Pour garantir la sécurité des personnes et de l’environnement autour des lignes électriques, les champs électriques et magnétiques créés par ces dernières doivent être surveillés. Grâce à la modélisation et à la simulation, les ingénieurs peuvent anticiper la façon dont ces champs se propagent à partir des lignes électriques et comment cela affecte leur intensité au niveau du sol. Examinons deux exemples d’utilisation du logiciel COMSOL Multiphysics® pour analyser les champs générés par des lignes électriques.
Zones d’énergie invisibles
Une grande partie de l’électricité que nous utilisons quotidiennement provient de lignes électriques de haute et basse tension, qui créent des champs électriques et magnétiques (champs EM). Les lignes électriques conduisent de forts courants de basse fréquence, donnant lieu à des champs EM non ionisants qui s’estompent rapidement avec la distance. Il est néanmoins important de surveiller l’exposition et la génération de ces champs pour s’assurer qu’ils restent dans une fourchette de sécurité pour les personnes et l’environnement proches.
Figure 1. Modèle illustrant des lignes électriques transportant de l’électricité sur de longues distances.
Par la suite, nous allons explorer deux exemples illustrant l’utilisation de la modélisation et de la simulation pour l’analyse des champs électriques et magnétiques produits par des lignes électriques. Ces exemples se concentrent sur l’intensité des champs et leur distribution par rapport aux lignes électriques et aux pylônes.
Analyse de la configuration de deux modèles de lignes électriques
Les modèles Electric Field from Power Lines et Magnetic Field from Power Lines, disponibles dans notre Bibliothèque d’Applications, comportent deux pylônes qui transmettent de l’électricité triphasée haute tension en courant alternatif. Les pylônes sont équipés de deux lignes de blindage au-dessus des lignes de phase afin d’éviter les dommages causés par la foudre. Les lignes de phase sont généralement constituées de plusieurs petits conducteurs regroupés dans les lignes de transmission à haute tension. Pour simplifier les modèles, chaque ligne de phase ne comporte qu’un seul conducteur dont le rayon est porté à 10 cm pour imiter celui d’un faisceau de conducteurs. Dans chaque modèle, le sol est considéré comme une surface aléatoirement perturbée pour simuler les irrégularités de la terre.
Figure 2. À gauche : Une ligne électrique, photo de David Levêque sur Unsplash. A droite : La géométrie du pylône de transmission. Les deux lignes de blindage sont visibles en haut, tandis que les trois lignes de phase sont maintenues par les isolateurs.
Maintenant que nous avons couvert les éléments fondamentaux des géométries des deux modèles, examinons les résultats de chacun d’entre eux. (Les instructions pas à pas pour la construction de ces modèles et leurs fichiers MPH peuvent être téléchargés à partir des entrées de la Bibliothèque d’Applications, dont le lien figure au bas de cet article.)
Modèle de champ électrique
Dans le modèle de champ électrique, il est possible de définir l’amplitude et la phase de la tension sur chaque ligne de phase. (Dans le scénario illustré par la Figure 3, la tension a été fixée à 400 kV et les phases ont été séparées de 120º). De plus, la méthode des éléments de frontière et un potentiel fixe sur tous les bords et toutes les surfaces ont été utilisés, de sorte que le modèle n’a besoin d’un maillage que sur ces entités. En comparaison, l’utilisation de la méthode des éléments finis, pour laquelle le modèle nécessiterait la création d’un maillage volumique dans l’ensemble du domaine d’air, augmenterait considérablement le nombre de degrés de liberté et rallongerait le temps nécessaire à la résolution du modèle.
Les résultats illustrent la norme du champ électrique généré par les fils au niveau du sol et les lignes de courant indiquent la direction locale du champ dans l’air. Le champ électrique se présente sous la forme d’une ramification autour des lignes électriques. Le champ est le plus fort à proximité des lignes électriques et diminue à mesure que l’on s’en éloigne. Connaître la distance à laquelle les champs se propagent peut aider les ingénieurs à déterminer la distance à laquelle les bâtiments peuvent être construits à proximité des lignes électriques afin de minimiser l’exposition et d’assurer la conformité avec les réglementations.
Figure 3. Norme du champ électrique (surface) et champ électrique (lignes de courant) des lignes de transmission.
Modèle de champ magnétique
Dans le modèle de champ magnétique, chaque ligne de phase conduit un courant de 1000 A. Comme dans le modèle de champ électrique, les phases de ce modèle sont également séparées de 120º. Une condition limite d’isolation magnétique est appliquée par défaut à toutes les frontières extérieures du modèle.
Tout comme le modèle de champ électrique, les résultats du modèle de champ magnétique montrent également la norme du champ magnétique généré par les fils des lignes électriques au niveau du sol et les lignes de courant indiquent la direction du champ. Les lignes de courant forment des boucles fermées. Dans ce modèle, le champ magnétique est également le plus fort à proximité des lignes électriques et diminue avec la distance.
Figure 4. Norme du champ magnétique (surface) et champ magnétique (lignes de courant) des lignes de transmission.
Prochaines étapes
Dans cet article de blog, nous avons abordé deux exemples de modèles qui peuvent être construits avec COMSOL Multiphysics® pour étudier les distributions de champs électrique et magnétique produits par des lignes électriques. Les modèles de ce type sont importants pour mesurer la portée et le comportement des champs EM, ce qui peut permettre de mieux comprendre comment les champs EM interagissent avec le milieu environnant.
Vous souhaitez essayer de modéliser vous-même les champs EM des lignes électriques ? Les modèles présentés ci-dessus et leurs instructions étape par étape sont disponibles ici :
Pour aller plus loin
Pour en savoir plus sur le rôle de la simulation dans l’étude de l’exposition aux champs électromagnétiques, consultez le Blog COMSOL :
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