Les réseaux électriques

Définitions

Un réseau électrique est l'ensemble des infrastructures permettant d'acheminer l'énergie électrique des lieux de production jusqu'aux lieux de consommation. Ce réseau doit aussi assurer la gestion dynamique de l'ensemble production-transport-consommation, mettant en œuvre des réglages ayant pour but d'assurer la stabilité de l'ensemble. Il est constitué de lignes électriques et de postes de transformation.

Rôle du réseau de transport

Le rôle primaire du réseau électrique est d'acheminer de l'électricité à tous les Français. Pour garantir cet accès, on procède au calcul du "critère de défaillance unique". C’est-à-dire qu'on prévoit à tout moment une solution alternative en cas de défaillance d'une ligne de transport.

Pour réussir sa tâche et garantir l'accès à l'électricité à tous, le CNES (Centre National d'Exploitation du Système) fait face à 3 obstacles :

• Il faut produire en temps réel ce qu'on consomme. En effet, on ne sait pas stocker l'énergie produite en période de faible utilisation pour la réinjecter dans le réseau plus tard.
• La consommation varie beaucoup. Elle dépend de nombre facteurs comme la température, la saison, l'ensoleillement, etc.
• Il faut acheminer l'électricité, des zones de productions aux zones de consommation, via les lignes, sans les surcharger.

RTE met à disposition un outil, appelé eco2mix. Cet outil permet d'observer en temps réel plusieurs facteurs importants, comme la consommation et la production, etc. le tout en temps quasi réel (actualisé toutes les 15 minutes).

Architecture

Réseau de transport

Le territoire français est parcouru par plus de 100 000 km de lignes électriques.
Les lignes qui assurent les longs trajets sont des lignes appelées "Très Haute Tension" ou THT et possèdent une tension de 400 kV. Ces lignes permettent de transporter une grande quantité d'énergie tout en limitant au maximum les pertes.

Au fur et à mesure que l'on se rapproche des lieux de consommation, on abaisse progressivement la tension à 225 kV puis 90 kV et enfin 63 kV. Cette diminution progressive de la tension dans les lignes permet de répartir au mieux l'énergie tout en limitant au maximum les pertes. Dans certains cas particuliers comme les grosses industries, il est possible de livrer des moyennes, voire hautes tensions (225 kV, 90 kV ou 63 kV).

Une ligne aérienne est généralement composée de trois câbles électriques. On note souvent la présence d'un câble supplémentaire, il s'agit du "câble de garde" qui protège les lignes de la foudre en étant placé au-dessus. En plus des 100 000 km de ligne aérienne, le réseau français dispose de près de 6 000 km de lignes enfouies (aussi appelées lignes souterraines).

Le réseau de transport est dirigé au niveau national par le Centre National d'Exploitation du Système (CNES). Ce centre est responsable de l'équilibre du système entre la production et la consommation ainsi que les échanges commerciaux avec les pays voisins (Italie, Espagne, Suisse, Allemagne, Belgique). Il s'occupe des "autoroutes de l'électricité" c’est-à-dire des lignes de 400 kV.

On a ensuite sept centres régionaux qui s'occupent localement des lignes de plus faible tension. Ces centres gèrent donc des "Régions" et sont subdivisés comme suit :

• Région Sud-Est
• Région Grand Est
• Région Nord
• Région Sud-Ouest
• Région Parisienne et Normandie
• Région Ouest
• Région Rhône Alpes Auvergne

Ces centres régionaux veillent en temps réel à l'équilibre consommation-production électrique dans les zones concernées.

Réseau de distribution

L'interface entre le réseau de transport et le réseau de distribution se fait par pas moins de 2 200 postes de transformation. Ces postes ont pour but d'abaisser les Hautes Tensions (90 kV, 63 kV, 20 kV) en tension utilisable par le consommateur (220V dans le cas d'un particulier).

Le réseau de distribution est donc bien plus long, il mesure pas moins d'1,3 million de kilomètres.

Ce réseau n'est pas contrôlé par un unique acteur, comme le réseau de transport, mais par près de 200 régies ou entreprises locales. On cite le plus souvent Enedis qui contrôle à lui seul 95 % du réseau de distribution, mais on peut aussi citer SER (Strasbourg Électricité Réseau) qui est une entreprise privée qui fournit de l'électricité à près de 540 000 clients. La Commission de Régulation de l’Énergie (CRE) régule les plus grands de ces gestionnaires de réseau de distribution.

Le développement de la production d’énergie décentralisée (éolien, photovoltaïque, etc.) et de nouveaux usages (autoproduction, électro-mobilité, etc.) modifient le rôle des réseaux de distribution qui deviennent collecteurs de l'énergie produite par les plus petites installations de production.

Stabilité du réseau

Elle est caractérisée par les fluctuations de puissances transitées dans le réseau et se mesure par les variations dans le temps des tensions et des fréquences associées.

Il faut distinguer :

• La stabilité en régime statique : le réseau a un comportement stable, c’est-à-dire que, soumis à de petites perturbations, il revient à son point de fonctionnement initial, ceci avec d’éventuelles oscillations amorties jusqu’au retour à l’équilibre.
• La stabilité en régime transitoire : lorsque l’on passe d’un état stable statique à un autre, suite à une perturbation durable voulue ou non, ce changement d’équilibre s’accompagne d’un régime variable oscillatoire amorti considéré comme acceptable eu égard à des fourchettes prédéfinies de ΔU, Δf, Δt.
• L’instabilité en régime transitoire est observée lorsque, suite à une perturbation importante, le régime oscillatoire est divergent. Il induit une perte d’alimentation ou un nouvel état stable inacceptable (ex : moteur qui "rampe").
• La stabilité en régime dynamique : le réseau est apte à éviter tout régime oscillatoire divergent et à revenir à un état stable acceptable. Ceci inclut l’intervention éventuelle des protections et des automatismes divers fonction des perturbations envisagées.

Les études de stabilité dynamique consistent à :

• Envisager les principaux scénarios critiques tels que court-circuit, perte d’énergie mécanique, perte de source électrique, variation de charge, contraintes de processus.
• Prédire le comportement du réseau face à ces perturbations.
• Préconiser les mesures à prendre en exploitation, telles que type de protection, réglage de relais, délestages, configurations… pour éviter les modes de fonctionnement indésirables.

Les machines asynchrones

Par leur présence majoritaire dans les réseaux industriels (jusqu’à 80 % de la puissance consommée dans certaines installations), les moteurs asynchrones ont un rôle prépondérant dans les phénomènes de stabilité. La stabilité du moteur dépend des positions relatives des courbes de couple moteur et résistant. Si le moteur subit une coupure ou un fort creux de tension pendant quelques instants, il va ralentir et se retrouver à une vitesse réduite, par exemple 70 % de la vitesse de synchronisme. La solution est souvent l’utilisation d’un automate de délestage et relestage progressif des charges. La stabilité peut donc être gérée en minimisant l’appel de courant et donc la chute de tension.

En résumé, les moteurs asynchrones sont des acteurs importants dans le cadre de la stabilité dynamique et peuvent rencontrer des difficultés de fonctionnement suite à un passage brusque sous tension réduite.

Les machines synchrones

Les machines synchrones sont fréquentes dans les réseaux industriels. Elles peuvent être installées pour les besoins suivants :

• Récupération de l’énergie d’un processus exothermique ou cogénération
• Répondre à un besoin d’une source électrique complémentaire pour :
• contrat Effacement Jours de Pointe (EJP)
• Secours
• Pointes
• compensation d’énergie réactive

Elles jouent un rôle prédominant dans les phénomènes de stabilité des réseaux.

La stabilité statique

Avec :

• R : résistance statorique
• X : réactance directe statorique
• E : f.e.m. statorique créée par l’enroulement d’excitation rotorique
• U : tension aux bornes du stator en charge

L’angle interne δ de la machine est défini comme l’angle entre les vecteurs U⃗  et U⃗ .
Cet angle est égal à celui dont le rotor est décalé par rapport à sa position de fonctionnement à vide (si I=0, δ=0). En négligent R, un calcul rapide montre que la puissance électrique active transmise au réseau se calcule par : P=(E.U.sinδ)/X.

Il est clair que la puissance électrique transmise au réseau est limitée à la valeur de : (E.U)/X, valeur qui est atteinte pour δ=90°.

La stabilité dynamique

Les problèmes de stabilité dynamique résultent du passage de la machine d’un état stable à un autre. En conséquence, l’angle interne maximal δmax, peut être supérieur à 90 ° de façon transitoire. La limite de stabilité dynamique est donc plus élevée que la limite de stabilité statique.

Pactive=(E.Ucharge)/Xtotal.sinδ

Avec : Xtotal=Xgenerateur+Xtransformateur+Xligne

Ainsi il en découle deux remarques importantes :

• les risques de pertes de stabilité dynamique sont liés à des changements d’états importants et brusques du réseau ou de la turbine
• les risques de pertes de stabilité dynamique sont d’autant plus importants que la puissance fournie par la machine synchrone est proche de la limite de stabilité statique.

Les conséquences

Connaissant le temps d'élimination du défaut, il est possible de connaître l'angle interne maximal en opération pour éviter le risque de sur-vitesse en cas de court-circuit pour le générateur. On le note : δmax,total

Il est lié à l'impédance Xtotal, qu'on peut décomposer en plusieurs parties.

On peut donc de même décomposer l'angle en fonction de ses causes : δtotal=δgenerateur+δtransformateur+δligne

Le premier étant connu, le dernier est appelé angle de transport, il augmente avec la longueur de la ligne. On a donc : δmax,generateur=δmax,total−δtransformateur−α, avec α l'angle de transport.

Plus la ligne est longue, plus l'angle interne du générateur doit être faible, la marge de manœuvre est réduite. Si ce critère n'est pas respecté, il y a un risque en cas de défaut que le générateur perde son synchronisme. Autrement dit que la centrale électrique cesse d'alimenter le réseau.

Black-Out

Définition

Un black-out est un effondrement de la totalité du réseau électrique qui peut être la conséquence d’une pénurie s’étant aggravée ou d'un problème technique imprévu.

En cas de pénurie d'électricité, nous pouvons habituellement compter sur les pays voisins, qui peuvent envoyer une partie de leur surproduction vers notre réseau mais ce n'est pas toujours possible.

À ce moment-là, il se peut donc que la demande d'électricité dépasse l'offre. On parle alors d'un déséquilibre entre production et consommation qui provoque une baisse de la fréquence nominal.
Ce déséquilibre est dangereux, car il pourrait entraîner l'effondrement du réseau d'électricité voir même créer une réaction en chaîne pouvant entraîner un black-out sur l'Europe.

Pour éviter le black-out, on pratique délestage. Cette réduction partielle et intentionnelle de la consommation d'électricité devrait alors permettre aux centrales électriques de rétablir l'équilibre.

France : Black-out de 1999

Fin décembre 1999, deux tempêtes exceptionnelles par leurs intensités frappent de plein fouet l'Europe, en particulier la France, où pas moins de 3,6 millions de personnes se retrouvent sans courant.

Paris échappe de peu au black-out, grâce aux équipes d'EDF qui limitent les dégâts sur le réseau électrique français. Cependant, la violence des tempêtes met à terre pas moins de 23 000 poteaux électriques et pylônes à haute tension, et provoque l'arrêt de 3 centrales nucléaires, dont celle de Braud-et-Saint-Louis, près de Blaye, en Gironde qui est partiellement inondée.
À certains endroits, il faut 19 jours pour rétablir le réseau. Au vu de l'étendue des dégâts et des dommages causés, c'est la pire destruction qu'ait subi le réseau électrique français depuis sa création.

Réseau éléctrique à bord des navires

Les navires sont des gros consommateurs d'énergies, les besoins en énergies sont pour essentiellement:

• Les équipements servant à la manœuvrabilité.
• Les circuits de commandes et de surveillance.
• Les installations de sécurité.
• Les systèmes de vie à bord.
• Les équipements spécifiques.

Puissance d'un navire de 150 mètres entre 5 000 et 10 000KW

Tension du réseau classique d'un navire militaire 440V et 230V à partir des années 2010, 115V pour les navires d'anciennes génération.

Tension continue à 380V en plus pour les sous-marins. Fréquence navire militaire à 60Hz.

Il y a environ 300 km de câble dans un navire de 150 mètres.