Chapitre1

Chapitre I
Architecture des postes électriques
Chapitre I :
Architecture des postes électriques
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Chapitre I
Architecture des postes électriques
I. Architecture des postes électriques
I.1 Equipements et architecture des postes
Les postes HTB/HTA, appelés aussi les postes sources, en général alimentés par le réseau
de répartition à 63 ou 90 kV,
Fig. I.1 : Schéma général d’un poste source HTB/HTA 90 ou 63/30 kV
I.3 Les différents éléments de poste électrique
Les principaux composants d'une sous-station consistent en :
• Appareillage de liaison : jeu de barres;
• Appareillage de manœuvre et protection ;
• Appareillage de régulation : transformateur à réglage en charge - batterie de condensateurs;
• Appareillage de conversion : surtout dans les sous-stations des chemins de fer (redresseurs);
• Appareillage de mesure : transformateurs de potentiel et d'intensité (T.P. - T.I.) et relais ;
On distingue parfois les éléments d'un poste en "éléments primaires" (les équipements
moyenne tension) et "éléments secondaires"(équipements basse tension) Parmi les
équipements primaires, on peut citer :
✓ Transformateur électrique,
✓ Autotransformateur électrique,
✓ Disjoncteur à haute tension,
✓ Sectionneur,
✓ Sectionneur de mise à la terre,
✓ Parafoudre.
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✓ Transformateur de courant.
✓ Transformateur de tension.
✓ Combiné de mesure (courant + tension).
✓ Jeux de barres.
Parmi les éléments secondaires on peut citer :
✓ Relais de protection.
✓ Équipements de surveillance.
✓ Équipements de contrôle.
✓ Système de télé conduite.
✓ Équipements de télécommunication.
✓ Comptage d'énergie.
• Transformateurs de mesure (courant et tension) : Ils sont utilisés pour permettre la
mesure de la tension ou du courant quand ceux-ci ont une valeur trop élevée pour être
mesurée directement. Ils doivent transformer la tension ou le courant de manière
proportionnelle et sans déphasage. Ils sont destinés à alimenter des appareils de
mesure, des compteurs, des relais et autres appareils analogues.
Fig. I.2 : Transformateur de courant
•
Transformateur de tension
Disjoncteurs : Ils protègent le réseau contre d'éventuelles surcharges dues à des
courants de défaut (foudre, amorçage avec branche d'arbre) en mettant des portions de
circuit sous ou hors tension.
Fig. I.3 : Disjoncteurs
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• Sectionneurs : Ils assurent la coupure visible d'un circuit électrique et aiguillent le
courant dans le poste.
Fig. I.4 : Sectionneurs
• Jeux de barres
Les jeux de barres désignent un conducteur de cuivre ou d'aluminium ils sont typiquement
soit des barres plates, soit des tubes. Ils sont considérés comme des conducteurs de faible
impédance auquel peuvent être reliés plusieurs conducteurs électriques en des points séparés.
Fig. I.5 : Jeux de barres
• Câbles de garde
Les câbles de garde sont situés au-dessus des conducteurs de lignes aériennes à haute tension.
Ils jouent un rôle de paratonnerre au-dessus de la ligne, en attirant les coups de foudre, et en
évitant le foudroiement. Ils sont en général réalisés en acier.
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Fig. I.6 : Câble de garde
• Parafoudres
Les parafoudres sont des appareils destinés à limiter les surtensions imposées aux
transformateurs, par la foudre et par les manœuvres de commutation.
• Éclateurs
L'éclateur est un dispositif simple constitué de deux électrodes, la première reliée au
conducteur, la deuxième reliée à la terre.
Parafoudre
Eclateur
s
Fig. I.7 : Parafoudre et éclateur
I.2 Les postes électriques
• Types de postes : On distingue, suivant les fonctions qu’ils assurent, plusieurs types
de postes :
• Les postes à fonction d’interconnexion, qui comprennent à cet effet un ou plusieurs
points communs triphasés appelés jeu de barres, sur lesquels différents départs (lignes,
transformateurs, etc.) de même tension peuvent être aiguillés.
• Les postes de transformation : dans lesquels il existe au moins deux jeux de barres à
des tensions différentes liés par un ou plusieurs transformateurs.
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• Les postes mixtes : les plus fréquents, qui assurent une fonction dans le réseau
d’interconnexion et qui comportent en outre un ou plusieurs étages de transformation.
Les actions élémentaires inhérentes aux fonctions à remplir sont réalisées par
l’appareillage à haute et très haute tension installé dans le poste et qui permet :
D’établir ou d’interrompre le passage du courant, grâce aux disjoncteurs ;
D’assurer la continuité ou l’isolement d’un circuit grâce aux sectionneurs ;
De modifier la tension de l’énergie électrique, grâce aux transformateurs de puissance.
I.4 Réseau de transport THT
Le réseau de transport qui permet de transporter de l'énergie électrique depuis les centres
éloignés de production vers les consommateurs. Les réseaux de transport constituent une
vaste grille couvrant le territoire, à laquelle sont raccordées les sources et les utilisations.
Ces réseaux sont, pour la plupart, aériens et souterrains. Ils sont étudiés pour un transit donné
correspondant à la limite thermique de la ligne. Les protections de ces réseaux doivent être
très performantes. Quant à leur exploitation, elle est assurée au niveau national par un centre
de conduite ou de dispatching à partir duquel l’énergie électrique est surveillée et gérée en
permanence.
I.5 Le transport et la répartition :
Son rôle est de répartir la puissance vers les centres de charges dans un rayon d'environ 100
kilomètres d'un poste de répartition. Le réseau de répartition est donc formé des lignes et des
postes alimentant le réseau de distribution à partir du réseau de transport. Les lignes de
transport assurent aussi l’interconnexion des réseaux régionaux, ce qui permet, non seulement
d’assurer une répartition économique de l’énergie électrique dans les régions elles-mêmes
dans les conditions normales d’exploitation. Font partie du réseau de transport toutes les
lignes dont le niveau de tension est supérieur à 60 kV. En Algérie les tensions de transport
sont de 60 KV, 90 KV, 220 KV et 400 KV. Toutes les lignes de transport aboutissent à des
sources dites de répartition. Ces dernières permettent d’assurer la commutation des lignes
d’une part, et d’abaisser la tension à des niveaux permettent la répartition de l’énergie
électrique d’autre part. Il est à noter que de très grands centres de consommation industriels
sont directement alimentés à partir du réseau de transport.
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Fig. I.8 : Vue globale du réseau électrique.
I.6 Le réseau Distribution:
Le réseau de distribution est la partie de réseau reliant les postes sources de distribution aux
postes de consommateurs. Les lignes du réseau primaire de distribution sont d’un niveau de
tension compris entre 5.5 kV et 36 kV et alimentent les charges d’une zone géographique bien
précise. Le réseau secondaire de distribution est généralement à basse tension pour un usage
commercial et résidentiel. En Algérie, la basse tension est de 380/220V triphasé-4
conducteurs. Le réseau de distribution est à la fois, aérien et souterrain. Pour que l’énergie
électrique soit utilisable, le réseau de transport et de distribution doit satisfaire les exigences
suivantes :
✓ Assurer au client la puissance dont il a besoin.
✓ Fournir une tension stable dont les variations n’excèdent pas ± 10% de la tension
nominale.
✓ Fournir une fréquence stable dont les variations n’excèdent pas ± 0.1 Hz.
✓ Fournir l’énergie à un prix acceptable.
✓ Maintenir des normes de sécurité rigoureuses.
✓ Veiller à la protection de l’environnement.
I.7 Topologies des réseaux électriques
Les topologies diffèrent d’un type de réseau à un autre. La topologie est dictée par : le
niveau de fiabilité recherché, la flexibilité, la maintenance, ainsi que les coûts
d’investissement et d’exploitation. Les différentes topologies sont résumées comme suit :
➢ Réseau maillé
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Cette topologie est presque la norme pour les réseaux de transport. Tous les centres de
production sont liés entre eux par des lignes THT au niveau des postes d’interconnexion, ce
qui forme un maillage. Cette structure permet une meilleure fiabilité mais nécessite une
surveillance à l’échelle nationale voire continentale.
Fig. I.9 : Structure maillé
➢
Réseau bouclé
Cette topologie est surtout utilisée dans les réseaux de répartition et distribution MT. Les
postes de répartition HT ou MT alimentés à partir du réseau THT sont reliés entre eux pour
former des boucles, ceci dans le but d’augmenter la disponibilité. Cependant, il faut noter que
les réseaux MT ne sont pas forcement bouclés.
Fig. I.10 : Structure bouclé
➢ Réseau radial
C’est une topologie simple qu’on trouve usuellement dans la distribution MT et BT. Elle
est composée d’une ligne alimentée par des postes de distribution MT ou BT alimentés
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au départ par un poste source HT ou MT. En moyenne tension cette structure est souvent
alimentée des deux côtés afin d’assurer la disponibilité.
Fig. I.11 : Structure radiale
➢ Réseau arborescent
Fig. I.12 : Structure
antenne
Cette structure est très utilisée en milieu rural et quelque fois en milieu urbain où la
charge n’est pas très sensible aux interruptions. Elle est constituée d’un poste de
répartition qui alimente plusieurs postes de distribution (BT) grâce à des piquages à
différents niveaux des lignes alimentant les postes MT/BT.
Poste à couplage de barres où les jeux de barres couplent en eux les différents départs ;
D1
D1
D2
(a) Couplage de barres.
D2
D3
D3
S
(b) Couplage de disjoncteurs.
Fig. I.13 : Les deux principales architectures des postes. D : Disjoncteur, S : Sectionneur,
Simple jeu de barres, simple antenne et plusieurs départs.
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(a) Double antenne avec sectionnement de
(b) Double antenne avec barres en tronçons
barres
Fig. I.14 : Schémas d’un poste à couplage de barres
Fig. I.15 : Schéma d’un poste à couplage de barres avec double antenne et deux jeux
de barres.
Fig. I.16 : Architecture à couplage de disjoncteur-Schéma à deux jeux de barres et deux
disjoncteurs
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I.8 Pour quoi la Haute Tension dans les réseaux électriques ?
Les centrales de production d'énergie électrique sont fréquemment situées à de grandes
distances de lieux de consommation. Dans ces conditions, on recourt au transport de l'énergie
électrique à moyenne de 20 à 100 km et grandes distances de 100 à 1000 km.
Soit une ligne de transport monophasée où l'on néglige en première approximation les
capacités et les conductances transversales. La puissance délivrée en un point de
consommation (2) située à une distance l vaut:
P2 = U2.I2. cos ϕ ave I1 = I2 = I et ϕ : est l'angle de déphasage (tension, courant)
P1
U1
P2
Rll + JLll w
U2
l
R+jLw
Rl et Ll sont respectivement la résistance linéique et l'inductance linéique de la ligne
On constant d'après la relation de la puissance que deux variables entre en jeu afin
d'augmenter la puissance électrique transporté soit:
• l'élévation du courant : ⇒ augmentation de l’échauffement (maximum admis: 60°C) ⇒
augmentation de la section, ⇒ augmentation du poids
• l'élévation de la tension : ⇒ augmentation du champ électrique, ⇒ augmentation des
distances d’isolement, ⇒ apparition de phénomènes potentiellement perturbants
Le rendement de la ligne de transport est un autre paramètre entre en jeu et qui nous a permet
de choisir la bonne technique pour augmenter la puissance transportée.
=
P2
P2 + Pe
avec
Pe = R l lI 2 donc  =
1
R l P2
1+
cos 2 U 22
dans le cas d'une ligne triphasée et pour Rl = 0.1 mΩ/m , l = 100 km , cos ϕ =
0.8 , P2 = 300 MVA
En fonction des niveaux de tension composée on trouve :
Tableau : I.1 valeur de la tension en fonction du rendement
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U (kV)
132
220
380
750

0.79
0.91
0.97
0.99
Il est clair qu'avec l'augmentation de la tension le rendement s'améliore, c'est pour quoi on
utilise la haute tension pour le transport de l’énergie électrique. La stabilité des isolants
utilisés en haute tension, ainsi que leurs propriétés macroscopiques sont en grande partie
déterminées par les champs électriques qui règnent à l’intérieur des atomes et entre les
atomes. On doit donc s’attendre à ce que l’application d’un champ électrique sur la matière
puisse en modifier les propriétés, telles que les caractéristiques optiques, mécaniques, etc….
En pratique, un champ élevé peut survenir :
✓ lorsqu’une tension élevée est appliquée sur un matériau de dimensions
✓ macroscopiques ;
✓ lorsqu’une tension relativement faible est appliquée sur un matériau en couches très
fines.
Ainsi, les phénomènes traditionnellement attribués au domaine de la haute tension sont en
réalité des phénomènes liés à des champs électriques élevés.
I.9 Quelles sont les Perturbations dues à la haute tension ?
Différents phénomènes potentiellement perturbants sont propres à la haute tension (champs
électriques élevés) :
Claquage diélectrique ⇒ Détérioration provisoire ou définitive des spécifications de l’isolant
Une isolation est dite autorégénératrice si elle retrouve ses propriétés isolantes à peu près
intactes après le claquage. Ce n’est pas le cas des solides qui, une fois perforés, doivent être
remplacés.
L’effet de couronne ⇒ Perturbations sonores, rayonnement électromagnétique, perte
d’énergie active, production d’ozone
Décharges partielles ⇒ Détérioration des isolants, dangers des tensions et des champs
électriques pour l’être humain.
I.10 Le réglage du réseau, la structure du réseau d’énergie électrique
Un réseau d'énergie électrique est un système comprenant production, transport, répartition et
distribution de l’énergie, étape finale pour l'alimentation des consommateurs domestiques. Le
système est stratifié depuis la haute tension (150 - 765 kV (maximum 400 kV en Algérie))
conçue pour interconnecter les centrales de production et transmettre la puissance de ces
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centres de production vers les points de charges les plus importantes. La répartition s'effectue
à un niveau plus faible (HT 70 - 220 kV) reliant le niveau de transport et le niveau de
distribution (MT de 1 à 70 kV, BT < 1 kV).
Le choix de la tension dépend de nombreux facteurs, les pertes, la stabilité, etc... Des niveaux
intermédiaires se justifient pendant une certaine période correspondant à une plage de densité
de charge, se qui a conduit a apparaitre des niveaux proches de 20 kV (nouvelle tension de
distribution), 70 kV, 150 kV, 220 kV et 400 kV.
Les réseaux de transport et de répartition (tous les niveaux de tension sauf la distribution- au
niveau des quartiers) sont maillés. Il en résulte une augmentation progressive, dans le temps,
des courants de court-circuit. (L’impédance de « Thévenin » diminue continuellement et la
fem de « Thévenin » augmente vu la multiplication des moyens de production. Au niveau de
la distribution trois stratégies peuvent être rencontrées :
1) systèmes purement radiaux (réseaux ruraux)
2) fortement maillés mais utilisés en fonctionnement de manière radiale
3) modérément maillés (simple boucle) mais utilisés en réseau (la distribution se fait 200-300
maisons /transformateur de distribution).
• Avantage : moins d’interruption de service,
• inconvénient : plus de chute de tension, plus cher)
Les raisons d’un réseau radial plutôt que maillé sont triples :
• Le coût (équipement.), les protections sont plus complexe en maillé.
• La réduction des courants de court-circuit
• La réduction des périodes de chute de tension en cas de défaut
Postes : Par définition, un poste (une sous-station) est une installation d’organes de liaison et
d'organes de manœuvre où parvient l'énergie des centrales et d'où cette énergie est orientée
vers les centres de consommation. On distingue généralement des sous-stations :
a) directes (ou d’aiguillage) : qui assurent les liaisons entre lignes a même tension ;
b) de transformation : qui relient des réseaux à tensions différentes;
c) de conversion : où l'on réalise une modification des caractéristiques
de la tension, de la
fréquence; passage de l'alternatif au continu...
Le schéma (topologie) de ces postes dépend principalement de deux aspects :
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1) Niveau de sécurité d’exploitation, en cas de défaut sur le jeu de barres ou sur une ligne, il
faut veiller à éliminer ce défaut par des disjoncteurs aussi peu nombreux que possible en vue
de garder en service le plus d’ouvrages sains possible.
2) Niveau de souplesse désiré ; facilité d’exploitation relative aux manœuvres volontaires et
aux changements de la configuration électrique du poste.
Fig. I.17 : Poste à un jeu de barre (à gauche) et à deux jeux de barres (à droite) à un disjoncteur par
départ, avec sectionnement.
Fig. I.18 : Poste à deux jeux de barres, un disjoncteur (à gauche), (à droite) jeu de barre simple (MT)
avec sectionnement (deux niveaux de tension)
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