3 méthodes d’installation de câble ayant un impact sur le calcul de la tension

L’utilisation d’équations de tension des câbles est un élément clé dans la phase de planification de l’installation des câbles. Elle permet d’analyser et de prédire le comportement des câbles afin de déterminer la faisabilité de l’installation. Une estimation précise de la tension du câble est essentielle pour protéger l’intégrité du câble, améliorer la sécurité des travailleurs, réduire les coûts du projet et garantir la performance optimale du câble tout au long de sa durée de vie. De plus, des calculs corrects peuvent faciliter l’installation sur de plus longues distances, ce qui se traduit par une efficacité accrue de la main-d’œuvre et moins de jonctions. Les équations traditionnelles restent la norme dans le secteur pour les calculs, mais les nouvelles méthodes d’installation introduisent des variables qui nécessitent l’ajustement de ces modèles. Comprendre comment chaque méthode influe sur la tension garantit une performance fiable et réduit les risques d’installation.

« La connaissance de la tension de traction est non seulement essentielle pour planifier la pose réelle, mais aussi pour évaluer la conformité des méthodologies de conception du câble, de conception du parcours et de pose. » (CIGRE TB 889)

Équations de tension des câbles reconnues et utilisées dans la modélisation de l’installation

La plupart des guides d’installation de câbles et des outils logiciels de planification utilisent des équations développées au milieu du XXe siècle. Ces équations calculent la force de gravité et les forces physiques exercées sur un câble lorsqu’il est tiré dans un coude. Cette méthode de calcul est ancrée dans l’histoire, bien établie et fait partie intégrante de la configuration des câbles dans les conduits depuis plus de 75 ans. Les équations développées d’abord par F.H. Buller (1949) puis élargies par R.C. Rifenburg (1953) décrivent des câbles tirés à travers un conduit incliné, des coudes horizontaux, ainsi que des coudes verticaux concaves et convexes. Ces équations de « Rifenburg » mesurent la force en fonction de l’angle d’entrée du câble dans le coude ainsi que de la présence (ou de l’absence) de force gravitationnelle entre le câble et le conduit. Le logiciel Pull-Planner® de Polywater est basé sur ces équations standard.

Ces équations sont complexes, c’est pourquoi les ingénieurs utilisent aujourd’hui des logiciels de calcul ou des tableurs spécialisés pour gérer leurs calculs de tension. Certaines entreprises utilisent des approximations à la place de la formule complexe. Cela provient d’une époque où ce travail était effectué à la main. L’estimation de la tension du câble permet des tirages plus sûrs qui ne dépassent pas la tension maximale du câble. De bonnes méthodologies de planification et de prévision protègent non seulement le câble d’une tension excessive, mais elles augmentent également la sécurité des travailleurs et maximisent la longévité du câble en réduisant les tensions et le nombre d’épissures ou de jonctions.

Le rôle de Polywater dans la friction des câbles et la gestion de la tension

La mesure de la friction des câbles, initiée par Polywater, permet de prédire avec précision la tension des câbles. Polywater mesure le coefficient de friction (CDF) et travaille dans le domaine de la lubrification des câbles depuis plus de 50 ans. En s’appuyant sur ces connaissances, il a été possible de mieux comprendre les facteurs qui influencent la tension afin de mieux les planifier. Au fur et à mesure que le secteur modifie la conception des câbles et les méthodes d’installation, les méthodes de test doivent refléter ces changements. Les installations de câbles longs, qui sont caractéristiques de l’enfouissement, étaient beaucoup moins courantes lorsque les équations de Rifenburg ont été développées et que Polywater a commencé à développer des mesures de friction. Aujourd’hui, Polywater collabore activement avec les fabricants et les installateurs de câbles afin d’adapter les méthodes de test de friction pour mieux refléter les réalités rencontrées sur le terrain.

Les techniques modernes d’installation de câbles et leur impact sur la tension

La plupart des câbles sont tirés dans leur conduit à l’aide d’un treuil. En général, un œillet de traction est fixé à l’extrémité du câble et à son conducteur. Un émerillon est inséré entre l’extrémité avant du câble et la sangle de tirage de façon à éviter les forces de torsion sur le câble. Les méthodes d’installation et de conception traditionnelles ont été améliorées par des techniques plus récentes : les longs parcours de conduits forés de manière dirigée, la poussée du câble et la flottaison du câble dans un conduit rempli d’eau sont trois exemples. Ces technologies ont un impact sur les équations utilisées pour prédire la tension. Ces types de conception impliquent des considérations relatives à la tension des câbles et à la physique qui diffèrent des pratiques historiques.

Considérations de tension pour les sections longues courbées (courbures à grand rayon)

Les équations de courbure de Rifenburg supposent que le câble est « tiré » vers l’intérieur du coude. Lorsqu’un câble est tiré dans de grandes longueurs de conduits courbés, typiques des installations HDD (forage horizontal dirigé), le poids du câble dans la courbe augmente également. Dans ce cas, la force gravitationnelle l’emporte sur la composante verticale de la force de traction. Le câble ne circule plus contre l’intérieur du coude, mais il tombe au fond du conduit. Les équations classiques ne s’appliquent plus. La courbure à grand rayon agit beaucoup plus comme une section droite inclinée du conduit.

Dans Pull-Planner de Polywater, les sections droites du parcours du câble sont séparées des courbes imminentes, car le coefficient de friction agit comme un ajout pour les sections droites, mais devient un multiplicateur dans les courbes. La nouvelle recommandation de planification prévoit de traiter cette section comme une section en pente droite avec une légère courbure horizontale afin de tenir compte de la longueur légèrement plus importante du conduit. Dans ce contexte, la tension sur les parois latérales est minime et peut être négligée. Cette approche permet d’obtenir une meilleure estimation des conditions réelles sur le terrain et donc de la tension attendue sur le câble.

Les sections longues et incurvées nécessitent des équations de pente modifiées afin de mieux estimer la tension du câble pendant l’installation.

Poussée de câble : Risques de tension et de flambage

Des pousseurs de câbles ont été développés dans les années 1990 pour permettre de plus grandes longueurs d’installation. En cas de tensions de transmission plus élevées, la fiabilité du système est essentielle. La réduction du nombre de jonctions est utile. De plus, les câbles de transmission ont généralement des conducteurs de grand diamètre et sont plus rigides de par leur conception. L’utilisation de pousseurs peut s’avérer judicieuse pour ce type d’installation et continue de gagner en popularité en tant que méthode d’installation.

Les équations standard de tension du câble s’appliquent toujours pendant la poussée du câble. Dans ce cas, la tension entrante utilisée dans le calcul est négative. La tension négative est transportée jusqu’à chaque segment. Dans les tests effectués par l’EPRI (Electric Power Research Institute), les câbles testés n’ont pas été endommagés par le processus de poussée. La principale limitation de ce procédé d’installation est le flambage des câbles.

Lorsque les câbles subissent une tension de poussée excessive, ils se courbent ou flambent à l’intérieur du système de conduits. Ils créeront soit une forme ondulée, une spirale contre la paroi du conduit, soit un froissement en pile. Dans ce cas, la force de poussée n’est plus transférée à l’extrémité opposée du câble. Au lieu de cela, la force comprime davantage le câble, créant ainsi un bouchon dans le conduit. Les forces de poussée du câble ne doivent pas dépasser la force de flambage du câble. Comprendre la physique du flambage des câbles devient essentiel pour réussir l’installation.

Force de flambage critique

La force de flambage critique est basée sur la formule d’Eulers et le module d’élasticité du câble. En d’autres termes, il est important de connaître le facteur de « rigidité » du câble. En général, ce facteur est influencé par le type de métal conducteur, la configuration de toronnage et la taille du câble. Il existe des formules prédictives basées à la fois sur des calculs et sur la conception expérimentale.

La clé pour une poussée efficace du câble est de maintenir la force en dessous de la force de flambage critique. La force de poussée augmente avec une friction plus élevée entre le câble et la paroi du conduit. L’utilisation de lubrifiants pour câbles augmente l’efficacité de la poussée des câbles car ils réduisent la probabilité de flambage du câble.

Lors de la conception d’un parcours avec poussée du câble, la force de flambage du câble doit être calculée.

Flottaison du câble dans un conduit rempli d’eau : Flottabilité vs traînée

Parfois, de l’eau douce ou de l’eau salée (de mer) est ajoutée au conduit pour ajouter de la flottabilité et réduire efficacement le poids du câble. Réduire le poids du câble est un bon moyen de réduire la tension de traction, car cela diminue la force normale exercée sur le câble. Il est important que le système de conduits soit correctement scellé afin d’éviter toute fuite d’eau. Il est également possible de remplir une partie seulement du système de conduits pour faire flotter le câble dans les sections plus difficiles du tirage.

Il existe néanmoins toujours un facteur de frottement à prendre en compte lors de ce type d’installation. Les lubrifiants pour câbles peuvent augmenter les performances, car le câble entre toujours en contact avec la surface du conduit. Lors de la planification de ce type d’installation, il faut tenir compte de la traînée hydraulique (résistance au frottement). Une autre inconnue est la force de déplacement de l’eau. Les effets de la traînée hydrodynamique et du déplacement de l’eau sont complexes à calculer. Souvent, un CDF prudent est utilisé comme facteur de sécurité dans ces installations. L’expérience pratique a montré que ce type d’installation était efficace, surtout pour les tirages de câbles longs et difficiles.

Le tirage dans l’eau peut réduire le poids du câble grâce au facteur de flottabilité. La traînée hydraulique et la force de déplacement sont des facteurs négatifs qui doivent être pris en compte lors de la planification de la tension pour ce type d’installation.

Adaptation des modèles de tension pour les installations modernes

Une bonne compréhension du CDF ainsi que de la physique de la configuration sont des aspects importants de la planification des installations de câbles. Conscient que les méthodes d’installation modernes telles que les coudes à grand rayon, le poussage de câbles et la flottaison présentent toutes des variables uniques qui doivent être prises en compte dans les calculs de tension, Polywater continue de rechercher des moyens de réduire la friction dans ces domaines et d’intégrer ces données dans les mises à jour du logiciel Pull-Planner. En outre, les utilisateurs peuvent mesurer et enregistrer la tension finale des installations de câbles sur le terrain, les saisir dans le logiciel Polywater Pull-Planner et recalculer le CDF sur le terrain. Cela peut fournir des données de tension plus pratiques pour les futures installations qui utilisent des méthodes et des matériaux similaires. Le calcul a posteriori du CDF peut également être un moyen efficace de prendre en compte ces variables sans avoir à les calculer individuellement, ce qui permet d’obtenir des calculs futurs plus précis de la tension du câble.

Bibliographie et chronologie

1943 Pulling Tension During Cable Installation in Ducts or Pipes, F. H. Buller

1953 Pipe-Line Design for Pipe-Type Feeders, R. C. Rifenburg présenté au Insulated Conductor Committee de l’AIEE

1983 EL-3333 Maximum Safe Pulling Lengths for Solid Dielectric Insulated Cables Publié par l’EPRI

1984 Coefficient of Friction Measurement Between Cable and Conduit Surfaces Under Varying Normal Loads, présentation de G Weitz Polywater à la conférence Transmission & Distribution.

1991 A New Cable Pulling Friction Measurement Method and Results, J.M. Fee

1996 TR-106500 Cable Pushing and Calculation of Pulling Tensions for Distribution and Transmission Cables Publié par l’EPRI

1999 A Study of Tension and Jamming When Pulling Cable Around Bends, J.M. Fee

2001 CIGRE TB 194 Construction, Laying and Installation Techniques for Extruded and Self Contained Fluid Filled Cable Systems

2022 CIGRE TB 889 Installation of Underground HV Cable Systems

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