Réseau électrique

Un réseau électrique est un ensemble d'infrastructures permettant d'acheminer l'énergie électrique des centres de production vers les consommateurs d'électricité.



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Distribution de l'énergie électrique - Électrotechnique

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Définitions :

  • ensemble d'installations constitué de la plupart de lignes et des équipements annexes nécessaires au transport ainsi qu'à la... (source : uvek.admin)
Nombreuses lignes électriques aux abords d'un poste

Un réseau électrique est un ensemble d'infrastructures permettant d'acheminer l'énergie électrique des centres de production vers les consommateurs d'électricité.

Il est constitué de lignes électriques exploitées à différents niveaux de tension, connectées entre elles dans des postes électriques. Les postes électriques permettent de répartir l'électricité et de la faire passer d'une tension à l'autre grâce aux transformateurs.

Un réseau électrique doit aussi assurer la gestion dynamique de la totalité production - transport - consommation, mettant en œuvre des réglages ayant pour but d'assurer la stabilité de la totalité.

Historique

Un réseau électrique étant composé de machines de production et de consommation, mais aussi de structures (lignes, transformateurs) pour les relier, les réseaux électriques ne sont apparus que vers la fin XIXe siècle, quand chaque élément avait atteint une maturité technologique suffisante.

Les premiers réseaux à courant continu

Edison a été un pionnier dans la réalisation des premiers réseaux électriques en courant continu.

Lors de la première moitié du XIXe siècle, les inventeurs mettent au point de nombreux types de moteurs électriques à courant continu, mais leur utilisation de manière industrielle ne sera permise qu'après l'invention de la dynamo (génératrice de courant continu) par Zénobe Gramme en 1869, qui sera rapidement perfectionnée[1]. À l'Exposition internationale d'Électricité de Paris de 1881, Marcel Deprez présente pour la première fois une installation de distribution d'énergie électrique alimentée par 2 dynamos. À l'automne 1882, les premiers réseaux électriques apparaissent simultanément à New York et Bellegarde, en France[2]. Ils sont particulièrement locaux et utilisent le courant continu.

Thomas Edison a joué un rôle déterminant dans le développement de l'électricité : il fonde en 1878 l'Edison Electric Light Co (qui deviendra en 1892 General Electric), dépose le brevet de l'ampoule électrique en 1879, puis crée le réseau électrique de New York. Ce dernier, qui avait principalement pour but l'éclairage, se développe rapidement : d'une puissance de 1200 ampoules en 1882, il passe à 10 000 ampoules l'année suivante.

L'éclairage électrique était fréquemment créé lors d'expositions internationales.

Ce réseau, qui souffre de nombreuses pannes, est constitué de petites centrales électriques (30 kW) et d'un réseau de distribution à 110 V[3]. Il est cependant particulièrement limité car l'acheminement de l'électricité n'est envisageable que sur quelques kilomètres[4].

À cette période les premières expérimentations de transport de l'énergie électrique se développent et sont menées surtout par Marcel Deprez, qui utilise du courant continu. Ce sont cependant des échecs relatifs car elles ne permettent pas le transport de puissances industrielles (Deprez réussi en 1882 à transporter 400 W sur 57 km de distance, mais avec un rendement global d'uniquement 30%[5]). Les ingénieurs Lucien Gaulard et John Gibbs travaillent quant à eux sur le courant alternatif. Quoique le transformateur soit connu depuis 1837, ils mettent au point en 1884 un transformateur de forte puissance utilisant du courant alternatif triphasé, ce qui sert à changer aisément le niveau de tension. La même année ils démontrent l'intérêt du transformateur en mettant en service une ligne de 80 km de long alimenté en courant alternatif sous 2 000 V[6].

La victoire du courant alternatif triphasé

Tesla, un inventeur qui a conçu les premiers réseaux électriques en courant alternatifs

George Westinghouse, ingénieur et entrepreneur américain qui a créé sa propre compagnie d'électricité, est intéressé par la technologie du courant alternatif. En 1887, il achète les brevets du transformateur de Gaulard et embauche Nikola Tesla qui invente l'alternateur triphasé en 1891[7]. Cette même année la première installation triphasée est mise en place aux environs de Francfort, avec une ligne de 175 km[8].

Aux États-Unis les réseaux en courant continu poursuivent leur développement, mais sont limités en taille : chaque centrale ne peut alimenter en électricité qu'une zone d'environ 5 km de diamètre [9], ce qui pose problème en dehors des villes. En parallèle se forment de petits réseaux urbains en courant alternatif. Une opposition sévère fait rage à cette époque aux États-Unis entre Edison (défenseur du courant continu) et Tesla (défenseur du courant alternatif). Edison insiste surtout sur le risque (bien réel) du courant alternatif pour les êtres vivants, allant jusqu'à organiser des démonstrations publiques ou il électrocute différents animaux, pour prouver la dangerosité du courant alternatif, et va jusqu'à financer la macabre invention de la chaise électrique[10]. Après l'exécution de William Kemmler, Edison dira :«Il a été Westinghousé».

La bataille décisive entre courant continu et alternatif se déroule autour d'un projet d'alimentation électrique de l'industrie de Buffalo par une centrale hydraulique de 75 MW localisée à Niagara Falls, à 32 km de distance[11]. Edison proposait un projet en courant continu alors que Tesla et Westinghouse proposaient un dispositif en courant alternatif. Le contrat fut donné à Westinghouse. En 1896, la mise en service de la première ligne industrielle en triphasé fut un succès total et conduit à imposer universellement le courant alternatif triphasé comme moyen de transport de l'énergie électrique[12], mieux adapté au transport sur de longues distances.

L'interconnexion progressive des réseaux

A la fin du XIXe et au début du XXe siècle, les usages de l'électricité se multiplient, autant au niveau domestique qu'industriel (surtout l'électrification des tramways, métros et chemins de fer). Dans chaque grande ville s'implantent des compagnies d'électricité. Ces dernières construisent des centrales électriques et de petits réseaux locaux, chacun utilisant des fréquences et des niveaux de tension différents. Les opérateurs se rendent compte tardivement de l'intérêt d'utiliser une fréquence unique (indispensable à l'interconnexion des réseaux), et on voit naitre finalement 2 standards de fréquence : le 60 Hz sur la majorité du continent américain et le 50 Hz presque partout dans le reste du monde.

Dynamos alimentant les tramways de l'est parisien

Dans la première moitié du XXe siècle les réseaux urbains des pays industrialisés se sont agrandis afin d'électrifier les campagnes. En parallèle, ces réseaux se sont interconnectés entre eux au niveau régional afin d'engranger des économies d'échelle sur la taille des centrales de production, et de mieux valoriser des ressources énergétiques géographiquement situées, comme la production hydraulique localisée dans les zones montagneuses, éloignée des grands centres de consommation. Au fur et à mesure de l'augmentation des puissances nommées et des distances des lignes d'interconnexion, la tension d'exploitation des lignes a aussi augmentée (1re ligne à 220 kV construite en 1923 aux États-Unis, celle à 380 kV en 1930 en Allemagne). La naissance en 1937 du premier turbo-alternateur refroidi à l'hydrogène, d'une puissance de 100 MW, ouvre la voie des centrales électriques de forte puissance[13].

Une difficulté du développement des réseaux électriques est l'héritage du passé, car les infrastructures sont conçues pour durer plusieurs dizaines d'années. L'électrification des campagnes était aisée du fait de l'absence de tout réseau antérieur, donnant la possibilité ainsi la mise en œuvre des standards du moment (en termes de tension et de fréquence). Au niveau urbain par contre le problème était complexe car plusieurs réseaux non interconnectables cœxistaient, conduisant à la multiplication des câbles. Les réseaux en courant continu ont ainsi subsisté très longtemps localement : jusque 1965 à Paris [14], et 2007 à New York[15] !

Dans les années 1950, les compagnies européennes se coordonnent pour uniformiser les tensions des réseaux de transports à 400 kV, ce qui permet en 1967 la première interconnexion des réseaux français, allemands et suisse à Laufenbourg[16] (Suisse).

La seconde moitié du XXe siècle a connu en outre un renforcement des interconnexions intra-nationales et un développement significatif des interconnexions transnationales, dans l'objectif principal de créer des capacités de secours mutuel entre opérateurs et de perfectionner globalement la stabilité des dispositifs électriques, mais aussi, de façon plus ponctuelle, de créer des capacités d'échange d'énergie sur le long terme.

L'Europe, avec sa forte densité de population et un niveau élevé de développement économique et industriel, présente un réseau électrique à la fois dense et maillé. La mise en place d'interconnexions physiques dans ces conditions, a obligation l'adoption de règles communes de sûreté entre les exploitants des divers dispositifs, fréquemment nationaux pour prévenir les risques d'incident de grande ampleur. Actuellement, c'est l'ENTSO-E, anciennement UCTE, qui effectue cette coordination en Europe.

Enfin plus il y a peu de temps, dans le cadre de la construction du marché intérieur de l'électricité, la Commission européenne a choisi d'encourager le développement des capacités d'interconnexion transfrontalières, afin d'accroître les potentiels d'échange et l'interconnexion «commerciale» des marchés nationaux.


Pour le XXIe siècle, les réseaux sont confrontés à d'importants nouveaux défis :

A ces sujets, les prospectivistes annoncent un réseau intelligent (Smart grid) plus souple et capable de mieux intégrer les sources d'énergies propres et sûres, mais diffuses et non continues telles que l'éolien et le solaire[18].

Historique des réseaux électriques en France

Le programme de construction des centrales nucléaires a dimensionné le réseau de transport d'électricité français

L'électrification du territoire français est effectuée au cours de la première moitié du XXe siècle : de 7 000 communes électrifiées en 1919, elles sont 36 528 à l'être en 1938[19]. En parallèle, les réseaux proches s'interconnectent progressivement :

Même au cours de la seconde guerre mondiale, le réseau de transport d'électricité croit de 30 % ainsi qu'à la Libération il est le plus dense au monde. En 1946, le cumul des lignes électriques de plus de 100 kV atteint 12 400 km, tandis qu'il n'était que de 900 km en 1923[21].

Le 8 avril 1946 l'état nationalise les entreprises d'électricité, en rassemblant ces sociétés de production, distribution et transport en un établissement unique : EDF (cependant il subsistera un nombre non négligeable d'entreprises locales de distribution d'électricité et de gaz en France). Jusqu'en 1950, EDF devra organiser les coupures d'électricité, suite à la pénurie de centrales de production. La fréquence à 50 Hz se généralise en France (elle était par exemple de 25 Hz sur une grande partie du littoral méditerranéen). Le réseau à 225 kV se substitue aux réseaux à 110, 120 et 150 kV[22]. En 1956, il est décidé de généraliser pour la distribution basse tension le couple de tension 220 / 380 V à la place de l'ancien couple 127 / 220 V (en 1986 la tension normalisée sera le couple 230 / 400 V) [23]. Le réseau 400 kV, décidé au niveau européen, se développe en France en coordination avec le plan électro-nucléaire, surtout à partir des années 1970-1980.

Généralités

Un réseau électrique est dans un premier temps défini par le type de courant électrique qu'il utilise. Une fois fixé, ce choix engage l'avenir et est lourd de conséquences car les modifications sont a posteriori particulièrement délicates. Par la suite, lors de l'exploitation des réseaux, certaines grandeurs électriques doivent être surveillées régulièrement pour s'assurer que les conditions d'exploitation sont bien respectées.

Choix stratégiques de l'onde électrique

Les réseaux électriques actuels utilisent un courant alternatif triphasé sinusoïdal. Ce choix décisif découle d'un ensemble de raisons que nous présentons ici.

Obligation de transporter l'électricité à une tension élevée

De la sortie de la centrale électrique au compteur de l'utilisateur final, l'électricité doit transiter sur un réseau électrique. Ces réseaux possèdent fréquemment la même structure d'un pays à l'autre, car le transport de fortes puissances sur de longues distances impose la minimisation de l'effet Joule.

Le transport d'électricité génère des pertes dues à l'effet Joule, qui dépendent de l'intensité I, de la tension U et de la résistance R de la ligne. Pour du courant triphasé on obtient :  P_{pertes Joule} = R Iˆ2 \ = R\frac{P_{electrique}ˆ2}{3Uˆ2}\,

Pour une même puissance électrique transmise par la ligne, les pertes par effet Joule diminuent par conséquent comme le carré de la tension : elles sont divisées par quatre lorsque la tension double, et par un million quand que la tension est multipliée par mille. Ainsi un mètre de câble à 400 V provoque tout autant de pertes que 1000 km du même câble à 400 kV. De même, une ligne d'une centaine de km avec une résistance de 3 Ω sur laquelle circule 400 MW générerait à peu près 4 MW de perte Joules si elle était exploitée à 200 kV, mais uniquement 1 MW si elle était exploitée à 400 kV.

L'enjeu de ces pertes peut se mesurer aux montants d'énergie particulièrement importants que cela représente : pour la France, sur les 509 TWh produits[24] en 2005, à peu près 25 TWh ont été perdus suite à ces phénomènes[25] (pour cause d'effet Joule, d'effet couronne ou de pertes à vide), soit 5% de la production électrique française.

Les coûts de construction d'une ligne à 400 kV, 20 kV ou 220 V sont cependant particulièrement différents. Il faut par conséquent trouver un optimum technico-économique entre les différents niveaux de tension, au vu du gain espéré (relatif à la diminution des pertes par effet Joule). On arrive ainsi à une structure multicouche des réseaux électriques, avec les réseaux transportant de grandes quantités d'énergie exploités à des tensions de plusieurs centaines de kilovolts, et la tension diminuant au fur et à mesure que les puissances transportées décroissent.

Courant alternatif ou continu ?

Le transport de puissances importantes sur de longues distances nécessite des tensions élevées. Il faut par conséquent des transformateurs pour passer d'une tension à une autre ; or ils ne fonctionnent qu'avec du courant alternatif. Les changements de tension sur un dispositif à courant continu n'est pas aussi efficace (plus de pertes) qu'en alternatif (transformateur). Le gain de l'élévation de tension serait contrebalancé par les pertes plus importantes lors des phases d'abaissement de la tension. De plus la coupure des courants dans les disjoncteurs est facilitée par le passage répétitif à zéro du courant alternatif. Ce dernier génère quand même des contraintes d'utilisation, surtout les 2 suivantes :

Bien que le courant alternatif se soit imposé universellement dans l'ensemble des réseaux, le courant continu reste utilisé pour certains projets spécifiques où le recours à des stations de conversion onéreuses sont nécessaires (exemple des interconnexions sous-marines ou celles de très longues distance).

Pourquoi une tension sinusoïdale ?

La solution la plus commode pour produire de manière industrielle de l'énergie électrique est l'entraînement d'un alternateur par une turbine, le tout en rotation autour d'un axe. De manière naturelle ces installations produisent des tensions sinusoïdales.

En sens inverse et tout aussi naturellement, ces tensions sinusoïdales permettent l'entrainement régulier d'un moteur électrique, ce qui en fait le moyen le plus simple d'utiliser l'énergie électrique.

Un dispositif monophasé ou triphasé ?

Il est particulièrement envisageable de réaliser un réseau seulement en courant monophasé. Les raisons qui ont conduit à adopter le réseau triphasé sont les avantages techniques et économiques importants qu'il présente :

Fréquence des réseaux électriques

Article détaillé : Fréquences des courants industriels.

Choisir la fréquence d'un réseau est déterminant car on ne peut plus revenir en arrière une fois que le réseau a atteint une certaine taille.

Une fréquence élevée est spécifiquement intéressante pour les transformateurs, donnant la possibilité ainsi de diminuer leur taille. Les ampoules électriques sont elles aussi mieux adaptées aux fréquences élevées (apparition de clignotements avec des fréquences faibles). D'autres applications, en particulier celles faisant appel aux inductances (type moteur électrique, ou ligne de transport à longue distance), ont un meilleur rendement avec des fréquences faibles. C'est à la fin du XIXe siècle que cette question s'est posée, mais la faible dimension des réseaux permettait à cette époque d'ajuster la fréquence selon l'utilisation qu'on devait en faire, et des fréquences de 16 Hz à 133 Hz cœxistaient.

C'est Westinghouse, certainement avec les conseils de Tesla, qui imposa progressivement le 60 Hz aux États-Unis. En Europe, après que ÆG eut choisi le 50 Hz, cette fréquence se diffusa progressivement. On conserve actuellement cet historique et les réseaux actuels sont exploités soit à 50 Hz, soit à 60 Hz.

Grandeurs électriques importantes

Les grands réseaux électriques nécessitent la surveillance constante de certains paramètres pour maintenir le réseau, mais aussi les installations de production et de consommation qui y sont raccordées, dans les domaines d'utilisation prévus. Les principales grandeurs à surveiller sont la fréquence, la tension, l'intensité dans les ouvrages, et la puissance de court circuit.

Surveillance de la tension

Un grand réseau électrique possède de multiples niveaux de tension. Chaque niveau de tension est conçu pour une plage d'utilisation bien spécifique. Des tensions un peu trop élevées amènent à une usure prématurée du matériel, puis si elles sont franchement trop élevées à un «claquage» de l'isolant (cas des câbles souterrains, des câbles domestiques, ou des isolateurs des lignes électriques). Les surtensions particulièrement élevées (par exemple causées par la foudre) sur des conducteurs «nus» (c'est-à-dire sans isolant, ce qui est le cas des lignes électriques) peuvent conduire à des amorçages avec des objets proches, par exemple des arbres.

A contrario, des tensions trop basses comparé à la plage spécifiée amènent à un mauvais fonctionnement largement d'installations, que ce soit chez les consommateurs (par exemple les moteurs), ou sur le réseau en lui-même (mauvais fonctionnement des protections). Qui plus est , des tensions basses sur les réseaux de transport d'électricité ont été la cause de grands incidents qui ont été 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 matériels spécifient une marge de 5 à 10 % comparé à la tension nominale, les grands opérateurs de réseaux privilégient aujourd'hui une exploitation plutôt en tension haute.

Problématique de l'intensité ; IMAP

L'intensité est un paramètre spécifiquement important à surveiller car elle peut entraîner la destruction de matériel coûteux (les transformateurs et les câbles), ou bien mettre en danger la sécurité des biens et des personnes (cas des lignes aériennes). L'IMAP (Intensité Maximale Admissible en Permanence) est l'intensité maximale à laquelle un ouvrage peut être exploité sans limitation de durée. Pour favoriser l'exploitation des réseaux électriques, certains ouvrages peuvent être exploités à une intensité supérieure à l'IMAP mais pendant une durée limitée. Qui plus est , certains ouvrages sont pourvus de protections spécifiques qui les mettent en sécurité si l'intensité dépasse une certaine valeur pendant une durée définie.

Le problème créé par une intensité trop élevée (c'est-à-dire une puissance transmise élevée) est un échauffement par effet Joule important. La conséquence de cet échauffement se manifeste de différente manière selon les ouvrages reconnus :

Intensité de court circuit

Article détaillé : Courant de court-circuit.

L'intensité de court circuit (abrégée Icc) est une grandeur théorique qui correspond au courant qu'on pourrait mesurer en un point du réseau si ce point était relié directement à la terre. Elle est égale au courant circulant dans un ouvrage lors d'un défaut triphasé franc à la terre (c'est-à-dire qui relie directement les 3 phases à la terre). L'Icc est apportée essentiellement par les groupes de production. Elle est élevée dans les nœuds du réseau que sont les postes électriques (sur le réseau 400 kV européen, les valeurs sont de l'ordre de 30 à 50 kA). L'Icc devient de plus en plus faible au fur et à mesure que les niveaux de tension décroissent et qu'on s'éloigne des postes électriques.

Les matériels utilisés dans les postes électriques sont conçus pour résister à une valeur maximale d'Icc : au-delà, il y a un risque de casse de matériel en cas de court-circuit (causé par la foudre, le givre, une rupture de matériel... ) Les bris de cette nature sont surtout causés par des phénomènes électrodynamiques puissants qui ont lieu quand des conducteurs sont soumis à des courants exceptionnellement forts.

Un réseau électrique a cependant tout intérêt à avoir une Icc élevée. En effet, cela permet l'amortissement des perturbations émises par les grandes industries (problème des flickers), ainsi qu'une réduction des chutes de tension lors des courts circuits sur le réseau. Pour le consommateur, l'Icc correspond à l'intensité maximum que peut founir le réseau : une Icc suffisante est par conséquent indispensable au démarrage des gros moteurs électriques. Généralement, une Icc élevée maintient une bonne qualité de l'onde électrique apportée aux clients.

Structure des réseaux électriques

Les réseaux électriques peuvent être organisés selon plusieurs types de structures exposées ci-dessous :

Chaque type de structure possède des spécifités et des modes d'exploitation particulièrement différents. Les grands réseaux d'énergie utilisent tous ces types de structure. Dans les niveaux de tension les plus élevés, on utilise la structure maillée : c'est le réseau de transport. Dans les niveaux de tension inférieurs, la structure bouclée est utilisée en parallèle de la structure maillée : c'est le réseau de répartition. Enfin, pour les plus bas niveaux de tension, la structure arborescente est presque exclusivement utilisée : c'est le réseau de distribution.

Le réseau de transport

Les réseaux de transport sont à particulièrement haute tension (de 150 kV à 800 kV) et ont pour but de transporter l'énergie des grands centres de production vers les régions consommatrices d'électricité. Les grandes puissances transitées imposent des lignes électriques de forte capacité de transit, ainsi qu'une structure maillée (ou interconnectée). Les réseaux maillés garantissent une très bonne sécurité d'alimentation, car la perte de n'importe quel élément (ligne électrique, transformateur ou groupe de production) n'entraîne aucune coupure d'électricité si l'exploitant du réseau de transport respecte la règle dite du "N-1" (possibilité de perdre n'importe quel élément du réseau sans conséquences intolérables pour les consommateurs).

Illustration du report de charge :

A) État normal

A) Dans le réseau ci contre, l'électricité se répartit sur les lignes électriques selon la localisation de la production, de la consommation et des impédances des ouvrages (lignes et transformateurs) selon les lois de Kirchhoff. Les lignes sont plus ou moins chargées selon le nombre de triangles :

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

B) Coupure d'une ligne : l'énergie se répartit différemment

B) Un incident s'est produit sur le réseau : une ligne a déclenché ; elle est par conséquent hors service. Du fait de la structure maillée, l'énergie s'est répartie sur les lignes restantes selon leur impédance, tout en assurant la continuité de l'alimentation électrique. Par contre une ligne est en surcharge : il faut par conséquent agir rapidement pour ramener son intensité à une valeur acceptable.

C1) Sans correction : l'incident s'aggrave, la zone va finir hors tension

C1) Si aucune action n'est menée dans les délais suffisants, la ligne en surcharge va déclencher à son tour : l'énergie va alors se répartir à nouveau pour alimenter la consommation nommée. Avec de moins en moins de lignes électriques pour acheminer la même puissance, les surcharges sur les lignes restantes deviennent particulièrement importantes et les délais de réaction vont être réduits d'autant. Dans cette situation une ligne est en particulièrement forte surcharge et va déclencher particulièrement rapidement, mettant ainsi les 3 postes qu'elle alimentait hors tension.

Un enchaînement de ce type est nommé une cascade de surcharge et est presque toujours impliqué dans les grands blackouts rencontrés au niveau mondial. Ceci illustre qu'à partir d'une situation de réseau a priori "normale", un évènement bénin (par exemple un coup de foudre sur une ligne) peut rapidement avoir des conséquences non maîtrisables et de grande ampleur.

C2) Correction : optimisation de la répartition de l'énergie entre les lignes par modification de la topologie du réseau

C2) Suite au déclenchement de la première ligne électrique, plusieurs moyens sont à disposition des dispatchers pour "lever" cette surcharge. Ici, le dispatcher a changé la topologie d'un poste pour y passer à 2 nœuds électriques : cela sert à répartir de manière différente l'énergie, et par conséquent de mieux équilibrer l'intensité sur les lignes. On revient par conséquent à une situation pérenne. D'autres solutions, plus contraignantes, auraient pu être adoptées pour lever la surcharge :

Le réseau de répartition

Entre les 2 postes rouges, la structure est bouclée. Les réseaux de répartition ont fréquemment cette structure dans les régions faiblement consommatrices

Les réseaux de répartition sont à haute tension (de l'ordre de 30 à 150 kV) et ont pour but d'assurer à l'échelle régionale la fourniture d'électricité. L'énergie y est injectée principalement par le réseau de transport via des transformateurs, mais également par des centrales électriques de moyennes puissances (inférieures à à peu près 100 MW). Les réseaux de répartition sont distribués de manière assez homogène sur le territoire d'une région.

Ils ont une structure à la fois maillée et bouclée suivant les régions reconnues. Contrairement aux réseaux de transport qui sont toujours bouclés (pour pouvoir assurer un secours immédiat en N-1), les réseaux de répartition peuvent être exploités bouclés ou débouclés selon les transits sur le réseau (débouclé veut dire qu'un disjoncteur est ouvert sur l'artère, limitant ainsi les capacités de secours en N-1). Les problèmes de report de charge se posent aussi pour le réseau de répartition, sa conduite est par conséquent assurée en coordination avec celle du réseau de transport et nécessite aussi des moyens de simulation en temps réel.

Le réseau de distribution

Article détaillé : Réseau de distribution électrique.
Les réseaux de distribution sont le plus souvent basés sur une structure arborescente de réseau : à partir d'un poste source (en rouge), l'énergie parcourt l'artère mais aussi ses dérivations avant d'arriver aux postes de transformation MT/BT

Les réseaux de distribution ont pour but d'alimenter la totalité des consommateurs. Il existe deux sous niveaux de tension :

Contrairement aux réseaux de transport et répartition, les réseaux de distribution présentent une grande diversité de solutions techniques à la fois selon les pays concernés, mais aussi selon la densité de population.

Les réseaux à moyenne tension (MT) ont de façon particulièrement majoritaire une structure arborescente, qui autorise des protections simples et peu coûteuses : à partir d'un poste source (lui-même alimenté par le réseau de répartition), l'électricité parcourt une artère (ou ossature) sur laquelle sont reliées directement des branches de dérivation au bout desquelles se trouvent les postes MT/BT de distribution publique, qui alimentent les réseaux basse tension (BT) sur lesquels sont raccordés les plus petits consommateurs. La structure arborescente de ces réseaux implique qu'un défaut sur une ligne électrique MT entrainera nécessairement la coupure des clients alimentés par cette ligne, même si des possibilités de secours plus ou moins rapides existent.

Les ossatures des réseaux à moyenne tension (MT) européens ne sont constituées que des 3 phases, tandis qu'en Amérique du Nord le fil de neutre est aussi distribué (3 phases + 1 neutre). Les dérivations MT quant à elles peuvent être constituées de 1 fil (cas de l'Australie où le retour de courant s'effectue par la terre) à 4 fils (cas des États-Unis), ou encore toujours 3 fils (les 3 phases) comme le réseau français.

Les réseaux MT aériens sont majoritaires en zone rurale, où la structure arborescente prédomine beaucoup. Par contre en zone urbaine les contraintes d'encombrement, d'esthétique et de sécurité amènent à une utilisation massive des câbles souterrains. Les réseaux souterrains étant soumis potentiellement à de longues indisponibilités en cas d'avarie (plusieurs dizaines d'heures), il est fait appel à des structures en double dérivation ou à des structures radiales débouclées pourvues d'appareils automatiques de réalimentation, donnant la possibilité une meilleure sécurité d'alimentation.

Les réseaux BT résultent de la structure des réseaux MT : en Amérique du Nord les réseaux monophasés sont courants (1 neutre + 1 phase), tandis qu'en Europe la distribution triphasée avec fil de neutre est particulièrement majoritaire (1 neutre + 3 phases). La structure arborescente est là aussi de loin la plus commune, car elle est à la fois simple, bon marché, et permet une exploitation facile.

Matériels utilisés dans les réseaux électriques

Le réseau électrique est constitué non seulement de matériel haute tension (dit matériel de puissance), mais également de nombreuses fonctions périphériques telles que la téléconduite ou le dispositif de protection.

Matériels de puissance

Les lignes électriques relient les postes entre eux. À l'intérieur d'un poste, on trouve pour chaque niveau de tension un jeu de barre qui relie les départs lignes et les départs transformateurs.

Les lignes électriques

Article détaillé : ligne à haute tension.
Le câble violet est le câble de garde. Ces pylônes supportent 2 ternes : le rouge et le bleu. Chaque terne est constitué de 3 phases. Chaque phase est supporté par un isolateur.

Les lignes électriques assurent la fonction "transport de l'énergie" sur les longues distances. Elles sont constituées de 3 phases, et chaque phase peut être constituée d'un faisceau de plusieurs conducteurs (de 1 à 4) espacés de quelques centimètres pour limiter l'effet couronne qui génère des pertes en lignes, différentes des pertes Joule. La totalité de ces 3 phases électriques forme un terne.

Un pylône électrique peut supporter plusieurs ternes : en France jamais plus de 2, mais d'autre pays comme l'Allemagne ou le Japon font supporter à leur pylône jusqu'à 8 ternes. Les pylônes sont tous soigneusement reliés à la terre par un réseau de terre efficace. Les pylônes supportent les conducteurs par des isolateurs en verre ou en porcelaine qui résistent aux tensions élevées des lignes électriques. Le plus souvent la longueur d'un isolateur dépend directement de la tension de la ligne électrique qu'il supporte. Les isolateurs sont toujours pourvus d'éclateurs qui sont constitués de deux pointes métalliques se faisant face. Leur distance est suffisante pour qu'en régime normal la tenue de tension puisse être garantie. Leur utilité apparait quand la foudre frappe la ligne électrique : un arc électrique va alors s'établir au niveau de l'éclateur qui contournera l'isolateur. S'il n'y avait pas d'éclateur, la surtension entre le pylône et la ligne électrique foudroyée détruirait toujours l'isolateur.

Un câble de garde, constitué d'un seul conducteur, surplombe quelquefois les lignes électriques. Il est attaché directement au pylône, et ne transporte aucune énergie : il est relié au réseau de terre et son but est d'attirer la foudre afin qu'elle ne frappe pas les 3 phases de la ligne, évitant ainsi les "creux de tension" perturbant les clients. Au centre du câble de garde on place quelquefois un câble fibre optique qui permet de 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.

Les transformateurs de puissance

un petit transformateur MT/BT
Article détaillé : Transformateur électrique.

On trouve sur les réseaux électriques deux types de transformateurs de puissance :

Les transformateurs étant des matériels spécifiquement coûteux, leur protections est assuré par différents mécanismes redondants.

Les postes électriques

Article détaillé : Poste électrique.
Poste électrique haute tension

Les postes électriques sont les nœuds du réseau électrique. Ce sont les points de connexion des lignes électriques. Les postes des réseaux électriques peuvent avoir 2 finalités :

De plus, les postes électriques assurent des fonctions stratégiques :

Matériels de surveillance et de contrôle

Protection des réseaux électriques

Article détaillé : Protection des réseaux électriques.

Tout réseau électrique possède des dispositifs de protection pour déconnecter le dispositif de production en cas de defaut sur la ligne. L'objectif est de protéger les 3 constituants d'un réseau électrique :

Matériel de conduite et de surveillance

La conduite s'effectue depuis des centres de conduite régionaux (dispatchings) ou nationaux. Ceux-ci disposent d'instruments de téléconduite (des SCADA, surtout) comprenant des systèmes donnant la possibilité :

Outre les éléments ci-dessus donnant la possibilité la conduite à distance, on trouve aussi des systèmes locaux, pouvant réaliser de façon automatique des manœuvres conçues pour sauvegarder le fonctionnement du dispositif électrique où à rétablir le service quand celui a été interrompu.

Un important réseau de voies de télécommunication fiables et sécurisées est indispensable pour échanger ces informations entre le centre de conduite et les postes qu'il exploite.

Le matériel de surveillance est conçu pour l'analyse a posteriori des incidents. Il comprend principalement des consignateurs d'état chargés de relever la position des organes de coupure, et des perturbographes qui, grâce à un dispositif de mémoire, restituent l'évolution des tensions et des courants au cours du déroulement des incidents. Quand des clients sensibles se trouvent à proximité du poste, des qualimètres, conçus pour mesurer les coupures brèves, peuvent aussi être installés. Les données apportées par ces équipements sont consultées sur place. Par commodité, elles peuvent être transmises à distance, mais la fiabilité demandée aux voies de transmission utilisées est moindre que dans le cas précédent.

Stabilité et réglage des réseaux électriques

Article détaillé : Stabilité des réseaux électriques.

Équilibre production - consommation

Réglage de la tension

La fréquence de rotation étant imposée, le réglage de la tension ne peut se faire qu'en agissant sur le courant d'excitation de la machine synchrone (alternateur).

Stabilité des groupes

Dérégulation des marchés : impact sur les réseaux électriques

Dans le cadre du processus de déréglementation des dispositifs électriques, la question du statut économique et juridique des réseaux s'est posée. La théorie économique reconnaît dans les réseaux électriques, une des formes du monopole naturel, c'est-à-dire une activité qu'il est moins coûteux de confier à un seul acteur économique. Cependant pour des raisons économiques et historiques, dans la quasi totalité des pays, le développement, la maintenance et la conduite des réseaux de transport, ainsi qu'à un moindre degré de distribution était intégrés avec les entreprises de production, dont les démarches de déréglementation cherchaient exactement la mise en concurrence. D'autre part, la théorie économique reconnaît aussi aux réseaux électriques le statut d'infrastructure principale, c'est-à-dire servant à favoriser ou entraver l'accès au marché, qu'il s'agissait de créer.

Pour ces raisons les processus de déréglementation en Europe ou aux États-Unis, ont d'une façon générale imposé une séparation plus ou moins prononcée entre les activités de production connues concurrentielles et les activités de transport, ou alors de distribution, connues monopolistiques.

Cette séparation a pu être :

Il est important par contre de noter que la déréglementation n'a pas modifié les fondements techniques de la gestion des réseaux électriques, surtout elle n'a pas modifié significativement les flux physiques d'électricité dans les réseaux interconnectés, qui restent déterminés par la localisation géographique des moyens de production et des zones de consommation, et les lois de Kirchhoff.

Références

  1. article "Réseaux électriques" de l'Encyclopædia Universalis version 10
  2. article "Réseaux électriques" de l'Encyclopædia Universalis version 10
  3. article Histoire de l'électricité de Wikipedia
  4. Article Nikola Tesla de Wikipédia.
  5. site internet de Stéphane Revel sur le patrimoine du Dauphiné [lire en ligne], page consulté le 6/06/2007
  6. article Histoire de l'électricité de Wikipedia
  7. article Histoire de l'électricité de Wikipedia
  8. article Histoire de l'électricité 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 «Réseaux électriques» de l'Encyclopædia Universalis version 10
  13. article Histoire de l'électricité de Wikipedia
  14. Philippe CARRIVE, Réseaux de distribution - Structure et planification, volume D4210, collection Techniques de l'ingénieur, en page 3
  15. article de Wikipedia anglais War of currents
  16. article Histoire de l'électricité de Wikipedia
  17. L'Union européenne a par exemple pour objectif de disposer d'au moins 20% d'énergies renouvelables comme source d'électricité à partir de 2020.
  18. Bulletin ADIT : BE Allemagne 447, intitulé «Un approvisionnement énergétique plus sûr grâce à un "super-réseau intelligent" (SuperSmart Grid)», daté 2009/07/30
  19. Un siècle de transport d'électricité, site internet de RTE, [lire en ligne]
  20. article "Réseaux électriques" de l'Encyclopædia Universalis version 10
  21. Un siècle de transport d'électricité, site internet de RTE, [lire en ligne]
  22. Un siècle de transport d'électricité, site internet de RTE, [lire en ligne]
  23. Philippe CARRIVE, Réseaux de distribution - Structure et planification, volume D4210, collection Techniques de l'ingénieur, en page 6
  24. Électricité en France : les principaux résultats en 2006, DGEMP / Observatoire de l'énergie [lire en ligne]
  25. Jean-Michel Tesseron, «Les pertes des réseaux électriques : estimations et achats», dans ACTU SEE, Société de l'Electricité, de l'Electronique et des Technologies de l'Information et de la Communication, décembre 2006 [lire en ligne]

Voir aussi

Liens externes

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