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Rseau lectrique

Nombreuses lignes lectriques aux abords d'un poste

Un rseau lectrique est un ensembled'infrastructures permettant d'acheminer l'nergielectrique des centres de production vers lesconsommateurs d'lectricit.

Il est constitu de lignes lectriques exploites diffrents niveaux de tension, connectes entre ellesdans des postes lectriques. Les postes lectriquespermettent de rpartir l'lectricit et de la faire passerd'une tension l'autre grce aux transformateurs.

Un rseau lectrique doit aussi assurer la gestiondynamique de l'ensemble production - transport -consommation, mettant en uvre des rglages ayantpour but d'assurer la stabilit de l'ensemble.

Historique

Un rseau lectrique tant compos de machines deproduction et de consommation, ainsi que destructures (lignes, transformateurs) pour les relier, lesrseaux lectriques ne sont apparus que vers la finXIXesicle, lorsque chaque lment avait atteint unematurit technologique suffisante.

Les premiers rseaux courant continu

Edison a t un pionnier dans laralisation des premiers rseauxlectriques en courant continu.

Lors de la premire moiti du XIXesicle, les inventeurs mettent au point denombreux types de moteurs lectriques courant continu, mais leur utilisationde manire industrielle ne sera permise quaprs linvention de la dynamo(gnratrice de courant continu) par Znobe Gramme en 1869, qui serarapidement amliore[1] . l'Exposition internationale d'lectricit de Parisde 1881, Marcel Deprez prsente pour la premire fois une installation dedistribution d'nergie lectrique alimente par 2 dynamos. lautomne 1882,les premiers rseaux lectriques apparaissent simultanment New York etBellegarde, en France[2] . Ils sont trs locaux et utilisent le courant continu.

Thomas Edison a jou un rle dterminant dans le dveloppement dellectricit : il fonde en 1878 l'Edison Electric Light Co (qui deviendra en1892 General Electric), dpose le brevet de lampoule lectrique en 1879, puiscre le rseau lectrique de New York. Ce dernier, qui avait essentiellementpour but lclairage, se dveloppe rapidement : dune puissance de 1200ampoules en 1882, il passe 10000ampoules lanne suivante.

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L'clairage lectrique taient souvent crs lors d'expositionsinternationales.

Ce rseau, qui souffre de nombreuses pannes, estconstitu de petites centrales lectriques (30kW) etdun rseau de distribution 110V[3] . Il est cependanttrs limit car lacheminement de llectricit nestpossible que sur quelques kilomtres[4] .

cette priode les premires exprimentations detransport de lnergie lectrique se dveloppent et sontmenes notamment par Marcel Deprez, qui utilise ducourant continu. Ce sont cependant des checs relatifscar elles ne permettent pas le transport de puissancesindustrielles (Deprez russi en 1882 transporter400W sur 57km de distance, mais avec un rendementglobal de seulement 30%[5] ). Les ingnieurs LucienGaulard et John Gibbs travaillent quant eux sur le courant alternatif. Bien que le transformateur soit connu depuis1837, ils mettent au point en 1884 un transformateur de forte puissance utilisant du courant alternatif triphas, ce quipermet de changer facilement le niveau de tension. La mme anne ils dmontrent lintrt du transformateur enmettant en service une ligne de 80km de long aliment en courant alternatif sous 2000V[6] .

La victoire du courant alternatif triphas

Tesla, un inventeur qui a conu lespremiers rseaux lectriques en courant

alternatifs

George Westinghouse, ingnieur et entrepreneur amricain qui a cr sapropre compagnie d'lectricit, est intress par la technologie du courantalternatif. En 1887, il achte les brevets du transformateur de Gaulard etembauche Nikola Tesla qui invente lalternateur triphas en 1891[7] . Cettemme anne la premire installation triphase est mise en place aux environsde Francfort, avec une ligne de 175km[8] .

Aux tats-Unis les rseaux en courant continu poursuivent leurdveloppement, mais sont limits en taille : chaque centrale ne peut alimenteren lectricit quune zone denviron 5km de diamtre [9] , ce qui poseproblme en dehors des villes. En parallle se constituent de petits rseauxurbains en courant alternatif. Une opposition svre fait rage cette poqueaux tats-Unis entre Edison (dfenseur du courant continu) et Tesla(dfenseur du courant alternatif). Edison insiste notamment sur le risque (bienrel) du courant alternatif pour les tres vivants, allant jusqu' organiser desdmonstrations publiques ou il lectrocute diffrents animaux, pour prouverla dangerosit du courant alternatif, et va jusqu financer la macabre invention de la chaise lectrique[10] . Aprsl'excution de William Kemmler, Edison dira : Il a t Westinghous .

La bataille dcisive entre courant continu et alternatif se droule autour dun projet dalimentation lectrique delindustrie de Buffalo par une centrale hydraulique de 75 MW situe Niagara Falls, 32km de distance[11] . Edisonproposait un projet en courant continu tandis que Tesla et Westinghouse proposaient un systme en courantalternatif. Le contrat fut donn Westinghouse. En 1896, la mise en service de la premire ligne industrielle entriphas fut un succs total et conduit imposer universellement le courant alternatif triphas comme moyen detransport de lnergie lectrique[12] , mieux adapt au transport sur de longues distances.

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Linterconnexion progressive des rseauxA la fin du XIXe et au dbut du XXesicle, les usages de llectricit se multiplient, aussi bien au niveau domestiquequ'industriel (notamment llectrification des tramways, mtros et chemins de fer). Dans chaque grande villes'implante des compagnies d'lectricit. Ces dernires construisent des centrales lectriques et de petits rseauxlocaux, chacun utilisant des frquences et des niveaux de tension diffrents. Les oprateurs se rendent comptetardivement de lintrt dutiliser une frquence unique (indispensable linterconnexion des rseaux), et lon voitapparatre finalement 2 standards de frquence : le 60Hz sur la majorit du continent amricain et le 50Hzquasiment partout dans le reste du monde.

Dynamos alimentant les tramways de l'est parisien

Dans la premire moiti du XXesicle lesrseaux urbains des pays industrialiss sesont agrandis afin dlectrifier lescampagnes. En parallle, ces rseaux se sontinterconnects entre eux au niveau rgionalafin d'engranger des conomies d'chelle surla taille des centrales de production, et demieux valoriser des ressources nergtiquesgographiquement localises, comme laproduction hydraulique situe dans les zonesmontagneuses, loigne des grands centresde consommation. Au fur et mesure delaugmentation des puissances appeles etdes distances des lignes dinterconnexion, la

tension dexploitation des lignes a galement augmente (1re ligne 220 kV construite en 1923 aux tats-Unis, celle 380 kV en 1930 en Allemagne). Lapparition en 1937 du premier turbo-alternateur refroidi lhydrogne, dunepuissance de 100 MW, ouvre la voie des centrales lectriques de forte puissance[13] .

Une difficult du dveloppement des rseaux lectriques est lhritage du pass, car les infrastructures sont conuespour durer plusieurs dizaines dannes. Llectrification des campagnes tait aise du fait de labsence de tout rseauantrieur, permettant ainsi la mise en uvre des standards du moment (en termes de tension et de frquence). Auniveau urbain en revanche le problme tait complexe car plusieurs rseaux non interconnectables coexistaient,conduisant la multiplication des cbles. Les rseaux en courant continu ont ainsi subsist trs longtemps localement: jusque 1965 Paris [14] , et 2005 New York[15] !Dans les annes 1950, les compagnies europennes se coordonnent pour uniformiser les tensions des rseaux detransports 400 kV, ce qui permet en 1967 la premire interconnexion des rseaux franais, allemands et suisse Laufenbourg[16] (Suisse).La deuxime moiti du XXesicle a connu en outre un renforcement des interconnexions intra-nationales et undveloppement significatif des interconnexions transnationales, dans le but principal de crer des capacits desecours mutuel entre oprateurs et d'amliorer globalement la stabilit des systmes lectriques, ainsi que, de faonplus ponctuelle, de crer des capacits d'change d'nergie sur le long terme.L'Europe, avec sa forte densit de population et un niveau lev de dveloppement conomique et industriel,prsente un rseau lectrique la fois dense et maill. La mise en place d'interconnexions physiques dans cesconditions, a ncessit l'adoption de rgles communes de sret entre les exploitants des divers systmes, souventnationaux pour prvenir les risques d'incident de grande ampleur. Aujourd'hui, c'est l'UCTE qui effectue cettecoordination en Europe.Enfin plus rcemment, dans le cadre de la construction du march intrieur de l'lectricit, la Commission europenne a choisi d'encourager le dveloppement des capacits d'interconnexion transfrontalires, afin d'accrotre

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les potentiels d'change et l'interconnexion commerciale des marchs nationaux.Pour le XXIesicle, les rseaux sont confronts d'importants nouveaux dfis : accueillir simultanment, sans diminuer significativement la sret et la qualit de fonctionnement du rseau, des

units de production stables et commandables (lectricit hydrolectrique ou issue de centrales thermiques) ainsique sources moins prvisibles et souvent pas ou trs peu commandables, comme l'nergie solaire ou l'nergieolienne. Ces sources d'nergie font dans de nombreux pays dvelopps l'objet de programmes de dveloppement un rythme soutenu[17] .

faciliter l'interaction entre les consommateurs et le systme lectrique notamment pour adapter la demande auxcapacit de production lorsque cela est ncessaire.

tre plus conomes en ressources non renouvelables qu'il s'agisse des matriaux pour leur construction comme despertes qu'ils gnrent.

accueillir de nouveaux usages comme le vhicule lectrique.A ces sujets, les prospectivistes annoncent un rseau intelligent (Smart grid) plus souple et capable de mieux intgrerles sources d'nergies propres et sres, mais diffuses et non continues telles que l'olien et le solaire[18] .

Historique des rseaux lectriques en France

Le programme de construction des centrales nuclaires a dimensionn le rseau detransport d'lectricit franais

Llectrification du territoire franais esteffectue au cours de la premire moiti duXXesicle : de 7000 communes lectrifiesen 1919, elles sont 36528 ltre en 1938[19]

. En parallle, les rseaux prochessinterconnectent progressivement :

les rseaux de Paris le sont en 1907 12kV

ceux des Pyrnes en 1923 150 kV enfin la quasi-totalit du territoire

franais est interconnecte en 1938 220kV, mais de grandes rgions restentisoles[20] .

Mme au cours de la seconde guerremondiale, le rseau de transport dlectricitcroit de 30 % et la Libration il est le plusdense au monde. En 1946, le cumul des lignes lectriques de plus de 100 kV atteint 12400 km, alors quil ntait quede 900km en 1923[21] .

Le 8 avril 1946 ltat nationalise les entreprises dlectricit, en rassemblant les socits de production, distribution ettransport en un tablissement unique : EDF. Jusquen 1950, EDF devra organiser les coupures dlectricit, suite lapnurie de centrales de production. La frquence 50Hz se gnralise en France (elle tait par exemple de 25Hz surune grande partie du littoral mditerranen). Le rseau 225 kV se substitue aux rseaux 110, 120 et 150 kV[22] .En 1956, il est dcid de gnraliser pour la distribution basse tension le couple de tension 220 / 380 V enremplacement de l'ancien couple 127 / 220 V (en 1986 la tension normalise sera le couple 230 / 400 V)[23] . Lerseau 400 kV, dcid au niveau europen, se dveloppe en France en coordination avec le plan lectro-nuclaire,notamment partir des annes 1970-1980.

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GnralitsUn rseau lectrique est tout d'abord dfini par le type de courant lectrique qu'il utilise. Une fois fix, ce choixengage l'avenir et est lourd de consquences car les modifications sont a posteriori trs dlicates. Ensuite, lors del'exploitation des rseaux, certaines grandeurs lectriques doivent tre surveilles rgulirement pour s'assurer queles conditions d'exploitation sont bien respectes.

Choix stratgiques de l'onde lectriqueLes rseaux lectriques actuels utilisent un courant alternatif triphas sinusodal. Ce choix dcisif dcoule d'unensemble de raisons que nous prsentons ici.

Ncessit de transporter l'lectricit une tension leve

De la sortie de la centrale lectrique au compteur de l'utilisateur final, l'lectricit doit transiter sur un rseaulectrique. Ces rseaux possdent souvent la mme structure d'un pays l'autre, car le transport de fortes puissancessur de longues distances impose la minimisation de l'effet Joule.Le transport d'lectricit gnre des pertes dues l'effet Joule, qui dpendent de l'intensit I, de la tension U et de la

rsistance R de la ligne. Pour du courant triphas on obtient :

Pour une mme puissance lectrique transmise par la ligne, les pertes par effet Joule diminuent trs rapidement dsque l'on travaille avec des tensions leves. Par exemple, une ligne d'une centaine de km avec une rsistance de 3sur laquelle circule 400 MW gnrerait environ 4 MW de perte Joules si elle tait exploite 200 kV, maisseulement 1 MW si elle tait exploite 400 kV. Ces pertes reprsentent des montants trs importants d'nergie :pour la France, cela reprsente pour l'anne 2005 environ 25 TWh de pertes[24] (pour cause d'effet Joule, d'effetcouronne ou de pertes vide) sur les 509 TWh produits[25] , soit 5% de la production lectrique franaise.Les cots de construction d'une ligne 400 kV, 20 kV ou 220 V sont cependant trs diffrents. Il faut donc trouverun optimum technico-conomique entre les diffrents niveaux de tension, au vu du gain espr (relatif ladiminution des pertes par effet Joule). On arrive ainsi une structure multicouche des rseaux lectriques, avec lesrseaux transportant de grandes quantits d'nergie exploits des tensions de plusieurs centaines de kilovolts, et latension diminuant au fur et mesure que les puissances transportes dcroissent.

Courant alternatif ou continu ?

Le transport de puissances importantes sur de longues distances ncessite des tensions leves. Il faut donc destransformateurs pour passer d'une tension une autre; or ils ne fonctionnent qu'avec du courant alternatif. Un rseau base de courant continu ne pourrait tre exploit qu' une seule tension constante, ce qui n'est pas envisageable vula diversit des usages de l'nergie lectrique et des pertes Joules qu'un tel systme entranerait. De plus la coupuredes courants dans les disjoncteurs est facilite par le passage rptitif zro du courant alternatif. Ce dernier gnrequand mme des contraintes d'utilisation, notamment les 2 suivantes : l'existence d'effets inductifs et capacitifs dans les lignes lectriques qu'il faut compenser afin d'en limiter les effets

sur la tension ; la cration d'un effet de peau qui concentre le courant la priphrie des cbles lectriques, augmentant ainsi les

pertes Joules et ncessitant dans certains cas des dispositions particulires.Bien que le courant alternatif se soit impos universellement dans tous les rseaux, le courant continu reste utilispour certains projets particuliers o le recours des stations de conversion onreuses sont ncessaires (exemple desinterconnexions sous-marines ou celles de trs longues distance).

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Pourquoi une tension sinusodale ?

La solution la plus commode pour produire de manire industrielle de l'nergie lectrique est l'entranement d'unalternateur par une turbine, le tout en rotation autour d'un axe. De manire naturelle ces installations produisent destensions sinusodales.

Un systme monophas ou triphas ?

Il est tout fait possible de raliser un rseau uniquement en courant monophas. Les raisons qui ont conduit adopter le rseau triphas sont les avantages techniques et conomiques importants qu'il prsente : Un alternateur de trs forte puissance ne peut pas fonctionner en produisant un courant monophas car la

puissance fluctuante qui en rsulte provoque une destruction de l'arbre de liaison entre l'alternateur et la sourced'nergie mcanique qui le met en rotation. En effet, un systme monophas voit sa puissance instantane passerpar une valeur nulle chaque oscillation de l'onde de tension (lorsque la tension ou l'intensit passe par zro). Lapuissance instantane est donc variable. Au contraire, les systmes triphass quilibrs assurent une puissanceinstantane constante, c'est--dire "sans coup", ce qui est important en lectromcanique.

le transport d'une mme puissance lectrique en triphas (sans neutre) ncessite une section de cbles conducteursdeux fois plus faible qu'en monophas. L'conomie qui en dcoule sur le cot de ralisation des lignes est notable.

Les courants triphass peuvent gnrer des champs magntiques tournants en rpartissant d'une manirespcifique les bobinages sur un rotor. Or les machines lectriques qui produisent et utilisent ces courantsfonctionnent de manire optimale en rgime triphas.

Une distribution de l'lectricit en courant triphas avec fil de neutre permet de proposer pour un mme rseaudeux tensions d'utilisation diffrentes : soit entre une phase et le neutre : par exemple 230 V en Europe soit entre deux phases : par exemple 400 V en Europe

Frquence des rseaux lectriques

Choisir la frquence d'un rseau est dterminant car on ne peut plus revenir en arrire une fois que le rseau a atteintune certaine taille.Une frquence leve est particulirement intressante pour les transformateurs, permettant ainsi de rduire leurtaille. Les ampoules lectriques sont elles aussi mieux adaptes aux frquences leves (apparition de clignotementsavec des frquences faibles). D'autres applications, particulirement celles faisant appel aux inductances (typemoteur lectrique, ou ligne de transport grande distance), ont un meilleur rendement avec des frquences faibles.C'est la fin du XIXesicle que cette question s'est pose, mais la faible dimension des rseaux permettait cettepoque d'ajuster la frquence en fonction de l'utilisation que l'on devait en faire, et des frquences de 16Hz 133Hzcoexistaient.C'est Westinghouse, probablement avec les conseils de Tesla, qui imposa progressivement le 60Hz aux tats-Unis.En Europe, aprs que AEG eut choisi le 50Hz, cette frquence se diffusa petit petit. On conserve aujourd'hui cethistorique et les rseaux actuels sont exploits soit 50Hz, soit 60Hz.

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Grandeurs lectriques importantesLes grands rseaux lectriques ncessitent la surveillance constante de certains paramtres afin de maintenir lerseau, ainsi que les installations de production et de consommation qui y sont raccordes, dans les domainesd'utilisation prvus. Les principales grandeurs surveiller sont la frquence, la tension, l'intensit dans les ouvrages,et la puissance de court circuit.

Surveillance de la tension

Un grand rseau lectrique possde de multiples niveaux de tension. Chaque niveau de tension est conu pour uneplage d'utilisation bien spcifique. Des tensions lgrement trop leves conduisent une usure prmature dumatriel, puis si elles sont franchement trop leves un claquage de l'isolant (cas des cbles souterrains, descbles domestiques, ou des isolateurs des lignes lectriques). Les surtensions trs leves (par exemple causes par lafoudre) sur des conducteurs nus (c'est--dire sans isolant, ce qui est le cas des lignes lectriques) peuventconduire des amorages avec des objets proches, par exemple des arbres.A contrario, des tensions trop basses par rapport la plage spcifie conduisent un mauvais fonctionnement debeaucoup d'installations, que ce soit chez les consommateurs (par exemple les moteurs), ou sur le rseau enlui-mme (mauvais fonctionnement des protections). De plus, des tensions basses sur les rseaux de transportd'lectricit ont t la cause de grands incidents qui ont t responsables de la coupure de plusieurs millions de foyers(ex. du blackout grec le 12 juillet 2004 ou du 12 janvier 1987 en France).Bien que les plages d'utilisation des matriels spcifient une marge de 5 10 % par rapport la tension nominale, lesgrands oprateurs de rseaux privilgient actuellement une exploitation plutt en tension haute.

Intensit et problmatique de l'IMAP

L'intensit est un paramtre surveill en permanence sur les lignes lectriques ariennes, souterraines et lestransformateurs. Le problme cr par une intensit leve (c'est--dire une puissance transmise leve) est unchauffement par effet Joule important. La consquence de cet chauffement se manifeste de diffrente manireselon les ouvrages considrs : pour les cbles lectriques (prsence d'une gaine isolante) : la chaleur produite par le cble doit tre vacue par

l'intermdiaire de l'isolant lectrique, qui est souvent mauvais conducteur de chaleur. De plus, les cbles tantsouvent souterrains, cette chaleur s'vacue d'autant plus mal : en cas d'intensit trop leve, le risque est ladestruction physique du cble par surchauffe.

pour les transformateurs : les enroulements des transformateurs sont en gnral immergs dans un bain d'huilequi joue le rle d'isolant lectrique mais galement de fluide caloporteur arorfrigrants. En cas d'intensit tropleve, l'huile ne peut plus vacuer assez de chaleur et les enroulements risquent de se dtriorer par surchauffe.

pour les lignes ariennes (absence de gaine isolante) : les conducteurs s'echauffant par effet Joule, ils vont aussis'allonger par le phnomne de dilatation thermique ; la ligne lectrique tant maintenue chaque extrmit parun pylone, cet allongement va se matrialiser par une rduction de la hauteur entre la ligne et le sol, ce qui conduit un amorage (arc lectrique crant un court circuit) au vu des tensions importantes utilises dans les cesrseaux.

L'intensit est un paramtre particulirement important surveiller car elle peut entraner la destruction de matrielcoteux (les transformateurs et les cbles), ou bien mettre en danger la scurit des biens et des personnes (cas deslignes ariennes). L'IMAP (Intensit Maximale Admissible en Permanence) est l'intensit maximale laquelle unouvrage peut tre exploit sans limitation de dure. Afin de faciliter l'exploitation des rseaux lectriques, certainsouvrages peuvent tre exploits une intensit suprieure l'IMAP mais pendant une dure limite. De plus, certainsouvrages sont munis de protections particulires qui les mettent en scurit si l'intensit dpasse une certaine valeurpendant une dure dfinie.

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Intensit de court circuit

L'intensit de court circuit (abrge Icc) est une grandeur thorique qui correspond au courant que l'on pourraitmesurer en un point du rseau si ce point tait reli directement la terre. Elle est gale au courant circulant dans unouvrage lors d'un dfaut triphas franc la terre (c'est--dire qui relie directement les 3 phases la terre). L'Icc estfournie principalement par les groupes de production. Elle est leve dans les nuds du rseau que sont les posteslectriques (sur le rseau 400 kV europen, les valeurs sont de l'ordre de 30 50 kA). L'Icc devient de plus en plusfaible au fur et mesure que les niveaux de tension dcroissent et que l'on s'loigne des postes lectriques.Les matriels utiliss dans les postes lectriques sont conus pour rsister une valeur maximale d'Icc : au-del, il ya un risque de casse de matriel en cas de court-circuit (caus par la foudre, le givre, une rupture de matriel...) Lesbris de cette nature sont notamment causs par des phnomnes lectrodynamiques puissants qui ont lieu lorsque desconducteurs sont soumis des courants exceptionnellement forts.Un rseau lectrique a cependant tout intrt avoir une Icc leve. En effet, cela permet l'amortissement desperturbations mises par les grandes industries (problme des flickers), ainsi qu'une rduction des chutes de tensionlors des courts circuits sur le rseau. Pour le consommateur, l'Icc correspond l'intensit maximum que peut founirle rseau : une Icc suffisante est donc indispensable au dmarrage des gros moteurs lectriques. De manire gnrale,une Icc leve maintient une bonne qualit de l'onde lectrique fournie aux clients.

Structure des rseaux lectriquesLes rseaux lectriques peuvent tre organiss selon plusieurs types de structures exposes ci-dessous :

structure maille : les postes lectriques sontrelis entre eux par de nombreuses ligneslectriques, apportant une grande scurit

d'alimentation.

structure radiale ou boucle (les postesrouges reprsentent les apports d'nergie) : lascurit d'alimentation, bien qu'infrieure celle de la structure maille, reste leve. structure arborescente (les postes rouges

reprsentent les apports d'nergie) : la scuritd'alimentation est faible puisqu'un dfaut sur

la ligne ou sur le poste rouge coupel'ensemble des clients en aval.

Chaque type de structure possde des spcifits et des modes d'exploitation trs diffrents. Les grands rseauxd'nergie utilisent tous ces types de structure. Dans les niveaux de tension les plus levs, on utilise la structuremaille : c'est le rseau de transport. Dans les niveaux de tension infrieurs, la structure boucle est utilise enparallle de la structure maille : c'est le rseau de rpartition. Enfin, pour les plus bas niveaux de tension, lastructure arborescente est quasiment exclusivement utilise : c'est le rseau de distribution.

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Le rseau de transport

Les rseaux de transport sont bass sur une structure derseau maille

Les rseaux de transport sont trs haute tension (de 150 kV 800kV) et ont pour but de transporter l'nergie des grands centres deproduction vers les rgions consommatrices d'lectricit. Lesgrandes puissances transites imposent des lignes lectriques deforte capacit de transit, ainsi qu'une structure maille (ouinterconnecte). Les rseaux maills garantissent une trs bonnescurit d'alimentation, car la perte de n'importe quel lment(ligne lectrique, transformateur ou groupe de production)n'entrane aucune coupure d'lectricit si l'exploitant du rseau detransport respecte la rgle dite du "N-1" (possibilit de perdren'importe quel lment du rseau sans consquences inacceptablespour les consommateurs).Illustration du report de charge :

A) tat normal d'une partie de rseau lectrique

A) Dans le rseau ci contre, l'lectricit se rpartit sur les ligneslectriques en fonction de la localisation de la production, de laconsommation et des impdances des ouvrages (lignes ettransformateurs) selon les lois de Kirchhoff. Les lignes sont plus oumoins charges selon le nombre de triangles :

de vert orange : intensit supportable par la ligne en rgimepermanent ;

rouge : l'intensit n'est pas supportable en rgime continu, il fautrduire rapidement l'intensit sinon la ligne se mettra hors servicesous l'effet des dispositifs de protection.

Dans cet exemple, les lignes sont normalement charges (couleur verte jaune).

B) tat du rseau immdiatement aprs l'incident: l'nergie s'est rpartie diffremment

B) Un incident s'est produit sur le rseau : une ligne a dclench ; elleest donc hors service. Du fait de la structure maille, l'nergie s'estrpartie sur les lignes restantes en fonction de leur impdance, tout enassurant la continuit de l'alimentation lectrique. Par contre une ligneest en surcharge : il faut donc agir rapidement pour ramener sonintensit une valeur acceptable.

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C1) Si aucune action n'est mene, l'incidents'aggrave et va conduire la mise hors tension de

la zone

C1) Si aucune action n'est mene dans les dlais suffisants, la ligne ensurcharge va dclencher son tour : l'nergie va alors se rpartir nouveau pour alimenter la consommation appele. Avec de moins enmoins de lignes lectriques pour acheminer la mme puissance, lessurcharges sur les lignes restantes deviennent trs importantes et lesdlais de raction vont tre rduits d'autant. Dans cette situation uneligne est en trs forte surcharge et va dclencher trs rapidement,mettant ainsi les 3 postes qu'elle alimentait hors tension.

Un enchanement de ce type est appel une cascade de surcharge et estquasiment toujours impliqu dans les grands blackouts rencontrs auniveau mondial. Ceci illustre qu' partir d'une situation de rseau apriori "normale", un vnement bnin (par exemple un coup de foudresur une ligne) peut rapidement avoir des consquences non

matrisables et de grande ampleur.

C2) En cas de surcharge, les exploitants du rseaupeuvent modifier la topologie afin d'optimiser la

rpartition de l'nergie entre les lignes

C2) Suite au dclenchement de la premire ligne lectrique, plusieursmoyens sont disposition des dispatchers pour "lever" cette surcharge.Ici, le dispatcher a chang la topologie d'un poste pour y passer 2nuds lectriques : cela permet de rpartir de manire diffrentel'nergie, et donc de mieux quilibrer l'intensit sur les lignes. Onrevient donc une situation prenne. D'autres solutions, pluscontraignantes, auraient pu tre adoptes pour lever la surcharge :

augmentation rapide de production dans la zone problmatique afinde diminuer les apports d'nergie par les lignes ;

coupure volontaire cible de consommation (on parle alors dedlestage) afin de conserver l'alimentation d'un maximum de clients.

Le rseau de rpartition

Entre les 2 postes rouges, la structure est boucle. Lesrseaux de rpartition ont souvent cette structure dans les

rgions faiblement consommatrices

Les rseaux de rpartition sont haute tension (de l'ordre de 30 150 kV) et ont pour but d'assurer l'chelle rgionale lafourniture d'lectricit. L'nergie y est injecte essentiellementpar le rseau de transport via des transformateurs, maisgalement par des centrales lectriques de moyennes puissances(infrieures environ 100 MW). Les rseaux de rpartition sontdistribus de manire assez homogne sur le territoire d'unergion.Ils ont une structure la fois maille et boucle suivant lesrgions considres. Contrairement au rseau de transport quisont toujours boucls (afin de pouvoir assurer un secoursimmdiat en N-1), les rseaux de rpartition peuvent treexploits boucls ou dboucls selon les transits sur le rseau(dboucl signifie qu'un disjoncteur est ouvert sur l'artre, limitant ainsi les capacits de secours en N-1). Lesproblmes de report de charge se posent galement pour le rseau de rpartition, sa conduite est donc assure encoordination avec celle du rseau de transport et ncessite galement des moyens de simulation en temps rel.

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Le rseau de distribution

Les rseaux de distribution sont gnralement bass surune structure arborescente de rseau : partir d'un

poste source (en rouge), l'nergie parcourt l'artre ainsique ses drivations avant d'arriver aux postes de

transformation MT/BT

Les rseaux de distribution ont pour but d'alimenter l'ensemble desconsommateurs. Il existe deux sous niveaux de tension : les rseaux moyenne tension (de 3 33 kV) ; les rseaux basse tension (de 110 600 V), sur lesquels sont

raccords les utilisateurs domestiques.Contrairement aux rseaux de transport et rpartition, les rseauxde distribution prsentent une grande diversit de solutionstechniques la fois selon les pays concerns, ainsi que selon ladensit de population.Les rseaux moyenne tension (MT) ont de faon trs majoritaireune structure arborescente, qui autorise des protections simples etpeu coteuses : partir d'un poste source (lui-mme aliment parle rseau de rpartition), l'lectricit parcourt une artre (ouossature) sur laquelle est relie directement des branches dedrivation au bout desquelles se trouvent les postes MT/BT dedistribution publique, qui alimentent les rseaux basse tension(BT) sur lesquels sont raccord les plus petits consommateurs. La structure arborescente de ces rseaux impliquequ'un dfaut sur une ligne lectrique MT entrainera forcment la coupure des clients aliments par cette ligne, mmesi des possibilits de secours plus ou moins rapides existent.Les ossatures des rseaux moyenne tension (MT) europens ne sont constitues que des 3 phases, alors qu'enAmrique du Nord le fil de neutre est galement distribu (3 phases + 1 neutre). Les drivations MT quant ellespeuvent tre constitues de 1 fil (cas de l'Australie o le retour de courant s'effectue par la terre) 4 fils (cas destats-Unis), ou encore systmatiquement 3 fils (les 3 phases) comme le rseau franais.Les rseaux MT ariens sont majoritaires en zone rurale, o la structure arborescente prdomine largement. Parcontre en zone urbaine les contraintes d'encombrement, d'esthtique et de scurit conduisent une utilisationmassive des cbles souterrains. Les rseaux souterrains tant soumis potentiellement de longues indisponibilits encas d'avarie (plusieurs dizaines d'heures), il est fait appel des structures en double drivation ou des structuresradiales dboucles munies d' appareils automatiques de ralimentation, permettant une meilleure scuritd'alimentation.Les rseaux BT rsultent de la structure des rseaux MT : en Amrique du Nord les rseaux monophass sontcourants (1 neutre + 1 phase), tandis qu'en Europe la distribution triphase avec fil de neutre est trs majoritaire (1neutre + 3 phases). La structure arborescente est l aussi de loin la plus rpandue, car elle est la fois simple, bonmarche, et permet une exploitation facile.

Rseau lectrique 12

Matriels utiliss dans les rseaux lectriquesLe rseau lectrique est constitu non seulement de matriel haute tension (dit matriel de puissance), maisgalement de nombreuses fonctions priphriques telles que la tlconduite ou le systme de protection.

Matriels de puissanceLes lignes lectriques relient les postes entre eux. l'intrieur d'un poste, on trouve pour chaque niveau de tensionun jeu de barre qui relie les dparts lignes et les dparts transformateurs.

Les lignes lectriques

Le cble violet est le cble de garde. Ces pylnes supportent 2 ternes : le rouge etle bleu. Chaque terne est constitu de 3 phases. Chaque phase est support par un

isolateur.

Les lignes lectriques assurent la fonction"transport de l'nergie" sur les longuesdistances. Elles sont constitues de 3 phases,et chaque phase peut tre constitue d'unfaisceau de plusieurs conducteurs (de 1 4)espacs de quelques centimtres afin delimiter l'effet couronne qui gnre des pertesen lignes, diffrentes des pertes Joule.L'ensemble de ces 3 phases lectriquesconstitue un terne.

Un pylne lectrique peut supporterplusieurs ternes : en France jamais plus de 2,mais d'autre pays comme l'Allemagne ou leJapon font supporter leur pylne jusqu 8ternes. Les pylnes sont tous soigneusementrelis la terre par un rseau de terreefficace. Les pylnes supportent lesconducteurs par des isolateurs en verre ouen porcelaine qui rsistent aux tensionsleves des lignes lectriques. Gnralementla longueur d'un isolateur dpenddirectement de la tension de la ligne lectrique qu'il supporte. Les isolateurs sont toujours munis d'clateurs qui sontconstitus de deux pointes mtalliques se faisant face. Leur distance est suffisante pour qu'en rgime normal la tenuede tension puisse tre garantie. Leur utilit apparait lorsque la foudre frappe la ligne lectrique : un arc lectrique vaalors s'tablir au niveau de l'clateur qui contournera l'isolateur. S'il n'y avait pas d'clateur, la surtension entre lepylne et la ligne lectrique foudroye dtruirait systmatiquement l'isolateur.

Un cble de garde, constitu d'un seul conducteur, surplombe parfois les lignes lectriques. Il est attach directementau pylne, et ne transporte aucune nergie : il est reli au rseau de terre et son but est d'attirer la foudre afin qu'ellene frappe pas les 3 phases de la ligne, vitant ainsi les "creux de tension" perturbant les clients. Au centre du cble degarde on place parfois un cble fibre optique qui sert la communication de l'exploitant. Si on dcide d'installer lafibre optique sur un cble de garde dj existant, on utilise alors un robot qui viendra enrouler en spirale la fibreoptique autour du cble de garde.

Rseau lectrique 13

Les transformateurs de puissance

un petit transformateur MT/BT

On trouve sur les rseaux lectriques deux types de transformateurs depuissance : les autotransformateurs qui n'ont pas d'isolement entre le primaire et le

secondaire. Ils ont un rapport de transformation fixe quand ils sont enservice, mais qui peut tre chang si l'autotransformateur est mis horsservice.

les transformateurs avec rgleurs en charge sont capables de changer leurrapport de transformation quand ils sont en service. Ils sont utiliss pourmaintenir une tension constante au secondaire (la tension la plus basse) etjouent un rle important dans le maintien de la tension.

Les transformateurs tant des matriels particulirement coteux, leurprotections est assur par diffrents mcanismes redondants.

Les postes lectriques

Poste lectrique haute tension

Les postes lectriques sont les nuds du rseau lectrique. Ce sontles points de connexion des lignes lectriques. Les postes desrseaux lectriques peuvent avoir 2 finalits : l'interconnexion entre les lignes de mme niveau de tension :

cela permet de rpartir l'nergie sur les diffrentes lignes issuesdu poste ;

la transformation de l'nergie : les transformateurs permettentde passer d'un niveau de tension un autre.

De plus, les postes lectriques assurent des fonctions stratgiques : assurer la protection du rseau : un systme complexe de

protection permet qu'un dfaut sur un seul ouvrage n'entranepas la mise hors tension de nombreux ouvrages, ce qui risquerait de mettre une vaste zone hors tension. Cetteprotection est assure par des capteurs qui fournissent une image de la tension et du courant des relais deprotection, lesquels laborent des ordres de dclenchement destination des disjoncteurs ;

permettre l'exploitation normale du rseau : prsence de plusieurs jeux de barre et de couplage afin de pouvoirprendre diffrents schma lectriques ;

assurer la surveillance du rseau : la tension du rseau et l'intensit dans les lignes sont surveilles dans les posteslectriques, via des transformateurs de mesure de tension et de courant.

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Matriels de surveillance et de contrle

Protection des rseaux lectriques

Tout rseau lectrique possde des systmes de protection pour dconnecter le systme de production en cas dedefaut sur la ligne. L'objectif est de protger les 3 constituants d'un rseau lectrique : les organes de production (alternateur) les rseaux de transport (lignes ariennes, transformateurs, jeux de barre) les rseaux de distribution (les clients finaux)

Matriel de conduite et de surveillance

La conduite s'effectue depuis des centres de conduite rgionaux (dispatchings) ou nationaux. Ceux-ci disposentd'instruments de tlconduite comprenant des dispositifs permettant : de commander les organes de coupure (disjoncteurs, sectionneurs), de connatre la position de ces organes. de mesurer un certain nombre de grandeurs (tension, intensit, frquence) de signaler des dysfonctionnements (alarmes)Outre les lments ci-dessus permettant la conduite distance, on trouve galement des dispositifs locaux, pouvantraliser de faon automatique des manuvres destines sauvegarder le fonctionnement du systme lectrique o rtablir le service lorsque celui a t interrompu.Un important rseau de voies de tlcommunication fiables et scurises est ncessaire pour changer cesinformations entre le centre de conduite et les postes qu'il exploite.Le matriel de surveillance est destin l'analyse a posteriori des incidents. Il comprend essentiellement desconsignateurs d'tat chargs de relever la position des organes de coupure, et des perturbographes qui, grce unsystme de mmoire, restituent l'volution des tensions et des courants pendant le droulement des incidents.Lorsque des clients sensibles se trouvent proximit du poste, des qualimtres, destins mesurer les coupuresbrves, peuvent aussi tre installs. Les donnes fournies par ces quipements sont consultes sur place. Parcommodit, elles peuvent tre transmises distance, mais la fiabilit demande aux voies de transmission utilisesest moins importante que dans le cas prcdent.

Stabilit et rglage des rseaux lectriques

Rglage de la tensionLa frquence de rotation tant impose, le rglage de la tension ne peut se faire qu'en agissant sur le courantd'excitation de la machine synchrone ( alternateur).

Drgulation des marchs : impact sur les rseaux lectriquesDans le cadre du processus de drglementation des systmes lectriques, la question du statut conomique etjuridique des rseaux s'est pose. La thorie conomique reconnat dans les rseaux lectriques, une des formes dumonopole naturel, c'est--dire une activit qu'il est moins coteux de confier un seul acteur conomique. Cependantpour des raisons conomiques et historiques, dans la quasi totalit des pays, le dveloppement, la maintenance et laconduite des rseaux de transport, et un moindre degr de distribution tait intgrs avec les entreprises deproduction, dont les dmarches de drglementation cherchaient prcisment la mise en concurrence. Par ailleurs, lathorie conomique reconnat galement aux rseaux lectriques le statut d'infrastructure essentielle, c'est--direpermettant de faciliter ou entraver l'accs au march, qu'il s'agissait de crer.

Rseau lectrique 15

Pour ces raisons les processus de drglementation en Europe ou aux tats-Unis, ont d'une faon gnrale imposune sparation plus ou moins prononce entre les activits de production rputes concurrentielles et les activits detransport, voire de distribution, rputes monopolistiques.Cette sparation a pu tre : de gestion, en spcifiant des exigences fonctionnelles et organisationnelles (nomination des dirigeants, champ de

leur autorit, publication de comptes spars...). C'est l'exigence de la premire Directive Europenne de 1996. juridique, en imposant la cration d'une socit distincte, mais pouvant tre une filiale d'acteurs producteurs en

concurrence. C'est l'exigence actuelle en Europe en 2007, mme si d'un pays l'autre l'organisation (une ouplusieurs socits) et la proprit (publique ou prive, avec ou sans les producteurs historiques) peut varier.

patrimoniale, en interdisant la proprit voire la dtention d'intrt patrimoniaux des acteurs en concurrence dansles entreprises de rseaux. C'est l'intention de la Commission Europenne affiche en 2007.

Il est important en revanche de noter que la drglementation n'a pas modifi les fondements techniques de la gestiondes rseaux lectriques, en particulier elle n'a pas modifi significativement les flux physiques d'lectricit dans lesrseaux interconnects, qui restent dtermins par la localisation gographique des moyens de production et deszones de consommation, et les lois de Kirchhoff.

Voir aussi RTE (Rseau de transport d'lectricit) Cble FACTS Basse tension Haute tension Triphas Infrastructure essentielle Frquences des courants industriels Prise lectrique Smart grid

Liens externes (en) Normes lectriques travers le monde [26]

(fr) Champs lectromagntiques induits par les lignes lectriques et sant [27] un rsum par GreenFacts d'unrapport scientifique du Centre International de Recherche sur le Cancer (IARC)

(fr) Affichage de la consommation lectrique de la France en temps rel [28]

(en) Affichage de la frquence du rseau lectrique Europen en temps rel [29]

IEEE PES France, site sur les activits du Chapitre franais IEEE Power Engineering Society qui dite le bulletinRseaux o l'on trouve des comptes-rendus de soires-dbats sur des thmes d'actualit concernant les rseauxlectriques [30]

site officiel de l'UCTE (Union pour la Coordination du Transport de l'Electricit) [31]

Revue REE de la SEE [32]

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Rfrences[1] article "Rseaux lectriques" de l'Encyclopaedia Universalis version 10[2] article "Rseaux lectriques" de l'Encyclopaedia Universalis version 10[3] article Histoire de l'lectricit de Wikipedia[4] Article Nikola Tesla de Wikipdia.[5] site internet de Stphane Revel sur le patrimoine du Dauphin , page consult le 6/06/2007[6] article Histoire de l'lectricit de Wikipedia[7] article Histoire de l'lectricit de Wikipedia[8] article Histoire de l'lectricit de Wikipedia[9] article de Wikipedia anglais War of currents[10] article de Wikipedia anglais War of currents[11] article de Wikipedia anglais War of currents[12] Article Rseaux lectriques de l'Encyclopaedia Universalis version 10[13] article Histoire de l'lectricit de Wikipedia[14] Philippe CARRIVE, Rseaux de distribution - Structure et planification, volume D4210, collection Techniques de l'ingnieur, en page 3[15] article de Wikipedia anglais War of currents[16] article Histoire de l'lectricit de Wikipedia[17] L'Union europenne a par exemple pour objectif de disposer d'au moins 20% d'nergies renouvelables comme source d'lectricit partir de

2020.[18] Bulletin ADIT : BE Allemagne 447, intitul Un approvisionnement nergtique plus sr grce un "super-rseau intelligent"

(SuperSmart Grid) , dat 2009/07/30 (http:/ / www. bulletins-electroniques. com/ actualites/ 60152. htm)[19] Un sicle de transport d'lectricit, site internet de RTE (http:/ / www. rte-france. com/ ),[20] article "Rseaux lectriques" de l'Encyclopaedia Universalis version 10[21] Un sicle de transport d'lectricit, site internet de RTE (http:/ / www. rte-france. com/ ),[22] Un sicle de transport d'lectricit, site internet de RTE (http:/ / www. rte-france. com/ ),[23] Philippe CARRIVE, Rseaux de distribution - Structure et planification, volume D4210, collection Techniques de l'ingnieur, en page 6[24] Jean-Michel Tesseron, Les pertes des rseaux lectriques: estimations et achats , dans ACTU SEE, Socit de l'Electricit, de

l'Electronique et des Technologies de l'Information et de la Communication, dcembre 2006[25] lectricit en France : les principaux rsultats en 2006, DGEMP / Observatoire de l'nergie[26] http:/ / kropla. com/ electric2. htm[27] http:/ / www. greenfacts. org/ fr/ lignes-electriques/ index. htm[28] http:/ / www. rte-france. com/ htm/ fr/ accueil/ courbe. jsp[29] http:/ / etrans. ch/ services/ online/ frequency/[30] http:/ / ewh. ieee. org/ r8/ france/ pes/[31] http:/ / www. ucte. org/[32] http:/ / www. see. asso. fr/ htdocs/ main. php/ ree. php/

Sources et contributeurs de l'article 17

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Rseau lectriqueHistorique Les premiers rseaux courant continu La victoire du courant alternatif triphas Linterconnexion progressive des rseaux Historique des rseaux lectriques en France

Gnralits Choix stratgiques de l'onde lectrique Ncessit de transporter l'lectricit une tension leve Courant alternatif ou continu ? Pourquoi une tension sinusodale ? Un systme monophas ou triphas ? Frquence des rseaux lectriques

Grandeurs lectriques importantes Surveillance de la tension Intensit et problmatique de l'IMAP Intensit de court circuit

Structure des rseaux lectriques Le rseau de transport Le rseau de rpartition Le rseau de distribution

Matriels utiliss dans les rseaux lectriques Matriels de puissance Les lignes lectriques Les transformateurs de puissance Les postes lectriques

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Stabilit et rglage des rseaux lectriques Rglage de la tension

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