Réseau-na

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

N.L.Technique

S.CHARI

I. Introduction Pour être acheminée depuis les centres de production vers les consommateurs, l’électricité emprunte des chemins successifs qui sont « comparables au réseau routier. » Les différentes étapes de l’alimentation électrique sont : • La production. • Le réseau de grand transport. • Le réseau de répartition. • Les réseaux de distribution. II. Différentes tensions Les générateurs des centrales électriques fournissent généralement une tension comprise entre 5 et 20 kV. Cette tension est élevée à une valeur de 400 kV afin d’être transportée vers les centrales de répartition (dispatching) puis vers les lieux d’utilisation par les réseaux de transport et de distribution de l’énergie électrique. Tension alternative Ancienne dénomination

Type de ligne

Tension alternative Nouvelle dénomination

Domaine

Très Haute Tension (THT)

400kV ou 225kV

Haute Tension B (HTB)

>50 000V

Haute Tension (HT)

90kV ou 63kV

Haute Tension A (HTA)

1kV
Moyenne Tension (MT)

30kV, 20kV ou 15kV

Basse Tension B (BTB)

500
Basse Tension (BT)

400V, 230V

Basse Tension A (BTA)

50
Usage Transport d’énergie électrique à longue distance et international Transport d’énergie électrique distant, industries lourdes, transport ferroviaire Transport et distribution d’énergie électrique en local : industries, PME, services, commerces Distribution d’énergie électrique : ménages, artisans

Le réseau national possède deux types de ligne : • Les lignes de transport : tension supérieure à 20 kV • Les lignes de distribution : tension inférieure à 20kV III. Réseau national Le réseau national est organisé en trois niveaux III.1. Réseau de grand transport et d’interconnexion Son rôle est de transporter l’électricité des principaux centres de production jusqu’aux zones de consommation. Il permet aussi les échanges d’énergie avec les pays voisins. Pour assurer les transits sur de telles distances, la Très Haute Tension (THT) est nécessaire afin de minimiser les pertes. III.2. Réseau de répartition A proximité des zones de consommation des postes de transformation abaissent la tension. Ce sont les points de départ du réseau de répartition qui achemine un courant à Haute Tension (HT) vers les centres distributeurs et les grands clients industriels. Il assure le transport régional et la répartition proprement dite. III.3. Réseau de distribution C’est au réseau de distribution qui amène l’électricité au client final (petites et moyenne industries, tertiaire, particuliers) en moyenne tension (MT) puis en basse tension (BT). SI - Alimenter – Réseau national

page 1/25

Classe : 2 STE

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

N.L.Technique

S.CHARI

III.4. Schéma général de la production, du transport et de la distribution. PRODUCTION

TRANSPORT

DISTRIBUTION

Centrale hydraulique

Sidérurgie ONCF Mines

400 kV Poste d'interconnexion Centrale thermique

Livraison en HTA (20 kV) 20 kV

Centrale nucléaire

HTB / HTA Transformateur 400 kV / 225 kV 400 kV Transformation HTA/BT

Réseau BT 230 / 400 V

IV. Transport en haute tension Le réseau électrique national s'étend sur des milliers de kilomètres de lignes électriques. Ces lignes sont constituées de câbles métalliques très longs qui sont des conducteurs électriques imparfaits. Ainsi, lorsque des courants électriques de forte intensité traversent ces câbles, une partie de l'énergie transportée est transformée en chaleur par effet joule et donc perdue. Afin de limiter ces pertes d'énergie, il est nécessaire de diminuer l'intensité du courant donc d'augmenter la tension aux bornes de la ligne L’énergie produite par les différents sites de production doit être acheminée sur tout le territoire. Cet acheminement est réalisé par des lignes aériennes ou souterraines. IV.1. Lignes aériennes A haute et très haute tension, les lignes de transport sont aériennes dans leur grande majorité. Elles sont constituées de conducteurs nus en alliage d’aluminium et de supports (pylônes). Leur diamètre augmente avec la puissance à transporter. Tension kV 225 400

Distance entre phases (m) 6 10

Distance du sol (m) 11 13

Elles sont composées de câbles; elles transportent essentiellement du courant alternatif triphasé. On regroupe en général deux circuits sur une seule ligne IV.2. Lignes Souterraines Les liaisons souterraines nécessitent des câbles de fabrication plus complexe. Ils sont constitués d’une partie conductrice centrale en cuivre ou en aluminium, l’âme du câble, entourée d’une gaine isolante en matière synthétique. En MT, ces câbles sont enterrés dans de simples tranchées. En HT et THT, c’est un peu plus compliqué. Toutefois le recours aux liaisons souterraines entraîne un coût d’investissement qui est 3 à 5 fois supérieur à l’aérien en HT et 5 à 7 fois en THT. V. Mouvements d’énergie Il faut qu'à chaque instant la puissance demandée par les abonnés soit égale à la puissance fournie par ONE. Il faut aussi à chaque instant que l'énergie livrée soit : - à une fréquence fixe, - à une tension fixe, - à une puissance variable SI - Alimenter – Réseau national

page 2/25

Classe : 2 STE

N.L.Technique

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

S.CHARI

V.1. Variation de la demande d'énergie Au cours d’une journée de 24 heures, la consommation d’électricité suit l’activité du pays. Elle varie également en fonction des jours de la semaine et des saisons V.2. Centres de répartition (Dispatching national) C'est là que des opérateurs spécialisés surveillent et pilotent le réseau électrique, 24 heures sur 24. Pour cela, ils sont à l'écoute du réseau afin d'ajuster les offres de production aux demandes de consommation.

V.3. Postes d’interconnexion V.3.1. Fonction Ils assurent la liaison entre les centrales de production d'énergie électrique et le réseau de transport et d'interconnexion. Des transformateurs de puissance permettent des échanges d'énergie entre réseaux et différentes tensions.

V.3.2. Structure S2 S1

Arrivée 1 400KV

Tc

S3

D1

Tp Tc Arrivée 2 400KV Tp

Tp : transformateur de potentiel S1 : sectionneur de ligne Tc : transformateur de courant D1 : disjoncteur S2-S3 : sectionneurs de liaison avec les 2 jeux de barres

Départ 225KV

T1 225/400KV

Départ 150KV

T2 150/400KV

2 jeux de barres

VI. Réseau de distribution d ‘énergie MT/BT A partir de postes sources alimentés par le réseau de transport, O.N.E distribue l'énergie en moyenne tension (MT) 20 kV, mais il existe encore des réseaux en 5, 10, 15 kV ou en 24 ou 30 kV. On distingue deux types de réseaux moyenne tension : - réseau aérien surtout en zone rurale - réseau souterrain en zone urbaine VI.1. Réseau en zone rurale Ce sont essentiellement des lignes aériennes assez longues, assurant une distribution avec une faible puissance à des utilisateurs très dispersés. VI.2. Réseau en zone urbaine I1 s'agit surtout de câbles souterrains, qui ne sont pas influencés par les intempéries (orage par exemple). La puissance installée est beaucoup plus importante par unité de surface. VI.2.1. Alimentation en simple dérivation ou en antenne À partir d'un poste-source alimenté par le réseau de transport d'énergie, une artère principale du 20 kV dessert des postes de transformation 20kV/400V disposés en multiples dérivations comme une grappe. Remarque : Un défaut sur le réseau peut provoquer une coupure de courant chez tous les abonnés alimentés par l’artère principale SI - Alimenter – Réseau national

page 3/25

Classe : 2 STE

N.L.Technique

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

S.CHARI

VI.2.2. Alimentation en coupure d’artère, « réseau en boucle » Tous les postes HTA/BT sont branchés en dérivation Sur une boucle ouverte en un point dit point de coupure, proche du milieu de la boucle. Tous les appareils de coupure de l’artère sont fermés, sauf un. Avantage : En cas de défaut sur une partie de la boucle, on peut isoler cette partie, et alimenter tous les postes. Ce type de réseau est surtout réalisé en souterrain.

VI.2.3. Alimentation en double dérivation Chaque poste est alimenté par deux câbles avec permutation automatique en cas de manque de tension sur l'une des deux arrivées, ce qui permet d'assurer une grande continuité de l'alimentation. Cette disposition est surtout utilisée en souterrain et dans les grandes villes.

VII. Poste de transformation HTA/BT (poste de livraison) Un poste de transformation reçoit l’énergie en 20kV et la transforme en 400V, la puissance du transformateur est fonction du nombre d’abonné et de la puissance demandée individuellement. En fonction des besoins en énergie de l’utilisateur, la puissance installée chez le client varie de 3 à 36 kVA pour le domestique et de 36 à 250 kVA pour les professionnels. VII.1. Conception générale d’un poste de transformation. Le poste de livraison comporte essentiellement de l'appareillage et un ou plusieurs transformateurs afin d'assurer les fonctions suivantes : • dérivation du courant sur le réseau; • protection du transformateur cote HT; • transformation HT/BT; • protection du transformateur cote BT; • comptage d'énergie. Toutes les masses métalliques du poste sont reliées à la terre. Pour l'intervention dans le poste, les arrivées doivent êtres sectionnées et les câbles reliés entre eux mis à la terre. VII.2. Différents types de postes de livraison VII.2.1. Poste sur poteau Le transformateur et l'appareillage sont fixes sur le poteau, l'alimentation est aérienne, le départ s'effectue en aérien ou en souterrain. • Protection : Cote haute tension, protection contre la foudre par éclateur. Cote basse tension, un disjoncteur protège le transformateur contre les surintensités. • Raccordement : Le transformateur est alimente en aérien, le départ BT s'effectue soit en aérien soit en souterrain.

SI - Alimenter – Réseau national

page 4/25

Classe : 2 STE

N.L.Technique

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

S.CHARI

VII.2.2. Postes préfabriqués monoblocs Ces postes peuvent être soit en bas de poteau soit sur une plate-forme extérieure. Le raccordement s'effectue par câble soit au réseau aérien, soit au réseau souterrain. Le tableau BT comporte un interrupteur avec fusibles ou un disjoncteur avec coupure visible. La puissance du transformateur est comprise entre 100 kVA et 1000 kVA.

Conception générale

Poste sur poteau

Poste préfabriqué

VII.2.3. Postes d’intérieur. L'installation d'un poste de livraison en intérieur se justifie lorsqu'on doit protéger l'appareillage HT et BT du poste contre les fortes variations de température, ou dans le cas de puissances importantes. On distingue les postes dont l'appareillage HT est sous enveloppe métallique, des postes équipés d'appareillage HT sans enveloppe; le matériel, dans ce dernier cas, est dit (ouvert). Les postes avec cellules préfabriquées métalliques sont réalisés avec des cellules remplissant chacune une fonction. Exemple : • cellule d'arrivée; • cellule de protection HT; • cellule de protection BT (fusible + interrupteur); • cellule de protection BT (disjoncteur); • cellule de départ BT, etc. Ces cellules sont juxtaposées à la demande et permettent de réaliser n'importe quelle disposition de poste de livraison.

SI - Alimenter – Réseau national

page 5/25

Classe : 2 STE

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

N.L.Technique

S.CHARI

Cellule de protection et de répartition

Assemblage de cellules préfabriquées ayant chacune un rôle déterminé

Cellule de raccordement au réseau HTA

Cellule de comptage et de protection HTA

Les postes avec cellules préfabriquées métalliques ont pratiquement remplacé tous les postes maçonnés avec appareillage ouvert; ils présentent l'avantage d'une meilleure sécurité, et d'une mise en place rapide. VIII. Transformateurs monophasés VIII.1 Rôle Les transformateurs sont utilisés pour adapter (élever ou abaisser) une tension aux besoins de l’utilisation. Pertes

Tension d’alimentation

Tension d’utilisation

Adapter la tension

VIII.2. Symbole

Transformateur monophasé

Transformateur triphasé

VIII.3. Principe de fonctionnement Enroulement secondaire

Enroulement primaire

Source

U2

U1

Charge

Secondaire

Primaire Circuit magnétique

Il est constitué de 2 enroulements placés sur un circuit magnétique fermé.

SI - Alimenter – Réseau national

page 6/25

Classe : 2 STE

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

N.L.Technique

S.CHARI

Le primaire est alimenté par le réseau et se comporte comme un récepteur. Il crée un champ et un flux magnétique (ϕ(t) alternatif ) dans le circuit magnétique feuilleté. Le secondaire est soumis à la variation de ce flux, il est le siège d'une fem induite due à la loi de Lenz et alimente la charge. Un transformateur qui produit une tension plus grande est dit élévateur de tension, à l'inverse il est dit abaisseur de tension. VIII.4. Transformateur parfait VIII.4.1. Hypothèses simplificatrices - Circuit magnétique fermé de perméabilité infinie (pas de fuites de flux et pas de pertes de fer). - Enroulements primaire et secondaire de résistance nulle (pas de pertes par effet joule dans les enroulements). VIII.4.2. Relations entre les tensions A chaque instant, chaque spire est traversée par le même flux magnétique. Au primaire :

e 1 = - N1

Au secondaire : e2 = - N2

dΦ dt dΦ dt

On tire immédiatement :

u2 u1

=-

u1 = - e1

U1 = - E1 = j ω N1 Φ (1)

u2 = e2

U2 = E2 = - j ω N2 Φ (2)

e2 e1

=-

N2

=-m

N1

Cette relation indique que les tensions u1 et u2 sont en opposition de phase. La relation entre les valeurs efficaces U1 et U2 ne tient pas compte du déphasage :

m=

U2 U1

m est le rapport de transformation du transformateur. L’équation (1) donne en valeur efficace : U1 = E1 = ω N1 Φ = 2 π f N1 Φmax /√2 = 4,44 f N1 Φmax U1 = 4,44. f. N1.s.Bmax et


Formule de Boucherot

U2 = 4,44. f .N2 .s.Bmax

Où U, E (valeurs efficaces) en V, B (champ magnétique) en Tesla (T), s (section de fer) en m2 et f (fréquence) en Hz. VIII.4.3. Relations entre les intensités Bilan des puissances: P1= P2 (transformateur parfait) U2 I1 = Comme ϕ1 = ϕ2 on a: S1= S2 = U1 I1= U2 I2 ⇒ m = U1

Rendement:

η=

I2

P2 =1 P1

VIII.4.4. Schéma électrique équivalent et diagramme de Fresnel Un transformateur parfait est alimenté au primaire par une tension sinusoïdale u1. Il alimente une charge Zc, telle que le courant i2 présente un déphasage d’un angle φ2 avec la tension u2.

SI - Alimenter – Réseau national

page 7/25

Classe : 2 STE

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

N.L.Technique i1

S.CHARI

i2 I1

u1

u2

m

Z2

ϕ1

U1

U2

ϕ2 I2

L’intensité du courant I2 dépend de la charge appliquée au secondaire, il en est de même pour le facteur de puissance cos φ2. Ces deux grandeurs imposent l’intensité du courant I1 appelé au primaire, ainsi que le facteur de puissance du primaire, sachant que φ1 = φ2. VIII.5. Transformateur réel En éliminant toutes les hypothèses précédentes : i1

R1

u1

L1

L2

- mi2

Lm

i2 u2

RF i10

R2

e2

e1

VIII.5.1. Relations entre les tensions Le circuit du primaire peut se mettre en équation comme suit :

U1 = - E1 + R1.I1 + j L1 ω.I1

Le circuit du secondaire peut se mettre en équation comme suit : U2 = E2 - R2.I2 - j L2 ω.I2 VIII.5.2. Relations entre les intensités La relation s’écrit :

i1 = i1o -

N2

i2 = i1o – m i2

N1

Avec i10, intensité du courant absorbé par le primaire du transformateur à vide. VIII.5.3. Comportement simplifié dans l'hypothèse de Kapp L’hypothèse de Kapp permet de négliger le courant i10 vis à vis de i1 si bien que i1 et i2 sont dans le rapport de transformation. VIII.5.4. Schéma équivalent simplifié ramené au secondaire Le modèle de Thévenin équivalent au transformateur vu du secondaire consiste à ramener tous les éléments du transformateur sur le circuit du secondaire. Connaissant la charge, il sera aisé de calculer les paramètres électriques du transformateur complet. Les éléments R1 et X1 = L1ω peuvent être déplacés au secondaire en les multipliant par m2, ainsi : Le secondaire se comporte comme une source de tension : • de f.e.m :U20 ; • d'impédance ZS = √ XS2 + RS2

avec : RS = (R2+m2 R1) et XS = (X2 + m2 X1)

On peut écrire l'équation du transformateur ramenée au secondaire : U2 = U20 - (R2 + jL2ω)I2 SI - Alimenter – Réseau national

page 8/25

Classe : 2 STE

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

N.L.Technique

m2 R1

i1

u1

m2 L1

R2

L2

i2 u2

e2

m

S.CHARI

e1

ZS i1

u1

RS

LS

Rs

i2

u2

e2 = u20

m

Xs

i2

u2 mu1

e1

ZS, l’impédance équivalente aux deux éléments RS et XS La tension e2 étant égale à – m.u1, sa valeur efficace est donc égale à U2o. Le circuit du secondaire peut se mettre en équation comme suit :

U2 =U20 - (RS + jXS)I2 (6)

VIII.5.5. Calcul approché de la chute de tension au secondaire : Le calcul de la chute de tension peut être alors réalisé à l’aide d’une formule approchée : ∆U2 = RSI2 cos φ2 + XSI2 sin φ2 VIII.5.6. Détermination des éléments RS et XS Le transformateur réel est équivalent à un transformateur parfait associé à un modèle de Thévenin au secondaire de fem Es = U20 = -mU1 et d'impédance Zs = Rs+jLsω = Rs+ jXs . avec Rs = Pj /I22 , Zs = mU1cc/I2cc et Xs = √ ZS2- RS2 VIII.5.7. Rendement du transformateur Le transformateur est un élément essentiel de la chaîne de distribution de l'énergie électrique pour des réseaux de très grande puissance. Dans la recherche d'une optimisation des coûts, il est nécessaire de connaître le rendement du transformateur. Le rendement d'un appareil est le rapport de la puissance restituée à la puissance fournie.

Pour le transformateur :

η=

Puissance disponible au secondaire Puissance totale absorbée au primaire

=

P2 P1

Remarque : le rendement est maximal lorsque pertes fer et pertes Joule sont identiques. VIII.5.7.1. Mesure directe Cette méthode consiste à mesurer avec deux wattmètres P1 et P2.

SI - Alimenter – Réseau national

page 9/25

η = P2 / P1

Classe : 2 STE

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

N.L.Technique

S.CHARI

VIII.5.7.2. 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 I10 W

A

U1N V2

V1

U20

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. A vide I10 est très faible. Par conséquent PJ10 << P10.

Finalement : essai à vide P10 = Pfer

Complément : 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 I1CC

I2CC = I2n

W Tension réduite U1CC

A

V

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 I2N, il faut travailler à très faible tension U1CC. Par conséquent Pfer est très faible. Finalement : essai en court-circuit P1CC = PJ •

Essai en charge

Il faut choisir une charge appropriée pour travailler dans les conditions nominales de tension et de courant. On mesure P2. SI - Alimenter – Réseau national

page 10/25

Classe : 2 STE

N.L.Technique

Rendement :

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

η=

S.CHARI

P2 U2.I2.cosφ2 = U2.I2.cosφ2 + P10 +PJ P1

IX. Transformateurs triphasés IX.1. Exemple de transformateurs

Transformateur d’interconnexion de réseau

Transformateur de poteau 20 kV / 400 V

IX.2. Constitution IX.2.1. Circuit magnétique Le circuit magnétique canalise le flux magnétique. Il est constitué d’un empilage de tôles. Ces tôles sont :  Isolées entre elles par oxydation (diminutions des pertes par courant de Foucault) ;  à cristaux orientés (diminution des pertes par hystérésis) ;  assemblées en alterné pour limiter l’entrefer ( réductions des fuites magnétiques). Culasse supérieure

Culasse inférieure

IX.2.2. Circuit électrique Il comprend les enroulements primaires et secondaires ainsi que les éléments permettant les connections avec les circuits extérieurs. Pour les transformateurs triphasés, il y a 3 enroulements primaires et 3 enroulements secondaires. IX.2.3. Couplage Comme tous les récepteurs triphasés, le primaire d’un transformateur peut avoir ses enroulements couplés en étoile ou en triangle. De la même façon, les bobines secondaires pourront être connectées en étoile, en triangle ou en zig- zag. SI - Alimenter – Réseau national

page 11/25

Classe : 2 STE

N.L.Technique

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

S.CHARI

Par convention : - les bornes haute tension sont repérées par des lettres majuscules : A , B , C. - les bornes basse tension sont repérées par des lettres minuscules : a , b , c. Y

Couplage étoile

D

Couplage triangle

Z

Couplage zig-zag (nécessite des enroulements à point milieu)

y, d ou z

Idem

N ou n

Neutre sorti

0, 1,2,…, 11

Retard de la BT sur la HT exprimé en multiple de 30°

1ére lettre (majuscule) Couplage primaire 2ème lettre (minuscule) couplage secondaire 3ème lettre Indice horaire IX.2.4. Indice horaire

Les conditions de couplage des enroulements primaires et secondaires ont aussi pour effet d’introduire un déphasage entre des tensions primaires et secondaires et homologues, c’est à dire apparaissant entre les bornes désignées par des mêmes lettres (VA , Va) ou (UAB , Uab). En pratique, le déphasage θ obtenu est toujours un multiple entier de ± 30°. θ = retard d’une tension BT sur son homologue HT. L’indice horaire I est :

θ

0 ≤ I ≤ 11

I= π

(entier)

6

Exemple : Un indice horaire de 11 correspond à un retard de 11 x 30° = 330°

Dyn11

Représentation de Fresnel

X. Protection des personnes et des matériels X.1. Protection des personnes : Régimes de neutre

SI - Alimenter – Réseau national

page 12/25

Classe : 2 STE

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

N.L.Technique

S.CHARI

X.1.2. Défaut d’isolement. Soit UL : potentiel des masses. Ra : résistance de la prise de terre. Id : courant de défaut. On a : UL = Ra x Id Défaut Id

Le potentiel UL ne doit pas dépasser :  25 V en local humide.  50 V en local sec.

UL

C’est un contact entre un ou plusieurs des conducteurs actif (phase ou neutre) avec la masse ou la terre. X.1.3. Les trois régimes de neutre. Chaque régime est caractérisé par deux lettres : • •

1er lettre :T  Neutre relié directement à la terre. I  Neutre isolé ou relié à la terre par une impédance. 2e lettre : T  Masse reliée directement à la terre. N  Masse relié au neutre.

X.1.4. Régime TT X.1.4.1. Caractéristiques. • Déclenchement des protections au 1er défaut. • Le neutre du transformateur d’alimentation est relié à la terre. • Les masses sont interconnectées et reliées à la terre. X.1.4.2. Schéma.

230V Rd Défaut Ru Uc

Rn Id

Rd : résistance de défaut. Rd = 0,1Ω Ω Rn : résistance de prise de terre. Rn =10Ω Ω Ru : résistance de prise de terre des masses. Ru = 10Ω Ω Id =

230 U = Rd+Rn+Ru 0,1+10+10

SI - Alimenter – Réseau national

= 11,4

Uc = Ru x Id = 10 x 11,4 = 114 V ⇒ Tension mortelle

A page 13/25

Classe : 2 STE

N.L.Technique

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

S.CHARI

X.1.4.3. Protection • Toutes les masses des matériels protégés par un même dispositif de protection doivent être interconnectées et reliées par un conducteur de protection (PE) à une même prise de terre. • La condition de protection doit satisfaire à la relation suivante : Ru . I∆n < UL  I∆n : Courant de fonctionnement du dispositif de protection ;  Ru : résistance de la prise de terre des masses ;  UL : tension de contact limite : UL = 50V, 25V selon les locaux. • Dans les schémas TT, on assurera la protection par un dispositif différentiel à courant résiduel. Dans ce cas, le courant I∆n est égal au courant différentiel résiduel du disjoncteur. X.1.4.4. Emplacement des dispositifs différentiels Toute installation TT doit être protégée par un dispositif différentiel résiduel placé à l’origine de l’installation.

DR

DR : Dispositif de détection différentiel résiduel

X.1.5. Régime TN X.1.5.1. Principe Le neutre de l’alimentation est relié à la terre et les masses sont reliées au neutre. Tout défaut d’isolement est transformé en un défaut entre phase et neutre. Ce qui se traduit par un court-circuit phase neutre. X.1.5.2. Régime TNC : Le conducteur de protection et le neutre sont confondus en un seul conducteur PEN : Protection Electrique + Neutre Section des conducteurs actifs ≥ 10 mm² On utilise l’appareillage tripolaire.

PEN

X.1.5.3. Régime TNS :

Le conducteur neutre est séparé du conducteur de protection électrique PE.

N

Utilisation de matériel tétra polaire.

PE

Dans les deux cas, la protection doit être assurée par coupure au premier défaut.

SI - Alimenter – Réseau national

page 14/25

Classe : 2 STE

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

N.L.Technique

S.CHARI

X.1.5.4. Boucle de Défaut Les prises de terre du neutre et des masses sont interconnectées. En cas de défaut, un courant Id circule dans le conducteur PE ou PEN.

PEN

Id

⇒ Court circuit donc Id est important. ⇒ Déclenchement des protections.

X.1.5.5. Caractéristiques : • déclenchement au premier défaut. • répartition des prises de terre dans toute l’installation. • défaut d’isolement phase/masse est transformé en défaut phase/neutre. • aucune élévation du potentiel des masses. X.1.5.6. Protection Un défaut d’isolement se traduit par un court-circuit Le courant de défaut n’est limité que par la résistance des conducteurs :

Id = 0,8V / (Rph + Rpe)

Il faut vérifier que les dispositifs de protection réagissent en un temps inférieur à celui imposé par la I magnétique < 0,8 .V. Sph / ρ . l. (1+m) avec m = Sph / Spe norme, soit pour un disjoncteur : Tension nominale 230 V 400 V

Temps de coupure ( s ) UL= 50 V UL= 25V 0,4 0,2 0,2 0,06

Remarque : Il faut pour les fusibles If < Id (courant de fusion du fusible). X.1.6. Régime IT : X.1.6.1. Principe Le neutre est isolé de la terre, ou relié à la terre par une impédance. Les masses sont reliées à une prise de terre. X.1.6.2. Schéma

Ru : R de la prise de terre. Rn : R de la terre du neutre. Zn : Impédance d’isolement.

PE Zn Ru Rn

SI - Alimenter – Réseau national

page 15/25

Classe : 2 STE

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

N.L.Technique

S.CHARI

X.1.6.3. Boucle de défaut Le premier défaut est inoffensif. ⇒ Id est très faible. Exemple de calcul : Zn = 2200 Ω Rn = 10 Ω - Ru = 10 Ω Id = V / Ztotal = 220 /(2200+10+10) Id = 0,1 A Tension de défaut : Ud = Ru x Id Ud = 10 x 0,1 = 1V⇒ ⇒ Tension non dangereuse La coupure n’est pas impérative.

X.1.6.1. Premier défaut

PE Zn Ru Rn

Id

X.1.6.2. Deuxième défaut Id

PE

Uc

Zn Ru Rn

En cas de double défaut, il y a présence d’un fort courant de court circuit (entre phase) et d’une tension de contact (Uc) dangereuse. ⇒ Coupure automatique obligatoire. Deux cas se présentent :  masses séparées : protection par dispositif différentiel : Régime TT.  masses communes : protection contre les surintensités : Régime TN. X.1.6.3. Caractéristiques. • le premier défaut doit être signalé par un contrôleur permanent d’isolement (CPI), par un signal sonore ou visuel. • la coupure est obligatoire au deuxième défaut. • un personnel de surveillance doit être capable de réparer au 1er défaut. X.1.6.4. Fonctionnement du CPI

Relais de détection

Ω Mesure d’isolement SI - Alimenter – Réseau national

Signalisation

Cet appareil contrôle en permanence l’isolement du réseau. Un générateur injecte du courant continu entre le réseau et la terre. a) Absence de défaut : le courant continu ne circule pas entre le réseau et la terre. b) Présence de défaut : un faible courant est débité sur le réseau et le relais actionne les alarmes. Cet appareil signale l’apparition du 1er défaut. page 16/25

Classe : 2 STE

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

N.L.Technique

S.CHARI

X.1.7. Choix du régime de neutre. Cas où le régime de neutre est imposé (exemples): Type d’installation Bâtiment alimenté par un réseau de distribution publique Etablissement d’enseignement avec ateliers Salle d’opération Circuit de sécurité

RdN TT TT

Exemple Commerces Habitations Collège, LT, …

IT IT

Bloc opératoire Eclairage de secours

Tous les régimes de neutre permettent de protéger les personnes, le matériel contre les contacts indirects par coupure automatique de l’alimentation. X.1.8. Récapitulatif. Désignation Neutre à la terre TT Masses à la terre

Règles Coupure automatique au 1er défaut UL ≤ Ru x I∆n

Mise au neutre TN Masses reliées au neutre et neutre à la terre Neutre isolé IT Masses à la terre

Protection Assurée par disjoncteur différentiel Défaut transformé en court circuit, phase/neutre, protection par fusible ou disjoncteur Avertissement au 1er défaut par CPI

Coupure automatique au 1er défaut Coupure automatique au 2e défaut

Le régime de neutre TT est surtout utilisé dans la distribution publique d’énergie. La mise au neutre TN est surtout employée dans l’industrie. Le neutre isolé IT est installé pour des raisons de continuité de fonctionnement. X.2. Protection des matériels X.2.1. Défauts dans les installations électriques Les principales perturbations sur une installation électrique se traduisent par : - Les surintensités : surcharges ou courts-circuits - Les surtensions ou les baisses de tension

Surintensités

Perturbation

Causes

Effets

Surcharges

Dès que l'appareil d'utilisation demande une puissance plus importante. Ex: moteur électrique bloqué

Accroissement anormal du courant absorbé, d'où échauffement lent mais pouvant entraîner la détérioration de l'installation.

Court-circuit

Élévation brutale du courant absorbé due à un contact électrique entre 2 conducteurs de polarités différentes

Création d'un arc électrique, échauffement très important pouvant entraîner la fusion des conducteurs, création d'effets électrodynamiques

SI - Alimenter – Réseau national

page 17/25

Moyens de protection Fusible Relais thermique Disjoncteur avec déclencheur thermique Fusible Disjoncteur avec déclencheur magnétique Classe : 2 STE

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

N.L.Technique

Augmentation brutale de la tension due : • à des contacts accidentels avec la H.T, Destruction des isolants. • à des conditions atmosphériques : coup de foudre.

Surtensions

Baisses de tension Chute de tension trop importante due à un déséquilibre du réseau.

Mauvais fonctionnement des récepteurs (moteurs, matériels informatiques, …).

S.CHARI

Relais de surtension, Parafoudre.

Relais à minimum de tension.

X.2.2. Dispositifs de protection. X.2.2.1. Présentation générale. La détection des défauts des différents dispositifs de protection peut être liée: • à un effet thermique comme la fusion d'un fusible ou la rupture d'un contact d'un bilame (Ferro-nickel/invar). • à un effet magnétique: une surintensité provoque la fermeture d'un circuit magnétique ce qui entraîne l'ouverture d'un contact. La détection permet, par la même occasion, l'élimination des défauts. Circuit magnétique fixe

Bobine 1 intensité Contact fixe Contact mobile

Ressort de rappel

Circuit magnétique mobile Vis de réglage de l'intensité de déclenchement

Déclencheur magnétique

Déclencheur thermique

Remarque : la séparation de deux pièces sous tension lors d'une coupure de courant entraîne l'apparition d'un arc électrique. Pour réellement interrompre le courant, il va falloir couper cet arc. C'est ce qu'on appelle le soufflage de l'arc. X.2.3. Fusibles. X.2.3.1. Définition Appareil de connexion dont la fonction est d'ouvrir par la fusion d'un de ses éléments calibrés à cet effet, le circuit dans lequel il est inséré et d'interrompre le courant lorsque celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur précise. X.2.3.2. Constitution Le principe du fusible est basé sur la création d'un point faible dans un circuit avec un conducteur dont la nature, la section et le point de fusion sont parfaitement connus. Cet élément se trouve noyé dans de la silice (sable) qui a pour but de refroidir l'arc électrique lors de la fusion de l'élément fusible. SI - Alimenter – Réseau national

page 18/25

Classe : 2 STE

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

N.L.Technique

S.CHARI

X.2.3.3. Différents types de fusibles On distingue plusieurs classes de fusibles: - classe gI et gG : protègent contre les surcharges et les courts circuits (usage général). - classe aM : fusibles d'accompagnement moteur qui protègent contre les courts-circuits Les éléments fusibles peuvent se présenter sous forme de cartouches cylindriques ou de cartouches à couteau.

X.2.3.4. Caractéristiques • Tension nominale : Un : 250, 400, 500, 660 V • Courant nominal : In : c'est le calibre du fusible • Courant de non fusion : Inf : Valeur du courant qui peut être supporté par l'élément fusible, pendant un temps conventionnel, sans fondre. • Courant de fusion : If : Valeur du courant qui provoque la fusion du fusible avant le temps conventionnel. • Durée de coupure : temps qui s'écoule entre le moment ou commence à circuler un courant suffisant pour provoquer la fusion et la fin de fusion. X.2.3.5. Représentation graphique des courants

Caractéristique du circuit

Courant présumé de court-circuit

Courant d'utilisation

Caractéristique du fusible

I [A] Courant nominal In

Courant minimum de coupure

Courant coupé limité

Pouvoir de coupure

Pouvoir de coupure : Courant maximal qu'un fusible peut couper sans que la tension de rétablissement ne provoque un réamorçage, les pouvoirs de coupures des fusibles sont élevés. Exemple:

Fusibles gG calibre 16 A, Un = 500 V
PC = 80 kA Fusible aM calibre 63 A, Un = 500 V
PC = 170 kA

X.2.3.6. Choix d'un fusible On choisit le calibre du fusible égal au courant : - À pleine charge de l'installation à protéger pour la classe gG. - Nominal du moteur à pleine charge pour la classe aM. X.2.3.7. Fusibles moyenne tension. Fusibles MT Fusarc de chez Schneider Electric . SI - Alimenter – Réseau national

page 19/25

Classe : 2 STE

N.L.Technique

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

S.CHARI

Caractéristiques - tension assignée : 3,6 - 7,2 - 12 - 17,5 - 24 - 36 kV; - pouvoir de coupure : 20 – 32 – 40 – 50 - 63 kA ; - courant assigné: 6,3 - 10 - 16 – 20 – 25 - 31,5 – 40 - 50 – 63 - 80 -100 –125 - 160 - 200 - 250 A.

X.2.4. Sectionneurs. X.2.4.1. Définition Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui satisfait, en position d'ouverture, aux prescriptions spécifiées pour la fonction sectionnement. Le sectionnement consiste à séparer et à isoler électriquement, suivant les critères de sécurité définis par les normes, une installation de son réseau d'alimentation. La fonction sectionnement est réalisée au moyen de : • Sectionneurs • Interrupteur Sectionneurs • Disjoncteurs et discontacteurs X.2.4.2. Constitution générale • Les contacts principaux (Pôles) : Contacts à fermeture. Position ouverte : ils assurent le sectionnement de l'installation. Position fermée : ils supportent le courant du circuit principal. • Les contacts auxiliaires : 1 ou 2 contacts à fermeture (contact de précoupure). Le contact auxiliaire de précoupure se raccorde en série avec la bobine du contacteur (Généralement, il est placé dans l'en-tête du circuit de commande) - Manœuvre d'ouverture : le contact auxiliaire s'ouvre avant le contact principal. - Manœuvre de fermeture : le contact auxiliaire se ferme après le contact principal. En cas de manœuvre accidentelle en charge, il interrompt donc l'alimentation des bobines de contacteurs avant l'ouverture des pôles du sectionneur. X.2.4.3. Caractéristiques fonctionnelles Le sectionneur est un appareil à rupture lente qui ne doit jamais être manœuvré en charge. Les sectionneurs peuvent être munis de coupe-circuit fusibles en remplacement des tubes ou barrettes de sectionnement, dans ce cas, le sectionneur portera le nom de sectionneur porte fusibles. •

Caractéristiques des contacts principaux :  Tension nominale assignée : 600 V, 1000 V  Courant permanent maximal : 25, 50 … 500 A • Caractéristiques des contacts auxiliaires :  Tension nominale assignée : 500 V  Courant nominal thermique : 10 A

Remarque : Le sectionneur peut comporter un dispositif de condamnation par cadenas empêchant toute manœuvre non autorisée. Verrouillage en position d'ouverture interdisant toute fermeture intempestive. SI - Alimenter – Réseau national

page 20/25

Classe : 2 STE

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

N.L.Technique

L'interrupteur L'interrupteur est un connexion capable et d'interrompre des conditions normales les conditions surcharges de supporter pendant des courants dans anormales spécifiées celles du court-

S.CHARI

sectionneur appareil mécanique de d'établir, de supporter courants dans les du circuit, y compris spécifiées de service, ainsi que de une durée spécifiées les conditions su circuits telles que circuit.

Un mécanisme lié au dispositif de commande manuelle assure l'ouverture et la fermeture brusque des contacts indépendamment de la rapidité de manœuvre de l'opérateur. X.2.5. Disjoncteurs. X.2.5.1. Définition. Un disjoncteur est un appareil de connexion électrique capable d'établir, de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions anormales spécifiées telles que celles du court-circuit ou de la surcharge. X.2.5.2. Approche matérielle C'est l'association d'un ensemble de contacts avec un grand pouvoir de coupure et d'un système de détection et de protection contre les surcharges et les courts-circuits. X.2.5.3. Association avec d’autres fonctions
Distribuer On peut associer un disjoncteur à : - fonction du sectionneur - fonction du différentiel
Protéger les personnes - déclenchement sur cde ATU
Sécurité des personnes X.2.5.4. Caractéristiques de déclenchement X.2.5.4.1. Courbe de déclenchement. C'est l'association de la courbe de déclenchement du relais thermique et de la courbe de déclenchement du relais magnétique Courbe B. Protection des générateurs, des lignes de Td (temps de grande longueur, où il n’y a pas de pointes déclenchement Courbe du déclencheur thermique de courant. (Elle remplace la courbe L) en secondes) Réglage de Im : 3 à 5 In. Courbe du déclencheur magnétique

Temps de déclenchement minimal du disjoncteur

I (A) Courant de nom déclenchement

SI - Alimenter – Réseau national

Imaxi que peut couper le disjoncteur ( pouvoir de coupure ) page 21/25

Courbe C. Protection générale des circuits ; (elle remplace la courbe U) Réglage de Im : 5 à 10 In. Courbe D. Protection des circuits à fort courant d’appel (primaires transformateurs BT/BT, moteurs,...). Réglage de Im : 10 à 14 In. Classe : 2 STE

N.L.Technique

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

S.CHARI

X.2.5.5. Classification des disjoncteurs X.2.5.5.1. Disjoncteur divisionnaire. La tendance est au remplacement des fusibles sur les tableaux de distribution d'abonnés par des disjoncteurs magnétothermiques X.2.5.5.2. Disjoncteur de distribution B.T. Pour la commande et la protection des circuits de moteurs et de distribution, il existe deux types de construction de disjoncteurs. • Les disjoncteurs sous boîtier moulé de 32 à 1 250 A équipés de relais thermiques • Les disjoncteurs sur châssis métallique de 800A à 6300A. Ils sont le plus souvent à commande motorisée et munis de relais de protection électroniques.

X.2.5.5.3 Disjoncteur moyenne et haute tension. Destinés à la protection des réseaux de distribution, et des postes de transformation, ces disjoncteurs utilisent la coupure dans l’hexafluorure de soufre (SF6) pour l'isolement et la coupure. Remarque : Pour les disjoncteurs HTA. et HTB (jusqu’à 400KV) un pôle de disjoncteur est constitué de une ou plusieurs chambres de coupures. X.2.5.6. Critères de choix. • Type (B, C ou D) : le choix se fait en fonction du type d’installation (domestique, distribution, moteur...). • Calibre : L’intensité du calibre In (en A) doit comprise entre Ib et Iz. Courant d'emploi

Courant admissible Il est impératif d’avoir : dans la canalisation Disjoncteur sous Disjoncteur sur châssis IB boîtier moulé de Iz 32 à 1 250 A métallique de 800A à 6300A IB ≤ In ≤ Iz 0 In Intensité dans Courant nominal la ligne (en A) du dispositif de protection

IB : Courant d’emploi : Il s’agit du courant nominal ou maximal de la charge. In : Courant nominal du dispositif de protection : Il s’agit du calibre en Ampères de la cartouche fusible. Iz : Courant admissible dans la canalisation : Il s’agit de l’intensité maximale autorisée dans la ligne. Elle est fonction de différents paramètres tels que mode de pose de la ligne, température, etc. • Nombre de pôles (4P, 3P,..) : IL est fonction du réseau et de la charge. • Modèle (modulaire, compact,..) : Le modèle est principalement imposé par In. • Tension nominale : Elle doit être supérieure ou égale à la tension du réseau. • Pouvoir de coupure (kA): IL doit être supérieur au courant de court-circuit que l’on peut atteindre sur la ligne. SI - Alimenter – Réseau national

page 22/25

Classe : 2 STE

N.L.Technique

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

S.CHARI

XI. Mesure et comptage XI.1. Mesures électriques sur les réseaux XI.1.1. Principe Les données en provenance des capteurs placés sur le réseau sont traitées par l’unité de protection et de contrôle qui commande les actionneurs sur le réseau. XI.1.2. Capteur de courant (TC) Ce sont des transformateurs de courant. Ils permettent : - D'adapter le courant à mesurer aux appareils de mesure. - D'isoler le circuit de puissance du circuit de mesure Caractéristique : Courant primaire : 10, 15, …, 500 A Courant secondaire : 1 à 5 A XI.1.3. Capteur de Tension (TP) Ce sont des transformateurs de tension et permettent: - d'adapter la tension aux calibres des appareils de mesures - isoler le circuit de puissance des circuits de mesures Caractéristiques : Tension primaire : 3.5, 10, 20, 30 kV (H.T.A.) Tension secondaire : 100, 110 V (B.T.) XI.1.4. Exploitation des mesures Les valeurs d'intensité et de tension à la sortie des transformateurs (TC et TP) sont l'image exacte des valeurs du réseau H.T.A.. Ces images sont exploitées pour le comptage de l'énergie, les mesures de déphasages, de puissance, de courant, de tension. Elles sont aussi exploitées pour la protection des personnes et des biens. Réseau H.T.A. (20 kV)

I1 I2 TC

Système de : Mesure Protection Comptage

I3

V1

V2 V3 TP

XI.2. Comptage Les postes de comptage sont des équipements destinés à enregistrer et à maîtriser la fourniture de l'énergie électrique. SI - Alimenter – Réseau national

page 23/25

Classe : 2 STE

N.L.Technique

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

S.CHARI

XI.2.1. Pour les abonnés au réseau BT Le poste de comptage est en limite de propriété, il est constitué d’un compteur d’énergie enregistrant la consommation d'énergie. XI.2.1.2. Principe de fonctionnement Les compteurs d'énergie fonctionnent sur le principe des moteurs d'induction, et comportent des enroulements parcourus par l'intensité I et par la tension U. Le nombre de tours d'un disque est proportionnel à l'énergie consommée dans le circuit.

XI.2.1.3. Branchement d'un compteur triphasé. L'énergie active et l'énergie réactive sont mesurées selon les mêmes principes que les mesures de puissances actives et réactives en triphasé. Pour les intensités supérieures à 64 A on dispose de transformateurs de courant. XI.2.2. Pour les abonnés aux réseaux HT XI.2.2.1. Possession d'un seul transformateur

.

Si le poste de livraison ne comporte qu'un seul transformateur (HT/BT - P maxi 1250 kVA), le comptage s'effectue en basse tension (BT). La tarification tient compte des pertes du transformateur.

a : Alimentation simple ou double dérivation. b, c, d : Alimentation en coupure d'artère ou double dérivation. T : Transformateur de puissance. Tc : Transformateur de courant.

Avantages : économie en matériel et peu d'encombrement.

SI - Alimenter – Réseau national

page 24/25

Classe : 2 STE

N.L.Technique

FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL

S.CHARI

XI.2.2.2. Possession d'un ou plusieurs transformateurs Si le poste de livraison comporte : • soit un transformateur de P> 1250 kVA, • soit plusieurs transformateurs (courant assigné du poste HT 400 A), Le comptage est réalisé sur la haute tension (HT). Remarque : Ce type de comptage est plus coûteux car il nécessite des interfaces pour les mesures tels que : • transformateur de courant (TC), • transformateur de potentiel (ou tension) (TP).

Schéma pour courant de base Ib ≥ 45A. Tp : Transformateur de potentiel. Tc : Transformateur de courant

SI - Alimenter – Réseau national

page 25/25

Classe : 2 STE