Gestion de la chaleur dans les installations souterraines de câbles électriques

La demande en énergie électrique augmente partout dans le monde, et les services publics, les fournisseurs de services et les propriétaires de réseaux investissent dans l’expansion et la sécurisation du réseau. Cette augmentation de la demande est due à plusieurs facteurs, notamment le besoin d’une électricité plus fiable, les nouvelles sources d’énergie telles que les énergies renouvelables, la croissance du nombre de véhicules électriques, l’augmentation du minage de cryptomonnaie, la multiplication des centres de données, la migration des populations rurales vers les zones urbaines dans de nombreux pays en développement et la nécessité de protéger les infrastructures contre les dommages environnementaux. De plus en plus, ces systèmes privilégient des installations souterraines qui utilisent des systèmes de conduits (tuyaux) plutôt que l’enfouissement direct. Bien que l’enfouissement des câbles dans des conduits ait toujours été considéré comme plus coûteux et moins pratique, on observe une tendance croissante à privilégier les systèmes à conduits en raison de leurs avantages à long terme sur le plan économique, opérationnel et sécuritaire. Plus précisément, la construction d’infrastructures pour les systèmes à conduits offre un cadre évolutif permettant d’assurer plus efficacement la maintenance, la surveillance et la mise à niveau des systèmes de câbles.

Le passage aux systèmes à conduits pose également de nouveaux défis pour certains, notamment en termes de gestion de la chaleur générée par la résistance électrique dans les conducteurs. Certains ingénieurs des services publics, consultants en conception, fabricants et entrepreneurs en installation de câbles cherchent à mieux comprendre comment quantifier et gérer les effets néfastes de la chaleur générée dans les câbles souterrains afin de limiter leur impact sur les performances du réseau électrique et sur l’environnement.

Une conception inadéquate des systèmes souterrains en matière de gestion thermique peut entraîner une réduction de la capacité des câbles, une diminution de leur durée de vie et une augmentation des coûts. Pourtant, il existe d’innombrables systèmes de câbles en conduits dans le monde qui fonctionnent de manière fiable malgré le facteur thermique. Pour déterminer combien d’entre eux tiennent compte des propriétés thermiques des câbles gainés dans la conception et la pratique, Polywater a réuni un petit groupe d’experts afin de discuter de la question de la formation et de la dissipation de chaleur dans les câbles électriques, ainsi que de la gestion de la chaleur dans le cadre des nouvelles pratiques d’installation de câbles souterrains.

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Comprendre le comportement thermique dans la conception de systèmes de câbles souterrains

Les câbles électriques peuvent générer une chaleur importante lorsque le courant électrique les traverse. Cette chaleur, causée par la résistance électrique dans le conducteur, est connue sous le nom d’effet Joule et représente une perte d’énergie. Plus le courant ou la résistance est élevé, plus la quantité de chaleur générée est importante, ce qui réduit l’efficacité et augmente les coûts d’exploitation tant pour les services publics que pour les utilisateurs finaux.

Les installations de câbles souterrains peuvent être sensibles aux problèmes liés à la chaleur en raison de la nature isolante du sol et de l’environnement confiné. Dans les câbles à enfouissement direct, la gaine est en contact direct avec le sol environnant. En revanche, les systèmes conduits introduisent une interface de transfert thermique supplémentaire : la paroi du conduit, qui présente généralement une surface extérieure plus importante. Les systèmes de câbles en conduit peuvent potentiellement dissiper la chaleur plus efficacement grâce à la plus grande surface extérieure du conduit, qui offre une plus grande surface de contact avec le sol.

Cependant, les installations enfouies directement comme celles à conduits peuvent présenter des limites en termes de dissipation thermique, en particulier dans les environnements à faible conductivité thermique. Cette faible diffusion de la chaleur entraîne une augmentation de la température des câbles, ce qui peut dégrader l’isolation, raccourcir la durée de vie des câbles et réduire leur capacité de transport de courant.

Comme l’explique Marius Engebrethsen, du REN, un groupe de réflexion norvégien spécialisé dans l’ingénierie, « C’est pourquoi nous accordons tant d’importance à la chaleur. C’est souvent le facteur limitant de la quantité de courant que vous pouvez faire passer dans le système. Une chaleur excessive peut accélérer le processus de dégradation. Il est essentiel de tenir compte de cet aspect lors de la conception du système ».

Une gestion efficace de la chaleur commence par la compréhension de sa circulation dans le système. Les conducteurs de câbles, l’isolation, les écrans, les gaines, les conduits, les fentes d’air, le remblai et le sol ont tous des résistivités thermiques différentes. Ces matériaux influencent la capacité de dissipation thermique du cœur du câble vers l’extérieur. Pour évaluer précisément ce phénomène, une analyse thermique est nécessaire, généralement à l’aide de normes industrielles, de logiciels spécialisés, ou les deux.

« La principale utilisation du logiciel, ajoute Engebrethsen, est la conception des installations de câbles souterrains. Vous pouvez dessiner le tracé des tranchées, effectuer des calculs avancés et analyser comment la chaleur s’accumule et se propage, et même comment les champs magnétiques se comportent. Cela permet aux ingénieurs de dimensionner le câble et d’optimiser la capacité de charge. »

Marcel den Haan, responsable de la conception des réseaux et du développement commercial chez Grøft Design®, ajoute : « Il est nécessaire de connaître la charge maximale supportée par le câble afin de pouvoir ajuster des variables telles que le diamètre du câble, la charge ou l’air ambiant. Vous surveillez ce qui se passe autour et au-dessus du câble pour voir jusqu’où vous pouvez aller. »

L’un des facteurs les plus influents dans la dissipation thermique est la composition du sol. La capacité du sol à retenir l’humidité, essentielle à la conductivité thermique, dépend de sa granularité et de la structure de ses pores. Les sols à grains fins comme l’argile retiennent bien l’eau grâce à l’action capillaire, tandis que les sols à grains grossiers comme le sable se drainent plus rapidement mais peuvent favoriser la migration verticale de l’humidité.

Il est important de noter que lorsque le câble chauffe, il assèche le sol environnant, formant ainsi une « zone sèche » avec une conductivité thermique plus faible. Un sol ou un remblai à forte rétention d’humidité contribue à atténuer la formation de ces zones chaudes.

« Le sol peut sembler sans intérêt pour les ingénieurs électriciens, explique Engebrethsen, mais il est essentiel pour réaliser une bonne installation de câbles. » Il faut des sols à faible résistivité thermique, capables de retenir l’humidité même lorsque le câble chauffe. »

La profondeur d’enfouissement des câbles joue également un rôle. Les installations plus profondes augmentent la distance que la chaleur doit parcourir pour se dissiper, ce qui réduit l’intensité admissible. Pour tenir compte de ces variables, des analyses complètes du sol sont souvent effectuées.

Jacco Smit, de TenneT, décrit le processus : « Nous effectuons une étude du sol tout au long du tracé. Si nous forons jusqu’à 40 mètres, nous analysons toutes les couches présentes avec leurs capacités thermiques et recalculons une nouvelle valeur de résistivité thermique globale. »

Ces études permettent de quantifier les effets des conditions du sol sur l’intensité admissible des câbles, la formation de zones sèches et la nécessité d’ajuster le profil thermique d’une installation.

Stratégies de gestion de la chaleur dans les installations souterraines de câbles

Compte tenu de l’impact significatif que la production et la dissipation de chaleur ont sur l’efficacité et le coût des systèmes électriques souterrains, une gestion efficace de la chaleur est essentielle. Une chaleur non contrôlée peut accélérer le vieillissement des composants des câbles, réduire leur intensité admissible et augmenter le risque de défaillance. D’autre part, la gestion du comportement thermique permet aux services publics de maximiser la capacité de charge et la fiabilité de leurs réseaux.

Les ingénieurs disposent de plusieurs outils pour contrôler la chaleur dans les installations souterraines. Il s’agit notamment d’une sélection rigoureuse des matériaux, du dimensionnement des conducteurs, de l’augmentation de l’espacement des câbles, de l’optimisation de la profondeur d’enfouissement et des technologies d’atténuation thermique. Comme l’explique Jacco Smit, conseiller principal en gestion d’actifs chez TenneT, « Nous voulons toujours répondre à la demande requise pour la connexion. Il y aura bien sûr des points chauds, mais nous choisirons alors une section transversale de conducteur plus grande ou ajusterons les propriétés thermiques du sol, du conduit ou du réseau de conduits environnants. »

Smit souligne que la conception thermique commence par la compréhension de la charge requise par le système. « De mon point de vue, dit-il, nous avons l’obligation d’aller de A à B pour transporter une certaine quantité de MVA ou d’ampères à travers la connexion, et nous trouverons la solution la mieux adaptée pour le dimensionnement des câbles, etc. »

Au-delà des paramètres de conception de base, la gestion avancée de la chaleur peut impliquer l’utilisation stratégique de l’eau souterraine pour faciliter la dissipation thermique, la liaison croisée pour réduire les pertes dans la gaine et l’analyse localisée des effets du courant dans la gaine. Dans les installations longue distance, des configurations de câbles telles que les dispositions en trèfle (triangulaires) sont utilisées pour réduire les interférences magnétiques et maintenir l’équilibre thermique.

Smit souligne également que le forage horizontal dirigé (HDD) est un domaine dans lequel la gestion thermique est essentielle. « Ce que nous avons découvert grâce à la vérification des calculs par surveillance thermique, note-t-il, c’est que lors du forage horizontal dirigé, les pics de température se produisent aux points d’entrée et de sortie du trou de forage. Le profil de température augmente brusquement, diminue au milieu du forage, puis augmente à nouveau de l’autre côté. »

Pour atténuer ces points chauds localisés, des mesures d’ingénierie civile peuvent être mises en œuvre. « Nous prenons des mesures pour écarter les conduits aux points d’entrée et de sortie », explique M. Smit. « Cela permet de répartir la température de manière plus homogène et d’obtenir un meilleur équilibre thermique. »
Ces exemples montrent que les problèmes liés à la chaleur dans les systèmes souterrains, bien que complexes, sont gérables. Grâce à une bonne compréhension de la dynamique thermique et à des stratégies de conception et de surveillance adaptées, les services publics peuvent s’engager en toute confiance dans l’enfouissement des réseaux sans compromettre leurs performances.

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Le rôle des normes dans la gestion de la dynamique thermique

À mesure que les installations de câbles souterrains se généralisent, il devient essentiel de comprendre et de gérer la dynamique thermique afin de maintenir les performances et la longévité du système. Alors que les outils de sélection des matériaux, de conception et d’analyse aident les ingénieurs à gérer la chaleur au niveau du projet, les normes et directives internationales fournissent un cadre commun pour la modélisation et la gestion du comportement thermique des systèmes de câbles électriques.

Ces normes varient selon les régions, reflétant des facteurs environnementaux tels que la température ambiante, les conditions du sol, les pluies et les profils de charge. Comme l’explique Marius Engebrethsen de REN, la norme CEI 60287 est l’une des plus utilisées en Europe et dans le monde. « Il repose sur des méthodes analytiques, explique-t-il, et est couramment utilisé pour générer des calculs relatifs à la production et à la dissipation de chaleur. »

Aux États-Unis, la norme IEEE 835 sert de référence équivalente. Il combine à la fois des approches analytiques et empiriques, ce qui le rend utile pour modéliser non seulement les charges en régime permanent, mais aussi en conditions cycliques et d’urgence. De plus, Engebrethsen met en avant la brochure technique TB880 du CIGRE, qui intègre l’analyse par éléments finis (FEA) et fournit des cas d’utilisation permettant de comparer les logiciels de simulation à des scénarios pratiques.

Bien que ces normes constituent une base solide, elles ne sont pas sans limites. Par exemple, la norme CEI 60287 suppose des profils de charge constants et utilise des tableaux de données statiques, qui peuvent être obsolètes ou ne pas correspondre aux conditions réelles sur le terrain. Cela peut entraîner des résultats inexacts dans les environnements dynamiques modernes.

Marcel den Haan de Grøft Design souligne ce défi : « Il existe de nombreuses variantes où il faut être plus précis que ce qui est prévu dans la norme. Même lorsque vous travaillez dans le cadre de la norme, vous devez tout de même calculer les parties les plus difficiles. Si vous ne le faites pas, vous risquez d’assécher le sol ou de dépasser la température maximale du câble. »

Certaines normes supposent également des profondeurs d’enfouissement uniformes et des propriétés homogènes du sol, des hypothèses qui sont rarement vérifiées dans les projets réels. Ces simplifications peuvent conduire à une sous-estimation ou à une surestimation des risques liés à la chaleur.

Outre les normes IEC 60287 et IEEE 835, d’autres normes pertinentes incluent la norme IEC 60853-1 pour les courants nominaux cycliques et d’urgence, la norme IEEE 835 pour les calculs de l’intensité admissible dans les conduits et les chemins de câbles, et l’article 310.15(B) du NEC, qui fournit des tableaux d’intensité admissible et des facteurs d’ajustement.

À mesure que les logiciels de simulation continuent de progresser, offrant une plus grande précision et la possibilité de prendre en compte les conditions locales, certaines contraintes de ces normes seront assouplies. Cette évolution permettra aux planificateurs et aux ingénieurs de modéliser plus précisément les systèmes de câbles souterrains et d’affiner les conceptions pour une dissipation optimale de la chaleur, prolongeant ainsi la durée de vie des câbles et améliorant les performances globales du réseau.

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Évolution de la gestion thermique dans la conception des systèmes de câbles souterrains

L’installation de câbles souterrains dans des conduits a une histoire qui remonte à plus d’un siècle dans de nombreuses régions du monde. Au fil du temps, les services publics d’électricité, les consultants en ingénierie, les entrepreneurs en génie civil et les fabricants ont accumulé des connaissances et une expérience pratique précieuses. Ces enseignements, tirés à la fois des réussites et des défis rencontrés, ont façonné l’approche actuelle en matière de conception des systèmes de câbles souterrains. Cependant, les idées fausses sur la manière de gérer la chaleur dans les systèmes de câbles à conduits persistent, souvent en raison d’informations et de pratiques obsolètes.

Dans les premières installations de câbles souterrains, on utilisait couramment des tuyaux contenant de l’amiante. Ce matériau était très résistant au feu et non conducteur, mais il était également connu pour ses propriétés isolantes élevées. Pour compenser la chaleur produite lors de l’installation d’un câble dans un conduit, sa capacité de courant maximale a été réduite à l’aide d’un facteur de déclassement universel. Cependant, avec l’introduction des gaines de câbles et des matériaux de conduits en plastique, ce facteur ne reflète plus fidèlement les conditions thermiques actuelles.

« L’influence des tuyaux sur le courant admissible à long terme des lignes câblées est variée et ne peut être décrite par l’introduction d’un facteur de correction universel », explique Mikhail Dmitriev, consultant en systèmes d’alimentation électrique chez Voltplace. « Dans de nombreux cas, la pose de câbles dans des tuyaux ne réduit pas le courant admissible, au contraire, elle l’augmente », affirme Dmitriev.

Le manque de compréhension des caractéristiques thermiques des nouveaux matériaux utilisés pour les conduits et les gaines a parfois découragé une utilisation plus large des installations à conduits. De nombreux services publics ont opté par défaut pour les méthodes à tranchée ouverte, estimant qu’elles offrent une meilleure dissipation thermique et des coûts de construction moins élevés. Cependant, cette perception est de plus en plus remise en question.

Une méthode utilisée pour gérer la chaleur consiste à inonder les systèmes de câbles gainés avec une boue d’argile bentonite. Au départ, la bentonite était utilisée pour lubrifier le câble pendant son installation, mais on s’est également aperçu qu’elle contribuait à la dissipation thermique. Cependant, cette méthode d’inondation à la bentonite est tombée en désuétude pour plusieurs raisons.
Tout d’abord, l’introduction de lubrifiants à base d’eau au cours de la seconde moitié du XXe siècle s’est avérée beaucoup plus efficace pour réduire les frottements lors du tirage des câbles. Ces lubrifiants permettent d’installer en toute sécurité des câbles plus longs sur de plus grandes distances.

Deuxièmement, on a découvert qu’au fil du temps, l’argile bentonite provoquait l’adhérence du câble au conduit, rendant son retrait ou son remplacement extrêmement difficile. Dans de nombreux cas, il a fallu procéder à la remise en état des conduits avant de pouvoir installer les nouveaux câbles.

Malgré cela, l’argile bentonite est toujours utilisée dans certains processus d’installation de câbles dans des conduits, notamment lors du forage horizontal dirigé (HDD). Dans ce contexte, elle est appliquée autour de l’extérieur du tuyau pour faciliter l’installation du conduit. La consistance visqueuse de la boue contribue également à maintenir l’intégrité du trou de forage en soutenant ses parois et en empêchant son effondrement pendant le forage et l’installation.

Malgré les preuves de plus en plus nombreuses et l’expérience acquise sur le terrain, les idées fausses concernant la dissipation thermique dans les systèmes de câbles gainés persistent dans de nombreuses régions. Ces malentendus risquent de faire oublier les nombreux avantages des installations utilisant des conduits, notamment une meilleure protection contre les dommages mécaniques et les incendies, une fiabilité et une efficacité accrues du système, une maintenance simplifiée et une localisation plus rapide des pannes, ainsi qu’une infrastructure prête pour les mises à niveau futures.

Plus important encore, les systèmes à conduits offrent la flexibilité à long terme nécessaire pour répondre à la demande croissante en énergie. De nombreux ingénieurs conçoivent désormais des systèmes de conduits pouvant être utilisés pendant plusieurs cycles de vie des câbles.

« Nous prescrivons une certaine qualité de conduit lorsque nous avons besoin que le conduit soit utilisé deux fois », explique Jacco Smit de TenneT. « Donc, nous l’installons une fois, et pendant la durée de vie de 50 ans du système de câbles, le câble sera retiré et remplacé par un nouveau câble. »

Smit ajoute : « Nous tenons également compte du fait que les conducteurs seront plus gros à l’avenir en raison du développement de nouveaux câbles. Le conduit est donc robuste et suffisamment grand pour avoir une durée de vie de 100 ans. »
Les progrès réalisés au cours des dernières décennies dans le domaine des matériaux utilisés pour les câbles et les conduits, ainsi que l’amélioration des pratiques de planification et d’installation, ont considérablement amélioré les performances thermiques et la capacité de transport de courant des systèmes souterrains.

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Conclusion

À mesure que les installations de câbles souterrains en conduit se multiplient pour répondre à la demande croissante en électricité, il est essentiel d’avoir une bonne compréhension de la thermodynamique. Tous les câbles électriques génèrent de la chaleur, et lorsque cette chaleur n’est pas correctement dissipée, cela peut compromettre à la fois l’efficacité et la durée de vie des systèmes à moyenne et haute tension. Pour maintenir un service fiable et optimiser la capacité de transport de courant, la chaleur doit être soigneusement anticipée et gérée.

L’optimisation des performances thermiques dépend de plusieurs facteurs, allant de la conception du système et du choix des matériaux à la modélisation précise et au respect des normes. La compréhension de l’interaction entre ces éléments, ainsi que la capacité à appliquer et à interpréter les calculs thermiques, sont essentielles à la réussite de la planification d’un projet.

En améliorant la compréhension des facteurs thermiques dans les réseaux de câbles souterrains et en mettant en œuvre des stratégies de gestion thermique, les services publics ouvrent la voie aux nombreux avantages économiques, opérationnels et environnementaux à long terme qu’offrent les réseaux électriques souterrains.

Découvrez les contributeurs

Jacco Smit
Conseiller principal en technologie, câbles et lignes
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Consultant en systèmes électriques
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