurs écrans Dans le but d’améliorer la qualité de service et de réduire les coûts d’entretien et de maintenance des réseaux, les opérateurs de téléphonie doivent être en mesure d’estimer les risques liés à la foudre et d’étudier des solutions permettant d’en diminuer l’impact sur leurs installations en optimisant les dispositifs de protection. C’est dans ce cadre que nous proposons une étude sur la répartition des courants de foudre sur une structure complexe, ainsi que l’estimation de l’efficacité de la protection grâce à un code de calcul basé sur la méthode FDTD. L’optimisation de la protection des câbles enterrés à l’aide de conducteur de protection est également abordée. de nombreuses possibilités permettant la modélisation fidèle d’une infrastructure complexe en l’occurrence : - Un modèle de plaque mince permettant la modélisation des murs ; - Un modèle de fil isolé permettant la modélisation d’un câble de télécommunications dans un milieu à perte. II.1. Définition de la structure I - Introduction L’émergence de nouveaux services nomades, tels que la visiophonie ou l’internet mobile, a entrainé une densification du réseau mobile, ainsi qu’une convergence entre les réseaux cellulaires et fixes. Par son étendue, le réseau de télécommunications est soumis à de nombreuses agressions électromagnétiques d’origine artificielle ou naturelle, pouvant provoquer des dysfonctionnements, et par la même Figure 1 – Exemple de structure complexe diminuer la qualité de service, enjeu majeur pour les opérateurs de téléphonie. Dans cet article, nous nous intéresserons plus particulièrement aux effets induits et conduits par un impact foudre sur une station de base mobile, desservie par un réseau souterrain. En effet, ces installations, de par leurs positions géographiques et leurs hauteurs, sont des cibles privilégiées en cas d’épisodes orageux. II - Études des effets électromagnétiques dus a un impact foudre sur un bâtiment Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés aux courants induits et conduits sur une structure complexe soumise à un impact foudre (Figure 1). La modélisation d’une station de base requiert l’utilisation d’un code 3 dimensions. Pour cela, nous avons choisi d’utiliser un code de calcul basé sur la méthode des différences finies dans le domaine temporel. Le solveur OPEN-TEMSI-FD [1], développé par le laboratoire XLIM, présente Figure 2 – Structure Modélisée Objectif : rester le plus proche d’une structure réelle tout en visant des temps de calcul raisonnables. La structure modélisée, présentée sur la Figure 2, est composée des éléments suivants : - Pylône : 30 m - Bâtiment technique : 4 m/4 m/2 m - Réseau de terre sous le bâtiment constitué d’une grille de 4.4 m (axe x) / 5 m (axe y) ayant un pas de 40 cm selon x et 1 m selon y placé à 40 cm de profondeur - Un réseau de terre sous le pylône constitué d’une ceinture en fond de fouille de 4 m/4 m enterrée à 40 cm de profondeur - Une interconnexion entre le réseau de terre du pylône et celui du bâtiment r - Une patte d’oie - Un réseau d’adduction souterrain. E S S A I S & S I M U L AT I O N S ● O C TO B R E , N OVEMBRE, D É C E M B R E 2 0 1 1 ● PAG E 1 9

Compatibilité électromagnétique II.2. Résultats Les différentes simulations réalisées permettent de dresser une cartographie de la répartition de courants dans la structure et ainsi de déterminer l’efficacité des différents systèmes de protection. Afin de faciliter l’interprétation des résultats, nous utiliserons les grandeurs suivantes : - I foudre : Valeur maximale du courant de foudre. - I pyl : Somme des courants circulant sur les brins de connexion du pylône à son réseau de terre - I bâ t : Somme des courants circulant sur les brins de connexion du bâtiment à son réseau de terre - I inte r : Courants circulant sur le ou les fils permettant l’interconnexion du réseau de terre du pylône à celui du bâtiment - I add : Courant induit sur les adductions. On définit également les valeurs P pyl , P bât , P inter , et P add représentant le pourcentage du courant induit, respectivement, sur le réseau de terre du pylône, le réseau de terre du bâtiment, les fils d’interconnexions et les adductions tels que et les valeurs P pyl’ et P bât’ représentant le pourcentage de courant dissipé respectivement par le réseau de terre du pylône et le réseau de terre du bâtiment tels que : Ces résultats, mettent en évidence l’importance du réseau de protection qui permet de dissiper, par exemple, 30 % du courant de foudre dans le cas d’un sol de résistivité égale à 2000 Ohms.m. II.3. Étude Paramétrique Dans le but de mieux comprendre l’influence de certains paramètres sur la répartition des courants au sein de la structure et sur le câble de télécommunication desservant un site mobile, nous avons réalisé plusieurs études. Parmi les nombreux paramètres pouvant influer sur la répartition des courants nous nous sommes plus particulièrement intéressés à l’influence de : - La conductivité du sol - L’implantation d’une deuxième patte d’oie - L’amélioration de l’interconnexion entre pylône et bâtiment - La densification du réseau de terre du bâtiment. a - Influence de la conductivité du sol. Afin d’étudier l’influence de la conductivité du sol sur la répartition des courants, la structure a successivement été placée sur un sol de résistivité égale à 4000, 2000, 1000 et 500 Ohms.m. La somme des courants sur le brin de connexion du pylône à son réseau de terre (I pyl ), ainsi que la somme des courants circulant sur les connexions entre le bâtiment et son réseau de terre (I bât ), permettent de déterminer la répartition du courant entre le pylône (P pyl’ ) et le bâtiment (P bât ) en fonction de la résistivité du sol. Ces résultats sont donnés sur la Figure 4. terre du pylône, plus le courant circulera de manière directe vers le bâtiment par le chemin de câble. Ceci aura, également, pour effet d’entraîner une augmentation du courant induit sur le câble de télécommunication tel que le montre la Figure 5 donnant le pourcentage du courant de foudre induit sur le conducteur de télécommunications en fonction de la résistivité du sol. Celui-ci peut être approché par une fonction, racine carré, de la forme : y=√x. Figure 5 – % du courant de foudre induit sur le câble de télécommunications pour différentes résistivités du sol En revanche, l’analyse de la proportion de courant de foudre capté par le conducteur de protection en fonction de la résistivité du sol, dont les résultats sont présentés sur la Figure 6, montre la présence d’un maximum pour une résistivité de 1500 Ohms.m. On obtient alors une répartition des courants selon le schéma de la Figure 3. Figure 6 - % du courant de foudre induit sur le câble de protection pour différentes résistivités du sol Figure 3 – Répartition des courants sur une structure complexe foudroyée Figure 4 – Répartition du courant de foudre entre le pylône et le bâtiment. Ces résultats montrent que plus la résistivité du sol augmente, ce qui conduit à une augmentation de la résistance de Ainsi pour une longueur de 300 m. le conducteur de protection captera plus de courant s’il est placé dans un sol de résistivité proche de 1500 Ohms.m. que dans un sol de résistivité plus élevée. Ces résultats mettent en évidence la notion de longueur optimale ou longueur minimale du conducteur de protection qui sera approfondie dans la troisième partie de cet article. E S S A I S & S I M U L AT I O N S ● O C TO B R E , N OV E M B R E , D É C E M B R E 2 0 1 1 ● PAG E 2 0