Patrimonialisation scientifique et technique : De la vertu du circuit bouchon dans le système de communication d'EDF (7/10 – année 2020)

Publié par ACONIT (Association pour un Conservatoire de l'Informatique et de la Télématique), le 7 septembre 2020   190

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(Photo d'en-tête : deux circuits bouchon avec leurs cellules de 400 kilovolts chacune, au départ d'un poste Haute Tension - Photographie : archives ESTEL)



Par Henri Thibert et Pascal Ordoquy, association ESTEL, mis en forme par Xavier Hiron, ACONIT


Une des premières choses que les visiteurs découvrent à l’entrée de l'actuelle salle d’exposition de l’association ESTEL, située au coeur du poste source de Saint-Amour, à Lyon, est un objet assez insolite ayant l’apparence d’une grosse bobine. En arrière-plan, on aperçoit des câbles, des fils, et sur sa droite sont disposées des armoires.

Que fait donc cet appareil dans une salle dédiée aux télécommunications des réseaux électriques ? A quoi peut-il servir, et comment est-il constitué ?


Un peu de technique : constitution du circuit bouchon

Il s’agit d’un « circuit bouchon » posé sur un support. Positionné en départ de ligne, sa fonction est d'éviter la dissipation de l'énergie propre à la ligne de communication greffée sur un réseau de distribution électrique. C'est cette fonction particulière, rapprochée de la structure cylindrique de l'appareil, qui lui a valu l'appellation évocatrice de « bouchon ».

Ce dispositif est constitué d’un gros solénoïde (la « bobine » qui contrôle le champ magnétique associé à l’intensité du courant électrique parcourant le circuit) de 1,3 mètre de haut, 0,66 mètre de diamètre et pesant environ 100 kg, et d’un groupe de condensateurs placés dans un boîtier situé à son sommet. Dans le cas de l’appareil présenté, il supporte une intensité permanente de 800 ampères de courant industriel à 50 hertz (Hz).

La self-inductance est réalisée au moyen d’un métal conducteur en almélec (alliage à base d’aluminium). Ses spires sont assujetties les unes aux autres par un réseau de 12 tresses verticales. Les entrées et sorties du courant industriel à 50 Hz s’opèrent par des plaques de raccordement situées en bas et en haut. La self-inductance présente une impédance (valeur de grandeur d’un courant alternatif) de 0,17 milliHenry.

Complément technique :

Self et condensateurs sont mis électriquement en parallèle de façon à constituer un circuit résonnant réglable à une fréquence donnée. Un boîtier étanche placé au-dessus de la bobine contient le jeu de condensateurs. Le circuit résonnant est établi sur une fréquence donnée dans la bande Grandes Ondes, ou ondes kilométriques, d’une grandeur située entre 50 kHz et 320 kHz. Un tel circuit présente une impédance élevée autour de la fréquence de réglage calculée par une formule de Thomson .

(Photographies 2 et 3 : vues rapprochées sur le boîtier, de côté et de dessus, sans le couvercle - Photographies : archives ESTEL)

Pour régler ce bouchon à sa fréquence de résonance, il faut combiner en parallèle et/ou en série les différents condensateurs présents dans le boîtier en plaçant judicieusement les barrettes de réglage.


Où et comment sont installés les circuits bouchons sur le réseau électrique ?

Un poste électrique Haute Tension (HT) est un point de concentration de plusieurs lignes. Chaque ligne est raccordée dans une cellule comportant, entre autres, un disjoncteur, des sectionneurs, un transformateur d’intensité et un transformateur de tension. Dans cette cellule, le circuit bouchon est placé sur une phase, entre le câble de ligne et le reste du poste Haute Tension.

Complément technique : 

(Photographie 4 : vue sur un boîtier de circuit bouchon raccordé à une ligne Haute Tension - Photographie : archives ESTEL)

La ligne est raccordée par le bas, le poste par le haut. A cet emplacement, le circuit bouchon est soumis aux contraintes de la ligne et doit notamment supporter :

- les Intensités des courants de court-circuit observés lors de défauts. Elles peuvent atteindre la dizaine de milliers d’ampères. Il en résulte des efforts électromécaniques très importants sur les spires de la self-inductance, ce qui explique les tresses reliant les spires, afin d’éviter ou en tout cas minimiser les déformations.

- les ondes de choc dues à des coups de foudre sur le poste ou la ligne, d’où la présence d’un parafoudre à l’intérieur de la self-inductance. 


Comprendre l’utilité d’un circuit bouchon

Petit rappel sur l’exploitation d’un réseau électrique :

« Un grand réseau électrique peut être comparé à un système composé de deux réseaux, l’un transmettant la puissance, l’autre transmettant l’intelligence (c'est-à-dire l'information technique associée à l'exploitation de la ligne - ndlr). On ne pourra pas exploiter de façon satisfaisante le réseau de puissance si l’on ne peut pas d’abord exploiter le réseau de l’intelligence » (citation tirée d’une communication de G. Bennet à la CIGRE - Conférence Internationale des Grands réseaux électriques - en 1923). Raison pour laquelle dès 1927 un décret oblige les exploitants à utiliser des moyens indépendants du réseau téléphonique général pour assurer l’exploitation du réseau électrique.

Des voies de transmission sont donc indispensables à l’exploitation d’un système électrique. L’une des solutions est d’utiliser un courant porteur guidé par les câbles de la ligne Haute Tension. Cette solution technique était indispensable avant les années 1970, compte tenu du manque d’infrastructures de qualité proposées par les PTT. Elle reste encore utilisée de nos jours, bien que dans une moindre mesure.


Les CPL, ou courants porteurs en ligne : comment ça marche ?

Pour installer un courant porteur en ligne (CPL), la bande des fréquences la plus adaptée est celle dite des Grandes Ondes, d’ailleurs utilisées pour d’autres applications : radiotéléphonie, balises de guidage pour l'aviation… Ce choix limite cependant les possibilités d’installation de telles liaisons car, bien que le rayonnement des CPL-HT soit faible le long de la ligne, il faut éviter les interférences avec les autres moyens de transmission utilisant la même gamme de fréquences.

Compte tenu d’un milieu de transmission bruyant (car bruité par le 50Hz et les parasites associés), la puissance d’émission est de l’ordre du watt et la tension de réception de l’ordre du volt. Selon le sens de la transmission, une plage de fréquence spécifiquement associée est utilisée. A titre d’exemple, une liaison CPL pourrait utiliser la bande 124-128 kHz dans le sens aller et 128-132 kHz dans le sens retour.

Ces courants porteurs acheminent les basses fréquences BF (celles de la voix), soit de 300 à 3200 Hz, au moyen d’un système dit BLU (Bande Latérale Unique).

Complément technique :

D’une façon générale, la modulation en amplitude d’une bande porteuse avec un signal en basse fréquence se décompose dans le spectre des fréquences en trois parties :

  • la fréquence de la porteuse,

  • une bande de transmission décalée vers le haut, porteuse des informations à transmettre,

  • une bande symétrique de la précédente vers le bas.

La Bande Latérale Unique (BLU) consiste à ne transmettre que la bande haute. La fréquence de la porteuse étant connue, elle est reconstituée à réception pour retrouver le signal basse fréquence correspondant. Cette technologie permet d’optimiser les bandes passantes utilisées .

Les basses fréquences (BF) sont utilisées soit pour de la téléphonie analogique (elles sont alors souvent partagées – on dit multiplexées - en fréquence avec des transmissions de données (600 à 800 Bits au maximum)), soit directement pour des applications dédiées à la protection de la ligne.

Jusque dans les années 1970, les CPL ont été le principal moyen de télécommunication utilisé dans les réseaux électriques. Mais aujourd’hui, avec la multiplication des informations transmises, un réseau de fibre optique posé sur les lignes Haute tension offre des possibilités de transmission qui sont potentiellement des millions de fois supérieures. Même si les CPL ont vu leur performances améliorées par l’utilisation de la technique de modulation MAQ (ou Modulation d'Amplitude en Quadrature, avec une entrée à la norme V11) permettant désormais de transmettre jusqu’à 50 kbs, elles ne sont plus guère employées que dans des cas bien particuliers, en secours ultime ou lorsqu’il n’a pas été possible ou trop onéreux de poser de la fibre optique.

Par ailleurs, ce système comporte également un défaut : en cas de maintenance, les câbles de la ligne sont mis à la terre et les signaux CPL sont complètement perturbés.

Après quelques tâtonnements à partir des années 1920, la solution de montage présentée dans le schéma de principe ci-dessous a été adoptée :

(Schéma 5 : principe de couplage de la fréquence Basse Tension sur la ligne Haute Tension - Photographie : archives ESTEL)

Légende : Le signal issu de l’émetteur est aiguillé via un dispositif de protection et d’adaptation (constitué d’une bobine de drainage assurant la protection associée à une boîte de couplage pour l’adaptation d’impédance) vers le condensateur de couplage sur la ligne d’énergie support de la transmission. Le schéma est inversement identique à l’autre extrémité de la ligne.


Conclusion : le rôle du circuit bouchon

Le rôle du circuit bouchon apparaît ainsi plus nettement : il évite que la puissance émise ne se propage vers le poste lui-même et les autres lignes et la contraint à ne suivre que la ligne électrique visée. Pour ce faire, dans l’exemple précédemment cité, le circuit bouchon doit être réglé à 128 kHZ précisément.


Pour aller plus loin :

Pour une approche plus technique de la méthode, le lecteur averti pourra se reporter au lien vers la page dédiée du site ESTEL : Le Circuit bouchon