1- SYSTEMES DE PRODUCTION DE TRANSPORT ET DE DISTRIBUTION 1-1 Economie générale du système STI GE Lycée RENAUDEAU PAGE: 24 Electrotechnique Transport de l’énergie électrique Objectif : Comprendre les moyens de transport de l’électricité en insistant sur les ordres de grandeur des puissances produites et transportées et des différents paramètres électriques. 1. INTRODUCTION : Chaque fois qu’on allume une lampe électrique, il faut simultanément produire et transporter l’énergie au lieu d’utilisation : l’électricité ne peut pas se stocker. L’une des raisons principales du succès de l’électricité tient à ce qu’elle est facilement transportable. En effet, Les centrales qui produisent de l’énergie électrique sont implantées selon des conditions : - Géographique (centrales hydrauliques) D’approvisionnement du combustible (centrales thermiques…) D’alimentation en eau de refroidissement (centrales thermiques …) Quant aux consommateurs d’énergie, ils sont répartis sur tout le territoire et souvent éloignés des grands centres de production d’énergie. Ce qui impose le transport de l’énergie électrique. 2. LE TRANSPORT DE L’ENERGIE ELECTRIQUE Le Réseau de Transport d’Electricité est géré par une entité indépendante d’EDF. Le gestionnaire du Réseau de Transport d’Electricité (RTE) exploite, entretient et développe le réseau public de transport d’électricité haute tension (90 000 Volts et 63 000 Volts) et très haute tension (400 000 Volts et 225 000 Volts). Ce réseau est situé en amont des réseaux publics de distribution (20 000 Volts, 400 Volts et 230 Volts), qui relèvent des gestionnaires de réseaux de distribution (GRD). Le Réseau de Transport d’Electricité est garant de l’ajustement à tout moment de la production à la consommation, de la sûreté de fonctionnement du système électrique, de l’entretien et de l’ingénierie du développement du réseau public de transport d’électricité. Le RTE met le réseau au service des clients qui l'utilisent, moyennant la perception d'une rétribution calculée sur la base des tarifs d'accès. 1- SYSTEMES DE PRODUCTION DE TRANSPORT ET DE DISTRIBUTION 1-1 Economie générale du système STI GE Lycée RENAUDEAU PAGE: 25 Electrotechnique Transport de l’énergie électrique Le réseau de RTE transporte le courant électrique par des liaisons de différentes tensions : 400 000 volts, 225 000 volts, 150 000 volts, 90 000 volts et 63 000 volts. Ces liaisons aboutissent à des postes équipés de transformateurs permettant à l'énergie électrique de transiter entre les différents niveaux de tension. Les réseaux de transport - Relie les centrales entre elles - Interconnexion entre les pays Autoroute à énergie d’Europe HTB 400 kV Route régionale express HTB 225 KV - Dessert les régions - Répartit les puissances au niveau régional. - Dessert les consommateurs Route de moyennes puissances départementale - Connecte les postes de HTB 63 KV et 90kV distribution Les clients Ces réseaux concernent peu de clients - Puissances distribuées supérieures à 1000 MW. - 600 grands clients industriels comme la SNCF, la RATP, ou les industries chimiques, sidérurgique et métallurgiques. - Ces réseaux ne concernent que les clients gros consommateurs - P 100 MW - P 40 MW - grosses industries (laminage, chimie) - postes sources EDF. STI GE 1- SYSTEMES DE PRODUCTION DE TRANSPORT ET DE DISTRIBUTION Lycée RENAUDEAU PAGE: 26 Electrotechnique 1-1 Economie générale du système Transport de l’énergie électrique Nécessité de la très haute tension : L’un des grands intérêts de l’énergie électrique est de se transporter seule ; toutefois, une partie de l’énergie transportée se dissipe en chaleur, par effet Joule, dans la résistance de la ligne. Notions d’électrotechnique : Expression de la puissance électrique fournie par un alternateur : S = UI3 En triphasé : avec S : puissance apparente en Volts Ampères (VA) U : Tension en volts (V) I : Intensité en ampères (A) Pj = rt x I2 Expression des pertes en ligne : avec Pj : pertes par effet joule en ligne en watts (W) rt : Résistance de la ligne en ohms () I : Intensité en ligne en ampères (A) En triphasé, les pertes en ligne sont à multiplier par 3 pour tenir compte des trois conducteurs : Pj = 3 x rt x I2 En remplaçant I par sa valeur : on obtient : Pj I =S/(U3) = 3 x rt x (S/U3)² soit Pj = rt x S²/U² avec S : puissance à transporter U : tension au départ de la ligne Conclusion : Les pertes en lignes sont inversement proportionnelles au carré de la tension … Une solution simple pour réduire les pertes est donc d’élever la tension d’où l’utilisation de la Haute Tension. Tableau des résistances linéiques des conducteurs en cuivre nus. Section (en mm2) 120 185 300 500 800 Résistance (en /km) 0,153 0,0991 0,0601 0,0366 0,0221 1- SYSTEMES DE PRODUCTION DE TRANSPORT ET DE DISTRIBUTION 1-1 Economie générale du système STI GE Lycée RENAUDEAU PAGE: 27 Electrotechnique Transport de l’énergie électrique 3. L’INTERCONNEXION : L’interconnexion permet : - Des échanges d’énergie entre les régions. En cas de défaut sur une ligne, ou dans une centrale, l’alimentation par une autre ligne. Des échanges vers les pays voisins. L’énergie électrique n’étant pas stockable, il faut une adéquation permanente entre la production et la consommation. Le transport a une double obligation : acheminer l’énergie aux niveaux régional et collecter l’énergie produite par les différentes centrales. Cette double obligation impose l’interconnexion, c’est à dire l’installation d’une sorte de maille à l’échelle de la France, sur laquelle se raccordent les lignes qui amènent le courant et celles qui le distribuent. 1- SYSTEMES DE PRODUCTION DE TRANSPORT ET DE DISTRIBUTION 1-1 Economie générale du système STI GE Lycée RENAUDEAU PAGE: 28 Electrotechnique Transport de l’énergie électrique Les postes d’interconnexion Les postes d’interconnexion assurent la continuité ou la coupure aux différents nœuds de l’interconnexion. Certains postes regroupent également des transformateurs permettant le passage entre les paliers de tension (par exemple 225 kV/400 kV) L’ouverture ou la fermeture d’un circuit est effectuée par un disjoncteur télécommandé de grande puissance (plusieurs milliers de kA) avec soufflage de l'arc. Ces deux autotransformateurs triphasés équipent le poste d’interconnexion de Villevaudé (région parisienne). D’une puissance unitaire de 300 000 kVA, ils assurent la liaison entre les réseaux de tension 225 kV et 400 kV. 3 transformateurs triphasés équipent l’un des postes de Cholet (rond point de la Séguinière) , 5 lignes d’arrivée 225 kV. 1- SYSTEMES DE PRODUCTION DE TRANSPORT ET DE DISTRIBUTION 1-1 Economie générale du système STI GE Lycée RENAUDEAU PAGE: 29 Electrotechnique Transport de l’énergie électrique 4. SURVEILLANCE DU RESEAU: (l’aiguillage de l’électricité) Il faut qu’à chaque instant la puissance demandée par 25 millions d’abonnés soit égale à la puissance fournie. C’est la demande de la clientèle qui commande la production des centrales. Pour cela, EDF doit tenir compte des positions respectives des centrales et des lieux de consommation d’énergie, ainsi que des moyens de transport du réseau d’énergie. Dispatchings Les dispatchings travaillent sur des prévisions annuelles, hebdomadaires et journalières. Ils établissent, à partir des consommations de l’année précédente, la courbe de charge prévisionnelle, heure par heure, pour le lendemain. Cette gestion d’énergie est effectuée par un ordinateur central qui communique avec des terminaux régionaux afin d’optimiser en permanence l’exploitation du réseau national. Le centre national de coordination est installé à Paris et sept centres régionaux situés à Paris, Lille, Nancy, Lyon, Marseille, Toulouse et Nantes permettent de gérer les mouvements d’énergie 24 Heures sur 24. Les dispatchings assurent les fonctions suivantes : - établissement des programmes de production des centrales ; contrôle des échanges avec les fournisseurs d’énergie autre que l’EDF. Surveillance et commande de fonctionnement du réseau dans les limites géographiques de leur responsabilité ; Transmission des informations de démarrage ou d’arrêt des Centrales. STI GE 1- SYSTEMES DE PRODUCTION DE TRANSPORT ET DE DISTRIBUTION Lycée RENAUDEAU PAGE: 30 Electrotechnique 1-1 Economie générale du système Transport de l’énergie électrique 5. LONGUEUR DES LIGNES : La longueur totale des circuits est de 99 542 km. La répartition de ces longueurs (exprimées en km), par niveau de tension, est la suivante : Longueur (km) des circuits 400 kV 225 kV 150 kV 90 kV 63 kV Total Aérien 21 006 25 416 1 064 15 063 33 772 96 321 2 903 1 391 1 924 3 221 21 008 26 319 1 065 15 454 35 696 99 542 Souterrain Total (donnée en 2005) Le réseau de RTE est interconnecté avec les 9 réseaux électriques de nos voisins européens. Le nombre des liaisons d'échange, par pays et par niveau de tension, est le suivant : Nombre de 270kV 400 kV liaisons CC * Allemagne 4 Andorre Belgique 2 Grande 4 Bretagne* Espagne 2 Italie 3 Jersey Luxembourg Suisse 5 Total 4 16 * liaisons à courant continu 225 kV 150 kV 90 kV 63 kV Total 2 6 1 6 2 1 2 4 2 1 2 1 2 6 13 1 4 2 1 2 6 6 5 2 1 14 45 Les centrales de production d'électricité raccordées au réseau de RTE représentent une puissance maximale de 110 760 méga watts, avec 86 460 méga watts d'origine thermique (fuel, gaz, charbon, et nucléaire) et 24 300 méga watts d'origine hydraulique. Celui-ci permet également aux consommateurs éligibles français de s'alimenter auprès des autres producteurs européens. Ce réseau permet aussi d'évacuer de la puissance produite en France vers d'autres pays. Il permet enfin de faire transiter l'électricité entre les pays limitrophes. 1- SYSTEMES DE PRODUCTION DE TRANSPORT ET DE DISTRIBUTION 1-1 Economie générale du système STI GE Lycée RENAUDEAU PAGE: 31 Electrotechnique Transport de l’énergie électrique Constitution et implantation des lignes électriques. - les lignes aériennes Les lignes aériennes sont tracées à partir de bandes de 100 m de largueur au sol mais leur emprise au sol est de 70 à 80 m2 tous les 500 m à chaque support. Le support est un poteau béton par exemple jusqu’à 63 kV et un pylône à plusieurs circuits pour les tensions supérieures. Ils appartiennent à différents types (Beaubourg, Trianon, Chat et Muguet). Ces lignes peuvent comporter deux circuits triphasés (deux ternes) et 2 câbles de garde placés au-dessus jouant le rôle de parafoudre. Pylône « Muguet » ligne 400 kV et 225 kV Hauteur : 54 m en 400 kV Hauteur : 42 m en 225 kV Poteau béton Pylône type « Trianon » 2 circuits 400kV Hauteur : 31 à 43,5 m Pylône « Beaubourg » ligne 400 kV entre Cordemais et la martyre Hauteur : 37 à 61 m Pylône « Chat » ligne 225 kV Hauteur : 35 m Chaque conducteur de ligne est constitué de 1 ou 2 câbles associés suspendus à l’isolateur. Le câble est toronné (cuivre ou aluminium) sur une âme d’acier porteuse. L’isolateur est une chaîne de 14 à 19 éléments de 25 cm de diamètre dont la charge de rupture peut atteindre 15 tonnes. 1- SYSTEMES DE PRODUCTION DE TRANSPORT ET DE DISTRIBUTION 1-1 Economie générale du système - STI GE Lycée RENAUDEAU PAGE: 32 Electrotechnique Transport de l’énergie électrique Les lignes souterraines Les problèmes d’esthétique pourraient être résolus avec les lignes souterraines, malheureusement elles présentent de nombreux inconvénients : - Pour un transport à 400 kV Il est techniquement très complexe et très coûteux d’enfouir les lignes 400 kV : L'enfouissement entraîne une déperdition de l'énergie transportée. Pour y remédier, il faudrait construire tous les 15 à 20 kilomètres des postes compensant cette perte d'énergie, qui couvriraient chacun une superficie de plusieurs hectares. Pour obtenir l’équivalent d’une ligne aérienne 400 000 volts, plusieurs câbles en parallèle seraient nécessaires, soit la largeur d’une véritable autoroute électrique de 20 mètres de large dont le coût serait de 10 à 20 fois supérieur à celui d’une ligne aérienne, selon que l'on envisage les techniques futures ou actuelles d'enfouissement. En cas d’incident majeur, la détection, l’identification et surtout la réparation sur des câbles souterrains est beaucoup plus complexe. - Pour un transport en 225 kV, 90 et 63 kV : L’enfouissement est techniquement maîtrisé et mis en œuvre : Pour les lignes 225 kV, on réalise des tronçons dont la longueur va jusqu'à 15 km. Pour la HTA (90 et 63 kV), les tronçons les plus longs mesurent jusqu'à 30 km. Cependant, la généralisation d’une telle solution n’est pas envisageable. En effet, les contraintes économiques sont lourdes et la nature du sol ne le permet pas toujours. De plus, il faudrait créer des stations de compensation tous les 25 à 30 km pour les lignes 225 kV et tous les 50 à 70 km pour la HTA (90 et 63 kV), ce qui nécessiterait une emprise au sol conséquente. Enfin, la mise en souterrain entraîne des interventions plus longues et plus contraignantes en cas d’incident. 1- SYSTEMES DE PRODUCTION DE TRANSPORT ET DE DISTRIBUTION 1-1 Economie générale du système STI GE Lycée RENAUDEAU PAGE: 33 Electrotechnique Transport de l’énergie électrique 6. PERTURBATIONS ET PROTECTIONS. Les lignes de transport d’énergie peuvent être soumises à deux types de perturbations : - Les surintensités Les surtensions 6-1 Les surintensités Il existe deux causes de surintensités. a. Les surcharges Lorsque l’intensité transportée dépasse la valeur nominale pour laquelle la ligne est conçue, on dit qu’il y a surcharge. Cela peut se produire lorsque la consommation est trop importante ; dans ce cas il faut délester en coupant des départs alimentés par celle-ci. b. Les courts-circuits. Un court-circuit est un bouclage accidentel de deux conducteurs (fil tombé à terre, branche d’arbre tombée sur la ligne, …) entre le récepteur et la source. L’intensité du courant n’est limitée que par la résistance de la ligne. La valeur du courant de court-circuit est très grande : elle s’exprime en kiloampères (kA). Les lignes sont protégées par des disjoncteurs ou des fusibles qui coupent la ou les lignes en défaut. 1- SYSTEMES DE PRODUCTION DE TRANSPORT ET DE DISTRIBUTION 1-1 Economie générale du système STI GE Lycée RENAUDEAU PAGE: 34 Electrotechnique Transport de l’énergie électrique 6-2 Les surtensions Sur les lignes aériennes, elles sont surtout dues à des coups de foudre. On les appelle surtensions d’origine atmosphérique. Une onde de choc est créée, produisant une surtension locale de 0,004 à 0,005 seconde qui peut atteindre 5 millions de volts et qui se propage à 300 000 km/s, entraînant le claquage de tous les isolants. Les lignes aériennes sont protégées par des parafoudres qui évacuent les surtensions à la terre. Parafoudre TCM : Transformateur de mesure courant et Tension Arrivée du 90kV en souterrain A RETENIR - Le transport de l’énergie électrique permet de relier le plus économiquement possible l’utilisateur de l’électricité avec les centrales de production. - La très haute tension (HTB) est utilisée pour diminuer les pertes d’énergie dans les lignes. Les pertes en ligne sont inversement proportionnelles au carré de la tension. Les tensions employées sont 400 kV, 225 kV, 90 kV, 63 kV - L’interconnexion des lignes est nécessaire pour assurer la continuité de service, les échanges entre régions et avec les pays voisins. - A chaque instant, la puissance produite doit être égale à la puissance consommée, car l’électricité ne se stocke pas. Pour équilibrer en permanence la demande avec la fourniture, les dispatchings établissent les programmes de fonctionnement des centrales et surveillent la charge des lignes. - Les principales perturbations sont dues aux surcharges et surtout aux coups de foudre. Dans ce cas, on installe des parafoudres aux extrémités des lignes.