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Dec.1, L2, S1 Distribution de l'électricité Page 1 FEI-USTHB. L2 ELT Etat de l’

Dec.1, L2, S1 Distribution de l'électricité Page 1 FEI-USTHB. L2 ELT Etat de l’art du génie électrique Transport et distribution de l'électricité Fig. 1 : Voyage de l’électricité à travers les réseaux électriques de la centrale qui la produit à l’endroit où on l’utilise. 1 : Le réseau électrique Après avoir produit l'électricité par un des procédés présentés au chapitre 1, il faut encore la transporter vers les maisons (les usines ou autres) à l'aide d'un réseau d'énergie électrique - système qui comprend le transport, la répartition et la distribution de l'énergie. Historiquement, les réseaux électriques sont apparus vers la fin XIXe siècle avec Thomas Edison qui a réalisé un réseau de distribution en courant continu. Lucien Gaulard et John Gibbs ont mis au point en 1884 un transformateur de forte puissance utilisant du courant alternatif triphasé, permettant de changer facilement le niveau de tension. George Westinghouse, ingénieur et entrepreneur américain, a acheté en 1887 les brevets du transformateur de Gaulard et embauché Nikola Tesla qui inventa l’alternateur triphasé en 1891. A cette période, aux états unis, un conflit a opposé Thomas Edison à Nikola Tesla. Edison a développé des systèmes en courant continu à 110 V qu'il estimait être plus sûr que l’alternatif. Tesla, défenseur du courant alternatif, a préféré la tension de 240 V, meilleur pour le transport sur de longues distances. Il a aussi estimé que la fréquence de 60 Hz était celle qui permettait d'obtenir le meilleur rendement pour les générateurs de courant alternatif. En Europe, la compagnie allemande AEG qui a mis en place le premier service de production d'électricité a opté pour le 50 Hz. Bénéficiant du monopole, elle a diffusé ce standard sur tout continent. Et jusqu’à la deuxième guerre mondiale on utilisait le 110 V en Europe, au Japon et aux États-Unis. Depuis les années 1960, les pays européens utilisent le 220V sous 50Hz, alors qu’aux états unis, c’est toujours le 110V à 60Hz qui est en service. Ainsi, il apparaît que les valeurs de la tension et de la fréquence de distribution de l’électricité sont dues davantage à la tradition qu'à des considérations techniques. 2 : Monophasé et triphasé Du point de vue théorique, il est possible de réaliser un réseau en courant monophasé comme montré sur la figure 2. Pourtant, depuis la mise en service en 1896 de la première ligne industrielle aux USA, on utilise partout dans le monde le courant alternatif sinusoïdal triphasé et non pas en monophasé. Fig.2 : Principe de l’alternateur monophasé Dec.1, L2, S1 Distribution de l'électricité Page 2 L’évolution de la tension V entre la phase et le neutre est donnée sur la figure 3. Son expression est donnée par : ) t T 2 sin( V ) t ( V max   La valeur efficace Veff est donnée par :   T 0 2 eff dt ) t ( V T 1 V Fig-3: Evolution temporelle de la tension monophasée La valeur efficace et la valeur maximale du signal sont reliées par : 2 V V eff max  Du point de vue pratique, la turbine qui met en rotation l'alternateur, du fait de son inertie, tourne avec une vitesse mécanique constante, et donc à chaque instant elle fournit une puissance mécanique identique. Le problème est que la puissance électrique instantanée du système monophasé est variable (fluctuante) et à chaque oscillation, lorsque la tension ou l'intensité passe par zéro, cette puissance instantanée s’annule. La différence entre la puissance mécanique fournie à l’alternateur et la puissance électrique qu’il délivre se traduit par des oscillations absorbées par l’arbre de transmission qui finissent à la longue par provoquer sa destruction. Ce problème disparait dans les systèmes triphasés équilibrés où la puissance instantanée est constante, c'est-à-dire "sans à coup", ce qui est important en électromécanique. Le principe de l’alternateur triphasé est montré sur la fig-4. Ce dispositif a un meilleur rendement que l’alternateur monophasé et sa puissance est supérieure de 50% à celle d'un alternateur monophasé de même volume et de même prix. Fig-4: Alternateur triphasé à 3 sorties Le triphasé (fig-5) est un système de trois tensions sinusoïdales de même fréquence (50Hz), de même amplitude qui sont dans le cas idéal décalées dans le temps de T/3 = 6,6 ms, c’est à dire déphasées entre elles de 120°. Fig-5: Evolution des signaux d'un système triphasé Chaque tension VPN entre une phase (1, 2 ou 3) et le neutre (N) est appelée tension simple. Chaque tension entre deux phases Uij est appelée tension composée. ) 3 2 k t T 2 sin( V ) t ( V max PkN     Comme les amplitudes des 3 phases k = 1, 2, 3 sont identiques, leurs valeurs efficaces sont égales et valent : 2 V V max eff  Les 3 tensions composées U12, U13 et U23 ont des amplitudes identiques, leurs valeurs efficaces sont donc égales et il suffit d’en considérer qu’une seule pour représenter l’alimentation triphasée. Par exemple :               ) 3 4 t T 2 sin( ) 3 2 t T 2 sin( V U max 12 On peut alors montrer que la valeur efficace vaut : 3 V dt ) t ( U T 1 U eff T 0 2 eff    Le rapport entre tension composée et tension simple d’une alimentation triphasée est de 3 . Si on considère une tension triphasée, c’est qu’il s'agit de la valeur efficace d’une tension composée. Dans le cas du 380 V, c’est : Ueff = 380V  Veff = 220V Ainsi, pour transporter une énergie donnée le triphasé utilise 3 fils, alors qu'il en faudrait 6 de la même section que les précédents pour transporter la même énergie en monophasé. Dec.1, L2, S1 Distribution de l'électricité Page 3 3 : Transport de l'énergie électrique La puissance transportée par une ligne électrique est proportionnelle au courant électrique et à la tension : P = U.I Mais les lignes s’échauffent sous l’action du courant qui les traverse et de la résistance des câbles. La puissance de la chaleur Pc produite par effet Joule vaut : Pc = R.I² Les producteurs d’électricité comme Sonelgaz doivent transporter le maximum de puissance dans une ligne électrique pour ne pas multiplier les infrastructures. Ils peuvent choisir entre des lignes à haut courant ou des lignes à haute tension. Si on considère le transport de 200 MW requis pour alimenter une ville de 100 000 foyers, il faudrait pour une ligne de très haute tension à 400 kV un courant de 500A. Pour une ligne de moyenne tension à 20 kV, il aurait fallu un courant de 10 000 A. Les câbles métalliques utilisés dans les lignes haute tension ont une résistance d’environ 0.05 /km, soit 5 pour 100 km. La puissance dissipée sous forme de chaleur au bout de 100 km serait donc : à très haute tension : 5  (500)² = 1,25 MW à moyenne tension : 5  108 = 500 MW, ce qui n’a pas de sens puisque toute l’énergie aurait été transformée en chaleur après 50 km seulement, et, sous l’action de cette chaleur, les câbles auraient tous fondu ! Sur les lignes haute tension utilisées par Sonelgaz, on perd 1,25 MW au bout de 100 km, soit près de 0.7 % de l’énergie totale (et la température des câbles peut s’élever jusqu’à 80°C). L’exemple précédent montre pourquoi on utilise des lignes à très haute tension (400.000 Volts) reliées entre elles pour former le réseau de transport d’électricité qui couvre tout le pays. Comme on ne peut pas utiliser de l’électricité à THT directement dans les usines ou les maisons, on abaisse de façon progressive la tension tout au long du trajet à travers des transformateurs répartis sur le réseau (fig-6). Fig-6 : Transport et distribution de l’électricité Les valeurs des THT utilisées pour le transport de l’électricité varient d'un pays à l'autre. Au Canada, on utilise du 800 kV, en Chine 1100 kV et en Inde 1200 kV. En Russie, des essais de transport en «Ultra Haute Tension» ont été effectués en 1 500 kV (mais cela n’a pas été mis en service pour des questions de rentabilité). On distingue le réseau national de transport à (400kV- 200kV), des réseaux de répartition régionaux (150kV- 30kV) et des réseaux de distribution de l’énergie aux clients. Réseau de transport de l’électricité Réseau de répartition de l’électricité Réseau de distribution de l’électricité Fig-7 : Principaux types de réseaux Le réseau de transport permet d’acheminer à l’échelle nationale des quantités importantes d’énergie sur des grandes distances. Il est basé sur une structure maillée (fig-7a) qui garantit une très bonne sécurité d'alimentation: la perte de n'importe quel élément qu’il soit ligne électrique, transformateur ou groupe de production, n'entraîne aucune coupure d'électricité. Les réseaux de répartition assurent à l'échelle régionale la fourniture d'électricité, soit à partir du réseau de transport via des transformateurs, soit à partir de centrales électriques de moyennes puissances (<100 uploads/Ingenierie_Lourd/ 12-distribution-d-electricite.pdf