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GESTION DE L’ENERGIE Sommaire 1 Historique 1.1 Les premiers réseaux à courant c

GESTION DE L’ENERGIE Sommaire 1 Historique 1.1 Les premiers réseaux à courant continu 1.2 La victoire du courant alternatif triphasé 1.3 L’interconnexion progressive des réseaux 2 Généralités 2.1 Choix stratégiques de l'onde électrique 2.1.1 Nécessité de transporter l'électricité à une tension élevée 2.1.2 Courant alternatif ou continu ? 2.1.3 Pourquoi une tension sinusoïdale ? 2.1.4 Un système monophasé ou triphasé ? 2.1.5 Fréquence des réseaux électriques 2.2 Grandeurs électriques importantes 2.2.1 Surveillance de la tension 2.2.2 Intensité et problématique de l'IMAP 2.2.3 Intensité de court circuit 3 Structure des réseaux électriques 3.1 Le réseau de transport 3.2 Le réseau de répartition 3.3 Le réseau de distribution 4 Matériels utilisés dans les réseaux électriques 4.1 Matériels de puissance 4.1.1 Les lignes électriques 4.1.2 Les transformateurs de puissance 4.1.3 Les postes électriques 4.2 Matériels de surveillance et de contrôle 4.2.1 Protection des réseaux électriques 4.2.2 Matériel de conduite et de surveillance 5 Stabilité et réglage des réseaux électriques 5.1 Équilibre production - consommation 5.2 Réglage de la tension 5.3 Stabilité des groupes Un réseau électrique est un ensemble d'infrastructures permettant d'acheminer l'énergie électrique des centres de production vers les consommateurs d'électricité. Un réseau est constitué de lignes électriques exploitées à différents niveaux de tension, connectées entre elles dans des postes électriques. Les postes électriques permettent de répartir l'électricité et de la faire passer d'une tension à l'autre grâce aux transformateurs. Un réseau électrique doit aussi assurer la gestion dynamique de l'ensemble production - transport - consommation, mettant en œuvre des réglages ayant pour but d'assurer la stabilité de l'ensemble Historique  Un réseau électrique étant composé de machines de production et de consommation, ainsi que de structures (lignes, transformateurs) pour les relier, les réseaux électriques ne sont apparus que vers la fin XIXe siècle, lorsque chaque élément avait atteint une maturité technologique suffisante. Les premiers réseaux à courant continu Lors de la première moitié du XIXe siècle, les inventeurs mettent au point de nombreux types de moteurs électriques à courant continu, mais leur utilisation de manière industrielle ne sera permise qu’après l’invention de la dynamo (génératrice de courant continu) par Zénobe Gramme en 1869, qui sera rapidement améliorée . À l'Exposition internationale d'Électricité de Paris de 1881, Marcel Deprez présente pour la première fois une installation de distribution d'énergie électrique alimentée par 2 dynamos. À l’automne 1882, les premiers réseaux électriques apparaissent simultanément à New York et Bellegarde, en France. Ils sont très locaux et utilisent le courant continu. Thomas Edison a joué un rôle déterminant dans le développement de l’électricité : il fonde en 1878 l'Edison Electric Light Co (qui deviendra en 1892 General Electric), dépose le brevet de l’ampoule électrique en 1879, puis crée le réseau électrique de New York. Ce dernier, qui avait essentiellement pour but l’éclairage, se développe rapidement : d’une puissance de 1200 ampoules en 1882, il passe à 10000 ampoules l’année suivante Ce réseau, qui souffre de nombreuses pannes, est constitué de petites centrales électriques (30 kW) et d’un réseau de distribution à 110 V . Il est cependant très limité car l’acheminement de l’électricité n’est possible que sur quelques kilomètres À cette période les premières expérimentations de transport de l’énergie électrique se développent et sont menées notamment par Marcel Deprez, qui utilise du courant continu. Ce sont cependant des échecs relatifs car elles ne permettent pas le transport de puissances industrielles (Deprez réussi en 1882 à transporter 400 W sur 57 km de distance, mais avec un rendement global de seulement 30% ). Les ingénieurs Lucien Gaulard et John Gibbs travaillent quant à eux sur le courant alternatif. Bien que le transformateur soit connu depuis 1837, ils mettent au point en 1884 un transformateur de forte puissance utilisant du courant alternatif triphasé, ce qui permet de changer facilement le niveau de tension. La même année ils démontrent l’intérêt du transformateur en mettant en service une ligne de 80 km de long alimenté en courant alternatif sous 2000 V. La victoire du courant alternatif triphasé George Westinghouse, ingénieur et entrepreneur américain qui a créé sa propre compagnie d'électricité, est intéressé par la technologie du courant alternatif. En 1887, il achète les brevets du transformateur de Gaulard et embauche Nikola Tesla qui invente l’alternateur triphasé en 1891. Cette même année la première installation triphasée est mise en place aux environs de Francfort, avec une ligne de 175 km. Aux États-Unis les réseaux en courant continu poursuivent leur développement, mais sont limités en taille : chaque centrale ne peut alimenter en électricité qu’une zone d’environ 5 km de diamètre [9], ce qui pose problème en dehors des villes. En parallèle se constituent de petits réseaux urbains en courant alternatif. Une opposition sévère fait rage à cette époque aux États-Unis entre Edison (défenseur du courant continu) et Tesla (défenseur du courant alternatif). Edison insiste notamment sur le risque (bien réel) du courant alternatif pour les êtres vivants, et va jusqu’à financer la macabre invention de la chaise électrique[10] La bataille décisive entre courant continu et alternatif se déroule autour d’un projet d’alimentation électrique de l’industrie de Buffalo par une centrale hydraulique de 75 MW située à Niagara Falls, à 32 km de distance. Edison proposait un projet en courant continu tandis que Tesla et Westinghouse proposaient un système en courant alternatif. Le contrat fut donné à Westinghouse. En 1896, la mise en service de la première ligne industrielle en triphasé fut un succès total et conduit à imposer universellement le courant alternatif triphasé comme moyen de transport de l’énergie électrique, mieux adapté au transport sur de longues distances. L’interconnexion progressive des réseaux A la fin du XIXe et au début du XXe siècle, les usages de l’électricité se multiplient, aussi bien au niveau domestique qu'industriel (notamment l’électrification des tramways, métros et chemins de fer). Dans chaque grande ville s'implante des compagnies d'électricité. Ces dernières construisent des centrales électriques et de petits réseaux locaux, chacun utilisant des fréquences et des niveaux de tension différents. Les opérateurs se rendent compte tardivement de l’intérêt d’utiliser une fréquence unique (indispensable à l’interconnexion des réseaux), et l’on voit apparaître finalement 2 standards de fréquence : le 60 Hz sur la majorité du continent américain et le 50 Hz quasiment partout dans le reste du monde. Dans la première moitié du XXe siècle les réseaux urbains des pays industrialisés se sont agrandis afin d’électrifier les campagnes. En parallèle, ces réseaux se sont interconnectés entre eux au niveau régional afin d'engranger des économies d'échelle sur la taille des centrales de production, et de mieux valoriser des ressources énergétiques géographiquement localisées, comme la production hydraulique située dans les zones montagneuses, éloignée des grands centres de consommation. Au fur et à mesure de l’augmentation des puissances appelées et des distances des lignes d’interconnexion, la tension d’exploitation des lignes a également augmentée (1re ligne à 220 kV construite en 1923 aux États-Unis, celle à 380 kV en 1930 en Allemagne). L’apparition en 1937 du premier turbo-alternateur refroidi à l’hydrogène, d’une puissance de 100 MW, ouvre la voie des centrales électriques de forte puissance Une difficulté du développement des réseaux électriques est l’héritage du passé, car les infrastructures sont conçues pour durer plusieurs dizaines d’années. L’électrification des campagnes était aisée du fait de l’absence de tout réseau antérieur, permettant ainsi la mise en œuvre des standards du moment (en terme de tension et de fréquence). Au niveau urbain en revanche le problème était complexe car plusieurs réseaux non interconnectables coexistaient, conduisant à la multiplication des câbles. Les réseaux en courant continu ont ainsi subsisté très longtemps localement : jusque 1965 à Paris , et 2005 à New York Dans les années 1950, les compagnies européennes se coordonnent pour uniformiser les tensions des réseaux de transports à 400 kV, ce qui permet en 1967 la première interconnexion des réseaux français, allemands et suisse à Laufenbourg (Suisse). Pour le XXIème siècle, un nouveau défi est d'interconnecter des sources stables et relativement régulières et prédictibles (électricité issues d'énergies fossiles, de l'hydroélectrique et du nucléaire) et des sources délivrant un courant plus irrégulier et aux variations un peu moins prévisibles, notamment produit par le solaire et l'éolien. L'Union européenne a pour objectif au moins 20% d'énergies renouvelables, propres et sûres comme source de l'électricité à partir de 2020. Généralités Un réseau électrique est tout d'abord définit par le type de courant électrique qu'il utilise. Une fois fixé, ce choix engage l'avenir et est lourd de conséquences car les modifications sont a posteriori très délicates. Ensuite, lors de l'exploitation des réseaux, certaines grandeurs électriques doivent être surveillées régulièrement pour s'assurer que les conditions d'exploitation sont bien respectées Choix stratégiques de l'onde électrique Les réseaux électriques actuels utilisent un courant alternatif triphasé sinusoïdal. Ce choix décisif découle d'un ensemble de raisons que nous présentons ici. Nécessité de transporter l'électricité à une tension élevée De la sortie de la centrale électrique au compteur de l'utilisateur final, l'électricité doit transiter sur un réseau électrique. Ces réseaux possèdent souvent la même structure d'un pays à l'autre, car le transport de fortes puissances sur de longues distances impose la minimisation uploads/Ingenierie_Lourd/ gestion-de-l-x27-energie.pdf