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Architecture des transports d'énergies
Introduction
Les lignes à haute tension sont les lignes principales des réseaux de transport d'électricité.
Elles peuvent être aussi bien aériennes que souterraines ou sous-marines, quoique les
professionnels réservent plutôt le terme aux liaisons aériennes. Elles servent au transport
sur les longues distances de l'électricité produite par les diverses centrales électriques, ainsi
qu'à l'interconnexion des réseaux électriques.
Pourquoi utiliser la haute tension ?
Le choix d'utiliser des lignes à haute tension s'impose, dès qu'il s'agit de transporter de
l'énergie électrique sur des distances supérieures à quelques kilomètres. Le but est de
réduire les chutes de tension en ligne, les pertes en ligne, et également d'améliorer la
stabilité des réseaux.
Les pertes en ligne sont dues à l'effet Joule, qui ne dépend que de deux paramètres : la
résistance et le courant (P = R.I²). L'utilisation de la haute tension permet, à puissance
transportée équivalente, de diminuer le courant et donc les pertes. Par ailleurs, pour
diminuer la résistance, aux fréquences industrielles, il n'y a que deux facteurs, la résistivité
des matériaux utilisés pour fabriquer les câbles de transport et, la section de ces câbles. À
matériau de fabrication et section équivalents, les pertes sont donc égales, en principe, pour
les lignes aériennes et pour les lignes souterraines.
Les lignes à haute tension font partie du domaine « haute tension B » qui comprend les
valeurs supérieures à 50 kV en courant alternatif. L'expression « très haute tension » est
parfois utilisée, mais n'a pas de définition officielle. Les tensions utilisées varient d'un pays à
l'autre. Schématiquement, dans un pays, on trouvera des tensions de l'ordre de 63 kV à 90
kV pour de la distribution urbaine ou régionale, de l'ordre de 110 à 220 kV pour les échanges
entre régions, et de l'ordre de 345 à 500 kV pour les principales interconnexions nationales
et internationales. Dans certains pays, on utilise aussi du 800 kV (comme au Canada), et
même des tensions plus élevées comme en Chine (1 100 kV), Inde (projet 1 200 kV), Japon
(projet 1100 kV) et dans l'ex-URSS où des essais de transport en « ultra haute tension » ont
été effectués en 1 500 kV — mais ce type de tension ne se justifie que pour un transport sur
une distance de l'ordre du millier de kilomètres, pour lequel un transport en courant continu
peut être une solution intéressante.
Le tableau suivant donne l'évolution de la tension des réseaux à courant alternatif depuis
1912, année de la mise en service de la première ligne de tension supérieure à 100 kV.
Lignes à courant continu
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Dans l'immense majorité des cas, ces lignes à haute tension sont alimentées en courant
alternatif triphasé ; mais dans le cadre particulier de certaines traversées sous-marines ou de
lignes enterrées, le transport se fait en courant continu (HVDC) pour des raisons d'économie,
d'encombrement et de fiabilité. Voici deux exemples plus détaillés :
*Pour la liaison France-Angleterre IFA 2000, le transport se fait à l’aide de deux paires de
conducteurs dont la tension continue par rapport à la terre vaut respectivement +270 kV et 270 kV, soit une différence de potentiel entre les deux conducteurs de chaque paire égale à
540 kV ;
*A Grondines, 100 km au sud-ouest de Québec, la traversée du fleuve Saint-Laurent
s’effectue au moyen de deux paires de câbles dont la tension continue par rapport à la terre
est de plus ou moins 450 kV, soit une différence de potentiel entre les deux conducteurs de
chaque paire égale à 900 kV.
Composants
Pylônes
Pour les lignes aériennes, les opérateurs de transport d'électricité, utilisent des pylônes, en
général réalisés en treillis d'acier. Leur fonction est de supporter et de maintenir les
conducteurs à une distance suffisante du sol et des obstacles : ceci permet de garantir la
sécurité et l'isolement par rapport à la terre, les câbles étant nus (non isolés) pour en limiter
le poids et le coût.
Conducteurs
Le courant électrique est transporté dans des conducteurs. L'énergie électrique étant
transportée sous forme triphasée, on trouvera au moins 3 conducteurs par ligne. Pour une
phase, on peut aussi trouver un faisceau de conducteurs (de 2 à 4) à la place d'un simple
conducteur afin de limiter les pertes (voir plus bas). Les conducteurs en cuivre sont de moins
en moins utilisés. On utilise en général des conducteurs en alliage d'aluminium, ou en
combinaison aluminium-acier pour les câbles plus anciens ; ce sont des conducteurs
composés d'une âme centrale en acier sur laquelle sont tressés des brins d'aluminium. Les
conducteurs sont nus, c'est-à-dire non revêtus d'un isolant. La section des câbles est en
moyenne de 500mm² pour 2 câbles pour une phase
Les conducteurs à haute tension sont aériens ou souterrains (et parfois sous-marins). Les
conducteurs aériens sont soumis à l'action des facteurs atmosphériques : température, vent,
pluie, verglas etc. Ces facteurs interviennent de façon importante dans le choix des
paramètres d'une ligne haute-tension : type de conducteur électrique (matériaux et
géométrie), hauteur et distance des pylônes, tension mécanique maximum sur le conducteur
afin de maintenir une garde au sol suffisante, etc. Le choix de ces paramètres a une grande
influence sur les coûts de construction et d'entretien d'une ligne de transport, ainsi que sur
sa fiabilité et sur sa longévité.
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Isolateurs
L'isolation entre les conducteurs et les pylônes est assurée par des isolateurs. Ceux-ci sont
réalisés en verre, en céramique, ou en matériau synthétique. Les isolateurs en verre ou
céramique ont en général la forme d'une assiette. On les associe entre eux pour former des
chaînes d'isolateurs. Plus la tension de la ligne est élevée, plus le nombre d'isolateurs dans la
chaîne est important. Sur une ligne 400 kV (400 000V), les chaînes d'isolateurs comportent
19 assiettes. On peut alors deviner la tension des lignes en multipliant le nombre d'isolateurs
par 20kV environ. De plus ces isolateurs sont protéger par un système de corne : anneaux
entre lesquels se développe un arc électrique en cas d'amorçage.
Câbles de garde
Les câbles de garde ne transportent pas le courant. Ils sont situés au-dessus des
conducteurs. Ils jouent un rôle de paratonnerre au-dessus de la ligne, en attirant les coups
de foudre, et en évitant le foudroiement des conducteurs. Ils sont en général réalisés en
almélec-acier. Au centre du câble de garde on place parfois un câble fibre optique qui sert à
la communication de l'exploitant. Si on décide d'installer la fibre optique sur un câble de
garde déjà existant, on utilise alors un robot qui viendra enrouler en spirale la fibre optique
autour du câble de garde
Signalisation
Afin d'éviter les impacts d'aéronefs, les lignes sont signalées par des dispositifs lumineux.
Caractéristiques électriques
Le transport de l'électricité pose plusieurs problèmes, en particulier ceux des pertes
d'énergie et des chutes de tension entre l'entrée et la sortie. Une étude à l'aide d'un modèle
théorique simplifié permet de comprendre l'effet de divers paramètres sur le comportement
de la ligne.
Le schéma ci-dessus représente un modèle sommaire mais simple d'emploi pour une phase
d'une ligne pas trop longue : il constitue une approximation suffisante pour des longueurs de
200 à 300 km. Une ligne plus longue pourra être assimilée à une succession de cellules
élémentaires de ce type.
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Résistance de la ligne
La résistance d'un conducteur filiforme s'écrit :
Afin de limiter les pertes par effet Joule, on souhaite que la résistance soit la plus faible
possible. La longueur de la ligne étant imposée, on ne peut jouer que sur la résistivité et sur
la section .
Résistivité des matériaux utilisés pour les lignes
Le cuivre, dont la résistivité vaut 1,72 x 10-8 Ω∙m, n’est pas utilisé car trop coûteux, mais
aussi trop lourd pour les lignes aériennes. On lui préfère des ensembles aluminium-acier ou
des alliages aluminium, magnésium et silicium dont la résistivité est de l’ordre de 3 x 10-8
Ω∙m
Section des lignes
La section d’un conducteur aérien d'une ligne à haute tension est de l'ordre de 500 mm2 : il
n’est pas avantageux d’augmenter davantage la section des conducteurs.
En effet, à la fréquence de 50 Hz (et à fortiori à une fréquence de 60 Hz), il est avantageux
d'utiliser 2 conducteurs de 500 mm2 en remplacement d'un de section 1000 mm2 à cause
de l'effet pelliculaire ou effet de peau.
Ordre de grandeur des résistances linéiques
Pour une ligne de section 500 mm² réalisée avec un matériau de résistivité 3 x 10-8 Ω∙m, la
résistance d’un conducteur aérien est de l’ordre de 6 x 10-2 Ω/km. Cette valeur est donnée à
titre indicatif car nous avons vu que la résistance dépendait fortement de la section.
Pour les lignes à haute tension, les valeurs des résistances linéiques sont comprises entre
0,01 Ω/km (ligne 735 kV d'Hydro-Québec) et 0,1 Ω/km. La norme américaine IEEE C37.061997 indique des valeurs allant de 0,012 Ω/km (800 kV) à 0,031 Ω/km (362 kV).
Puissances transportées
Pertes de puissance
Malgré l'effort entrepris pour limiter la résistance, le transport de l'électricité engendre des
pertes d’énergie importantes, principalement par effet Joule. À titre d'exemple, pour le
réseau de transport d'électricité en France, ces pertes sont estimées en moyenne à 2,5 % de
la consommation globale, soit 13 TWh par an.
Pour ne pas subir de pertes importantes, on utilise donc deux techniques :
•
augmenter le nombre de conducteurs : certaines lignes comportent pour chacune
des phases jusqu’à quatre câbles distants de quelques centimètres ;
•
diminuer l'intensité du courant en élevant la tension : pour une puissance
transportée identique, si on augmente la tension, l'intensité du courant électrique diminue
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et les pertes dues au passage du courant dans le fil seront réduites selon le carré de
l'intensité.
Il faut également prendre en compte le risque d'arc électrique entre deux conducteurs. Ce
risque est d'autant plus important que la tension est élevée. Cela impose des contraintes
d'isolement plus fortes et nécessite notamment :
*Pour les lignes aériennes, d'écarter suffisamment les conducteurs, (typiquement 1 cm/kV),
ce qui a pour conséquence d'augmenter proportionnellement la dimension des matériels
associés (isolateurs, pylônes...) ;
*Pour les câbles (enterrés ou non), d'augmenter les épaisseurs d'isolants, d'ajouter des
écrans de masse, voire de recourir à des technologies différentes (par exemple câbles à
isolation gazeuse).
Impédance de la ligne
les paramètres réactifs de la ligne dépendent peu de la tension et de la section mais, en
revanche, ils sont très différents pour les lignes aériennes et pour les câbles posés ou
enterrés.
Inductance de la ligne
*De 1 à 2 mH/km pour les lignes aériennes soit des réactances comprises entre 0,3 et 0,7
Ω/km, donc nettement supérieures aux résistances linéiques.
*De 0,2 à 0,7 mH/km pour les câbles soit des réactances comprises entre 0,06 et 0,25 Ω/km
Capacité de la ligne
*Proche de 10 nF/km pour les lignes aériennes.
*De 30 à 800 nF/km pour les câbles.
Chutes de tension
La f.é.m d'un alternateur est constante et égale à la somme vectorielle de la résistance
interne fois le courant qui la traverse plus l'impédance interne fois le même courant plus la
somme (résistance et impédance) de la ligne fois le courant plus la tension au bornes de la
charge qui est en parallèle avec la capacité de la ligne.
Puisque la ligne en charge présente un aspect inductif, alors la formule sera:
Si l'intensité appelée I augmente les deux termes augmentent et donc Us diminue à
l’extrémité de la ligne. Pour y remédier, il y a deux possibilités : soit de demander aux
groupes de fournir plus de réactif, soit d'insérer les batteries de condensateurs dans le
réseau ou bien les deux solutions à la fois. L'ajout de la batterie des condensateurs diminue
le vecteur jl inductif puisqu'elle impose un vecteur capacitif -j/c opposé au vecteur
inductif ce qui augmente le vecteur Us.
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