Moyens de limitation des courants de courts circuits dans les reseaux electriques H.T

A notre époque, sans électricité, la vie quotidienne serait difficilement envisageable, il est donc nécessaire de savoir la produire de manière efficace et continue. Pour répondre à la consommation croissante d’électricité, il a fallu inventer et construire des usines (centrales électriques) capables de produire de l’électricité en grande quantité. Une fois le courant produit, il doit être acheminé vers le consommateur via le réseau électrique constitué par l’ensemble des appareils destinés à la production, au transport, à la distribution et à l’utilisation de l’électricité.

Les investissements humains et matériels affectés aux réseaux électriques sont énormes. Pour cela, le réseau électrique doit répondre à trois exigences essentielles: stabilité, économie et surtout continuité du service.

Les lignes de transport d’énergie électrique constituent une partie essentielle d’un réseau électrique, car elles doivent assurer la continuité de l’alimentation des consommateurs en électricité. Ce qui n’est pas toujours le cas, car ces lignes de transport sont souvent exposés à des incidents ou défauts qui peuvent interrompre ce service et engendrer des pertes financières importantes pour les industriels et des désagréments pour les simples consommateurs.

La majorité des défauts sont dus à des courts-circuits causés souvent par la foudre, la pluie ou les surtensions créer par l’ouverture et la fermeture des disjoncteurs. Ces courts-circuits pouvant être permanents, il est ainsi nécessaire de les détecter et localiser avec précision pour réparer et restaurer l’alimentation dés que possible. C’est pour cela que l’on utilise des dispositifs de protection qui assurent le bon fonctionnement des lignes de transports.

Généralités sur les réseaux électriques 

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 qui permettent de répartir l’électricité et de la faire passer d’une tension à l’autre grâce aux transformateurs. Un réseau électrique est tout d’abord défini par le type de courant électrique qu’il utilise. Les réseaux électriques actuels utilisent un courant alternatif triphasé sinusoïdal. Ce choix décisif découle d’un ensemble de raisons dont la plus importante est la nécessité de transporter l’électricité à une tension élevée. Le transport de puissances importantes sur de longues distances nécessite des tensions élevées. Il faut donc 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 système 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 des 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, notamment : l’existence d’effets inductifs et capacitifs dans les lignes électriques qu’il faut compenser afin d’en limiter les effets sur la tension ;la création d’un effet de peau qui concentre le courant à la périphérie des câbles électriques, augmentant ainsi les pertes Joules et nécessitant dans certains cas des dispositions particulières. Le courant alternatif s’est imposé dans presque tous les réseaux, mais le courant continu reste encore intéressant pour certains projets particuliers où le recours à des stations de conversion onéreuses est nécessaire (exemple des interconnexions sous-marines ou celles de très longue distance où il limite la perte en ligne). 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. Cette facilité d’utilisation à la production et à l’usage dans les machines tournantes constitue les deux grands atouts de la tension sinusoïdale.

Il est tout à fait possible de réaliser un réseau uniquement en courant monophasé. Les raisons qui ont conduit à adopter le réseau triphasé sont les avantages techniques et économiques importants qu’il présente : Un alternateur de très forte puissance ne peut pas fonctionner en produisant un courant monophasé car la puissance fluctuante qui en résulte provoque une destruction de l’arbre de liaison entre l’alternateur et la source d’énergie mécanique qui le met en rotation. En effet, un système monophasé voit sa puissance instantanée passer par une valeur nulle à chaque oscillation de l’onde de tension (lorsque la tension ou l’intensité passe par zéro). La puissance instantanée est donc variable. Au contraire, les systèmes triphasés équilibrés assurent une puissance instantanée constante, ce qui est important en électromécanique.

Normes de la haute tension

La haute tension est un terme qui caractérise, selon des normes européennes, les valeurs de la tension électrique supérieures à 1 000 volts en courant alternatif et 1 500 volts en courant continu. On distingue deux catégories de hautes tensions :

Le domaine haute tension A (ou HTA), ou moyenne tension (MT), concerne les installations électriques dans lesquelles la tension : excède 1 000 volts sans dépasser 50 000 volts en courant alternatif, ou excède 1 500 volts sans dépasser 75000 volts en courant continu.

Le domaine haute tension B (ou HTB) concerne les installations électriques dans lesquelles la tension : excède 50 000 volts en courant alternatif, ou excède 75 000 volts en courant continu. Bien qu’ils ne soient pas normalisés, on utilise également couramment les termes :

Extra-haute tension, pour désigner les tensions en courant alternatif qui sont supérieures à 300 kV et inférieures ou égales à 800 kV Ultra-haute tension, pour désigner les tensions en courant alternatif qui sont supérieures à 800 kV. Il existe actuellement des projets 1 100 kV en Chine et 1 200kV en Inde. Dans les années 1990, il y a eu un projet 1 100 kV très avancé au Japon avec essais de prototypes, mais à ce jour il n’a été exploité qu’en 550 kV. L’appellation très haute tension (THT) est quant à elle une ancienne dénomination de la classe des tensions utilisées pour le transport longue distance de l’électricité, qui concernait les tensions supérieures à 100 000 volts.

Types de réseaux

Le réseau de transport à haute tension
Les réseaux de transport sont à haute tension (HTB) (de 50 kV à 400 kV) et ont pour but de transporter l’énergie des grandes centrales 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). Ces réseaux constituent une vaste grille couvrant le territoire, à laquelle sont raccordées les sources et les utilisations (groupes, transformateurs). Chaque nœud A, B et C constitue un « poste d’interconnexion ». Ce poste est en général constitué par un collecteur principal appelé « jeu de barres » sur lequel se raccordent les lignes, au moyen d’appareils.

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 « N1 » (possibilité de perdre n’importe quel élément du réseau sans conséquences inacceptables pour les consommateurs).

Le réseau de répartition
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 essentiellement par le réseau de transport via des transformateurs, mais également par des centrales électriques de moyennes puissances (inférieures à environ 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 considérées. Contrairement aux réseaux de transport qui sont toujours bouclés (afin de 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 signifie 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 également pour le réseau de répartition, sa conduite est donc assurée en coordination avec celle du réseau de transport et nécessite également des moyens de simulation en temps réel.

Le réseau de distribution
Les réseaux de distribution ont pour but d’alimenter l’ensemble des consommateurs. Il existe deux sous niveaux de tension :

• les réseaux à moyenne tension ou HTA ;
• les réseaux à basse tension sur lesquels sont raccordés les utilisateurs domestiques. 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, ainsi que selon la densité de population. Les réseaux à moyenne tension (MT) ont de façon très 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 forcément 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 trois phases, alors qu’en Amérique du Nord le fil du neutre est également distribué (3 phases + 1 neutre). Les dérivations MT quant à elles peuvent être constituées d’un fil (cas de l’Australie où le retour du courant s’effectue par la terre) à quatre fils (cas des États-Unis), ou encore systématiquement trois fils (les 3 phases) comme le réseau français.

Les réseaux MT aériens sont majoritaires en zone rurale, où la structure arborescente prédomine largement. Par contre en zone urbaine les contraintes d’encombrement, d’esthétique et de sécurité conduisent 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 munies d’appareils automatiques de réalimentation, permettant 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 très majoritaire (1 neutre + 3 phases). La structure arborescente est là aussi de loin la plus répandue, car elle est à la fois simple, bon marché, et permet une exploitation facile.