Les réseaux électriques

Depuis la production de l’énergie jusqu’à son utilisation

Plan du cours

qI IntroductionqPrésentation générale: production-transport-

distribution

qGrands mécanismes de fonctionnement d'un réseau

qÉléments technologiques

qII Etude de fonctionnementqModélisation des lignes et câbles

qMise en œuvre simplifiée

1-Introduction

q Réseaux électriques: Ensemble des appareils destinés à la production, au transport, à la distributionet à l ’utilisationde l ’électricité depuis la centrale de génération jusqu ’aux maisons de campagnes les plus éloignées

Système de Production

Système de Production

Système de Transport

Système de Transport

Système de DistributionSystème de Distribution

RESEAUELECTRIQUE

Sen

s d

e l’

éner

gie

Vision classique du système électrique de puissance

Désintégration de la structure verticale des entreprises d ’électricité

Transport “ propriètaire”

Service

consommateur

Marketing/trading

ISO

Services systèmeBoursed’énergie

ComptageGénération

Distribut ion

“ câbles”

Génération

Transport

Serviceconsommateur

Distribution

2-Quelques définitions et rappels

• Courant alternatifs?

• Le triphasé?

• 50 Hz?

Grenoble et la "Houille Blanche"

• 1884: M.Deprez transport Vizille Grenoble

• 1864: A.Berges Lac du Crozet => papeterie de Lancey

• 1897: ligne mono 75 km vers la Tronche et Brignoud

• 1903: ligne tri 26 kV Grenoble -Voiron

3-Ordres de grandeur Producteur Consommateur

(raccordé au réseau) Consommateur (hors réseau)

1 W Appareil en veille Téléphone portable

10 W HiFi, Lampe Basse Consommation

Radio, PC portable

100 W Ampoule, PC Tournevis électrique

1 kW Gros panneaux solaires Radiateur, électroménager

10 kW Maison Traction V.E

100 kW Eolienne Groupe froid usine Patinoire Grenoble (300kW)

Tram (350 kW) Avion (150kW A330 – hors propulsion)

1 MW Éclairage Stade de France Hopital St Joseph

1 moteur de TGV

10 MW Turbine, thermique Ville de 10000 habitants Consommation électrique du CdG (16MW – hors propulsion)

TGV

100 MW Centrale solaire Ville de Grenoble: consommation 300 MW

1 GW 1 tranche centrale nucléaire, Usine hydroelectrique, interconnexion France Angleterre (IFA 2000 – 2GW)

80 GW Consommation de pointe en France (60 Millions habitants)

4-1-La production

• Production groupée: – Rendement

– Sites obligés:• Hydrauliques (montagne, fleuve, mer)

• Thermique (raffinerie, mines, …)

• Nucléaire (mer, fleuve, …)

4-1-La production

•Consommation diffuse: –Agglomération, usines, …

–Souvent éloignée des centres de production

•Stockage: quantité?–Condensateurs, batteries

–Centrales à inertie

–SMES

–Barrages avec pompage nocturne

–...

4-2-La consommation

• Production décentralisée

• Production-Consommation:– Equilibre (P=C)

– Fréquence (aspect européen = aide réciproque)

– Tension

tolérance sur la tension: +6% - 10%

tolérance sur la fréquence : 0.5 Hz

4-3-Problématique et évolution

UCTE: Union pour la Coordination du Transport d'Electricité en Europe

4-4-Acheminement de l'énergie électrique

• Transport– des centrales aux abords des

centres de consommation :~ 50 000 km

• Interconnexion et répartition– connecter les différents centres

et les zones d ’utilisation~ 50 000 km

• Distribution– assure le transfert chez le client:~1.100 000 km

Exemple du réseau Français

• 1.200 000 km de lignes

• 52000 MW de puissance moyenne

• 80000 MW de puissance de pointe

• Environ 500 TWh de production annuelle

Réseau de transport

• Permet de transporter la puissance produite par les centres de production (souvent éloignés) à chaque instantjusqu ’aux centres de consommation

• Permet d ’ajuster à chaque instantla production à la consommation sur l ’ensemble du territoire

• Respect des contraintes

• Maillon faible de la chaîne

Les tensions:Tension nominale (assignée) Un

(définitions CEI)

Valeur efficacede la tension entre phasespour laquelle le réseau est dénommé et à laquelle se réfèrent

certaines caractéristiques de fonctionnement du réseau

Les tensions: tension la plus élevée Um,r

Valeur efficacede la tension entre phasesla plus haute qui apparaît

en un point du réseau dans lesconditions normales d ’exploitation

Les tensions: tension la plus élevée pour le matériel: Um

Valeur de la tension entre phasesla plus haute pour laquelle lematériel est spécifié en ce qui

concerne son isolation et toute autrecaractéristique rattachée à la tension

Les tensions: Niveaux de tensionUTE C 18-510

• TBT Un<50V

• BTA 50<Un<500V

• BTB 500<Un<1000V

• HTA 1kV<Un<50kV

• HTB Un>50kV

Rq: Remplacement BT, MT, HT, THT

Les tensions: Anciennes-Nouvellesnotations

• THT HTB Un>100kV

• HT HTB 50<Un<100kV

• MT HTA

• BT BTA et BTB

Les tensions: Utilisation des niveaux de tension

• Distribution– BTA: 220/380 V

– HTA: 10/20 kV

• Répartition– HTA: 45kV

– HTB: 63/90 kV

• Transport– HTB: 150/220/400 kV (750 kV?)

Transformateur

• Adapte les niveaux de tension

• Adapte les indices horaires

• Réglage du niveau de tension (régleur "en charge")

Les Puissances transmissibles

• Pour une ligne donnée, cette puissance dépend de:– La tension

– La section des conducteurs

– La chute de tension admissible

– La possibilité de report de puissance

– La stabilité

• Ordre de grandeur:– 63 kV : 20 MW

– 400 kV: 1200 MW

Les Puissances transmissibles: Ordre de grandeur

Tension (kV) Puissance (MW) Distance (km)63150225

400

750

2080200700120025001000

50100200400100200600

4-5-La gestion du système

• Le réseau doit être piloté et contrôlé à tout instant (Prévoir et décider)– Connaître l’état du réseau

• Prévision de la demande

• Organisation de la production

• Télésurveillance, télémesure

• Analyse d ’évènements (anticipation)

– Actions préventives ou curatives• Ecart sur « I », «f », « V » ou risque d ’instabilité

• Perturbations

4-5-La gestion du système

Réglages:•Primaire•Secondaire•Tertiaire la décision d’augmenter la production hydroélectrique sur un lac de montagne va, quelques heures plus

tard, affecter la puissance produite par une unité « au fil de l’eau » sur le cours d’eau aval (parfois dans un autre pays !)le découplage d’une centrale nucléaire espagnole va être instantanément perceptible sur la fréquence mesurée au dispatching de Varsovie.

Janvier 2004

http://www.rte-france.com/htm/fr/vie/courbes.jsp

Le 1er février, les Français étaient appelés par un collectif d’associations environnementales à éteindre leur éclairage et leurs appareils électriques en veille entre 19h55 et 20h00.

A 19h55, la consommation d’électricité en France s’élevait à 75520 MW. RTE a observé une chute brutale de la consommation d’électricité d’environ 800 MW, soit une baisse de plus de 1% de la consommation totale en France, équivalente à la consommation d’une ville comme Marseille. Selon une première estimation, cette baisse correspond à la consommation de l’éclairage et des appareils en veille d’environ 3 millions de ménages.

Le système électrique français est dimensionné pour pouvoir s’adapter à des variations de consommation et de production liées à l’activité de la journée, à la température ou à des pannes d’un élément de production. Mais une variation très importante et très rapide de la consommation déséquilibre le système électrique et peut fragiliser la sécurité d’alimentation électrique de notre pays.

Le personnel de RTE, et tout particulièrement les dispatchers, qui veillent jour et nuit à maintenir l’équilibre entre consommation et production d’électricité dans notre pays, ont tout mis en oeuvre ce soir pour que l’impact de ces variations de consommation soit maîtrisé.

En particulier, RTE a anticipé en prévoyant la disponibilité d’unités de production permettant de réagir rapidement à la brusque décroissance de la consommation enclenchée à partir de 19h55, et à sa remontée dès 20h00.

Par ailleurs, l’ajustement entre la production et la consommation d’électricité en France a bénéficié de la solidarité des autres gestionnaires de réseau européens grâce aux interconnexions, qui relient la France à ses voisins.

Puissance-fréquence et interconnexion

UCTE: Union pour la Coordination du Transport d'Electricité en Europe

LE GESTIONNAIRE DU RESEAU DE TRANSPORT

... ...

agrégateurde charge

Utilis. finalESP

ISO

schedulingcoordinator

...

bourse d’énergie

Marché des services système

D I S T R I B U T I O N (CONDUCTEURS)D I S T R I B U T I O N (CONDUCTEURS)

GG GG GG G GG GG GG G GGGGGGG

Independent System Operator

Transmission Service:

Palo Verde to Midway200 MW at $4/MWhCall SCE

For SaleTransmission Service:Four Corners to Midway200 MW at $3/MWhCall SMUD

WantedRIN

For SaleWanted200 MW at $3/MWhFour Corners to MidwayCall SMUD

200 MW at $4/MWhPalo Verde to Midway

Call SCE

Transmission Service:Transmission Service:

GRTRTEPOOL

DISTRIBUTEUR

FOURNISSEURS

Contratbilatéraux

Producteur

Clients

Flux physiques et flux financiers

Flux d ’électricité

Flux financiers

4-6-Le réseau: éléments technologiques

• Lignes aériennes:– Longues distances, rural, haute tension

• Câbles isolés:– Urbain, liaisons sous-marines, liaison souterraines

Lignes aériennes:Dimensionnement et Technologie

• Dimensionnement soumis aux contraintes externes:– Tension: isolation par couche d ’air => isolateurs

– Intensité: échauffements, pertes, perturbations

– Vent: rigidité

– Givre: Solidité et résistance à la surcharge

– neige: Solidité et résistance à la surcharge

• Technologie– Conducteurs

• Alu/acier, Almelec (Al-mg-Si), câble creux

• Sous forme de câble

• Faisceau (gradient de potentiel)

– Isolateurs• Porcelaine ou verre

• formes spéciales pour allonger les distances d ’isolement

• La pollution est un gros problème

– Supports• Armement

– Triangle

– Nappe

– Drapeau

• Câble de garde

• Pylônes

Coûts d ’installation

Etudes : 6% Pylônes: 32%Fournitures: 61% Fondations: 10%Construction: 33% Conducteurs: 50%

Matériel (isol/paraf.): 8%

Rq: - Les conducteurs représentent 30% du coût total de la ligne

- ligne 400kV => 8 c€/kW/km

- 700 MW, 400 km = 22.4 k€

Les câbles isolés: Dimensionnement et Technologie

• Puissances: – 400 kV ==> 600 à 1000 MVA

– 225 kV ==> 300 MVA

• Dimensionnement soumis aux contraintes de: – Puissance: intensité et refroidissement

– Gradient de potentiel (100 kV/cm): • εr = 2 à 4

• tgδ ~ 4 à 100. 10-4 (δ = ang(H,I) : pertes diélectriques)

– Propriétés mécaniques

• Technologies– Conducteurs:

• Cuivre (U > 225 kV)

• Aluminium (U < 225 kV)

– Isolation• Papier imprégné

• Polyéthylène

• Pression d ’huile

• Pression de gaz (SF6)

– Support• Gaine: Plomb ou inox

• Isolée: Chlorure de Polyvinyle (PVC) et Polyéthylène (PRC)

Coût

225 kV300 MVA

1 €/km/kW

Chap II: Etude du fonctionnement

• Etude des lignes et câbles– Etude en mode monophasé

• Fonctionnement

• Principes fondamentaux

• Propagation

Caractéristiques linéiques et équations de fonctionnement

• 1. But de l’étude d’une ligne:

– En général, on connaît: VG, PR, QR, (IR), (PG)

G R

IG IR

VG VR

I

VGénérateur: VG, IG, PG

Récepteur : VR, IR, PR

Ligne :V , I, P, Q

– En général, on cherche:• Au générateur: IG, QG (permettent d ’obtenir les bonnes

valeurs au récepteur ==> Réglage générateur)

• Au récepteur: θR, VR, (IR)

• En tout point de la ligne: V, I ou P, Q pour ne pas dépasser les limites de dimensionnement

– Méthode vectorielle, Boucherot…

• 2. Schéma équivalent– 2.1. Constantes linéiques

i-∆iElément delongueur «∆x » de la ligne ou

du câble

v v-∆v

i

Les circuits habituels sont:

Circuit à constantes réparties

Série si ∆i # 0 Parallèle si ∆v # 0

i

Elément série

v v-∆vi

v vi-∆ii

Elément parallèle

– 2.2. Capacité linéique (par unité de longueur)

+++++++++++++++++

- - - - - - - - - - - - - - - - -d

+v

-vdx

ligne

sol

La charge d ’un élément « dx » de ligne porté au

potentiel v est proportionnelà v et dx

dQ= C.v. dxque la ligne soit parcourue

ou non par un courant

• Le coefficient de proportionnalité C est appelé Capacité linéique (Farad/m)

• Le calcul de la capacité doit prendre en compte:– La présence du sol

– La disposition des conducteurs en faisceaumF

a

adC /

ln

−⋅= επ

– 2.3. Inductance linéique (L>>d)

d

dx

lignei

i

Ligne parcourue par un courant i, quel que soit le potentiel

Présence dans l ’espace d ’un champ magnétique dont l ’induction est

proportionnelle au courant i

• LE FLUX A TRAVERS L ’ELEMENT DE LONGUEUR dx EST PROPORTIONNEL A « I » ET A « dx »

dΦ=l. i. dx - Le coefficient l de proportionnalité s’appelle l’inductance linéique de la ligne (Henry/mètre)

– Le calcul de cette inductance doit tenir compte:• de la présence du sol

• de la conductivité du sol

• de la répartition en faisceaux

• de l ’effet de peau

– 2.4 Conductance linéique (L>>d)

d

dx

ligne

iv

Ligne portée au potentiel v, parcourue ou non par un courant

L ’isolant n ’étant pas parfait, il y a circulation d’un courant i proportionnel

à la tension v

l =µ0/π(1/4 + log((d-a)/a))

– Le calcul de g est très complexe et doit prendre en compte:• l ’Effet de couronne

• Etat de surface du conducteur

• Conditions atmosphérique

– Remarque:• gv est presque toujours négligeabledevant Cdv/dt

• LE COURANT TOTAL DISSIPE A TRAVERS L ’ELEMENT « dx » EST PROPORTIONNEL A « v »et A « dx »

di =g.v.dx- Le coefficient g de proportionnalité s’appelle conductance linéique de la ligne (Siemens/mètre)

– 2.5. Résistance linéique

d

dx

viv+dvChute de tension proportionnelle au courant i, quelle que soit la tension v

LA CHUTE DE TENSION A TRAVERS L ’ELEMENT « dx » ESTPROPORTIONNELLE A « i » et ET A « dx »

dv =r.i.dx - r s’appelle résistance linéique de la ligne (Ω/m)

v

i

g C

r l

- r, l: liées à i ==> chute de v

- g, c:liées à v ==> chute de i

– 2.6. Ordres de grandeurs

– Unités: Exprimées en S.I., les constantes linéiques conduisent à des nombres trop petits ==> raisonner en grandeurs électriques par kilomètre (Ω/km, mH/km, µF/km, S/km)

– Transposition

– Ordre de grandeur

r (Ω/km) L (mH/km) C (µF/km)

Ligne 0.05 à 0.1 0.4 10Câble 0.008 à 0.03~ 0.1 200

• 3. Equations de fonctionnement– 3.1. Superposition de deux phénomènes

• Chute de tension

• Perte de courant

v(x)i(x+dx)

gdx Cdx

rdx ldx

v(x+dx)

xx+dx

RécepteurGénérateur

∂v/∂x = ri+l(∂i/∂t)

∂i/∂x=gv+c(∂v/∂t)

Equations de la ligneélectrique

Ces équations ne sont valables que pour l’étude des régimes à variationspas trop rapides (f<1MHz), sinon MAXWELL

i(x)

– 3.2. Ou est la puissance en propagation ?• Vecteur de Poynting S=E H*

int.H S E

H

SE ext.

Eint en V/m

Eext en kV/mSint<<Sext

La densité de l’énergie est plus forte à l’extérieur qu’à l’intérieur des conducteurs

• 3.3. Equations de régime permanent

– Grandeurs sinusoïdale : représentation complexe

V(x,t) = Re(V(x)ejωt)I(x,t) = Re(I(x)ejωt)

dV/dx = (r+jlω) I

dI/dx = (g+jcω)V

∂v/∂x = ri+l(∂i/∂t)

∂i/∂x=gv+c(∂v/∂t)

– Classification des lignes• Courants capacitifs: Ic=(jcωV). L

G R

IR

VR

I

V

a)Si Ic<3% Ir: Ligne courte(L<50km, Lcâble<5km, V<30kV)

Les courants capacitifs de dérivationsont négligeables et les courants de

conduction pratiquement nuls.

b)Si 3%Ir<Ic<10%Ir: Ligne moy.(50km<L<100km, 30kV<V<100kV)

5km<Lcâble<15km

Les courants de conductance restentnégligeables mais les courants capacitifs deviennent importants, pas de propagation

c)Si Ic>10%Ir: Ligne longue(L>100km)

Tous les paramètres doivent être prisen compte: On observe le phénomènede propagation. g#0.005 Cω

Etude Générale du fonctionnement

r IV.1. Lignes courtes- Réglage de la tension

rIV.1.1 Dans les lignes courtes (L<50km), les courants de dérivation peuvent être négligés (dI/dx=0)

rLa chute de tension: Vg-Vr=∫(dV/dx)dx= ∫(r+jlω)Irdx = Ir(r+jl ω) ∫dx=Ir(r+jlω) L.

I(x)=Cte=Ig=Ir

Vg=Vr+RI+jLωI L=l. LR=r. L

L

0

L

0

rLe diagramme vectoriel correspondant:

I RI

jLωΙ

Vg

Vrϕ

Une ligne courte peut être assimilée à (représentée par) un dipôle

Vr

I R L

VgR: Résistance totaleL : Inductance totale

rIV.1.2 Réglage de la tension: rLes contraintes de réglage

- Distribution: Il est impératif de maintenir la tensionaussi constante que possible (fluctuationsgênantes pour l ’utilisateurVmin<V<Vmax : jusqu ’à +/- 10%

- Transport: Les fluctuations sont admissibles dans lala limite de stabilité et de contraintesdièlectriquesVmin<V<Vmax : +/- 5%

Les principes de réglage sont les même mais les moyens peuvent différer

∆V = R.Ir. cos(ϕr) + X.Ir.sin(ϕr)

δV = - R.Ir. sin(ϕr) + X.Ir.cos(ϕr)

rLes moyens de réglage de la tension

- Injection de puissance réactive:

G R

Pr+jQrPg+jQg

I RI jLωΙ

Vg

Vrϕ

δV

∆V

(δV/Vr) # θ (Arg(Vg.Vr))∆V = | Vg | - | Vr |

Vr. Vr. Vr.

Vr. Vr. Vr.

∆V = R. Pr+ X.QrVr.

δV = - R.Pr + X.QrVr.

∆∆∆∆V= (R.Pr + X.Qr)/Vr

δδδδV = (-R.Qr + X.Pr)/Vr

Si R<< X (cas admis en général en transport), alors:

∆∆∆∆V# ( X/ Vr).Qr

δδδδV # (X/ Vr).Pr

- ∆∆∆∆V: chute de tension <==> Qr

- δδδδV: déphasage <==> Pr

Règle fondamentale:Pour réduire la chute de tension, il faut éviter de transporter de la puissance réactive. Pour cela, ilfaut la produire à l ’endroit où elle est consommée

- La puissance réactive: Qr = (Vr/X).∆V - (R/X). Pr

Si lorsque Pr varie: On désir garder Vr et Vg constant => ∆V constant

Il faut que la puissance réactive Qr varie de la quantité:

dQr = - (R/X). dPr

La puissance réactive ainsi injectée est appelée:PUISSANCE DE COMPENSATION

rAppareils de production ou d’absorption de puissance réactive

- a)Machines synchrones: - Fournissentde la puissance réactive lorsqu’elles sont surexcitées- Absorbentde la puissance réactive lorsqu ’elles sont sous-excitées

Machines synchrones spécialisées dans la fourniture ou l’absorption

de la puissance réactive avec peu de puissance active:

Compensateurs Synchrones

- Raccordés en HTA ou HTB- Quelques Mvar (~20 Mvar)- Actuellement, peu utilisés (qlqs. points sensibles)

- b)Condensateurs et inductances parallèles: - Condensateurs:fournissent Q- Inductances:absorbent Q

Auprès des condensateurs on placetoujours des inductances de décharge:

SECURITE

Ex: Tertiaire transformateur

Ces appareils permettent des réglages:- fin => BT : ~ 1 kVar- grossier => HTA/HTB : ~ 1 Mvar- branchés au tertiaire du transformateur

- c)Insertion d’une tension additionnelle: -Lorsqu’en un point du réseau le rapport (∆Q/∆V) est tropélevé, il n ’est plus possible d ’effectuer le réglage de lala tension par injection de la puissance réactive

Injection d’une tension additionnelle

-Transformateur à prises multiples

Prises multiples

- Modification à tout moment: prises de réglage en charge- Modification par mise hors tension: prises à vide- Application: Réseaux MT, BT à structure radiale

I RI

jLωΙVrϕ

∆V

- d)Modification de la réactance: -Capacité série: Surtout en transport (ligne longues)-Capacités série régulée: Distribution HTA et interface

production décentralisée

-jI/cω

- e)Augmentation des tensions nominales:

∆∆∆∆V= (R.P + X.Q)/V

∆∆∆∆V/V= (R.P + X.Q)/V2

Si V , ∆∆∆∆V/V en1/ V2

rIV.1.3 Les choix du réglage de la tension:rRéglage continu: Générateurs, compensateurs statiques,

compensateurs synchrones

rRéglage quasi-continu:régleur à prises multiples en charge

rRéglage intermittent:condensateur shunt

rCompensateurs non réglables:condensateurs séries fixes, prises de réglage à vide des transformateurs