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.......................................................................... Collection T echnique I Merlin Gerin I Square D I Telemecanique Cahier technique n° 185 Stabilité dynamique des réseaux électriques industriels B. De Metz-Noblat G. Jeanjean Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titres édités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent une information plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogues et notices techniques. Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvelles techniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permettent également de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans les installations, les systèmes et les équipements. Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans les domaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et des automatismes industriels. Les derniers ouvrages parus peuvent être téléchargés sur Internet à partir du serveur Schneider (code : http://www .schneiderelectric.com , rubrique : maîtrise de l’électricité). Pour obtenir un Cahier Technique ou la liste des titres disponibles contacter votre agent Schneider. La collection des Cahiers Techniques s’insère dans la « Collection Technique » du groupe Schneider. Avertissement L'auteur dégage toute responsabilité consécutive à l'utilisation incorrecte des informations et schémas reproduits dans le présent ouvrage, et ne saurait être tenu responsable ni d'éventuelles erreurs ou omissions, ni de conséquences liées à la mise en œuvre des informations et schémas contenus dans cet ouvrage. La reproduction de tout ou partie d’un Cahier Technique est autorisée après accord de la Direction Scientifique et Technique, avec la mention obligatoire : « Extrait du Cahier Technique Schneider n° (à préciser) ». Cahier Technique Schneider n° 185 / p.1 n° 185 Stabilité dynamique des réseaux électriques industriels Benoît de METZ-NOBLAT Ingénieur ESE, il a travaillé dans le Groupe Saint-Gobain puis est entré chez Merlin Gerin en 1986. Il a la responsabilité du Service Electrotechnique et Réseaux, dans lequel sont étudiés les phénomènes électriques concernant le fonctionnement des réseaux et leur interaction avec les matériels et équipements. Gérard JEANJEAN Ingénieur MERLIN GERIN depuis 1980, a rejoint le service Electrotechnique et Réseaux en 1984 pour participer aux études des réseaux industriels, particulièrement celles concernant la stabilité dynamique. Il est expert dans les domaines des perturbations et de la Sûreté de Fonctionnement des réseaux électriques. CT 185 édition janvier 1997 Cahier Technique Schneider n° 185 / p.2 Lexique H : Constante d’inertie, homogène à un temps, qui caractérise la sensibilité de la vitesse d’une machine à des variations de la puissance électrique. Angle interne (δ) : Angle entre le vecteur représentant la tension d’alimentation d’une machine et le vecteur représentant sa force électromotrice. Distance électrique : Impédance de liaison. Deux liaisons électriques de même longueur pourront avoir des distances électriques très différentes. Flux de charge (load flow) : Bilan des puissances actives et réactives échangées sur les liaisons d’un réseau. Plan de tension : Ensemble des procédures automatiques et manuelles prévues pour maintenir le réseau dans les plages de tension de fonctionnement qui lui sont assignées. Puissance synchronisante : Caractérise le point de fonctionnement d’un générateur : Rapport entre variation de puissance fournie et variation d’angle interne. Plus il est faible, plus on risque une perte de synchronisme en survitesse. Réactance transitoire : Impédance d’une machine intervenant dans la première seconde suivant une perturbation. Réactance subtransitoire : Impédance d’une machine intervenant dans les 100 premières millisecondes suivant une perturbation. Redondances : Utilisé dans un contexte technique, perd son sens courant de « superflu ». Il s’agit de la mise en place de plus d’une voie pour accomplir une fonction, en vue de s’affranchir des pannes et/ou de permettre la maintenance en fonctionnement sans rupture de service. Réglage primaire, secondaire : Pour une régulation d’alternateur, se dit des caractéristiques fréquence/puissance active ou tension/puissance réactive (voir statisme) et de la correction (secondaire) qui est apportée. Stabilité dynamique : Comportement des réseaux soumis à des perturbations : causes, conséquences (instabilités) et remèdes. Statisme, droite de statisme : La droite de statisme caractérise le réglage primaire de la régulation d’un générateur : fréquence en fonction de la puissance active ou tension fonction de la puissance réactive. Cahier Technique Schneider n° 185 / p.3 Stabilité dynamique des réseaux électriques industriels Sommaire 1 Généralités 1.1 Les réseaux électriques p. 4 1.2 La qualité de l’énergie électrique p. 4 1.3 La stabilité des réseaux p. 5 1.4 Les réseaux industriels p. 6 2 Comportement d’un réseau électrique 2.1 Charges passives p. 6 industriel 2.2 Charges « électronique de puissance » p. 6 2.3 Transformateurs et liaisons p. 6 2.4 Machines asynchrones p. 7 2.5 Machines synchrones p. 8 2.6 Les régulations p. 10 2.7 Le réseau du distributeur p. 11 2.8 Les organes de protections p. 11 2.9 L’ensemble du réseau p. 12 3 Etude de stabilité dynamique des 3.1 Généralités p. 12 réseaux industriels 3.2 Études de stabilité p. 14 3.3 Exemple d’étude p. 16 4 Conclusions p. 22 Annexe 1 : démarrage des moteurs asynchrones à cage p. 23 Annexe 2 : bibliographie p. 24 L’énergie électrique étant très difficilement stockable, il doit y avoir en permanence équilibre entre la production et la consommation. Les générateurs, les récepteurs et les réseaux électriques qui les relient ont des inerties mécaniques et/ou électriques qui rendent difficile le maintien d’un équilibre garantissant une fréquence et une tension relativement constantes. Normalement, face à une variation de puissance, le système électrique, après quelques oscillations, retrouve un état stable. Dans certains cas, le régime oscillatoire peut diverger. Des études sont nécessaires pour pouvoir éviter ce phénomène et garantir la stabilité du réseau électrique. Elles le sont particulièrement dans le cas des réseaux industriels qui comportent un ou des groupes générateurs et des moteurs. Ce Cahier Technique permet de comprendre pourquoi l’instabilité peut apparaître, quelles en sont les causes les plus fréquentes et quels sont les effets induits. Il indique quelles sont les précautions à prendre. Il montre comment se déroule une étude et en donne un exemple. Cahier Technique Schneider n° 185 / p.4 1 Généralités 1.1 Les réseaux électriques L’énergie électrique est produite en même temps qu’elle est consommée, donc, en permanence, la production doit s’adapter à la consommation. De ce fait, l’ensemble production, acheminement, utilisation constitue un système complexe appelé réseau électrique qui doit être stable. Un réseau électrique peut être de petite puissance ou très puissant (à l’échelle d’un pays). Dans tous les cas, ses caractéristiques s’expriment en termes de : c grandeurs électriques, c disposition spatiale, c données temporelles. Grandeurs électriques : c La fréquence : 50 ou 60 Hz selon les pays. c La tension de quelques centaines de volts à quelques centaines de kV, selon qu’il s’agit de telle ou telle partie du réseau. Ces grandeurs de base sont influencées par l’intensité du courant qui circule dans les lignes et les câbles ; laquelle est liée aux puissances actives et réactives générées, transportées et consommées. c La puissance active est produite par les alternateurs à partir d’énergie thermique ou mécanique, et consommée également sous forme thermique ou mécanique par les récepteurs, c La puissance réactive est produite ou consommée dans tous les éléments du réseau. Il faut noter qu’en régime dynamique, l’énergie active est « stockée » par les machines tournantes (inertie), et que l’énergie réactive l’est également, sous forme magnétique (ex. transformateurs ou machines tournantes) ou capacitive (ex. câbles). Disposition spatiale : La structure topologique est à échelle : c des continents, c des pays, des régions, c des sites industriels (centaines de mètres à dizaines de kilomètres), c des bâtiments du tertiaire. Dans les deux premiers cas il y a trois niveaux dans l'acheminement d'énergie : c le transport, c la répartition, c la distribution. Données temporelles : Les variations de l'équilibre entre l’offre et la demande énergétiques entraînent des perturbations des grandeurs électriques que sont la fréquence et la tension que l'on doit maintenir dans des fourchettes acceptables. 1.2 La qualité de l’énergie électrique Un réseau électrique a en général une stabilité globale qui se manifeste par un équilibre à grande échelle dans le temps et dans l’espace de l’ensemble du système production/transport/ consommation. Mais une analyse plus fine révèle qu’en réalité, il y a en permanence et en tous lieux des événements provoquant des fluctuations qui seront compensées, sauf catastrophes. Ainsi la notion de qualité de l’électricité apparaît sous l’aspect de (cf. fig.1 ) : c La continuité de fourniture : c’est la disponibilité de l’énergie électrique en un endroit donné qui peut être interrompue par des coupures brèves (< 1 min.) ou longues (> 1 min.). c La forme de l’onde de tension (fréquence, amplitude, durée) ; dans ce cas les perturbations sont généralement classées en fonction de leur plage de fréquence : v phénomènes à haute fréquence (kHz ¥ MHz) : surtensions à fronts raides dues à la foudre ou à certaines manoeuvres (ex. sectionneurs, interrupteurs, certains disjoncteurs), v phénomènes à basse fréquence (50 Hz ¥ kHz) : surtensions de manoeuvre, harmoniques, v phénomènes autour de la fréquence industrielle (0 ¥ 100 Hz) : fluctuations rapides (20 ms ¥ 1 s) ou lentes (supérieures à la seconde) telles que déséquilibre, creux de tension dus à la mise en uploads/Industriel/ stabilite-reseau-ht.pdf