MILIEUX HAUTES TENSIONS ET COMMUNICATIONS SANS FIL

Les communications dans les milieux de puissance sont une étape essentielle pour les entreprises voulant améliorer leur rendement de production et assurer le bon fonctionnement de leurs matériels. Le sans fil est devenu accessible à tous, ce qui a engendré une diminution des coûts d’installations, et facilité le maniement des équipements de transmission lors de leur disposition sur de grandes surfaces. Cependant le fonctionnement des postes provoque des interférences pour ces communications et il est essentiel de s’interroger sur la compatibilité des technologies sans fil avec cet environnement électromagnétique. Les articles sélectionnés pour cette revue de littérature visent à connaître les paramètres caractérisant les bruits et leur étendue : amplitude, fréquence, portée. Ils présentent aussi les technologies sans fil pouvant être adaptées à un milieu soumis à de telles interférences. Ils traitent des divers équipements utilisés à l’intérieur des postes (transformateurs, sectionneurs, isolateurs, jeux de barres, lignes, etc.), expliquent les façons dont les mesures sont prises et analysent les résultats.

Cette revue caractérise le bruit électromagnétique ambiant des postes de transport d’énergie sur une gamme de fréquence de 0.1 MHz à 10 GHz en confrontant les articles sélectionnés, en associant à chaque fréquence la puissance en dBm en fonction de la distance séparant la source du point de mesure, et si possible, sous différentes conditions météorologiques. Pour uniformiser les résultats recueillis dans les articles, la puissance du bruit sera toujours notée en dBm. Après l’étude des postes de transport d’énergie, nous ferons le lien avec les technologies sans fil actuelles susceptibles d’être installées dans ces milieux. Nous allons donc présenter les supports de communication disponibles, rappeler leurs avantages et inconvénients par rapport à un déploiement filaire, et discuter de leurs applications dans des environnements similaires.

Les lignes de transport: bruit gap et couronne

Les lignes de transport, par exemple, selon leur tension, émettent du bruit électromagnétique connu sous le nom de bruit par effet couronne (ou corona). Ce bruit est le principal problème des lignes très hautes tensions (345-1000 kV). Selon les articles [7] [8] [10] [16], le bruit par effet couronne est détecté sur une large gamme de fréquences: 0.01 MHz à 1 GHz pour les lignes de voltage inférieur à 375 kV et même jusqu’à 10 GHz pour des tensions à 800 kV et plus (1000 kV). Le bruit par effet couronne est principalement causé par des perturbations dues à la présence de gouttelettes d’eau ou d’insectes sur les conducteurs. Ces perturbations provoquent à l’échelle locale une augmentation du champ électrique provoquant ainsi un court-circuit électrique de molécules d’air à la zone voisine. Le bruit GAP est généré au niveau des poteaux ou des tours portant les lignes: un courant traverse l’air pour aller de la ligne vers la structure métallique provoquant ainsi une décharge partielle. Pakala [8] [10] a effectué des mesures à proximité des lignes hautes tensions afin de caractériser les bruits GAP et couronne sur une gamme de fréquence de 1 GHz dans un premier temps, puis jusqu’à 10 GHz. Pour ces deux types de bruit, les mesures prises montrent que la puissance de ce bruit diminue quand sa fréquence augmente.

Les études menées pour caractériser ce bruit ont nécessité des mesures faites en laboratoire pour avoir un aperçu du spectre sans le bruit parasite des autres équipements présents sur les sites, et pour étudier également l’impact météorologique sur la propagation de ces ondes. L’article [10] de Pakala pousse les mesures du bruit Couronne pour un plus haut voltage: 640 – 800 kV. Les mesures prises sur le site ont été faites à l’aide d’antennes placées à 60m des lignes hautes tensions, mais il s’avère que la précision de ces mesures n’est pas très bonne au-delà de 1 GHz: le bruit à l’antenne est compris entre -76 dBm (1 GHz) et -116 dBm (10 GHz), alors qu’il varie de 41.8 dBm (0.1 MHz) à -76 dBm (1 GHz). Les lignes haute tension ne sont pas soumises qu’à l’effet couronne: pour une tension en dessous de 75 kV, le bruit GAP semble avoir beaucoup plus d’influence, et son amplitude est beaucoup plus élevée vers les très hautes fréquences, que le bruit par effet couronne. Les travaux de Pakala, en ce qui concerne le bruit GAP ou le bruit dû à l’effet couronne, ont été menés suivant un protocole de mesure méticuleux: mesures en laboratoire avec une sonde génératrice de décharges, puis mesures sur le site avec cette même sonde afin de simuler les décharges et enfin mesures sur le site avec les décharges naturelles. La sonde génératrice est composée de deux électrodes : l’une connectée à la ligne et l’autre à l’air libre. Les deux électrodes sont sous une gaine de micarta (forme commercialisée de la bakélite: plastique fait de polymères synthétiques). La sonde se place sur un câble à l’aide d’une pince et l’autre extrémité, faite d’une demi-sphère cuivrée, est suspendue à l’air libre (le schéma de la sonde figure sur l’annexe 1).

En laboratoire, les chercheurs ont analysé le bruit émis par cette sonde génératrice de bruit GAP en l’appliquant à un montage électrique; il en résulte que de 0.01 MHz à 100 MHZ, le bruit possède une amplitude de 30 dBm en moyenne. Les mesures ont demandé l’utilisation de plusieurs antennes adaptées aux gammes de fréquences: 0.01-0.3 MHz, 0.3-30 MHz, 30- 400 MHz, 400-1000 MHz. En laboratoire, la distance normale entre l’antenne et le conducteur est de 15m. Cette sonde a ensuite été placée sur une ligne haute tension (244 kV) d’un site de transport d’énergie et à différents endroits de la ligne (début, milieu, fin). Les spectres montrent qu’à partir de 1 MHz, le bruit descend en dessous de 23 d Sur les sites, pour prendre les mesures de fréquences, que ce soit pour le bruit gap ou le bruit dû à l’effet couronne, un camion est utilisé pour transporter les récepteurs (oscilloscopes, PC, analyseurs de spectres) avec l’antenne fixée sur le toit, mettant ainsi le dipôle de celle-ci à 6 m du sol. Les mesures de champs ont été effectuées tous les 30 m environ [8l. Cette méthode 8 de mesure a également été utilisée pour les enregistrements de bruits électromagnétiques des postes de transport d’énergie [12].Bm.

Rôle des systèmes sans fil dans les postes

L’adaptation d’un réseau sans fil à un milieu hautes-tensions doit être accomplie en considérant les différents facteurs qui peuvent perturber la transmission : fréquence surchargée, EMI, congestion … TI est possible qu’il faille modifier ces technologies afin de les adapter à ces environnements. La technologie sans fil fonctionne par redondance de l’information, donc les données transmises peuvent tolérer des retards, ce qui implique aussi qu’elles peuvent être perdues pendant une certaine durée ou que le système peut les garder en mémoire, grâce à un buffer, le temps que la transmission reprenne. L’industrie de gestion de puissance a longtemps utilisé les technologies sans fil pour ses opérations: les systèmes micro-onde, les radios à adresse multiple (MAS), les systèmes de radio à étalement spectral, les systèmes 450 MHz à courte portée, les applications satellite limitées (VS AT, paging, et GPS), les systèmes radio mobiles pour les échanges limités de données. Cependant, ces applications ont été faites à l’extérieur des postes ou entre sites. Voici quelques exemples d’utilisation du sans fil dans des milieux semblables aux postes de transport d’énergie: Les capteurs de transformateurs de courant pour une communication Bluetooth. Des capteurs de courant précis peuvent être facilement déployés et permettent de suivre l’environnent des lignes hautes-tensions pendant leur fonctionnement.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 MILIEUX HAUTES TENSIONS ET COMMUNICATIONS SANS FIL
1.1 Introduction
1.2 Le bruit des postes de transport d’énergie
1.2.1 Les lignes de transport: bruit gap et couronne
1.2.2 Transformateurs et isolateurs de traverse: décharges partielles
1.2.3 Émission électromagnétique provenant des bus
1.2.4 Bruit ambiant des postes
1.2.5 Effet du changement climatique sur le bruit..
1.2.6 Classement des résultats
1.3 La technologie sans fil
1.3.1 État de la technologie
1.3.2 Rôle des systèmes sans fil dans les postes
1.4 Conclusion
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE DE MESURE
2.1 Présentation
2.2 Décharges partielles et effet couronne
2.3 Le spécimen barre de générateur ou électro-tronqué
2.4 Le spécimen point-plan
2.5 Choix des antennes
2.6 Oscilloscope
2.7 Montage
2.8 Protection de l’équipement de mesure
2.9 Résultats de simulation avec un générateur de signaux
2.10 Conclusion
CHAPITRE 3 MESURE DES INTERFÉRENCES
3.1 Présentation du laboratoire CTT
3.2 Mesure du spécimen électro-tronqué
3.3 Mesure du spécimen point-plan
3.4 Le spécimen Tesla-coil
3.5 Évaluation du taux de répétition
3.6 Étude à 2.4 GHz
3.6.1 Montage
3.6.2 Mesures avec antenne uniquement
3.6.3 Mesures avec antenne et filtre passe-haut 1800 MHz
3.6.4 Mesures avec antenne, filtre, et amplificateur LNA 25 dB
3.7 Conclusion
CHAPITRE 4 Interprétation des résultats
4.1 Introduction
4.2 Influence de la tension d’alimentation sur le bruit
4.3 Influence de l’espacement inter-électrodes sur le bruit
4.3.1 Influence de l’espacement sur l’amplitude spectrale
4.3.2 Influence de l’espacement sur la fréquence moyenne
4.4 Bruits et communications
4.5 Conclusion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE l Sonde simulatrice du bruit gap
ANNEXE II Spectres des isolateurs de traverse (bushing)
ANNEXE III Tableau des puissances
ANNEXE IV Graphe 3D du bruit ambiant
ANNEXE V Graphe 3D du bruit impulsionnel
ANNEXE VI Harmonisation des unités de mesure
ANNEXE VII Option FastFrame de l’oscilloscope TDS6124C
ANNEXE VIII Filtre et amplificateur LNA
ANNEXE IX Réponse fréquentielle de l’antenne Wi-Fi 2.4 GHz D-Link
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES