PRODUCTION-TRANSPORT DISTRIBUTION DE L’ENERGIE ELECTRIQUE Université de Jijel Faculté des sciences et de la technologie Département de Génie électrique Module : Réseau électrique 1

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Chaque fois qu'un récepteur électrique est mis en marche, il faut simultanément Produire et Transporter l'énergie électrique au lieu d'utilisation car on ne peut pas stocker cette énergie. 1. Problème de production consommation 3

Un système de production électrique est constitué : - d'une turbine ( production d'énergie mécanique ) d'une turbined'une turbine - d'un alternateur ( transformation de l'énergie mécanique en énergie électrique ) d'un alternateurd'un alternateur 2. Production 4

Turbine 5

Alternateur 6

Le moyen d'entraîner la turbine peut se faire par : - l'eau ( centrale hydraulique, centrale marimotrice ) ; l'eau - la vapeur ( centrale thermique, centrale nucléaire) la vapeur la vapeur 2. Production - le vent ( centrale éolienne) le vent le vent 7

3. Type des centrales électriques - Centrales hydroélectriques a accumulation - Centrales hydroélectriques au fil de l’eau - Centrales thermique - Centrales nucléaire - Éoliennes (Energie du vent) - Photovoltaïque (Energie solaire) - Piles a combustible 8

3.1. Les centrales hydrauliques Elles représentent environ 17% de la production de l'énergie électrique en France. L'eau sous pression actionne les turbines avec une puissance P avec P en kW ; g = 9,81 m.s -2 ; Q : quantité d’eau en m 3 /s ; h : hauteur en m P = g. Q. h 9

3.1. Les centrales hydrauliques On rencontre 4 types de centrale : Les hautes chutes : h > 200 m Les moyenne chutes : 200 m > h > 30 m Les basses chutes : avec h < 30 m les centrales à pompage. 10

Centrale hydroélectrique a accumulation L’eau de pluie et de fonte des neiges, retenue derrière un barrage, est acheminée par une conduite forcée jusqu’a des turbines hydrauliques qui entraînent des alternateurs : conversion mécanique – électrique. Puissances de qq centaines de MW a plusieurs GW 11

Avantages et inconvénients Avantages : Excellent rendement (+90%) Fournit l’électricité a la demande Énergie primaire gratuite Inconvénients : Construction uniquement en montagne loin des centres urbains Dégradation du paysage Délocalisation de la population 12

Centrale hydroélectrique au fil de l’eau 13

3.2. Les centrales thermiques les centrales thermiques classiques les centrales thermiques classiques : Elles utilisent principalement le charbon on rencontre aussi le gaz et le fioul ; les centrales thermiques classiques les centrales nucléaires les centrales nucléaires : Elles utilisent la fission nucléaire de l'uranium 235. les centrales nucléaires 14

Centrale thermique 15

centrale conventionnelle à chaudière 16

centrale nucléaire 17

4. Autres moyens de production Ils sont moins utilisé que les autres. Elles représentent environ 1% de la production de l'énergie électrique en France -Énergie éolienne; - Énergie solaire; - Groupe électrogène; - Énergie marémotrice; - Pile à combustible 18

4.1. Centrale Eolienne 19

4.2. Centrale photovoltaïque 20

Avantages et inconvénients Avantages : L'énergie solaire n'exige aucun carburant. Elle n'est pas donc soumise au prix toujours croissant du pétrole; Énergie propre non polluante pour l'environnement; Énergie primaire gratuite; Inconvénients : Frais de production sont trop élevés par rapport au rendement obtenu; Taille considérable des installations : il faut des grandes superficies de panneaux pour produire de l'énergie; Production irrégulière (dépend des conditions climatiques). 21

4.3. Centrale marémotrice Une centrale marémotrice est une unité de production d’électricité qui exploite une source d’énergie renouvelable : les marées.énergie renouvelablemarées 22

Avantages et inconvénients Avantages : Énergie produite par les usines à marée ne dépendait pas des phénomènes météorologiques (vent, soleil); Énergie propre non polluante pour l'environnement; Coût d'exploitation assez faible. Inconvénients : Sites favorables à la construction très limité; Impacts sur la migration des poissons; Risque de dépôt dans le bassin, qui nécessite un nettoyage régulier qui peut être coûteux. Risque de dépôt dans le bassin, qui nécessite un nettoyage régulier qui peut être coûteux. 23

Structure du réseau en France Remarque : pas de distribution du neutre 13 24

Turbine Pelton Retour 25

Alternateur Retour 26

Centrale thermique Retour 27

Centrales Hydraulique s Retour Serre poncon Centrale fil de l’eau 28

Centrales éoliennes Retour 29

Centrales solaires Retour 30

Centrale marémotrice Retour La Rance 31

Poste de répartition Retour 32

Transformateur 20kV 230/400 Retour 33

Ligne 20kV Retour Sectionneur et transformateur de mesure 34

Distribution 230/400 Retour 35

Retour 36

Ligne 220kV Retour 37

Organisation générale d’un réseau de transport d’énergie Les réseaux électriques constituent le lien obligatoire entre la production de l’énergie électrique et les utilisateurs, ils comprennent trois grandes étapes, la production de l’énergie électrique, le transport et la distribution. 38

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Différents types de réseaux électriques Le réseau de grand transport (THT) Les réseaux de transport sont à Très Haute Tension (THT) de 150 kV à 800 kV et ont pour but de transporter l'énergie des grands centres de production vers les régions consommatrices d'électricité. Les réseaux de transport sont à Très Haute Tension (THT) de 150 kV à 800 kV et ont pour but de transporter l'énergie des grands centres de production vers les régions consommatrices d'électricité. Le réseau de répartition (HT) Les réseaux de répartition sont à Haute Tension HT de l'ordre de 30 à 150 kV et ont pour but d'assurer à l'échelle régionale la fourniture d'électricité. 40

Le réseau de distribution Le réseau de distribution Les réseaux de distribution ont pour but d'alimenter l'ensemble des consommateurs. Il existe deux sous niveaux de tension : les réseaux à Moyenne Tension (MT) de 3 à 33 kV) ; les réseaux à Moyenne Tension (MT) de 3 à 33 kV) ; les réseaux à Basse Tension (BT) de 110 à 600 V, sur lesquels sont raccordés les utilisateurs domestiques. les réseaux à Basse Tension (BT) de 110 à 600 V, sur lesquels sont raccordés les utilisateurs domestiques. 41

Les lignes électriques Le transport de l'énergie électrique du producteur au consommateur se fait à l'aide de lignes électriques, qui constituent les artères d'un système d'énergie électrique. Le transport de l'énergie électrique du producteur au consommateur se fait à l'aide de lignes électriques, qui constituent les artères d'un système d'énergie électrique. 42

III.1. Définition Une ligne électrique est un ensemble de conducteurs, d'isolant et d'éléments accessoires destinés au transport de l'énergie électrique. Les conducteurs sont en générale en Aluminium, en Cuivre, en Bronze. Elles peuvent être classées : Suivant les fonctions : ligne de grand transport ; ligne de grand transport ; ligne d'interconnexion ; ligne d'interconnexion ; lignes de répartition ; lignes de répartition ; lignes de distribution. lignes de distribution. 43

Suivant la situation dans l'espace : lignes aériennes. lignes aériennes. lignes souterraines (câbles). lignes souterraines (câbles). Suivant la classe de la tension : lignes à basse tension (<1 kV). lignes à basse tension (<1 kV). lignes à haute tension (>1 kV). lignes à haute tension (>1 kV). Suivant la nature de la tension : continue. continue. alternative (monophasée ou triphasée). alternative (monophasée ou triphasée). 44

IV. Les postes aériens 45 Les réseaux comportent des nœuds électriques où se raccordent les ouvrages : ce sont les postes électriques.

IV.1. Types de postes On peut distinguer plusieurs types de postes suivant les fonctions qu’ils assurent : Postes à fonction d’interconnexion Postes à fonction d’interconnexion Ces postes sont normalement composés de plusieurs jeux de barres à la même tension. Postes de transformation Postes de transformation Ces postes comportent au moins deux jeux de barres à des tensions différentes liés par un ou plusieurs transformateurs de puissance. Postes mixtes Postes mixtes Assurent à la fois la fonction d’interconnexion et la fonction de transformation, ces postes comportent plusieurs étages de transformations et plusieurs jeux de barres. 46

I. Généralités sur les circuits triphasé Un système de tension triphasée est un ensemble de trois tensions alternatives, de même valeur efficace, décalées l’une par rapport aux autres de 120°. un système triphasé peut servir à produire : 1- du monophasé (bipolaire)  230 V (entre un conducteur polaire et un conducteur neutre )  400 V ( entre deux conducteurs polaires) 2- ou des circuits triphasés multipolaires  tripolaire ( uniquement les 3 conducteurs polaires - phases –  tétrapolaire ( 3 phases + neutre) 47

48 II. Réseau triphasé symétrique

II.2. Les tensions délivrées II.2.1. Les tensions simples 49 Puisque les grandeurs sont sinusoïdales, les tensions et courants utiliseront la notation complexe. Les trois tensions entre phase et neutre sont les tensions simples, notées V. Le Tableau 1 regroupe les formes temporelles et complexes de ces tensions.

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Réseau triphasé non symétrique Définition Une charge est non équilibrée si elle est constituée de trois impédances différentes Z 1, Z 2 et Z 3, couplées en étoile ou en triangle. Les courants de ligne ne sont alors pas tous égaux. La conséquence la plus immédiate est que le potentiel du neutre de la charge est décalé par rapport à celui de l’équilibre. Une charge est non équilibrée si elle est constituée de trois impédances différentes Z 1, Z 2 et Z 3, couplées en étoile ou en triangle. Les courants de ligne ne sont alors pas tous égaux. La conséquence la plus immédiate est que le potentiel du neutre de la charge est décalé par rapport à celui de l’équilibre. 51

Influence du déséquilibre Détermination du courant de neutre Dans un premier temps, on se place dans le cas où le neutre est relié au réseau par le conducteur associé (Figure 8). Dans un premier temps, on se place dans le cas où le neutre est relié au réseau par le conducteur associé (Figure 8). On détermine la somme des trois courants en ligne, c’est à dire le courant dans le neutre, dans la charge étoile déséquilibrée : On détermine la somme des trois courants en ligne, c’est à dire le courant dans le neutre, dans la charge étoile déséquilibrée : 52

Cette somme n’est plus nécessairement nulle : Un courant circule dans le conducteur de neutre. Cette somme n’est plus nécessairement nulle : Un courant circule dans le conducteur de neutre. Ce principe est utilisé dans certains dispositifs de détection de défauts : le défaut (parfois dû à un contact humain) occasionne un déséquilibre. Ce principe est utilisé dans certains dispositifs de détection de défauts : le défaut (parfois dû à un contact humain) occasionne un déséquilibre. 53 Si le neutre n’est pas relié, on détermine son potentiel par rapport au neutre qui existerait si la charge était équilibrée (Figure 9). Détermination du potentiel de neutre

54 Cette tension peut être déterminée aisément grâce au théorème de Millman : Dans le cas général, cette tension n’est pas toujours nulle. Le potentiel de neutre est décalé par rapport au neutre de la source. Ce dernier est souvent relié à la terre, on observe donc V N près de la charge. Cela peut présenter un danger pour certains régimes de neutre, en cas de défaut dans la charge.

P UISSANCE DU RÉCEPTEUR TRIPHASÉ NON ÉQUILIBRÉ Dans ce cas, chacune des puissances doit être calculée individuellement Dans ce cas, chacune des puissances doit être calculée individuellement La puissance active totale est la somme arithmétique des puissances active de chaque phase. La puissance active totale est la somme arithmétique des puissances active de chaque phase. P = P ph1 + P ph2 + P ph3 [W] La puissance réactive totale est la somme algébrique des puissances réactive de chaque phase. La puissance réactive totale est la somme algébrique des puissances réactive de chaque phase. Q = ± Q ph1 ± Q ph2 ± Q ph3 [var] La puissance apparente totale est la somme vectorielle des puissances apparente de chaque phase. La puissance apparente totale est la somme vectorielle des puissances apparente de chaque phase. S = (P 2 +Q 2 ) 0,5 [VA] 55

Exemple 1 Exemple 1 Trois lampes à incandescence de 100 W, 60 W et 40 W sont raccordées sous 230V, selon le schéma ci-dessous. Calculez : Calculez : a) l’intensité des courants dans les lampes ; b) l’intensité du courant dans le conducteur N ; c) la puissance active totale. 56

Solution Solution a) Calcul des courants de phase I ph1 = P ph1 / (U ph1 · cos  1 ) =100 / (230 · 1)= 435[mA] I ph2 = P ph2 / (U ph2 · cos  2 ) =60 / (230 · 1)= 261[mA] I ph3 = P ph3 / (U ph3 · cos  3 ) =40 / (230 · 1)= 174[mA] b) Calcul du courant du neutre I N = I ph1 + I ph2 + I ph3 = 0,23 [A] I N = I1 exp j (wt) + I2 exp j (wt- 2  /3) + I 3 exp j (wt - 4  /3)= c) puissance active totale P = P ph1 + P ph2 + P ph2 = = 200 [W] 57

Mesure de la puissance active en triphasé 1. Méthode pour récepteurs équilibrés La puissance P, indiquée par le wattmètre est celle d’une phase, pour connaître la puissance totale active, il faut multiplier cette valeur par trois. La puissance P, indiquée par le wattmètre est celle d’une phase, pour connaître la puissance totale active, il faut multiplier cette valeur par trois. P = 3 · P 1 [W] Si le point neutre n’est pas accessible, il faut le créer à l’aide de trois résistances équivalentes couplées en étoile, l’une d’entre elle étant celle du circuit tension du wattmètre. Si le point neutre n’est pas accessible, il faut le créer à l’aide de trois résistances équivalentes couplées en étoile, l’une d’entre elle étant celle du circuit tension du wattmètre. 58

2. M ÉTHODE GÉNÉRALE Chaque wattmètre indique la puissance d’une phase. Chaque wattmètre indique la puissance d’une phase. La puissance triphasée est la somme arithmétique des puissances lues sur chaque wattmètre. La puissance triphasée est la somme arithmétique des puissances lues sur chaque wattmètre. P = P 1 + P 2 + P 3 [W] Si le point neutre n’est pas accessible, il faut relier en étoile les 3 sorties des circuits tension des wattmètres, ceux-ci devant avoir la même résistance. Si le point neutre n’est pas accessible, il faut relier en étoile les 3 sorties des circuits tension des wattmètres, ceux-ci devant avoir la même résistance. 59

3. M ÉTHODE DES DEUX (02) WATTMÈTRES Cette méthode permet de mesure la puissance triphasée d’un circuit quelconque avec ou sans neutre. Cette méthode permet de mesure la puissance triphasée d’un circuit quelconque avec ou sans neutre. P = P 1 + P 2 [W] P = P 1 + P 2 [W] Remarques : Selon le facteur de puissance du circuit mesuré, il se peut qu’un des wattmètres dévie en sens contraire. Dans ce cas, il faut inverser les connexions du circuit tension et soustraire la valeur lue de celle de l’autre appareil de mesure. Remarques : Selon le facteur de puissance du circuit mesuré, il se peut qu’un des wattmètres dévie en sens contraire. Dans ce cas, il faut inverser les connexions du circuit tension et soustraire la valeur lue de celle de l’autre appareil de mesure. 60

Amélioration du facteur de puissance Le facteur de puissance (cos  ) est le rapport entre la puissance active (P) et la puissance apparente (S) d’un circuit. Le facteur de puissance (cos  ) est le rapport entre la puissance active (P) et la puissance apparente (S) d’un circuit. En triphasé, l’amélioration du facteur de puissance s’effectue au moyen d’une batterie de condensateurs centralisée (batterie de compensation). En triphasé, l’amélioration du facteur de puissance s’effectue au moyen d’une batterie de condensateurs centralisée (batterie de compensation). 61 Récepteur inductif Batterie de condensateurs couplés en triangle

62  La puissance réactive que doit fournir la batterie de compensation est calculée de la même façon qu’en monophasé. La batterie est composée de trois condensateurs fournissant chacun un tiers de la puissance réactive capacitive.  L’amélioration du facteur de puissance tend idéalement à lui donner une valeur proche de 1. En pratique, on se contente d’une valeur proche de 0,9 (inductif). A VANTAGES DE L ’ AMÉLIORATION DU FACTEUR DE PUISSANCE Pour les sources de tension, à puissance apparente égale, la puissance active soutirée peut être plus grande avec un facteur de puissance proche de 1. Pour un circuit inductif, le courant dans la ligne sera plus petit (donc les pertes en ligne aussi) si on y améliore le facteur de puissance.

C ALCUL DE LA CAPACITÉ DES CONDENSATEURS Pour le calcul de la capacité des condensateurs, il faut d’abord déterminer la puissance réactive à fournir au total, puis par condensateur Pour le calcul de la capacité des condensateurs, il faut d’abord déterminer la puissance réactive à fournir au total, puis par condensateur 63 Grandeurs utilisées : P m, S m et Q m : respectivement la puissance active, apparente et réactive du moteur. f m : facteur de puissance du moteur P R, S R et Q R : respectivement la puissance active, apparente et réactive du réseau. f R : facteur de puissance du réseau S b puissance apparente de la batterie [VA] (=Q b ) S c puissance apparente d’un condensateur [VA] (= Q c ) X c réactance de capacité d’un condensateur C capacité de chaque condensateur

Pm = U · I · cos fm · 30,5 = Pm = U · I · cos fm · 30,5 = 400 · 85 · 0,5 · 1,732 = 29,44 [kW] 400 · 85 · 0,5 · 1,732 = 29,44 [kW] Qm = Pm · tg fm = 29,44 · 1,152 = 35,09[kvar] Qm = Pm · tg fm = 29,44 · 1,152 = 35,09[kvar] PR = Pm = 29,44 [kW] PR = Pm = 29,44 [kW] QR = PR · tg fR = 29,44 · 0,4843 = 14,26 QR = PR · tg fR = 29,44 · 0,4843 = 14,26 [kvar] [kvar] Qb = Qm - Qr = 35, ,26 = 20,83 Qb = Qm - Qr = 35, ,26 = 20,83 [kvar] [kvar] Qc = Qb / 3 = 20,83 / 3= 6,943 [kvar] Qc = Qb / 3 = 20,83 / 3= 6,943 [kvar] Xc = Uc Xc = Uc 2 / Qc = Uph 2 / Qc = Uph 2 / Qc = 4002 / 6943 = 2 / Qc = 4002 / 6943 = 23,04 [W] 23,04 [W] C= 1 / (2. p. f. Xc ) =1 / (2. p ,04 ) C= 1 / (2. p. f. Xc ) =1 / (2. p ,04 ) = 138,15 [mF] = 138,15 [mF] note : Iréseau = 47,22 [A] note : Iréseau = 47,22 [A] 64