TL;DR

Pourquoi la résistivité du sol est la première donnée à prendre en compte

Avant de spécifier le diamètre d'une tige de terre, avant de choisir entre l'acier cuivré et l'acier galvanisé, et avant de calculer le nombre de tiges nécessaires pour une plateforme de sous-station, vous avez besoin d'une donnée essentielle : la résistivité du sol à l'endroit de l'installation. Toutes les décisions de conception ultérieures dépendent de cette mesure.

Chez Shibang, notre équipe d'ingénieurs analyse les spécifications de mise à la terre de projets sur six continents. La principale source de problèmes rencontrés sur le terrain n'est ni une tige défectueuse, ni une mauvaise connexion. Il s'agit d'un système de mise à la terre conçu sans étude préalable de la résistivité du sol. Les ingénieurs qui négligent cette étape doivent alors reprendre les installations, ajouter des tiges supplémentaires ou procéder à des amendements du sol des mois après la mise en service initiale.

La résistivité du sol indique dans quelle mesure la terre d'un site donné s'oppose au passage du courant électrique. Un sommet de colline sablonneux et sec du centre de l'Australie peut présenter une résistivité de 2 000 ohm-mètres. Un delta fluvial riche en argile au Bangladesh peut afficher une résistivité de 30 ohm-mètres. Un même modèle de piquet de terre cuivré se comporte de manière totalement différente dans ces deux environnements, et sa conception doit tenir compte de cette différence dès le départ.

Les organismes de normalisation le reconnaissent.Codes et normes NFPALe cadre de référence, ainsi que les normes IEC 62305 et IEEE 80, exigent ou recommandent fortement des données de résistivité du sol spécifiques au site avant de procéder à la conception du système de mise à la terre. Vous pouvez en apprendre davantage sur les principes fondamentaux desystèmes de mise à la terreet commentterre (électricité)Il travaille dans le domaine du génie électrique pour comprendre pourquoi cette mesure est à la base de tout.

Que mesure réellement la résistivité du sol ?

La résistivité du sol quantifie l'opposition qu'un volume unitaire de sol oppose au passage du courant électrique. Les ingénieurs l'expriment en ohm-mètres (ohm-m). Cette valeur dépend de quatre facteurs principaux :

Teneur en humidité.L'eau réduit considérablement la résistivité. Un sol sec peut présenter une résistivité supérieure à 1 000 ohm-m ; le même sol, à sa capacité au champ, peut afficher une résistivité inférieure à 100 ohm-m. C'est pourquoi les tests saisonniers sont importants et pourquoi nous recommandons d'effectuer les mesures pendant les périodes de sécheresse les plus importantes afin de prévoir une marge de sécurité suffisante dans le système.

Concentration ionique.Les sels dissous dans l'eau du sol augmentent la conductivité. Les sites côtiers, les terres agricoles ayant reçu des engrais et les salines désertiques présentent tous des résistivités inférieures à celles du sable de quartz pur. Nos données de production montrent que nos clients du Moyen-Orient et d'Afrique du Nord sont fréquemment confrontés à des sols sableux à haute résistivité nécessitant un apport chimique.

Température.La résistivité du sol augmente avec le refroidissement. Un sol gelé peut présenter une résistivité dix fois supérieure, voire plus, à celle du même sol à 20 °C. Les projets réalisés dans le nord du Canada, en Scandinavie ou en Russie doivent tenir compte de la profondeur de gel et installer les piquets de terre en dessous de celle-ci.

Composition et densité du sol.Les particules d'argile conduisent mieux l'électricité que le sable ou le gravier car leur grande surface spécifique leur permet de retenir l'humidité et les ions. La résistivité des roches, des schistes et du granite décomposé est très variable. Un site géologique stratifié affichera des résistivités différentes selon la profondeur ; c'est pourquoi les profils de résistivité en profondeur sont aussi importants que les mesures en surface.

Le test Wenner en 4 points : comment les ingénieurs mesurent la résistivité du sol sur le terrain

La méthode Wenner à 4 points demeure la technique de terrain de référence pour les essais de résistivité du sol. Simple et portable, elle fournit des résultats directement exploitables pour les calculs de mise à la terre. TestGuy propose une excellente présentation de cette méthode.Explication des tests de résistivité du soldans les détails pratiques.

Nos ingénieurs de terrain suivent cette procédure lors de chaque nouvelle inspection de site :

Étape 1 : Mise en page.Enfoncez quatre électrodes équidistantes dans le sol, en ligne droite. Nommez-les C1, P1, P2 et C2 de gauche à droite. L'espacement entre chaque paire d'électrodes adjacentes est appelé « a » et dépend de la profondeur du sol à sonder. Un espacement de 1 mètre permet de mesurer la résistivité moyenne sur les 50 premiers centimètres environ. Un espacement de 10 mètres permet de sonder jusqu'à environ 5 mètres de profondeur.

Étape 2 : Injecter du courant.Raccordez un testeur de résistance de terre (tel qu'un Megger série DET ou un Fluke 1621) aux électrodes extérieures (C1 et C2). L'appareil injecte un courant alternatif connu dans le sol entre ces électrodes.

Étape 3 : Mesurer le potentiel.L'instrument mesure la différence de potentiel entre les électrodes internes (P1 et P2). Cette chute de potentiel, divisée par le courant injecté, donne la valeur de la résistance R.

Étape 4 : Calculer.Appliquer la formule de Wenner :

Résistivité (ρ) = 2 × π × α × R

où « a » représente l’espacement des électrodes en mètres et R la résistance mesurée en ohms. Le résultat est la résistivité du sol en ohm-m.

Profilage en profondeur.Répétez le test à différents espacements (1 m, 2 m, 5 m, 10 m, 20 m) afin d'établir un profil de résistivité en fonction de la profondeur. Ce profil permet de déterminer la présence d'une couche conductrice en profondeur, ce qui pourrait justifier l'enfoncement de tiges jusqu'à 3 mètres au lieu des 2,4 mètres habituels.

Quand effectuer le test.Nous préconisons des essais réalisés dans les conditions saisonnières les plus sèches prévues, car les systèmes de mise à la terre doivent fonctionner toute l'année. Des essais effectués uniquement pendant la saison des pluies donnent des résultats optimistes qui ne reflètent pas les conditions estivales extrêmes ni les périodes de sécheresse.

Dans une usine pétrochimique de la province orientale d'Arabie saoudite, la résistivité du sol en surface s'élevait à 1 800 Ω·m en saison sèche. Après que notre équipe technique a préconisé l'installation de trois tiges de cuivre de 3 mètres de long (AF-0232, couche de cuivre de 0,254 mm) enfoncées à 5 mètres de profondeur et espacées de 6 mètres, la résistance de terre mesurée a chuté à 3,8 Ω, soit bien en dessous du seuil de 5 Ω requis par la norme CEI 62305 pour la protection contre la foudre des réservoirs de stockage.

Comment la résistivité du sol influence le choix des piquets de terre

Une fois vos données de résistivité du sol obtenues, vous pouvez choisir la piquet de terre adaptée en toute confiance. La valeur de résistivité vous renseigne sur trois points : le matériau le plus résistant à la corrosion dans ce sol, la géométrie du piquet (diamètre et longueur) nécessaire, et si un seul piquet suffit pour atteindre la résistance de terre souhaitée ou s’il faut plusieurs piquets en réseau.

Voici le cadre général que nous utilisons chez Shibang lorsque nous conseillons nos clients :

Ce tableau constitue un point de départ et ne saurait remplacer une conception détaillée. L'ingénieur doit également prendre en compte le pH du sol, sa teneur en chlorures, sa concentration en sulfates et les variations d'humidité pour choisir le matériau définitif. Nous aborderons plus en détail la question de l'adéquation des matériaux dans la section suivante.

Notretige de mise à la terre cuivréeLa gamme (modèle AF-0232) couvre les diamètres de 14,2 mm à 25 mm (5/8 pouce à 3/4 pouce) et les longueurs de 1,2 m à 3,0 m (4 pieds à 10 pieds). La couche de cuivre, d'une épaisseur minimale de 0,254 mm et d'une pureté supérieure ou égale à 99,95 %, est liée à une âme en acier à faible teneur en carbone. Cette conception confère à la tige une résistance à la traction élevée (au moins 580 N/mm²) pour le fonçage, tout en préservant la résistance à la corrosion du cuivre dans la plupart des types de sols. Cette gamme de produits est certifiée ISO 9001:2008.

Début 2023, l'ingénieur responsable d'un projet de sous-station de 132 kV au Tamil Nadu a spécifié des barres galvanisées afin de réduire le poids des câbles pour un site isolé au sommet d'une colline. Après examen du rapport d'étude de sol (latérite, pH 4,8, résistivité de 280 Ω·m à 3 mètres de profondeur), notre équipe a conseillé d'opter pour des barres cuivrées, malgré leur poids unitaire plus élevé. En effet, le faible pH et la forte teneur en oxyde de fer de la latérite accélèrent la corrosion du zinc, et l'éloignement du site rendrait le remplacement ultérieur des barres particulièrement coûteux. L'ingénieur a accepté cette recommandation. Deux ans après l'installation, la résistance de terre reste stable à 1,6 Ω.

Adaptation du matériau de la tige de mise à la terre aux conditions du sol

Les fabricants de piquets de terre proposent différents matériaux, chacun adapté à des conditions de sol spécifiques. Voici comment nous les sélectionnons :

Tiges d'acier cuivré

Les tiges cuivrées associent un noyau en acier (pour la résistance mécanique et la durabilité de l'enfoncement) à une épaisse couche extérieure en cuivre (pour la résistance à la corrosion et une faible résistance au contact avec le sol).tige de mise à la terre cuivréeCes modèles utilisent un procédé de liaison du cuivre en continu, et non un plaquage mince. Ceci est important dans les sols agressifs où une couche de cuivre plaquée ou soudée peut se décoller avec le temps.

Les tiges cuivrées sont particulièrement performantes dans les sols neutres à alcalins (pH 6 à 9) à humidité modérée. Elles résistent à la corrosion due à la plupart des compositions chimiques des sols et conservent une résistance de terre stable pendant des décennies. Nous les préconisons pour les centrales électriques, les sous-stations, les pylônes de lignes de transport d'électricité, les stations de base de télécommunications, les aéroports, les voies ferrées, les immeubles de grande hauteur et les raffineries de pétrole. Leur durée de vie nominale dépasse 50 ans dans des conditions de sol normales.

Tiges d'acier galvanisé

Nous proposons des barres galvanisées (revêtues de zinc) à un prix inférieur à celui des barres cuivrées, et elles offrent une protection anticorrosion acceptable dans les sols alcalins. Cependant, nos données de fabrication et d'observation sur le terrain montrent que le zinc se dissout plus rapidement que le cuivre dans les sols acides (pH inférieur à 5) et dans les sols à forte teneur en sulfates. Nous avons constaté de nombreux cas de barres galvanisées ayant cédé bien avant leur durée de vie prévue dans des sols agressifs. C'est pourquoi nous conseillons à nos clients des régions tropicales ou sujettes aux pluies acides d'opter pour des barres cuivrées plutôt que galvanisées pour tout projet dont la durée de vie prévue est de 25 ans ou plus.

Nos dossiers de garantie relatifs à une livraison de 2019 sur un site côtier du sud du Vietnam indiquent que les tiges galvanisées installées dans un sol de pH 5,2 et de résistivité 120 Ω·m ont commencé à présenter une corrosion superficielle visible en moins de 18 mois. L'épaisseur du revêtement de zinc, initialement de 86 microns, s'était réduite à moins de 40 microns à l'interface sol-air. Nous avons remplacé à nos frais, sous garantie, l'ensemble de l'installation de 240 tiges par des tiges cuivrées. Ces nouvelles tiges sont en service depuis plus de cinq ans sans aucune dégradation mesurable.

Électrodes de mise à la terre chimiques

Lorsque la résistivité du sol reste supérieure à 500 ohm-m même en profondeur, une simple tige nue ne peut pas atteindre les valeurs de résistance cibles.Électrodes de mise à la terre chimiquesCes dispositifs comblent ce manque. Ils contiennent un tube de cuivre creux rempli de sels minéraux qui se diffusent lentement dans le sol environnant, réduisant ainsi la résistivité locale au fil des mois et des années. Ils conservent leurs performances même dans les environnements arides et rocailleux où l'humidité naturelle est rare.

Nous fournissons des électrodes chimiques pour des projets au Moyen-Orient, en Afrique du Nord et en Australie centrale. Lors d'une installation classique, le technicien fore un trou, y insère l'électrode, le remblaie avec un composé conducteur et la raccorde au réseau de mise à la terre principal. Au fil du temps, la diffusion du sel crée une zone de faible résistivité autour de l'électrode.

Modules terrestres

Modules terrestresUne autre solution est proposée pour les sols difficiles. Ces unités préfabriquées associent un conducteur métallique à un corps conducteur (souvent un composé à base de carbone ou d'argile). Les ingénieurs les enterrent à des points stratégiques du réseau de mise à la terre afin de réduire la résistance locale sans nécessiter l'entretien parfois requis par les électrodes chimiques.

Les modules de mise à la terre sont performants dans les sols mixtes présentant une couche conductrice trop superficielle pour les techniques d'enfoncement de tiges conventionnelles. Nous avons livré des modules de mise à la terre à des stations relais situées au sommet de montagnes dans les Andes, à des installations radar dans le désert d'Oman et à des sous-stations de parcs éoliens côtiers au Vietnam.

Parcourir toutes les options

Notre gamme complètecatégorie tige de terre et tige de mise à la terreCe service couvre les modèles en cuivre, galvanisés, en acier inoxydable et les configurations spéciales. Le choix le plus adapté dépend de l'analyse chimique de votre sol, de la résistance visée et de la durée de vie prévue de l'installation.

Profondeur d'installation, diamètre de la tige et règle des tiges multiples

Les données de résistivité du sol permettent également de déterminer trois paramètres de conception physique : la profondeur à laquelle enfoncer la tige, le diamètre à utiliser et le nombre de tiges à installer.

Profondeur

Les tiges plus profondes atteignent les couches de sol plus humides et moins résistives. Une installation résidentielle standard utilise généralement une tige de 2,4 mètres (8 pieds). Un réseau de mise à la terre de sous-station électrique préconise souvent des tiges de 3 mètres (10 pieds). Dans les régions à forte résistivité, les ingénieurs enfoncent parfois les tiges jusqu'à 6 mètres, voire plus, en assemblant plusieurs sections.

Nos barres cuivrées sont dotées d'un manchon de raccordement permettant l'assemblage sur site de plusieurs sections. Une barre de 3 mètres avec une rallonge de 1,5 mètre atteint une longueur totale de 4,5 mètres. Le manchon garantit la rectitude de la barre (erreur inférieure ou égale à 1 mm/m) au niveau du joint, évitant ainsi tout flambage lors de l'enfoncement.

Diamètre

Le diamètre de la tige de mise à la terre influe sur sa durabilité mécanique lors de l'installation et sur sa résistance à la corrosion à long terme. Une tige de 14,2 mm (5/8 pouce) convient à la plupart des installations résidentielles et commerciales légères où l'enfoncement se fait à l'aide d'une visseuse ou d'une perceuse à percussion. Une tige de 25 mm (3/4 pouce) supporte les contraintes mécaniques plus importantes liées à un enfoncement profond dans un sol compacté ou rocailleux et offre une plus grande surface de cuivre, limitant ainsi la corrosion.

Nos statistiques de production montrent que les tiges de 5/8 de pouce représentent la majorité du volume dans les projets en climat tempéré (Amérique du Nord, Europe, Asie de l'Est), tandis que les tiges de 3/4 de pouce sont plus demandées dans les projets du Moyen-Orient et d'Australie où un enfoncement plus profond dans des sols plus durs est courant.

Réseaux multi-tiges

Lorsqu'une seule tige ne permet pas d'atteindre la résistance de terre cible, il faut en ajouter. Règle générale : espacer les tiges adjacentes d'une distance au moins égale à leur profondeur d'enfoncement. Pour des tiges de 3 mètres, prévoir un espacement d'au moins 3 mètres. Cet espacement évite un chevauchement excessif des zones de réduction de résistance autour de chaque tige.

La résistance combinée d'un réseau de plusieurs barres n'est pas simplement la résistance d'une barre divisée par le nombre de barres. L'interaction entre les sols réduit l'efficacité. Un réseau à deux barres atteint environ 60 % de la résistance d'une barre unique, et non 50 %. Un réseau à trois barres atteint environ 45 à 50 %. Ces valeurs sont approximatives ; le rapport réel dépend de l'homogénéité de la résistivité du sol et de l'espacement des barres.

Sept défauts de mise à la terre détectés par notre laboratoire d'usine sur les fiches techniques retournées

Après plus de 17 ans de fabrication de produits de mise à la terre et d'accompagnement de projets à travers le monde, notre équipe a recensé les défauts récurrents de spécification et d'installation qui apparaissent lors des enquêtes de garantie et des analyses post-mortem de projets, tous secteurs et pays confondus. Les sept erreurs ci-dessous sont responsables de la majorité des défaillances prématurées des tiges et des mesures de résistance de terre insuffisantes que nous constatons :

Omettre l'étude de résistivité du sol.Il arrive que les ingénieurs se réfèrent aux valeurs théoriques des sols d'une région plutôt que de réaliser des tests sur le terrain. Même au sein d'une même propriété, la résistivité peut varier d'un facteur cinq entre le nord et le sud en raison du réseau hydrographique, des remblais antérieurs ou de la profondeur du substratum rocheux.

Test effectué à une seule profondeur.Un seul test Wenner, effectué avec un espacement donné, ne fournit quasiment aucune information sur la structure stratifiée du sous-sol. Il est impératif de réaliser des tests avec au moins trois espacements afin d'identifier les couches conductrices, les couches résistives et la zone de transition entre elles.

En ignorant les variations saisonnières.Effectuer les tests uniquement pendant la saison des pluies donne des résultats trompeurs. Les systèmes de mise à la terre doivent fonctionner dans les conditions les plus sèches, les plus chaudes et les plus froides que le site puisse connaître. Nous conseillons à nos clients de réaliser au moins deux tests : un pendant la saison des pluies et un pendant la saison sèche.

Diamètre de la tige sous-estimé.Utiliser la tige la plus fine disponible pour minimiser le poids du matériel peut sembler judicieux en théorie, mais dans un sol dur ou rocailleux, une tige fine se plie, se déforme ou se casse lors de l'enfoncement. Cela engendre une perte de temps lors de l'installation et compromet la capacité du système. Nous préconisons des tiges de 25 mm (3/4 pouce) pour tout terrain rocailleux ou compacté.

Oublier le couplage.Lorsque les ingénieurs ont besoin de barres d'armature de 4,5 ou 6 mètres de profondeur, ils tentent parfois de souder deux sections de barre. Or, la soudure détruit la couche de cuivre au niveau du joint, créant un point chaud de corrosion qui provoque une défaillance en quelques années. Il est donc impératif d'utiliser un raccord mécanique spécialement conçu à cet effet, qui préserve la continuité de la gaine de cuivre.

Négliger la qualité de la connexion.La meilleure tige de terre au monde est inutile si sa connexion au conducteur est desserrée, corrodée ou réalisée avec des métaux incompatibles. Les connexions cuivre-cuivre par soudure exothermique ou par connecteurs mécaniques homologués garantissent une intégrité durable. L'utilisation de tiges de cuivre avec des colliers galvanisés dans un environnement humide crée un courant de corrosion galvanique qui détruit la connexion à terme.

Je ne lis pas l'analyse chimique du sol.La résistivité seule ne permet pas de prédire la corrosion. Un sol présentant une résistivité modérée (300 ohm-m) mais une forte teneur en sulfates et un pH faible attaquera le cuivre plus rapidement que prévu. Il est indispensable de toujours associer le test de résistivité à une analyse physico-chimique du sol (pH, chlorures, sulfates, humidité) afin de choisir correctement le matériau de la tige.

Notre laboratoire de contrôle qualité de Xinchang effectue un test de corrosion par brouillard salin (ASTM B117) sur chaque nouveau lot de production de barres cuivrées. Sur les 47 derniers lots (N=47, représentant environ 235 000 barres), l'épaisseur moyenne de la couche de cuivre a été mesurée à 0,268 mm, avec un écart type de 0,012 mm. Aucun lot n'a présenté une épaisseur inférieure à 0,254 mm. La durée du test de corrosion est de 1 000 heures et aucun lot n'a montré de traces de corrosion du métal de base pendant cette période.

Foire aux questions

Pour découvrir l'ensemble des produits de mise à la terre fabriqués dans notre usine, veuillez consulter notre site web.catégorie tige de terre et tige de mise à la terrepage. Vous pouvez également lire à propos deQu’est-ce que l’ancrage et pourquoi est-il important ?à partir de ressources sectorielles plus larges.