Cours-le Reseau Electrique National

LE RESEAU ELECTRIQUE NATIONAL I ) SCHEMA GENERAL :

II ) NECESSITE DU TRANSPORT EN TRES HAUTE TENSION THT : L’énergie électrique présente le grand avantage de se transporter toute seule et sans bruit, par contre une partie de l’énergie transporter se dissipe en chaleur, par effet Joule, dans la résistance de la ligne. r

I

U Centrale de production

Utilisation

r

Soit à transporter l’énergie électrique fournie par une centrale thermique de puissance : S = 1200MVA en U = 20KV. S = U.I I = S/U = 60000A = 60KA. Cette intensité très élevée entraîne des pertes importantes, par effet Joule, dans la ligne. Pour diminuer le courant dans la ligne ( Càd les pertes Joule), il faut augmenter la tension U ; en effet ; les pertes Joules en ligne sont données par la relation : Pj = Rt.I² = 2r.(S/U)² donc si U augmente Pj diminue. II ) AVANTAGE DU TRANSPORT EN THT : Pj = r.S²/U² III ) AVANTAGE DU TRANSPORT EN TRIPHASE : I

I PH

PH1 PH2 PH3

Récepteur monophasé

U N

Récepteur triphasé d

d Monophasé

S

Triphasé ½S

Pour une même puissance transportée : * St = ½ Sm .

* Vt = ¾ Vm. 1

Le transport en triphasé permet d’économiser la matière utilisée dans les câbles. . IV ) LES LIGNES : 1 ) Gammes de tensions : Les lignes de transport se répartissent en 3 niveaux principaux de tensions : THT HT MT 150KV 45KV 5KV 225KV 63KV 10KV 380KV 90KV 15KV 400KV 20KV 700KV 30KV - Lignes THT : Constituent le réseau national dit de grand transport et d’interconnexion. - Lignes HT : Servent à répartir l’énergie au niveau régional à partir des grands postes THT. - Lignes MT : Servent à distribuer l’énergie électrique au niveau local (Moyenne distance) à partir des postes HT. 2 ) Différents types de lignes : 2-1 ) Lignes aériennes : Les canalisations aériennes sont plus économiques que les canalisations souterraines, sont utilisées pour les réseaux de transport THT et HT, pour la distribution en BT et MT, pour l’éclairage.Fig1 Une ligne aérienne est composée de poteaux, de pylônes, de câbles conducteurs, de câbles de garde et d'isolateurs : a- Les isolateurs : Ils servent à fixer les conducteurs et les isoler des supports. Ils sont réalisés en verre ( Silice + calcaire + soude) ou en porcelaine ( Kaolin + Quartz). Ils doivent supporter à la fois des contraintes mécaniques et diélectriques. On distingue : - Les isolateurs rigides pour la BT et MT.Fig2 - Les isolateurs montés en chaîne pour HT et THT. Les isolateurs sont d'autant plus nombreux que la tension est élevée. Fig3 Légende : (1) - Isolateur en porcelaine ou en verre composé d’une tète (1a) et d’une jupe (1b) en une seule pièce. (2) - Axe de suspension en acier assurant la liaison avec l’isolateur inférieur. (3) - Capot permettant d’assurer la fixation de l’axe de l’isolateur supérieur par un goupillage. (4) - Scellement des pièces métalliques avec l’isolateur.

Fig3

b- Les poteaux ou supports : Ils assurent l’inaccessibilité aux conducteurs. Ils sont :  En bois : Pour les pays froids où risque d’oxydation.  En béton armé, surtout en BT et MT.  Métalliques, surtout en HT et THT. c- Les pylônes : Utilisés généralement pour supporter les lignes THT.Fig4

2

Fig4

d- Armement des supports : C’est l’ensemble constitué par les ferrures et les isolateurs avec les vis de fixation. Il existe différentes dispositions.Fig5 2-2 ) canalisation souterraines : Le passage des canalisations en souterraine s’impose surtout pour des raisons de sécurité ou d’esthétique.Fig6 2-3 ) Canalisations sous-marines : L’échange d’énergie se fait en continu pour question d’économie et fiabilité, donc nécessité d’une double conversion d’énergie (Alternatif-continu). V ) Poste d’interconnexion : 1 ) Fonction : Toutes les lignes sont interconnectées à des postes dites d’interconnexion qui assurent :  La liaison entre les centrales de production et le réseau de transport.  Les échanges des énergies entre les régions, aussi entre les pays voisins.  En cas de défaut sur une ligne, on peut s’alimenter d’autre ligne. 2 ) Structure et constitution d’un poste :

3

3 ) Variation de la demande d’énergie : Les variations de la demande sont surtout fonction : • Des heures de la journée : Mini à 4h, Maxi à 10h-11h. • Des jours de la semaine : Le jeudi et le mardi. • Des saisons : Maxi en Janvier, mini en Août. Fig7 Mardi 16 décembre 1986 Mardi 17 juin 1986 60

Puissance (GW)

50 40 30 20 10 0 1 0

22

43

64

6 12 7 14 8 16 9 18 10 20 11 22 12 24 13 85 10 Heure

Puissance (GW)

Dimanche 14 décembre 1986 Dimanche 15 Juin 1986 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1 0

2 2

3 4

64

6 12 7 14 8 16 9 18 10 20 11 22 12 24 13 85 10 Heure

Fig7 4 ) Ajustement de la production : L’emploi des moyens de production est directement lié au coût du Kilowattheure produit et à la disponibilité de l’énergie, c’est ainsi que l’on utilise dans l’ordre :  Les centrales hydrauliques au fil d’eau : Utilisation optimale de l’énergie, ces centrales n’ont pas de réserve.  Les centrales thermiques nucléaires, elles sont utilisées à 90% de leur capacité : Prix du KWh faible, peu de souplesse pour les variations de charge.  Les centrales hydrauliques de montagne selon leur disponibilité en réserve d’eau.  Les centrales de pompage et les turbines à gaz. 4

Les centrales nucléaires fournissent une puissance à peu prés constante, les centrales thermiques classiques et hydrauliques sont surtout utilisées aux heures de pointes. Fig8 Puissance (GW) 80 Turbine à Gaz

Pompage + Barrage Fuel lourd Centrales thermiques à charbon 50 Centrales nucléaires Centrales hydrauliques au fil de l’eau 0

4

8

12

16

20

24 Heure

Fig8 5 ) les dispatchings : Ce sont des centres de coordination et d’exploitation. Les mouvements d’énergie sont réglés 24h/24h par un centre national de coordination installé à casa et autres centres régionaux. Ils assurent les fonctions suivantes :  Etablissement des programmes de production des centrales.  Contrôle des échanges avec les autres fournisseurs d’énergie.  Surveillance et commandement de fonctionnement du réseau dans les limites géographiques de leur responsabilité.  Transmission des informations de démarrage ou d’arrêt des centrales.  Gestion d’un certain nombre d’usines hydrauliques. Les dispatchings travaillent sur des prévisions annuelles, hebdomadaires et journalières. Ils établissent, à partir des consommations de l’année précédente, la courbe des charge prévisionnelles, heure par heure, pour le lendemain. Cette gestion d’énergie est effectuée par un ordinateur central qui communique avec des terminaux régionaux afin d’optimiser en permanence l’exploitation du réseau national. VI ) POSTE DE TRANSFORMATION : 1 ) Fonction : Les fonctions des postes de transformation sont :  Elévation de la tension (Transport).  Diminution de la tension (Distribution).  Protection (Disjoncteur).  Isolement (Sectionneur).  Sécurité (Mise à la terre).  Mesure de courant et de tension (TC + TP).  Conversion du signal électrique (Alternatif-continu ou vice versa).

5

2 ) Structure d’un poste MT/BT : I

TP S

Réseau 20KV – 50Hz

KWh

TC

S Légende : I : Interrupteur aérien. S : Sectionneur porte fusible. D : Disjoncteur. TP : Transformateur de potentiel. TC : Transformateur de courant. KWh : Compteur d’énergie. T : Transformateur de distribution MT/BT.

T : 20KV / 400V. S = 40KVA.

Arrivée en double Dérivation.

D Vers utilisation.

Ces postes sont réalisés lorsque les besoins d’énergie augmente où on couple plusieurs transformateurs en parallèles (Si nécessaire). L’alimentation des postes peut être : En simple dérivation (En antenne), ou en double dérivation, ou en boucle (En coupure d’artère). Fig9

6 Fig9

3 ) Différents types de postes: Il existe plusieurs types de postes électriques : • • • •

Postes de sortie de centrale : le but de ces postes est de raccorder une centrale de production de l'énergie au réseau ; Postes d'interconnexion : le but est d'interconnecter plusieurs lignes électriques Postes élévateurs : le but est de monter le niveau de tension, à l'aide d'un transformateur ; Postes de distribution : le but est d'abaisser le niveau de tension pour distribuer l'énergie électrique aux clients résidentiels ou industriels. 4 ) Eléments constitutifs d’un poste :

On distingue parfois les éléments d'un poste en "éléments primaires" (les équipements haute tension)et "éléments secondaires" (équipements basse tension) • • • • • • •

éléments primaires Transformateur électrique Disjoncteur à haute tension Sectionneur Parafoudre Transformateur de courant Transformateur de tension Combiné de mesure (courant + tension)

• • • • • •

5 ) Transformateur monophasé :

7

éléments secondaires relais de protection , équipements de surveillance, équipements de contrôle, système de télé conduite (Interrupteur aérien), comptage d'énergie alimentations auxiliaires

a- Présentation :

. b- Principe de fonctionnement :

i1

Circuit magnétique feuilleté

Noyau (colonne)





i2 v2

v1 ~

Primaire N1 spires

Secondaire N2 spires

Le sens d’enroulement des bobinages du primaire et du secondaire est identique vu des bornes homologues (). Conséquence : -

des tensions pointant vers des bornes homologues sont de même signe (donc en phase en régime sinusoïdal)  v1 et v2 sont en phase sur l’exemple ci-dessus. Loi de Faraday : une variation de flux à travers une spire crée une f.é.m : e. Inversement une f.é.m. e dans une spire crée une variation de flux à travers celle-ci. e = -dΦ/dt C’est ce phénomène qui est exploité dans le transformateur. Les courants i1 et i2 sont à l’origine d’un champ magnétique variable qui induit aux bornes du primaire et du secondaire les f.e.m. e1 et e2 telles que : e1 = -N1dΦ/dt ; e2 = -N2dΦ/dt . c- rapport de transformation : e2 N =− 2 e1 N1 8

v N N  v2 = N2 =m avec m rapport de transformation du transformateur : m = N2 . 1 1 1 si m > 1, le transformateur et élévateur de tension ; si m < 1, le transformateur est abaisseur de tension. d- Transformation d’énergie:

ϕ

ϕ Symboles :

ou

Le transformateur est un convertisseur statique (pas de pièce en mouvement). Il transforme une tension sinusoïdale en une autre tension sinusoïdale de valeur efficace différente.

symbole :

d- Transformateur réel : Rapport de transformation :

Le rapport de transformation se mesure à vide (pas de charge, I2=0)

m=

U N = U N

Transformateur en charge :

On constate une chute de tension : U2 < U20 = m.U1. Plus I2 augmente (la charge augmente) plus U2 diminue Cette dernière observation vient du fait d’une chute de tension provoquée par la résistance du bobinage ∆U. (si I2 augmente ∆U augmente aussi). Schéma électrique équivalent en charge V1≈E1=4,44×N1×f ×φˆ (Formule de Boucherot). Avec : i1 1 f 2f r1 mi2 i2 r2 i10 i10r Lm

i10a



 U20

Rfer

TP v1 : Tension d’alimentation au primaire. i1 : Courant absorbé au primaire. i10 : Courant absorbé à vide. 9

l1f : Inductance représentant les fuites magnétiques de l’enroulement primaire. r1 : Résistance de l’enroulement primaire. Lm : Inductance magnétisante de l’enroulement primaire. Rfer : Résistance représentant les pertes dans le fer de l’enroulement primaire. l2f : Inductance représentant les fuites magnétiques de l’enroulement secondaire. r1 : Résistance de l’enroulement secondaire. v2 : Tension au bornes de charge. i2 : Courant débité dans la charge. U20 : Tension secondaire à vide. Modèle de Kapp :

L’approximation de Kapp consiste à négliger le courant i10 devant i1 lorsque le transformateur fonctionne en charge. Vu du secondaire, le transformateur est alors équivalent à une f.e.m. (Es) en série avec une Zs impédance (Zs) : I2 Rs

jXs

V2

Es

avec :

Zcharge

Es =mV1=V20 Zs =R s + jXs Rs = m 2 .r1 + r2 X s = (m 2 .1 f +  2 f )ω

Remarque : -

les grandeurs du primaire sont multipliées par m2 lorsqu’elles sont rapportées au secondaire

Bilan énergétique : ϕ

ϕ

Les pertes fer sont dues à l’hystérésis du matériau ferromagnétique et aux courants de Foucault. Les pertes fer sont proportionnelles à Bmax 2 -donc à U12- et à la fréquence f (voir § 1.2.2.). Bilan des puissances : P = PJ + PJ + Pfer + P

Limitation des pertes fer Pour réduire les pertes par hystérésis, il faut choisir un matériau ferromagnétique avec un cycle d’hystérésis le plus étroit possible. Pour réduire les pertes par courants de Foucault, le noyau est feuilleté. C’est-à-dire qu’il est constitué de tôles vernies, donc isolées les unes des autres. La taille des boucles de courant de Foucault est alors limitée par l’épaisseur de la tôle. Plus les boucles sont petites, plus les pertes sont réduites.

Rendement η=

Putilisée P P = = Pabsorbée P P + Pfer + PJ

η=

ou 10

P − Pfer − PJ P

PJ = PJ + PJ Le rendement varie en fonction des conditions d’utilisation du transformateur. Le meilleur rendement s’obtiendra pour les grandeurs d’utilisation nominales indiquées sur la plaque signalétique du transformateur. Les bons transformateurs de fortes puissances peuvent atteindre un rendement de 98%. Rq : Le rendement est maximal quand : Pj = Pfer. C à d : Rs.I2*² = Pfer.

Calcul du rendement Mesure directe Cette méthode consiste à mesurer avec deux wattmètres P1 et P2.

η=

P P

Mesure par la méthode des pertes séparées Deux essais particuliers du transformateur permettent de mesurer séparément les pertes par effet joule (pj) et les pertes ferromagnétiques (pfer). Cette méthode consiste à évaluer les différentes pertes dans les conditions nominales d’utilisation.

Essai à vide : mesure des pertes fer Montage : Mesure à tension nominale.

A vide le circuit secondaire est ouvert : I2 = 0 ⇒ P2 = 0 et PJ2 = 0 Bilan des puissances : P10 = PJ10 + Pfer. Toute l’énergie absorbée au primaire est utilisée pour compenser les pertes fer et les pertes joules au primaire. Remarque : l’indice 0 (zéro) indique qu’il s’agit de valeurs à vide.

Finalement : Complément :

A vide I10 est très faible. Par conséquent PJ10 << P10. essai à vide P = Pfer les pertes fer dépendent essentiellement du champ magnétique donc de la tension U1 et de la fréquence f. Comme ces deux grandeurs restent les mêmes à vide ou en charge, les pertes fer mesurées à vide sont les mêmes que celles en charge. Il faut donc naturellement faire cet essai à la tension nominale (ex. U1N = 220 V).

Essai en court circuit : mesure des pertes joule Montage : Mesure à tension réduite et courant nominal.

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Le circuit secondaire est en court-circuit : U2 = 0 ⇒ P2 = 0 Bilan des puissances : P1cc = PJ1cc + PJ2cc + Pfer. Toute l’énergie absorbée au primaire est utilisée pour compenser les pertes fer et les pertes joules. Remarque : l’indice cc indique qu’il s’agit de valeurs mesurées en court-circuit.

En court-circuit, pour obtenir In, il faut travailler à très faible tension U1cc. Par conséquent Pfer est très faible. essai en court-circuit P cc = PJ

Finalement :

Essai en charge Montage : il faut choisir une charge appropriée pour travailler dans les conditions nominales de tension et de courant. On mesure P1. Rendement : η =

P P − P − PJcc = P P

Autres caractéristiques du transformateur Lecture de la plaque signalétique Selon la norme NF 15.100, on peut lire sur la plaque signalétique d’un transformateur industriel, les données suivantes : exemple : 5000 V / 235 V ; 50 Hz ; 8 kVA Ce qui donne : U1n = 5000 V tension nominale du primaire. U20 = 235 V tension à vide du secondaire. f = 50 Hz fréquence nominale de fonctionnement. S1n = 8 kVA puissance apparente nominale au primaire Isolation galvanique Il n’y a aucun contact électrique entre le primaire et le secondaire. On parle d’isolation galvanique. Transformateurs particuliers Transformateur d’isolement Transformateur de rapport m = 1 utilisé pour l’isolation galvanique entre deux parties d’une installation électrique. En effet, quelque soit le transformateur, il n’y a aucun contact électrique entre le circuit primaire et le circuit secondaire.

Transformateur d’impulsion Utilisé pour la commande de gâchette des thyristors, il transforme un signal carré impulsionnel .

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en signal

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