Le réseau électrique

Définition

Définition d’un réseau électrique

Par réseau électrique on entend un système composé de lignes électriques de diverses tensions, reliant entre eux des postes comprenant des appareils de commutation et des transformateurs.

On a généralement affaire à des systèmes triphasés comprenant trois fils (parfois un quatrième pour le neutre). Le réseau électrique est l’intermédiaire obligé entre producteurs (centrales électriques) et consommateurs.

Il est difficile d’établir une distinction nette entre réseaux d’interconnexion et réseaux de répartition et de distribution. Dans certains cas, des réseaux à 125 kV, voir même à 220 ou 380 kV dans les grandes villes peuvent jouer le rôle de réseaux de distribution. On cherchera donc plutôt à établir des distinctions selon la structure topologique des réseaux considérés.

Les réseaux de distribution sont généralement exploités selon une structure arborescente, où la puissance transitant par le «tronc» est égale à la somme des puissances consommées dans chacune des branches du réseau. Au contraire, les réseaux interconnectés ont une structure maillée, donnant l’apparence d’un filet; dans ces réseaux, il est généralement difficile de calculer la puissance dans chaque ligne et il faut pour cela connaître la puissance injectée et soutirée en chaque point du réseau. On réserve le terme d’interconnexion au réseau à très haute tension de l’UCPTE (Union pour la Coordination de la Production et du Transport de l’Electricité), tandis que le terme de «réseau de répartition» se rapporte généralement à des portions plus petites de réseau, de structures maillées reliées à un petit nombre de points au réseau interconnecté à très haute tension.

Les réseaux traités dans ce qui suit ont donc une caractéristique générale commune: ils sont cons-truits et exploités selon une structure maillée et réticulée. Nous verrons que les inconvénients créés par cette structure de réseau sont très largement dépassés par les avantages considérables que l’on peut tirer d’un réseau interconnecté, du point de vue de l’économie et de la sécurité d’exploitation.

Figure 3.35 : Réseau d’interconnexion européen.

Figure 3.36 : Aucune interconnexion : ce cas de figure est préjudiciable à la sécurité de l’approvisionnement.

~

1 usine de production

1 ligne En cas de défaillance ou d’entretien de l’usine ou de la ligne, le centre consommateur n’est plus alimenté.

Les réseaux

Structure des grands réseaux électriques Les grands réseaux électriques de transport doivent garantir une alimentation sûre et économe.

Le transport est la tâche la plus évidente; il s’agit de relier les usines productrices aux centres consom-mateurs d’électricité.

Les réseaux interconnectés modernes permettent le secours entre sociétés, dans toute l’Europe, en cas de défaillance d’un élément du réseau.

Les réseaux doivent également satisfaire à un critère d’économie. Dans ce contexte, il faut assurer la sécurité du transport avec le moins de lignes possibles, maintenir les pertes au niveau le plus bas possible, et permettre d’engager en tout temps les centrales dont les coûts de production sont les plus avantageux.

Les interconnexions

Les quatre figures (3.36 à 3.39.) illustrent, de maniè-re schématique, le développement de l’idée d’inter-connexion. On constate que la densification et le maillage du réseau permettent une substantielle économie de moyens, tout en conservant une excel-lente sécurité. La figure 3.35. donne une idée, quoique très simplifiée, de la situation en Europe.

On remarque des régions fortement productrices (à gauche sur le dessin), et d’autres fortement consommatrices (à droite sur le dessin) et un rap-port de 12 à 9 (environ 1,3), entre la puissance de production et la puissance maximale consommée.

De plus, si l’on se souvient que les centrales de pro-duction sont de types très divers (hydraulique, ther-mique à flamme ou nucléaire), on conçoit aisément que le réseau interconnecté permet en tout temps l’engagement des moyens de production dont les coûts sont le plus avantageux à ce moment.

Exploitation

Fonctionnement du réseau

Le fonctionnement du réseau est caractérisé par ses deux paramètres fondamentaux, la fréquence et la tension.

La tension dominante dans le réseau interconnecté européen est 380 kV; la tension de 220 kV est encore largement utilisée (par exemple en Suisse ro-mande), mais elle tend progressivement à devenir Figure 3.37 : Interconnexion de niveau 2.

Figure 3.38 : Interconnexion de niveau 3.

Figure 3.39 : Interconnexion de niveau 4.

~

mode commun) groupe ou une ligne est hors

SÉCURITÉ ÉLEVÉE COÛT PLUS FAVORABLE

(coefficient de suréquipement = 1.5 Mise en commun des ressources par

une tension de répartition et à être remplacée, pour l’interconnexion, par le 380 kV. Sans entrer dans des détails techniques, disons que le niveau de la ten-sion en différents points du réseau (ce que l’on appelle le «plan de tension») est étroitement lié à la production et à la consommation d’énergie réacti-ve. Les alternateurs des centrales, les transforma-teurs, les lignes et les consommateurs peuvent être producteurs ou consommateurs d’énergie réactive.

Il n’est pas possible de piloter la consommation ou la production d’énergie réactive des lignes et, sauf cas particuliers, des consommateur; par contre, on peut agir sur les alternateurs et sur le rapport de transformation des transformateurs pour maintenir une tension uniforme sur l’ensemble du réseau.

En théorie, le réglage de la fréquence ne pose pas de problème particulier : lorsque la fréquence diminue, il suffit d’augmenter la production d’une usine, et inversement, jusqu’à ce que l’équilibre entre la production et la consommation soit rétabli.

Lorsque les réseaux de plusieurs sociétés sont interconnectés, il faut en plus s’assurer que la puissance supplémentaire produite (en cas de baisse de fréquence), le soit dans le réseau dont la consommation a augmenté. Toutefois, si la baisse de la fréquence est provoquée par la défaillance soudaine d’une grande unité de production (par exemple une centrale nucléaire), l’exploitant de ce réseau sera bien incapable d’assurer par ses propres moyens le remplacement de la puissance manquante. Pour cela, les exploitants de réseau disposent d’un outil en tout point remarquable, le régulateur fréquence-puissance qui permet :

– d’assurer la stabilité de la fréquence par une participation au réglage de toutes les sociétés raccordées au réseau interconnecté. Ceci est particulièrement important en cas d’incident en-traînant une forte baisse de production chez un des partenaires du réseau,

– de maintenir, à une valeur de consigne, la puissance échangée par le réseau avec chacun de ses réseaux voisins.

Comportement physique du réseau

On croit souvent que, si le réseau A vend 100 MW au réseau B, les lignes reliant ces deux réseaux doivent se charger pour 100 MW. Ceci est inexact dans le réseau interconnecté. En effet, dans un tel réseau, les puissances transitées par chaque ligne dépendent exclusivement des facteurs suivants : – caractéristiques physiques du réseau

(impédan-ce des lignes et des transformateurs, etc.),

Figure 3.41 : Couverture de la charge d’un réseau électrique d’un jour ouvrable par divers producteurs utilisés au mieux.

Figure 3.40 : Courbe de charge d’un réseau électrique lors d’un jour ouvrable (consommation).

HC: Heures dites «creuses». HP: Heures dites«de pointes».

– emplacement et intensité des injecteurs (produc-tion) et soutirages (consomma(produc-tion) dans les dif-férents points du réseau.

De ce fait, les lignes reliant A et B peuvent se charger de beaucoup plus ou beaucoup moins que 100 MW, les autres lignes du réseau participant également à l’échange.

Cette «indiscipline» des flux d’énergie par rapport aux contrats n’est pas un mal, bien au contraire. En effet, le régulateur fréquence-puissance du réseau A va s’assurer que le réseau est bel et bien expor-tateur de 100 MW, et le régulateur du réseau B s’assurera que ce dernier est importateur de 100 MW; le contrat est donc rempli. De plus, les lois

Tous les courants sont

normaux Première tentative de remise en service

après 1s surintensité surtension

par coupure localisée

temporisée rapide

PARTIE SAINE DU RESEAU EN REGIME NORMAL

Figure 3.42 : Organigramme de fonctionnement d’un système de protection de

circuit électrique.

de l’électrotechnique montrent que le courant comme les flux des autres réseaux, se répartit dans le réseau de manière à provoquer les pertes les plus faibles possibles; en d’autres termes, la puissance cherche les chemins dont l’impédance est la plus faible, tout comme dans un réseau d’eau, l’eau cherche le trajet à moindre perte de charge.

Cette façon très «ouverte» de procéder, le réseau étant conçu comme une entité mise à disposition de tous les exploitants, présente donc les avantages suivants :

– liberté très grande des échanges, permettant en tout temps d’utiliser les moyen de production les plus appropriés,

– secours quasiment instantané assuré entre les diverses sociétés par le réglage fréquence-puissance,

– grande sécurité due au maillage du réseau, – minimisation des pertes.

Stockage de l’électricité

Si l’électricité se laisse facilement transporter ou transformer en énergie utile, elle présente par contre le désavantage de ne pas pouvoir être stockée comme telle de façon économique et peu encombrante. On peut tout de même la convertir en énergie hydraulique par pompage, et la reconvertir ensuite en énergie électrique en turbinant l’eau pompée à un moment plus favorable (pompage-turbinage).

Pannes