Introduction
Les tours de transmission (pylônes électriques) transportent de grandes quantités de courant haute tension sur de longues distances. Ces structures mesurent généralement entre 16 et 45 mètres de haut, avec les plus hautes atteignant 380 mètres. Les tours de transmission connectent les centrales électriques à une série de sous-stations, permettant à une région de puissance du réseau de se connecter à une autre.
Tours de Transmission
Des tensions plus élevées sur les lignes électriques nécessitent un espace entre chaque ligne et d'autres objets, permettant aux personnes, véhicules et autres équipements de circuler librement en dessous. Les conducteurs sous tension de la tour sont supportés par des isolateurs, dont la longueur augmente avec la tension croissante du circuit. Pour cette raison, les tours de transmission mesurent généralement entre 16 et 45 mètres de haut, ou plus si elles traversent des cours d'eau ou d'autres gouffres naturels.
La plupart des structures de tours sont fabriquées en acier, mais certaines sont fabriquées en béton, bois ou même en fonte ductile. Les poteaux de distribution en bois, que l'on trouve dans les quartiers locaux (sauf en cas de lignes électriques souterraines), mesurent généralement environ 12 mètres de haut. Les tensions de transmission sont généralement comprises entre 23 000 volts et 765 000 volts.
D'un point de vue mécanique, les conducteurs d'une tour se comportent comme des câbles dont la flèche entre leurs points de support dépend de la température et de la pré-tension du conducteur. Les forces de traction dans le conducteur ont un grand effet sur la conception d'une tour.
Flèche et Dégagement de la Tour de Transmission
Conducteurs de Tour de Transmission
Les conducteurs de tour de transmission sont généralement fabriqués à partir de câble en aluminium renforcé d'acier (ACSR-Aluminium Conductor Steel-Reinforced) et sont presque toujours disposés en ensembles de trois pour la transmission de courant alternatif triphasé (3~); un quatrième câble neutre peut être utilisé pour la transmission sur de courtes distances, mais cela n'est pas courant.
Les conducteurs sont groupés par phase. Il pourrait y avoir une ligne de conducteur par groupe (trois au total), deux lignes de conducteur par groupe (six au total), ou plus. Les groupes sont installés en multiples de trois, c'est-à-dire 3, 6, 9, et peuvent être disposés en forme triangulaire ou parallèles les uns aux autres.
Configurations de Faisceau de Conducteurs de Tour
Le regroupement en trois voies augmente l'efficacité de la transmission. Cependant, si vous regardez le sommet d'une tour de transmission, vous pouvez voir un ou deux fils plus petits et solitaires. Ces fils ont plusieurs noms, fil de terre aérien, fil statique, ou fil pilote, mais tous décrivent le même fil. Un fil de terre aérien (fil statique / fil pilote) absorbe ou dévie les éclairs, transmettant l'électricité en toute sécurité au sol. Dans des conditions normales, le fil aérien ne transporte pas d'électricité (son potentiel de tension est de 0).
Certains fils de terre aériens sont groupés avec des câbles à fibre optique qui transmettent des données de télécommunication. Essentiellement faits de verre, les câbles à fibre optique ne peuvent pas conduire l'électricité et ne sont pas affectés par les éclairs.
Alternativement, vous pouvez remarquer des fibres optiques courant à quelques pieds (<1m) sous les conducteurs de transmission. Ajouter des lignes de télécommunication augmente le retour sur investissement associé à la construction de réseaux de transmission. Les lignes à fibre optique peuvent être exploitées par l'entreprise de services publics ou louées à des entreprises de câblodistribution ou de téléphonie.
Travailleurs Installant un Câble à Fibre Optique
Structures de Tour de Transmission
Les structures couramment utilisées sur les lignes de transmission sont soit de type treillis, soit de type poteau. Les structures en treillis sont généralement composées de sections angulaires en acier. Les poteaux peuvent être en bois, acier ou béton. Chaque type de structure peut être autoportant ou haubané (soutenu par des câbles).
Structure de Tour de Transmission
Les structures de type poteau sont généralement utilisées pour des tensions de 345 kV ou moins, tandis que les structures en acier treillis sont privilégiées pour les niveaux de tension plus élevés. Les structures en poteaux de bois peuvent être utilisées de manière économique pour des distances de transmission relativement courtes et des tensions plus faibles.
La configuration d'une tour de ligne de transmission dépend de nombreux facteurs, certains sont listés ci-dessous :
- Le nombre et le type de conducteurs.
- La longueur de l'ensemble d'isolateurs.
- Les dégagements minimums à maintenir entre les conducteurs et la tour.
- La position du ou des fils de terre par rapport au conducteur le plus extérieur.
- Le dégagement en milieu de portée requis en tenant compte du comportement dynamique des conducteurs et de la protection contre la foudre de la ligne.
- Le dégagement minimum du conducteur le plus bas au-dessus du sol.
Les facteurs régissant la hauteur d'une tour sont :
- Dégagement minimum admissible au sol (h1).
- Flèche maximale (h2).
- Espacement vertical entre les conducteurs supérieur et inférieur (h3).
- Dégagement vertical entre le fil de terre et le conducteur supérieur (h4).
La hauteur totale de la tour est donnée par la somme des quatre facteurs (h1+h2+h3+h4).
Structure de Tour de Transmission
Configuration de la Tour
Selon les besoins du système de transmission, diverses configurations de ligne doivent être envisagées, allant de structures horizontales à circuit unique à structures verticales à circuits multiples, avec des chaînes simples ou en V dans toutes les phases, ainsi que toute combinaison de celles-ci. De plus, pour les très hautes tensions (500 kV et plus), les conducteurs sont regroupés pour réduire les émissions de couronne et réduire l'inductance de la ligne.
La configuration d'une tour de ligne de transmission dépend de nombreux facteurs, certains des plus importants sont listés ci-dessous :
- Tension.
- Nombre de circuits.
- Type de conducteurs.
- Type d'isolateurs.
- Ajout possible de nouveaux circuits à l'avenir.
- Tracé de la ligne de transmission.
- Sélection des sites de tours.
- Sélection des points rigides.
- Sélection de la configuration des conducteurs.
- Sélection de la hauteur pour chaque tour.
Les tours sont classées selon leur utilisation, indépendamment du nombre de conducteurs qu'elles supportent. Une tour doit résister aux charges mécaniques provenant de diverses directions, par exemple, droite, à un angle, etc. Pour simplifier la conception des tours et assurer une économie globale en coût et en maintenance, les conceptions de tours sont généralement limitées à quelques types standard.
Types de Tours de Transmission
Il existe plusieurs types de tours de transmission et de nombreuses variations, mais elles peuvent être grossièrement regroupées comme suit :
- Tours de Suspension – les conducteurs sont suspendus entre deux tours à l'aide d'isolateurs de suspension.
- Tours Terminales – les conducteurs d'une ligne de transmission sont connectés à une sous-station ou à un câble souterrain via les isolateurs de tension d'une tour.
- Tours de Tension – la tour peut supporter le poids des câbles et la charge axiale (tension dans une direction horizontale).
- Tours de Transposition – la tour change la position des conducteurs sur une ligne de transmission les uns par rapport aux autres, par exemple, en position x, hors position y.
Il y a trop de variations de tours pour être discutées ici, mais certaines des plus courantes seront maintenant discutées plus en détail.
Types de Tours de Transmission
Tours de Suspension
Les tours de suspension (tours tangentes) sont principalement utilisées sur les tangentes mais sont souvent conçues pour résister à des angles dans la ligne seulement jusqu'à 2°, en plus des charges de vent, de glace et de conducteurs cassés. Si la ligne de transmission traverse un terrain relativement plat et sans caractéristiques, quatre-vingt-dix pour cent de la ligne peut être composée de ce type de tour. Ainsi, la conception de la tour tangentielle offre la plus grande opportunité pour l'ingénieur structurel de minimiser le poids total de l'acier requis pour le système de transmission.
Vue de Dessus de Tour de Transmission Tangente
Tours d'Angle
Les tours d'angle, parfois appelées tours 'semi-ancrage', doivent résister aux charges transversales induites à un angle (en plus des charges habituelles de vent, de glace et de conducteurs cassés). Les tours d'angle sont plus lourdes que les tours de suspension par nécessité.
Vue de Dessus de Tour de Transmission d'Angle
Les tours d'angle sont utilisées lorsque la déviation de la ligne dépasse un angle supérieur à 2°; elles sont classées comme suit :
- Petites tours d'angle (déviation de ligne de 2-10°).
- Tours d'angle moyen (déviation de ligne de 10-30°).
- Grandes tours d'angle (déviation de ligne de 30-60°).
Tour de Tension / Tour de Traction
Contrairement aux tours de suspension, les tours de tension utilisent des isolateurs de traction pour résister à la charge axiale exercée sur la tour par les conducteurs (tension nette agissant sur la tour).
Vue Latérale de Tour de Suspension et de Traction
Tour de Fin de Ligne
Les tours de fin de ligne (tours d'ancrage) supportent le poids des conducteurs de connexion et prennent en charge la tension dans les conducteurs; ce type de tour utilise également des isolateurs de traction. Les tours de fin de ligne sont généralement utilisées à la fin d'une ligne de transmission avant que la ligne ne passe à une sous-station ou à une ligne souterraine. Les tours de fin de ligne sont souvent installées périodiquement entre une série de tours de suspension; cette configuration réduit la probabilité d'une défaillance en cascade d'une série de tours (peut se produire lorsqu'un conducteur de la ligne de transmission échoue).
Charges sur les Tours de Transmission
Les charges agissant sur une tour de transmission électrique sont nombreuses et dynamiques, certaines sont listées ci-dessous :
- Charge morte de la tour.
- Charge morte des conducteurs et autres équipements.
- Charge de neige sur les conducteurs et équipements.
- Charge de glace sur la tour elle-même
- Charges d'érection et de maintenance.
- Charge de vent sur la tour.
- Charge de vent sur les conducteurs et équipements.
- Charges des forces de traction des conducteurs.
- Charges d'activité sismique (tremblements de terre, etc.).
La charge principale agissant sur une tour de transmission provient des conducteurs, et que les conducteurs se comportent comme des chaînes capables de résister uniquement aux forces de traction. Par conséquent, la charge morte des conducteurs est calculée en utilisant la portée de poids, qui peut être considérablement différente de la portée de vent utilisée en rapport avec le calcul de la charge de vent.
Charges de Poids et de Vent
La longueur de portée moyenne est généralement choisie pour être entre 300 et 450 mètres. La présence de glace et de neige, etc., ajoute au poids des parties couvertes et augmente leur exposition aux effets du vent. La sous-estimation de ces circonstances a souvent conduit à des dommages et à l'effondrement des tours de transmission.
La taille et la distribution des charges de glace et de neige dépendent du climat et des conditions locales. La force du vent est généralement supposée agir sur un plan horizontal. Cependant, en fonction des conditions locales, une direction inclinée peut devoir être envisagée. De plus, différentes directions de vent (dans le plan horizontal) doivent être prises en compte pour les conducteurs ainsi que pour la tour elle-même. La vitesse maximale du vent ne se produit pas simultanément sur toute la portée, donc des coefficients sont introduits dans les calculs de charge pour en tenir compte.
Les forces de traction dans les conducteurs agissent sur les deux faces de la tour dans la direction de la ligne. Si les forces sont équilibrées, aucune force longitudinale n'agira sur une tour suspendant une ligne droite. Pour les tours d'angle, les forces longitudinales entraînent une force résultante agissant dans le plan de la bissectrice de l'angle. Pour les tours terminales, les forces peuvent causer des forces résultantes longitudinales importantes. Comme les forces de traction varient avec les charges externes, même les tours de suspension sur une ligne droite sont affectées par les forces longitudinales.
Objectifs Supplémentaires des Tours
Les tours de transmission servent souvent un double ou triple objectif. Des collecteurs de données météorologiques et de communication sont souvent installés sur les tours de transmission. Par exemple, vous avez peut-être remarqué les coupelles tournantes d'un anémomètre mesurant la vitesse du vent, ou d'autres équipements météorologiques installés sur une tour. De plus, des antennes de téléphonie mobile peuvent être attachées à certaines tours de transmission à des emplacements stratégiques.
Les premiers concepteurs de tours ont découvert que certains grands oiseaux aiment construire des nids au sommet des tours. Malheureusement, les oiseaux peuvent provoquer une panne si les déchets excrétés tombent sur un isolateur et provoquent un court-circuit. Pour éviter ces pannes involontaires et maintenir une relation positive avec la faune locale, les concepteurs incluent maintenant des plateformes de nidification spéciales pour les oiseaux.
Oiseaux Nichant sur les Tours de Transmission
Modèle 3D
Ce modèle 3D montre une tour de transmission électrique typique utilisée pour distribuer une tension supérieure à 200 kV. La tour est conçue pour être structurellement solide. Sa structure est également conçue pour réduire l'effet des vents forts sur la tour. Les traversées de la tour isolent la tour des câbles électriques (ligne de transmission), assurant ainsi que le potentiel électrique de la tour reste à zéro.
Ce modèle 3D montre tous les composants majeurs associés à un pylône électrique haute tension typique; ceux-ci incluent :
- Sommet de la Tour
- Poutre
- Traversées
- Fourche
- Traverse
- Fenêtre de la Tour
- Fil de Terre Aérien
- Faisceau de Conducteurs
- Corps de la Tour (Taille, Jambe, Membres Diagonaux)
- Base de la Tour (Fondation)
Ressources Supplémentaires
https://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_tower
http://www.hydroquebec.com/learning/transport/types-pylones.html
https://www.electrical4u.com/electrical-transmission-tower-types-and-design/