Environnement électromagnétique au voisinage des lignes électriques haute tension

Sources de champs électromagnétiques

     Les champs électromagnétiques ou rayonnements électromagnétiques sont d’une manière générale une forme de transport d’énergie sans support matériel. L’utilisation de ces rayonnements couvre de nombreuses applications dans une très large gamme de fréquence. On peut distinguer deux types de rayonnements électromagnétiques : rayonnements ionisants et non ionisants. Un rayonnement est ionisant s’il transporte une énergie suffisante pour arracher un électron à une molécule, notamment une molécule d’eau (énergie ≥14 eV). Cette énergie est capable d’avoir des effets biologiques majeurs, car elle va par des mécanismes physiques et chimiques, léser les molécules d’ADN qui sont sa cible principale. Ce type de rayonnement est de très hautes fréquences plus de 3. 1015, ou de longueur d’onde inférieure de 0,1µm. Pour les fréquences inférieures, les énergies mises en jeu sont trop faibles pour modifier les structures atomiques et on observe des effets thermiques et athermiques .Les effets thermiques sont la conséquence du chauffage diélectrique des tissus et sont connus et utilisé depuis plusieurs décennies dans le domaine de la thérapie. Dans les radiofréquences ces effets thermiques sont importants. Par contre la partie basse fréquence (ELF) les effets thermiques est dans la plupart des cas négligeables pour les sources fréquemment rencontrées et les effets observés sont dit athermiques [AS10]. Ces effets athermiques sont très complexes à étudier et ne se traduisent pas par un échauffement des tissus mais sont liés à une modification du potentiel de membrane et au transfert d’ions au travers de la membrane cellulaire. Ces effets sont également présents dans la gamme des radiofréquences. Dans la nature on distingue deux types de sources de champs électromagnétiques :
Sources d’origine naturelle La plupart des champs électromagnétiques naturels ont une fréquence de 0 Hz : ce sont des champs statiques, tels que le champ magnétique terrestre qui oriente l’aiguille aimantée de la boussole, et le champ électrique atmosphérique, qui peut atteindre des valeurs très élevées sous les nuages orageux et aux niveaux des pôles terrestres. Toutefois, d’autres sources naturelles produisent, quant à elles, des champs électromagnétiques qui varient dans le temps et dont certains ont une fréquence très élevée. On peut citer : l’électricité statique, la foudre et les rayonnements électromagnétiques à très haute fréquence THT.
Sources d’origine artificielle Dans l’environnement électromagnétique de basse fréquence : Ce sont les réseaux de haute tension qui constituent la principale source de champ électrique, les appareils industriels et domestiques sont les principales sources des champs magnétiques comme le montre le (tableau I) ,qui représente les sources et les limites supérieures des champs ELF qu’on rencontre souvent dans l’environnement général, domestique et sur les lieux de travail [21] .
 Dans l’environnement général : L’énergie électrique en provenance des centrales est transportée jusqu’aux agglomérations par des lignes à haute tension. La tension est ensuite abaissée par des transformateurs auxquels se rattachent les lignes de distribution locale. Les CE et CB au-dessous des lignes aériennes peuvent atteindre respectivement 12 kV/m et 30 µT. A proximité des centrales et des sousstations, les champs électriques peuvent atteindre 16 kV/m et les champs magnétiques 270 µT.
 Dans l’environnement domestique : Les intensités des champs électriques et magnétiques dans les habitations dépendent de nombreux facteurs ; de la distance aux lignes de transport, du nombre et du type d’appareils électriques utilisés, ou encore de la position et de la configuration des conducteurs électriques intérieurs. Les champs électriques au voisinage de la plupart des appareils domestiques ne dépassent pas 500 V/m et le champ magnétique est généralement inférieur à 150 µT. Dans les deux cas, le champ peut être nettement plus élevé à proximité immédiate de l’appareil, mais il diminue rapidement avec la distance.
 Dans l’environnement général Sur le lieu de travail : les champs électriques et magnétiques existent autour du matériel électrique et des fils conducteurs dans tous les établissements industriels. Les travailleurs chargés de l’entretien des lignes de transport et de distribution de courant peuvent être exposés à des champs très importants. A l’intérieur des centrales et des sous-stations, les champs électriques peuvent dépasser 25 kV/m et les champs magnétiques 2 mt. Les soudeurs peuvent être exposés à des champs magnétiques atteignant 130 mt. Près des fours à induction et des cuves d’électrolyse, les champs magnétiques peuvent atteindre 50 mT. Les employés de bureau sont exposés à des champs beaucoup moins intenses lorsqu’ils utilisent des photocopieuses, des écrans vidéo ou d’autres matériels analogues.

Champ Magnétique Rayonné

         Le champ magnétique dépend aussi des positions géométriques du point de mesure, de la distance qui sépare les phases des lignes et de leurs hauteurs géométriques par rapport au sol ; il ne dépend pas du niveau de tension mais il est directement proportionnel au courant transporté par la ligne. Le champ magnétique varie beaucoup plus avec la variation de la charge de la ligne et il est affecté par plusieurs facteurs :
• Les intensités des courants qui circulent dans les conducteurs (généralement les lignes haute tension transportent un courant moyen de 700 A).
• La garde au sol de la ligne ; nous pouvons remarquer que l’intensité du champ magnétique est maximale sous les conducteurs et diminue rapidement avec l’éloignement de la distance à l’axe du pylône.
• L’espacement des conducteurs par rapport à l’axe du pylône ainsi que la transposition des phases diminuent le champ magnétique. Par exemple, pour une ligne « non transposée » si les phases des deux côtés de la ligne sont dans le même ordre de haut en bas, nous avons un champ magnétique qui diminue avec l’inverse du carré de la distance de la ligne. Alors que pour les lignes « transposée » les permutations des phases des deux cotés de la ligne donnent une réduction du champ magnétique qui est inversement proportionnelle au cube de la distance.

Mécanismes d’action des perturbations électromagnétiques

     Le principe d’action des perturbations électromagnétique est schématisé par le diagramme de la figure (I.1). Pour que se produise un phénomène de perturbation électromagnétique, trois éléments doivent être présents : une source de perturbations, un milieu de couplage et une victime des perturbations [25] et [64].

Les études épidémiologiques chez les enfants

       La première étude épidémiologique qui a posé pour la première fois la question d’un risque possible lié à l’exposition au champ magnétique a été conduite en 1979 au Etats-Unis [73], Cette étude observait une plus grande fréquence de cancers, notamment de leucémies, parmi les enfants habitant près d’ouvrages électriques. Depuis de très importants travaux de recherches internationales ont été impulsés et se poursuivent encore. Pour mettre en évidence cette corrélation la plus part des études récentes ont utilisé des approches qui consistent à comparer directement les niveaux de champs mesurés dans les habitations et a considérer la densité et les caractéristiques des lignes électriques a leur voisinage. Vue la diversité des expositions aux champs électromagnétiques résidentiels, il parvient plus fiable de calculer les facteurs de risque sur la base de mesure de champs, que de les calculés en fonction de la densité des lignes électriques au voisinage des habitations. Dans les recherches réalisée aux Etats-Unis sous la direction de Martha Linet de l’institut National de Cancer [74], aucune association entre la densité des lignes électriques autour des habitations, et une augmentation du risque de leucémie n’était confirmée, le risque relatif était (RR=0,88). Les recherchent réalisées indépendamment au canada, en Angleterre et en GrandeBretagne avec des puissances statistiques plus importante, ont donnés des résultats similaires à ceux des études américaines et ont pu démontrer que le risque relatif de développer la leucémie infantile n’augmente pas avec l’augmentation du niveau de champ magnétique. Pour la catégorie des enfants exposés à plus de 0,2 µT, les chercheurs trouvent une faible augmentation des cas de leucémie, le risque relatif étant de 1,24 (mais l’intervalle de confiance IC = 0,86 – 1,79). Une augmentation du risque relatif est également observée à des niveaux d’exposition plus élevés (0,4-5 µT), mais pour des niveaux d’exposition supérieure le risque relatif diminue [30]. En ce qui concerne les effets de l’exposition aux champs sur le risque  de cancer du cerveau chez l’enfant, les résultats des études faites par N. Wertheimer et E.Leeper [73] et qui ont mis en évidence cette hypothèse avec un facteur de risque (RR=2,4) ; ont étés controversé par les études épidémiologiques basées sur de vraies mesures de champs dans les habitations qui n’ont pas pu établir aucune relation entre le cancer du cerveau chez l’enfant et les champs magnétiques basse fréquence.

Formulations diélectrique pour la simulation de l’exposition à un champ électrique

        Historiquement, cette formulation a été développée pour calculer les pertes dans des matériaux diélectriques soumis à un champ électrique variable dans le temps [32] et [30]. Pour utiliser la formulation « diélectrique » dans le contexte de l’exposition humaine on doit tenir compte des hypothèses simplificatrices suivantes :
1- Les effets de propagation d’ondes sont négligeables
2- Le champ magnétique est négligeable par rapport au champ électrique
3- Les courants de déplacement dans le corps humain sont négligeables
Dans ces conditions, le champ électrique induit une polarisation de la matière et un déplacement de charge électrique a l’intérieure de la matière, lorsque celle-ci présente une conductivité non nulle. Dans la limite ou la fréquence est nulle, ce déplacement de charge va contrecarrer le champ « source » extérieur et annule ainsi le champ électrique a l’intérieur des régions conductrices qui est caractérisé par une faible conductivité. Par contre, si la fréquence n’est pas nulle, la répartition de la charge a l’intérieur des conducteurs varie dans le temps a fin de s’adapter au champ source extérieur : la formulation diélectrique permet donc de calculer les courants issus du déplacement de ces charges dans les conducteur. La formulation et la schématisation du problème diélectrique général sont données par la (figure II.10.a) . Dans ce type de problème, l’inconnue est le potentiel scalaire électrique φ. Les sources du champ électrique sont exprimées par le biais de conditions à la frontière detype Dirichlet. Notamment, pour des applications qui portent sur l’exposition humaine aux champs générés par des lignes haute tension, le potentiel scalaire électrique doit être fixé à l’emplacement des câbles et zéro sur le sol . Des conditions de Neumann peuvent être utilisées pour limiter le domaine de résolution.

Table des matières

Introduction générale
1. Etat de l’art: Champs Electromagnétiques et Exposition
1.1 Introduction
1.2 Champs électromagnétiques définitions
I.2.1Spectre électromagnétique
I.2.2.Sources de champs électromagnétiques
I.2.2.1 Sources de champs électromagnétiques naturels
I.2.2.2 Sources des champs électromagnétiques artificiels
I.2.3 Propriétés des champs électromagnétiques
1.3 Champs électromagnétiques de basses fréquences
I.3.1 Les champs électromagnétiques générés par les lignes HT
I. 3.1.1 Rappel sur les lignes électriques HT
I. 3.1.2 Champ électrique Rayonné
I. 3.1.3 Champ magnétique Rayonné
1.3.2 Niveaux de champs rayonnés
I.4 Contexte normatif
I.4.1 Normes des champs électromagnétiques de basses fréquences
I.4.1.1 Restrictions de base
I.4.1.2 Niveaux de référence
I.4.2 Le standard IEEE C95.1-1999
I.4.3 Les recommandations ICNIRP
I.5 Problématique de l’étude et bibliographie récente
1.6 Conclusion
II. Problématique des interférences des CEM BF avec l’environnement
2.1 Introduction
2.2 Compatibilité électromagnétique
2.2.1 Mécanisme d’action des perturbations électromagnétiques
2.2.2 Modes de couplages
2.2.3 Comportement des sources électromagnétiques
2.3 Mécanismes d’interaction CEM basse fréquences corps humain
2.3.1 Mécanismes de couplage direct
2.3.1.1 Couplage avec un champ électrique
2.3.1.2 Couplage avec un champ magnétique
2.3.1.3 Absorption de l’énergie électrique
2.3.2 Mécanisme de couplage indirect
2.4 Effets des champs électromagnétiques basse fréquence su la santé humaine
2.4.1 Les effets avérés
2.4.2 Les effets potentiels
2.4.2.1 Etudes épidémiologiques
2.4.2.2 Etudes expérimentales
2.5 Dosimétrie et formulations quasi-statique
2.5.1 Dosimétrie en basse fréquence
2.5.2 Formulations quasi-statique en basse fréquence
2.5.2.1 Formulations diélectrique pour la simulation de l’exposition à un CE
2.5.2.2 Formulations diélectrique pour la simulation de l’exposition à un CB
2.6 Conclusion
III. Modélisation théorique du champ électromagnétique 50 Hz
3.1 Introduction
3.2 Modélisation analytique des champs électromagnétiques 50 Hz
3.2.1 Equations de Maxwell
3.2.2 Détermination du vecteur potentiel magnétique
3.3 Calcul analytique du champ électrique rayonné par une ligne haute tension
3.3.1 Champ électrique engendré par une ligne de longueur infinie
3.3.2 Champ électrique engendré par une ligne triphasé
3.4 Calcul analytique du champ magnétique rayonné par une ligne haute tension
3.4.1 Champ magnétique généré par un fil rectiligne
3.4.2 Méthode vectorielle pour le calcul du champ magnétique
3.4.2.1 Programmation sous l’environnement Matlab
3.4.2.2 Exploitation du programme de calcul
3.4.2.3 Résultats et discussion
3.5 Modélisation numérique des champs électromagnétiques 50 Hz
3.5.1 Méthode des différences finis
3.5.2 Méthode des différences finis dans le domaine temporel
3.5.3 Méthode des impédances
3.5.4 Méthodes des éléments finis
3.6 Conclusion
VI. Analyse de l’environnement électromagnétique au voisinage des LHT
4.1 Introduction
4.2 Equations de propagation du champ électromagnétique
4.3 Méthodes de réduction du champ électromagnétique sous les LHT
4.3.1 Méthode de réduction du champ électrique
4.3.1.1 Effet de changement de la géométrie de la ligne
A. Effet de la configuration de la ligne
B .Effet de la garde au sol
4.3.1.2 Effet de la distance entre phases
4.3.1.3 Effet du nombre de conducteurs par phase
4.3.1.4 Effet de la flèche et des câbles de garde
4.3.2 Méthode de réduction du champ magnétique
4.3.2.1 Effet de changement de la géométrie de la ligne
A .Effet de la configuration de la ligne
B. Effet de la garde au sol
4..3.2.2 Effet de la distance entre phases
4.3.2.3 Effet de la variation de la charge
4.4 Conclusion
5. Caractérisation expérimentale et théorique de l’environnement électromagnétique au voisinage des lignes haute tension
5.1 Métrologie en matière CEM1
5.2 Mesure du champ électromagnétique sous une ligne HT
5.2.1 Description du mesureur de champ électromagnétique
5.2.1.1. Caractéristiques opérationnelles du mesureur de CEM
5.2.1.2. Calibration
5.2.1.3. Précautions à prendre lors des mesures
5.2.2 Procédure de mesure du champ électromagnétique sous une ligne HT
5.2.2.1. Polarisation des champs électrique et magnétique
5.2.2.2. Techniques de mesure du champ électrique
a. Profil latéral
b. Profil longitudinale
5.2.2.3. Techniques de mesure du champ magnétique
5.3 Etude expérimentale
5.3.1 Description du circuit de lignes étudié
5.3.2 Protocole de mesure
5.4 Résultats expérimentaux
5.4.1 Comportement du champ électrique
5.4.2 Comportement du champ magnétique
5.4.3 Discussion des résultats
5.4.4 Configurations de lignes incluses dans les mesures
5.4.5 Analyse et évaluation
5.5 Validation des résultats expérimentaux
5.5.1 Modélisation Analytique
5.5.1.1 Calcul du champ électrique
5.5.1.2 Calcul du champ magnétique
5.5.1.3 Résultats analytiques
5.5.2 Simulation Numérique
5.5.2.1 logiciel de simulation
5.5.2.2 Résultats de simulation numérique
5.6 Conclusion
6. Conclusion générale et perspective
BIBLIOGRAPHIE

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