Universit de Lige Facult des sciences appliques
Thse prsente en vue de lobtention du grade de
Docteur en Sciences de lIngnieur
par
Jean-Pierre NZURU NSEKERE
Contribution lanalyse et la ralisation des mises la terre des installations lectriques dans les
rgions tropicales
Fvrier 2009
Remerciements
Avant toute chose, nous remercions le professeur Jean-Louis Lilien, promoteur de cette
thse, pour sa disponibilit la diriger, malgr ses multiples occupations. Ses remarques,
suggestions et conseils nous ont t dune importance capitale.
Nous sommes galement reconnaissant aux professeurs Kamabu et Kitoko de la Facult
Polytechnique de lUniversit de Kinshasa, pour avoir accept de suivre ce travail. Leurs
remarques nous ont t bnfiques.
Notre gratitude sadresse aussi aux professeur Patrick Dular et docteur Ruth Sabariego, qui
nous ont sensiblement aid dans la mise au point de nos diffrents modles des calculs
lments finis. Leurs conseils et suggestions nous ont montr le bon chemin suivre.
La Coopration Universitaire au Dveloppement (CUD) qui a accept de financer ce
programme de recherche devra trouver travers son aboutissement, une satisfaction
davoir atteint le but escompt. Nous lui disons merci.
Nous adressons aux responsables de la Facult Polytechnique de lUniversit de Kinshasa
notre reconnaissance, pour avoir accept de nous soutenir dans notre formation.
Nous ne pouvons pas oublier tout le personnel du service de Transport et Distribution de
lEnergie Electrique de lUniversit de Lige, pour lesprit de collaboration pendant le
droulement de ce travail. Les autres chercheurs et personnel de lInstitut Montefiore ne
sont pas, pour autant, oublis. Quils trouvent travers ces mots, notre plaisir davoir
partag des bons moments ensemble.
La Socit Nationale dElectricit (SNEL) qui nous a permis deffectuer des mesures des
mises la terre de ses cabines de distribution nest pas oublie. Nous la remercions.
ii
Table des matires
Remerciements .............................................................................................. i Introduction.................................................................................................. 1 Chapitre 1 : Notions de base sur la mise la terre ..................................... 4
1.1. Introduction ......................................................................................................................4 1.2. Dfinition et but dun rseau de terre...............................................................................4 1.3. Rsistance et rsistivit de la terre....................................................................................4 1.4. Rpartition de potentiel autour dun rseau de terre ......................................................6 1.5. Rsistance dune lectrode hmisphrique.......................................................................7 1.6. Tension de pas ...................................................................................................................7 1.7. Mise la terre dans le sol non homogne .........................................................................9
1.7.1. Introduction .............................................................................................................................. 9 1.7.2. Modlisation de la rsistivit des sols ........................................................................................ 9
1.8. Mesures des rsistivits des sols et des rsistances des mises la terre .........................11 1.8.1. Mesure des rsistivits des sols ............................................................................................... 11 1.8.2. Mesure des rsistances des rseaux de terre ............................................................................. 12
1.9. Schmas de liaison la terre (rgimes du neutre)..........................................................13 1.9.1. Schmas de liaison la terre (rgimes de neutre) en basse tension (BT) ................................... 13 1.9.2. Schmas de liaison la terre en moyenne tension (MT) ........................................................... 13
1.10. Normes de mise la terre..............................................................................................14 1.10.1. Normes relatives la scurit des personnes .......................................................................... 15 1.10.1. Normes relatives la scurit des quipements ...................................................................... 17
Chapitre 2 : Evaluation des caractristiques des mises la terre par lments finis .............................................................................................. 20
2.1. Introduction ....................................................................................................................20 2.2. La mthode des lments finis (EF) ................................................................................21
2.1.1. Brve description de la mthode des lments finis.................................................................. 21 2.1.2. Les codes GetDP et Gmsh....................................................................................................... 22
2.3. Calcul de la rsistance dune mise la terre et de la rpartition des potentiels en courant constant (modle lectrocintique) ..........................................................................23
2.3.1. Introduction ............................................................................................................................ 23 2.3.2. Electrode hmisphrique......................................................................................................... 23 2.3.3. Llectrode cylindrique verticale (piquet de terre).................................................................... 31 2.3.4. Deux lectrodes cylindriques................................................................................................... 32 2.3.5. Electrode horizontale .............................................................................................................. 34
2.4. Mise la terre de forme simple avec un sol non homogne ...........................................37 2.4.1. Introduction ............................................................................................................................ 37 2.4.2. Sol en deux couches de rsistivits diffrentes......................................................................... 38 2.4.3. Sol en plusieurs couches de rsistivits diffrentes................................................................... 41
2.5. La mthode de perturbation ...........................................................................................43 2.5.1. Introduction ............................................................................................................................ 43 2.5.2. Principe de la mthode ............................................................................................................ 43
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2.5.3. Projection des sources ............................................................................................................. 45 2.5.4. Rsultats et validation de la mthode pour les lectrodes verticales .......................................... 47 2.5.5. Rsultats et validation de la mthode pour les lectrodes horizontales ...................................... 50 2.5.6. Conclusions ............................................................................................................................ 51
2.6. Caractristiques impulsionnelles des mises la terre ....................................................52 2.6.1. Introduction ............................................................................................................................ 52 2.6.2. Modles des lectrodes de mise la terre................................................................................. 53 2.6.3. Evaluation des caractristiques impulsionnelles des mises la terre par lments finis (modle magntodynamique) ......................................................................................................................... 70
Chapitre 3 : Mise la terre et lignes lectriques ...................................... 79 3.1. Introduction ....................................................................................................................79 3.2. Influence des mises la terre des pylnes sur des surtensions dues la foudre............80
3.2.1. Gnralits sur la foudre ......................................................................................................... 80 3.2.2. Coup de foudre sur une ligne arienne..................................................................................... 85
3.3. Application la ligne 220 kV Inga-Kinshasa .................................................................94 3.3.1. Prsentation de la ligne ........................................................................................................... 94 3.3.2. Rsultats des calculs ............................................................................................................... 95
Chapitre 4 : Mises la terre en rgions de fortes rsistivits des sols : cas pratiques en Rpublique Dmocratique du Congo................................. 100
4.1. Introduction ..................................................................................................................100 4.2. Mesures des mises la terre des cabines MT/BT du rseau de distribution de la ville de Kinshasa......................
