Cours Conduite Des Réseaux Chap1 [PDF]

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Conduite des réseaux électriques

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Un réseau électrique est un ensemble d’outils destiné à produire, transporter, distribuer l’énergie électrique et veiller sur la qualité de cette énergie, notamment la continuité de service et la qualité de la tension. L’architecture ou le design du réseau est un facteur clé pour assurer ces objectifs. Cette architecture peut être divisée en deux parties ; D’une part, l’architecture du poste, et de l’autre part l’architecture de la distribution. 1.1 Hiérarchisation du réseau électrique La Figure. 1.1 Illustre une vue globale du réseau électrique. On distingue quatre niveaux : production, transport, répartition et distribution. 1.1.1 Production La production sert à produire l’énergie électrique grâce à des turbo-alternateurs qui transforme l’énergie mécanique des turbines en énergie électrique à partir d’une source primaire (gaz, pétrole, hydraulique. . ..). Les sources primaires varient d’un pays à l’autre, exemple en Algérie, le gaz naturel couvre plus de 70% de la production, en France, 75% d’électricité est d’origine nucléaire. En générale, chaque source de production (centrale électrique) regroupe plusieurs groupes turbo-alternateurs pour assurer la disponibilité pendant les périodes de maintenance, par exemple, la central de Jijel en Algérie est composée de trois groupes 196 MW, celle de Cap Djenet à Boumerdès 4 groupes de 168 MW. Par ailleurs, on trouve dans les pays industrialisés des puissances installées de plus en plus élevées pour répondre à la demande croissante en énergie électrique, exemple la central nucléaire de Gravelines en France 6 × 900 MW, la central hydro-électrique des Trois-Gorges en Chine 34 × 700 MW et 2 × 50 MW (devenue la plus grande central dans le monde en 2014). 1.1.2 Transport Un alternateur produit la puissance électrique sous moyenne tension (12 à 15 kV), et elle est injectée dans le réseau de transport à travers des postes de transformation pour être transmise sous haute ou très haute tension afin de réduire les pertes dans les lignes. Le niveau de la tension de transport varie selon les distances et les puissances transportées, plus les distances sont grandes plus la tension doit être élevée, la même chose pour la puissance. Par exemple, le réseau de transport en Algérie utilise une tension de 220 kV (voir 400 kV pour certains lignes dans le sud notamment), le réseau européen utilise 400 kV, et le réseau nord américain 735 kV. 1.1.3 Répartition Le réseau de répartition prend sa source dans le réseau de transport à partir des postes d’interconnexion THT/HT (MT) et sert à fournir les gros consommateurs industriels sous haute ou moyenne tension, et à répartir les puissances dans différentes régions rurales ou urbaines. Ce type de réseau utilise des typiques 60 et 30 kV. 1.1.4 Distribution La distribution sert à alimenter les consommateurs en moyenne ou en basse tension (typiquement 400 V), grâce à des postes de transformation MT/BT.

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I .2 Transport de l'énergie électrique Le transport de l'énergie électrique se fait sur des conducteurs tels que les lignes aériennes, les câbles souterrains, Malgré leur simplicité apparente, ces conducteurs cachent des propriétés importantes qui influent grandement sur le transport de l'énergie électrique. I .2.1 Organisation d'un réseau de transport d'énergie Pour que l'énergie électrique soit utilisable, le réseau de transport et de distribution doit satisfaire les exigences suivantes : 1 . Assurer au client la puissance dont il a besoin. 2. Fournir une tension stable dont les variations n'excèdent pas ± 10 % de la tension nominale. 3. Fournir une fréquence stable dont les variations n'excèdent pas ± 0,1 Hz. 4 . Fournir l'énergie à un prix acceptable. 5. Maintenir des normes de sécurité rigoureuses. 6. Veiller à la protection de l’environnement. Les compagnies d'électricité divisent leurs réseaux en trois grandes catégories : 1) le réseau de transport ; 2) le réseau de répartition ; et 3) le réseau de distribution. Le réseau de transport (115 kV à 765 kV) comprend les centrales, ainsi que les lignes et les postes de transformation issus de celles-ci. Le réseau de répartition (115 kV à 315 kV) comprend les lignes de transport et les postes de transformation intermédiaires entre le réseau de transport et le réseau de distribution.

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Fig1.1 : Organisation d'un réseau électrique

Le réseau de distribution comprend les lignes et les postes de transformation servant à alimenter les clients. Ce réseau est composé de deux parties : le réseau de distribution à moyenne tension (2,4 kV à 69 kV) et le réseau de distribution à basse tension (120 V à 600 V). Les postes de transformation servent à augmenter ou à abaisser la tension et à régulariser celle-ci au moyen de compensateurs statiques, de réactances capacitives ou inductives et de transformateurs à prises variables. Ils contiennent aussi les disjoncteurs, fusibles et parafoudres destinés à protéger les appareils et le réseau. Les postes d'interconnexion servent à relier le réseau avec d'autres réseaux afin d'augmenter la stabilité de l'ensemble et de permettre des échanges d’énergie. Le genre de ligne utilisée est imposé par les facteurs suivants : 1 . Puissance active à transporter 2. Distance de transport 3. Coût 4. Esthétique, encombrement et facilité d'installation Nous distinguons quatre types de lignes : 1) lignes de distribution à basse tension (BT) ; 2) lignes de distribution à moyenne tension (MT) ; 3) lignes de transport à haute tension (HT) ; 3

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4) lignes de transport à très haute tension (THT). I .2 .2 Lignes de transport HT : ce sont les lignes reliant les postes de transformation principaux aux centrales de génération. Elles sont constituées de fils aériens ou de câbles souterrains fonctionnant à des tensions généralement inférieures à 230 kV Dans cette catégorie, on trouve aussi les lignes servant à échanger de l'énergie entre deux grands réseaux et à augmenter la stabilité de l'ensemble. I .2.3 Lignes de transport THT : ce sont les lignes qui relient les centrales hydrauliques éloignées aux centres d’utilisation. On les place dans une catégorie distincte à cause de leurs propriétés spéciales. Ces lignes peuvent atteindre des longueurs de 1000 km et elles fonctionnent à des tensions allant jusqu'à 765 kV. Les lignes à courant continu à haute tension sont également incluses dans ce groupe. I .3 PROPRIÉTÉS ÉLECTRIQUES DES LIGNES DE TRANSPORT Le rôle fondamental d'une ligne est de transporter une puissance active. Si elle doit également transporter une puissance réactive, celle-ci doit être faible par rapport à la puissance active, à moins que la distance de transport ne soit courte .En plus de ces exigences, une ligne de transport doit posséder les caractéristiques de base suivantes : a) la tension doit demeurer assez constante sur toute la longueur de la ligne et pour toutes les charges comprises entre zéro et la charge nominale b) les pertes doivent être faibles afin que la ligne possède un bon rendement c) les pertes Joule ne doivent pas faire surchauffer les conducteurs Si la ligne ne peut d'elle-même répondre à ces exigences, on doit alors ajouter de l'équipement supplémentaire afin de réaliser toutes ces conditions. I .3.1 Circuit équivalent d'une ligne Les lignes possèdent des propriétés électriques communes. En effet, toute ligne possède une résistance, une réactance inductive et une réactance capacitive. Ces impédances sont réparties uniformément sur toute la longueur de la ligne si bien qu'on peut représenter la ligne par une série de sectionsR , L, C identiques (Fig.1. 2). Chaque section représente un tronçon de ligne d'une longueur donnée (1 km, par exemple) et les éléments r , x L , x C représentent les impédances correspondantes pour cette longueur.

Fig. 1.2 L’impédance d'une ligne de transport est composée d'une série de sections identiques .

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Dans le cas des lignes triphasées, le circuit équivalent ne représente qu'une seule phase. Le courant I est celui circulant dans un fil de ligne et la tension E est celle existant entre une ligne et le neutre (terre).

Fig.1.3 Circuit équivalent d'une ligne à 60 Hz dont la longueur ne dépasse pas 250 km. I .3.2 Simplification du circuit équivalent Parfois, on peut simplifier le circuit davantage en éliminant un, deux ou tous les éléments de la Fig1.3 La validité de cette simplification dépend de l'importance relative des puissances PJ , Q L, Q C associées à chacun des éléments par rapport à la puissance active P fournie à la charge . En se référant à la Fig. 5, ces puissances sont : P = puissance active absorbée par la charge PJ ¿ R I 2, puissance active dissipée dans la ligne par effet Joule Q L= X L I 2, puissance réactive absorbée par la ligne QC =

E2 , puissance réactive générée par la ligne XC

Fig.1.4 Puissances associées à une ligne de transport et sa charge. Si l'une de ces puissances est négligeable par rapport à la puissance active P transportée, on peut négliger l'élément de circuit correspondant. Par exemple, les lignes à 600 V sont toujours

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E2 devient négligeable, ce XC qui permet de représenter ces lignes par le circuit de la Fig. 1.4. courtes de sorte que X C est très élevée. Par conséquent,

Fig.1.5 La puissance réactive capacitive d'une ligne à 600 V est négligeable par rapport aux autres puissances. Par contre, une ligne à 735 kV, peut être représentée par le circuit de la Fig. 1.6, car les pertes par effet Joule sont relativement faibles alors que les puissances Q L et Q C ne le sont pas.

Fig.1.6 Les pertes Joule dans une ligne à 735 kV sont négligeables par rapport aux autres puissances. I .4 Transport de l'énergie à très haute tension Le transport de l'énergie électrique à très haute tension crée des problèmes particuliers qui nécessitent l'installation d'énormes appareils de compensation pour maintenir une tension constante et pour garantir la stabilité. Parmi ces appareils, citons les compensateurs statiques, les compensateurs synchrones, les réactances inductives shunt, et les réactances capacitives shunt et série. Leur capacité se mesure toujours en méga vars et elle est généralement variable afin que la puissance réactive absorbée par les inductances, ou débitée par les capacitances, puisse suivre les exigences du réseau. I .5 Transport de l'énergie à courant continu Le développement des puissants convertisseurs à haute tension a rendu possible le transport de l'énergie électrique à courant continu. Particularités du transport à c .c . Quels sont donc les avantages du transport à c .c . Par rapport au transport à c .a?

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Ils sont exposés dans les six paragraphes qui suivent : 1. La commande de la puissance à c .c . Peut se faire beaucoup plus rapidement. La rapidité des systèmes de commande permet aussi de limiter les courants de courtcircuit à des valeurs bien inférieures à celles rencontrées sur un réseau à c .a . 2. On peut transporter le courant continu sur de grandes distances en utilisant des câbles souterrains. Comme la capacitance des câbles limitent le transport à c .a à des distances de quelques dizaines de kilomètres. Comme la capacitance n'intervient pas lorsque la tension est continue, il n'existe, en théorie, aucune limite à la longueur des lignes et des câbles transportant l'énergie en c .c . En particulier, on peut utiliser un câble souterrain pour transporter l'énergie à l'intérieur des grandes villes. 3. Nous avons vu que dans un système à c .a on ne peut relier deux réseaux que s'ils fonctionnent à la même fréquence. De plus, l'échange de puissance est imposé par la réactance de la ligne et le déphasage des tensions entre les deux extrémités. Par contre, la fréquence, la réactance et le déphasage n'interviennent pas dans le transport à c .c . Seules les résistances de la ligne et la différence des tensions entre les deux extrémités déterminent la puissance transitée. 4. Les lignes aériennes à c .c . peuvent concurrencer les lignes à c .a . lorsque la distance de transport est supérieure à quelques centaines de kilomètres. On utilise aujourd'hui des lignes à c .c . pour transporter jusqu'aux centres d'utilisation la puissance générée par une centrale lointaine, située, par exemple, près d'une chute d'eau ou d'une mine de charbon. 5. En revanche, il existe des convertisseurs «dos à dos» qui relient deux réseaux à c .a. par une ligne dont la longueur n'excède guère une dizaine de mètres. Ces convertisseurs permettent un échange de puissance entre les deux réseaux, tout en permettant à chacun de fonctionner à sa propre fréquence et à sa propre tension. Les perturbations apparaissant sur un réseau ne viennent donc pas déstabiliser l’autre. 6. Contrairement à une ligne à c .a . il est difficile de dériver des embranchements permettant de soutirer ou injecter de l'énergie le long d'une ligne à c .c . En général, les lignes à c .c . relient un centre de production à un seul centre d’utilisation. Les inductances de lissage L1 , L2 et les filtres F CCservent à réduire les ondulations de la tension Ed et du courant I d .

Fig.1.7 Diagramme schématique d'une ligne de transport à courant continu reliant deux réseaux 7 triphasés .

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Principe fondamental d'un système de transport à c .c . Un système de transport à c .c. utilise une ligne à c .c . Pour relier deux réseaux à c .a . La Fig 1.7 montre les parties essentielles du système. Le convertisseur 1 est un redresseur en pont triphasé, convertissant la puissance alternative du réseau 1 en puissance continue. Celle-ci est transportée sur une ligne composée de deux conducteurs et reconvertie en puissance alternative par le convertisseur 2, fonctionnant en onduleur. L'onduleur est du type à commutation naturelle. Les deux réseaux peuvent fonctionner à des fréquences différentes, sans affecter le transfert de puissance. Des inductances de lissage L1 , L2et des filtres F CCsont ajoutés, afin de réduire l'ondulation des tensions de ligne Ed 1 et Ed 2 . Sans ces filtres et ces inductances de lissage, les tensions saccadées E1 G et E2 G produiraient dans la ligne des courants harmoniques excessifs. Afin de supporter la haute tension imposée par la ligne de transport et le réseau à c.a. chaque thyristor montré sur la figure est en réalité composé de plusieurs thyristors connectés en série. Cet ensemble de thyristors est appelé valve. Par exemple, une valve à 50 kV peut être composée de 50 thyristors raccordés en série. Les thyristors formant une branche du convertisseur sont allumés simultanément par fibre optique, de sorte que la valve se comporte comme un «super-thyristor». Les tensions Ed 1 et Ed2 apparaissant aux deux extrémités de la ligne diffèrent seulement par la faible chute de tension RI dans les conducteurs de ligne. On peut inverser la direction de la puissance en faisant varier les angles de retard à l'amorçage α 1et α 2 de sorte que le convertisseur 1 fonctionne en onduleur et le convertisseur 2 en redresseur. Le changement des angles d'amorçage inverse la polarité des conducteurs, mais la direction du courant demeure la même . On se souviendra en effet que le sens des courants est imposé par les thyristors qui bloquent tout courant en sens inverse. La forme d'onde de la tension E1 G (côté redresseur) est montrée à la Fig 1.8 . De même, la forme d'onde de E2 G (côté onduleur) est montrée à la Fig 1.9. Nous avons supposé pour le redresseur et l'onduleur des angles de retard à l'amorçage de α 1 = 15° et α 2= 150°, respectivement.

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Figure 1.8 : Forme d'onde de la tension E1 Gdu redresseur pour un angle de retard à l'amorçage α = 15°.

1.9 : Forme d'onde de la tension E2 Gde l'onduleur pour un angle d'avance à l'amorçage β = 30°.

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