TRANSPORT DE L`ENERGIE ELECTRIQUE

Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable
TRANSPORT DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
CI3 : Transport stockage et distribution de l'énergie
Cours
1ère
STI2D
EE
TRANSPORT DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
1. Production et transport de l’énergie électrique (rappels)
L’énergie électrique produite par les différentes centrales est transportée en haute tension, ce qui
permet d’acheminer de fortes puissances.
Cette tension est ensuite abaissée pour la distribution à un niveau plus ou moins élevé selon la
puissance demandée par le consommateur final.
La production et le transport de l’énergie électrique se font la plupart du temps en régime alternatif
triphasé. L’énergie circule sur 3 conducteurs appelés phases (ou conducteurs de ligne).
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2. Domaines de tension
Les ouvrages et installations électriques sont classés en domaines de tension. Ceux-ci sont définis par
l'UTE (Union Technique de l’Electricité, organisme national de normalisation du domaine
électrotechnique) dans le tableau ci-dessous :
Domaines de tension
Décret n°88-1056 du 14 novembre 1988
Valeur de la tension nominale Un (en V)
En courant alternatif (AC)
En courant continu (DC)
Très Basse Tension
TBT
Un ≤ 50
Un ≤ 120
Basse Tension
(Domaine BT)
BTA
50 < Un ≤ 500
120 < Un ≤ 750
BTB
500 < Un ≤ 1 000
750 < Un ≤ 1 500
Haute Tension
(Domaine HT)
HTA
1 000 < Un ≤ 50 000
1 500 < Un ≤ 75 000
HTB
Un > 50 000
Un > 75 000
Les domaines de tension sont plus larges en continu car le courant est moins dangereux à tension égale.
Le transport de l’énergie électrique se fait en HTB : entre 63 kV et 400 kV
Les réseaux de distribution se font en BTA, BTB et HTA : entre 230 V et 20 kV
D’autres dénominations, non normalisées, sont parfois utilisées :
BT (Basse Tension) : Regroupe les domaines BTA et BTB
MT (Moyenne Tension) : Correspond au domaine HTA
HT (Haute Tension) : Correspond au domaine HTB jusqu’à 90 kV
THT (Très Hautes Tension) : Correspond au domaine HTB au-delà de 90 kV
3. Problème du transport de l’énergie
Les centrales qui produisent de l’énergie électrique sont implantées selon les conditions géographiques
(centrales hydrauliques, éoliennes…), selon les contraintes d’approvisionnement en combustible ou
d’alimentation en eau de refroidissement (centrales thermiques…).
Quant aux consommateurs d’énergie, ils sont répartis sur tout le territoire, et souvent éloignés des
grandes centrales de production d’énergie.
Le réseau de transport et d’interconnexion assure en permanence une liaison entre les centrales de
production et les lieux de consommation, sachant que l’électricité ne se stocke pas (à chaque instant, la
production est égale à la consommation).
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4. Structure du réseau de transport et de répartition
4.1. L’interconnexion
Toutes les lignes haute tension sont interconnectées, c’est-à-dire qu’elles sont reliées par des postes de
transformation assurant la continuité entre les lignes de différents niveaux de tension.
L’interconnexion permet :
des échanges d’énergie entre les régions.
l’alimentation par une autre ligne, en cas de défaut sur une
ligne ou dans une centrale.
des échanges vers les pays voisins (exportation d’énergie).
Structure général du réseau d’interconnexion :
Un plan détaillé des réseaux 225 et 400 kV figure en annexe.
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4.2. De la production à l’utilisation
Production : La tension la plus courante fournie par les alternateurs des centrales est 20 kV.
Transport et interconnexion : La tension des centrales est élevée à 225 kV pour les boucles
régionales ou 400 kV pour les boucles nationales.
Répartition : Au niveau local, la répartition se fait avec des tensions entre 63 et 150 kV.
Distribution : Selon la puissance demandée par les consommateurs, elle se fait entre 230 V et 20 kV.
4.3. Longueur des réseaux de transport, de répartition et de distribution
Gestionnaire
Réseau
HTB 400 kV
HTB 225 kV
HTB 150 kV
HTB 90 kV
HTB 63 kV
HTA ≤ 45 kV
HTA 20 kV
BTA 230/400 V
TOTAUX :
Circuits
aériens
21 371 km
25 488 km
1 061 km *
16 570 km *
35 783 km *
421 km *
356 000 km
419 000 km
875 694 km
Circuits
souterrains
3 km
1 004 km
2 km
542 km
2 216 km
92 km
252 000 km
266 400 km
522 259 km
Files de pylônes
13 381 km
21 226 km
1 037 km
14 266 km
31 234 km
284 km
Chiffres de
juillet 2011
* dont 3 825 km de réseau SNCF transféré à RTE en 2010
Les réseaux de transport et de distribution représentent près de 1 400 000 km de circuits à travers
l’ensemble du territoire français.
Les files de pylônes pouvant comporter plusieurs circuits, leur longueur est forcément moindre.
Environ 37,4 % des circuits sont souterrains. Les gestionnaires se sont engagés à ne pas construire de
nouvelles lignes aériennes et à poursuivre l’enfouissement de celles existantes.
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4.4. Les lignes aériennes
Les lignes aériennes sont composées de câbles (par lesquels transite le courant électrique) portés par
des pylônes.
4.4.1. Eléments des lignes aériennes
① et ② Protection des oiseaux :
③ Balises
Les spirales et les silhouettes de certains rapaces
permettent d’éloigner les oiseaux de l’ouvrage et de
prévenir les risques de collision sur les câbles.
: Des balises diurnes et nocturnes, insérées sur les câbles à proximité des
aéroports, permettent de mieux visualiser la ligne.
④ Câble de garde : Un câble supplémentaire est disposé au-dessus de la ligne, qui la protège
contre la foudre. Equipé de fibres optiques, il permet de transmettre les
informations nécessaires pour la protection, la conduite et l’exploitation
du réseau. Il est aussi un moyen d’offrir des solutions haut débit pour les
collectivités territoriales.
⑤ Bretelles
: Placées sur les câbles de part et d’autre de la chaîne d’isolateurs, elles
assurent la continuité électrique de la ligne.
⑥ Entretoises
: Les entretoises permettent de maintenir l’écartement des différents
câbles constituant le conducteur.
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4.4.2. Les pylônes
Environ 250 000 pylônes sont utilisés pour le transport en HTB sur près de 100 000 km. Ces pylônes sont
le plus souvent constitués de treillis et de cornières métalliques. Ils peuvent également être tubulaires
en métal ou en béton.
Trianon
Leur rôle est de maintenir les câbles électriques
Utilisé sur le réseau 400 kV.
écartés entre eux et à une certaine distance du sol
et des obstacles rencontrés afin d’assurer la
sécurité des personnes et des installations situées
au voisinage de la ligne.
Double drapeaux
Courant sur le réseau 400 kV. Installé depuis
les années 1960.
Chat
Courant sur le réseau 225 kV. Installé depuis le
milieu des années 1950.
Beaubourg
Très fréquent sur le réseau 400 kV. Installé
depuis 1977.
Fougère ou Ritchie
Deux exemplaires sur le réseau 400 kV. Installé
en 2002.
Roseau
Onze exemplaires sur le réseau 400 kV. Installé
depuis 2004.
Muguet
Utilisé sur le réseau 225 kV. Installé depuis le
milieu des années 1980.
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4.4.3. Les câbles
Il existe plusieurs types de conducteurs de lignes aériennes nues en fonction de leur structure et de leur
composition :
les conducteurs homogènes en aluminium pur (AAC)
les conducteurs hétérogènes composés d'aluminium et d'acier (ACSR)
les conducteurs hétérogènes composés d'aluminium et d'ACS (Aluminium Clad Steel) (ACSR/AW)
les conducteurs homogènes en alliage d'aluminium (AAAC)
les conducteurs hétérogènes composés d'alliage aluminium et d'acier zingué (AACSR)
les conducteurs hétérogènes composés d'alliage aluminium et d'ACS (Aluminium Clad Steel)
(AACSR/AW)
les conducteurs hétérogènes composés d'aluminium et d'alliage aluminium (ACAR)
Tous doivent réaliser un équilibre entre solidité mécanique (tenue) et résistance électrique
(conductivité). Les conducteurs en aluminium à armure acier (ACSR) sont très résistants et supportent
les hautes tensions sur de longues portées. Les conducteurs tout aluminium (AAC), insensibles à la
corrosion, conviennent parfaitement aux conditions sévères.
4.4.4. Caractéristiques des lignes aériennes
Les lignes aériennes peuvent comporter :
1, 2 voire plus de « circuits ».
Chaque « circuit » est composé de 3 phases.
Il peut y avoir de 1 à 4 conducteurs par phase.
La capacité (puissance transportable) d’une ligne aérienne
dépend beaucoup de ses caractéristiques :
A caractéristiques égales, le rapport de la puissance transportée entre une ligne 400 kV et une
ligne 225 kV est égal au rapport des tensions, soit 1,75.
Les lignes à 400 kV comportent plusieurs conducteurs par phase, ce qui est plus rare en 225 kV.
4.5. Les lignes souterraines
Pour des raisons d’esthétique, on serait tenté de remplacer des lignes aériennes par des câbles
souterrains mais cela pose des problèmes :
Un câble souterrain se comporte comme un condensateur (âme du câble et armature en sont les
électrodes). Par exemple pour un câble de 400 kV, la distance critique est de 45 km, au-delà, le
courant ne circule plus.
Une canalisation souterraine est assez vulnérable et beaucoup plus difficile à localiser.
Une ligne souterraine coûte 12 à 15 fois plus chère qu’une ligne aérienne.
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4.5.1. Liaisons en alternatif
Les câbles souterrains peuvent comporter :
1, 2 voire plus de « circuits », qui doivent être suffisamment éloignés
entre eux.
Chaque « circuit » est composé de 3 phases.
Chaque phase peut nécessiter 1, 2 ou plus de câbles.
En pratique, on regroupe les câbles en « trèfle » :
Les câbles souterrains se comportent en « condensateurs » et nécessitent une compensation par des
« selfs » sur des longues distances.
4.5.2. Les liaisons en courant continu
Ces liaisons, souvent souterraines ou sous-marines, ne se comporte pas
en « condensateurs » comme les liaisons en alternatif, et ne nécessite
donc pas de compensation.
Les liaisons en courant continu comportent :
1 ou 2 « dipôles » (paire de conducteurs).
Des stations de conversion d’environ 5 ha à chaque extrémité.
A puissance égale, l’emprise des câbles est moindre qu’en alternatif et la distance pouvant être
parcourue plus grande.
Les liaisons à courant continu sont des liaisons « point à point » sans transformation intermédiaire.
Des exemples :
France / Angleterre : IFA 2000 (2000 MW, 47 km)
Italie / Corse / Sardaigne : SACOI (300 MW, 422 km)
Norvège / Pays-bas : NorNed (700 MW, 580 km, 600 M€),
En projet : Grande Bretagne / Pays-Bas : BritNed (1000 MW, 260 km, 600 M€)
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4.6. Ordre de grandeur des capacités de transit
La capacité des lignes aériennes dépend principalement du type de câbles utilisés.
Liaisons aériennes
Liaisons souterraines
400 kV
1 circuit, 2 câbles par phases :
1 300 à 2 400 MW
400 kV
1 circuit, 2 câbles par phases :
1 300 à 1 500 MW
225 kV
1 circuit, 1 câble par phases :
350 à 800 MW
225 kV
1 circuit, 1 câble par phases :
400 à 500 MW
225 kV
1 circuit, 2 câbles par phases :
750 à 900 MW
225 kV
1 circuit, 2 câbles par phases :
650 à 800 MW
Sur des longues distances, ces valeurs peuvent
être notablement réduites du fait des chutes de
tension.
Liaison CC
1 dipôle : 700 à 1 000 MW
2 dipôles : 1 500 à 2 000 MW
5. Nécessité de la haute tension
L’un des très grands intérêts de l’énergie électrique est de se transporter seule et sans bruit. Toutefois,
une partie de l’énergie transportée se dissipe en chaleur, par « effet Joule », dans la résistance des
câbles de la ligne. Le pourcentage de pertes est estimé à environ 2,25 % en 2010, soit environ 11,9
milliards de kWh (11,9 TWh) sur l’année.
5.1. L’effet Joule
L'effet Joule est un effet thermique qui se produit lors du passage du courant électrique dans un
conducteur. Il se manifeste par une augmentation de l'énergie thermique du conducteur et donc de sa
température. L'effet porte le nom du physicien anglais James Prescott Joule qui l'a étudié vers 1860.
Dans le cas de conducteurs de transport de l’énergie électrique, cet effet provoque des pertes non
désirées, mais inévitables.
Expression des pertes par effet Joule :
Pj = R × I²
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Avec :
Pj : pertes par effet Joule en W
R : résistance en Ω
I : intensité du courant en A
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5.2. Résistance d’un câble
La résistance d’un conducteur électrique se détermine à partir de la relation suivante :
R=
ρ.l
S
Avec :
R : résistance en Ω
ρ : résistivité du câble en Ω.mm²/m
l : longueur du câble en m
S : section du câble en mm²
Les câbles de transport étant composés de plusieurs conducteurs, la relation précédente nous obligerait
à calculer la résistance de chaque conducteur afin de pouvoir déterminer la résistance de l’ensemble du
câble.
Vue en coupe d’un câble de transport :
Conducteur
Les constructeurs, afin de faciliter les calculs, donnent la résistance linéique en Ω/km pour une section
donnée.
Exemple :
Section (en mm²)
120
185
300
500
800
Résistance linéique (en mΩ/km)
153
99,1
60,1
36,6
22,1
De plus la résistance des conducteurs évolue avec leur température selon la relation :
R=R0 ×(1+a.θ)
Avec :
R : résistance en Ω
R0 : résistance en Ω mesurée à 0°C
a : coefficient de température du matériau
θ : température du matériau en °C
Ainsi, plus le courant circulant dans un câble est élevé, plus le câble chauffe, plus la résistance
augmente, plus les pertes par effet Joule sont importantes.
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5.3. Pertes par effet Joule d’une ligne de transport triphasée
Etant donné que les lignes de transport sont composées de trois câbles, et que ces lignes sont
équilibrées (courant identique dans chacune des phases), les pertes par effet Joules sont :
Pj = 3 × R × I²
Or le courant transporté, dépend de la puissance transportée et de la tension de transport, soit :
P = √ 3 × U × I × cos ϕ
P
I=
√3.U.cos
En supposant que le déphasage soit nul (ϕ=0 donc cosϕ=1) :
I=
P
√3.U
Il est alors possible d’exprimer les pertes par effet joule en fonction de la puissance transportée et de la
tension :
P²
.U²
P²
Pj=3×R×
.U²
P²
Pj=R× U²
I²=
Conclusion :
Pour une puissance transportée donnée, les pertes en ligne sont inversement
proportionnelles au carré de la tension, ce qui explique l’intérêt du transport en
haute tension : 400 kV en France et 750 kV au Canada.
Exemple :
Une ligne composée de trois câbles, de résistance R = 1 Ω, transporte une puissance P = 400 MW.
Déterminer les pertes par effet Joule pour une tension U1 = 63 kV, puis pour une tension U2 = 400 kV.
P²
(400.106 )²
40,3
Pj1 =R×
=1×
= 40,3 MW soit
= 10 % de pertes
U1 ²
63000²
400
P²
(400.106 )²
1
Pj2 =R×
=1×
= 1 MW soit
= 0,25 % de pertes
U2 ²
400000²
400
Pj1
Pj2
=
40,3
U2 ² 400²
=40,3=
=
U1 ² 63²
1
Le rapport des pertes est égal à l’inverse du rapport du carré des
tensions.
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