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Ouseini Amadou Kotia

Seydou Moussa Adamou

Professeur

Dr MADOUGOU Saidou

Thème: Perturbations, protections et Court-circuit dans les réseaux

d’énergie - Qualité de l’énergie: distorsion de la tension

Présenté par

Master 2 EEA 2013

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Sommaire Introduction .................................................................................................................................. 5

I Perturbations et protections ..................................................................................................... 6

I 1 Arcs de défaut sur les jeux de barre des tableaux .............................................................. 6

I 1.1 naissance de l’arc de défaut .......................................................................................... 6

I 1.2 Dégradation dues à l’arc............................................................................................... 8

I 1.3 Obstacle sur le parcours de l’arc .................................................................................... 9

I 1.4 Les perturbations engendrées par de l’arc ..................................................................... 9

I 1.5 les protections contre l’arc........................................................................................... 9

I 2 Effet de peau .................................................................................................................... 13

I 2.1 Cause ........................................................................................................................ 13

I 2.2 Mise en évidence par Nikola Tesla............................................................................. 14

I 2.3 Épaisseur de peau dans un métal................................................................................. 14

I 2.4 Modélisation dans un conducteur cylindrique en régime harmonique ............................ 15

I 2.5 Atténuation de effet de peau ....................................................................................... 16

I 3 Effet de proximité ............................................................................................................. 16

I 3.1 Atténuation de l’effet de proximité .............................................................................. 17

I 4 Creux de tension .............................................................................................................. 17

I 4.1 Origine des creux de tension....................................................................................... 17

I 4.2 Conséquences des creux de tension.............................................................................. 18

I 4.3 comment remédier au problème de Creux de tension .................................................... 18

I 5 Flickers ......................................................................................................................... 18

I 5.1 comment remédier au problème de Flickers.................................................................. 18

I 6 Les phénomènes transitoires ............................................................................................. 19

I 6.1 comment remédier au problème de phénomènes transitoires .......................................... 19

I 7 Variations de fréquence.................................................................................................... 19

I 7.1 comment remédier au problème de Variations de fréquence .......................................... 19

I 8 les Harmoniques ................................................................................................................ 19

I 8.1 comment remédier au problème d’Harmoniques ............................................................ 20

I 9 Court-circuit...................................................................................................................... 20

I 9.1 Causes ....................................................................................................................... 20

I 9.2 Conséquences ............................................................................................................ 20

I 9.3 Moyens de protection ................................................................................................. 21

I 10 Déséquilibre du courant et de la tension........................................................................... 21

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I 10.1 Origine du déséquilibre ............................................................................................ 21

I 10.2 Conséquences du déséquilibre .................................................................................... 21

I 10.3 Réglementation ........................................................................................................ 22

I 10.4 comment remédier Déséquilibre du courant et de la tension ......................................... 22

I 11 Défaut phase-terre........................................................................................................... 22

I 11.1 Causes .................................................................................................................... 22

I 11.2 Conséquences.......................................................................................................... 22

I 11.3 Moyens de protection............................................................................................... 23

I 12 Les surcharges ............................................................................................................... 23

I 12.1 comment remédier aux défauts de surcharges ............................................................. 23

I 13 Les surtensions ............................................................................................................... 24

I 13.1 comment remédier aux défauts surtensions ............................................................... 24

II les appareils et les moyens de protection.................................................................................. 24

II 1 Protection des groupes de production ................................................................................ 24

II 2 Protection des ouvrages du réseau de transport ................................................................. 25

II 2 .1 Les lignes aériennes.................................................................................................. 26

II 2.2 Les lignes souterraines ............................................................................................ 27

II 2.3 Les isolateurs .......................................................................................................... 27

II 2.4 Les postes .............................................................................................................. 28

II 2.5 Le disjoncteur .......................................................................................................... 28

II 2.6 Le sectionneur ........................................................................................................ 29

II 2.7 Protection des transformateurs de puissance ................................................................ 30

II 2.8 Le relais thermique .................................................................................................... 30

II 3 Protection des ouvrages du réseau de distribution ............................................................. 32

II 3.1 Notion de sélectivité ................................................................................................... 32

II 3.2 Protéger efficacement son matériel contre les orages .................................................... 33

II 3.3 Tableau électrique ...................................................................................................... 42

III Couplage de transformateurs triphasés .................................................................................... 42

III 1 les différents types......................................................................................................... 43

III 1.1 Connexion étoile ....................................................................................................... 43

III 1.2 Connexion triangle .................................................................................................... 43

III 1.3 Connexion Zigzag .................................................................................................. 44

III 2 Symbole de couplage ........................................................................................................ 44

III 3 Comparatif ..................................................................................................................... 45

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III 4 Utilisations ..................................................................................................................... 45

IV Régime de neutre.................................................................................................................. 46

IV 1 Les Cinq régimes de neutre............................................................................................ 46

V La méthode des composantes symétriques .............................................................................. 46

VI Filtres Passifs ........................................................................................................................ 47

VI 1 Principe .......................................................................................................................... 47

VI 2 Différents types de filtres parallèles ( ou passifs shun) ....................................................... 48

VI 3 Avantages et inconvénients des filtres passifs .................................................................. 50

VII Filtres actifs ......................................................................................................................... 51

VII 1 Principe ....................................................................................................................... 51

VII 2 Principaux types de filtres actifs ..................................................................................... 51

VII 2.1 Le filtre actif parallèle (F.A.P) ................................................................................... 51

VII 2.2 Le filtre actif série (F.A.S) .......................................................................................... 52

VII 2.3 La combinaison parallèle-série actifs (UPQC) ............................................................ 52

VII 2.4 Combinaison hybride active et passive ...................................................................... 53

VII 2.4.2 Le filtre actif série connecté en série avec des filtres passifs parallèles ..................... 54

VIII Courant de court-circuit....................................................................................................... 55

VIII 1 Intérêt du calcul du courant de court-circuit ................................................................... 55

VIII 2 Types de court-circuit ................................................................................................... 56

VIII 3 Courants calculés suivant la norme CEI 60909 ............................................................... 56

VIII 4 Méthodes de calcul employées ..................................................................................... 57

VIII 5 Machine Synchrone ..................................................................................................... 58

VIII 6 Moteur Asynchrone .................................................................................................... 59

VIII 7 Calculs par ordinateur .................................................................................................. 59

VIII 8 Formules de calcul du courant de court-circuit............................................................... 59

IX Qualité de l’énergie: distorsion de la tension ........................................................................... 59

IX 1 Qualité de l’énergie électrique ......................................................................................... 59

IX 1.1 Qualité de la tension ................................................................................................. 60

IX 1.2 Qualité du courant ................................................................................................... 60

IX 1.3 Distorsion .................................................................................................................. 60

X Smart grid, une solution pour optimiser son réseau électrique ................................................... 61

X 1 Terminologie ................................................................................................................... 62

X 2 Intérêt du réseau intelligent ............................................................................................... 63

X 2.1 Une consommation variable....................................................................................... 63

5

X 2.2 Une consommation variable....................................................................................... 63

X 2.3 Optimiser l'acheminement de l'électricité .................................................................... 64

X 2.4 Contrôle du réseau .................................................................................................... 64

X 3 Technologies et moyens mis en œuvre ............................................................................... 65

X 4 Efficacité ..................................................................................................................... 66

V 5 Compteurs intelligents ..................................................................................................... 67

V 6 Acceptabilité par le public et enjeux économiques ............................................................ 67

X 7 Aspects financiers ........................................................................................................... 68

X 8 Prospective ..................................................................................................................... 69

Conclusion .................................................................................................................................. 69

Références.................................................................................................................................. 70

[12] http://electra.afrikblog.com/archives/2010/03/01/16746350.html................................ 70

Introduction

Un réseau électrique comporte trois parties :

Les unités de production, chargées de fournir l'énergie au réseau ;

Le réseau de transport à haute tension, chargé de transporter massivement l'énergie sur de grandes distances et d'assurer l'interconnexion entre les centrales de production ;

Les réseaux de distribution à moyenne et basse tension, chargés de livrer l'énergie aux utilisateurs. [wikipedia]

La mesure et l’analyse de la Qualité de l’Électricité fournie aux clients industriels et particuliers est un enjeu majeur pour les fournisseurs et les commercialisateurs d’électricité.

Elles reflètent une demande forte de la part d’un grand nombre de clients. Pour évaluer la Qualité d’Électricité, poser des diagnostics et proposer des solutions, des outils de traitements automatiques et intelligents sont nécessaires. Ils cherchent à détecter, identifier et localiser les

évènements responsables de creux, de variations de tension, des harmoniques, des coupures, des courts-circuits, des arcs, des effets de peau, des effets de proximité, des décharges suite à

la foudre…. Et tous ces défauts doivent être atténués ou éviter grâce à des appareils de protections qui seront insérés dans le réseau. Un réseau, pour être protégé d’une manière efficace c’est à dire pour répondre à un défaut

dans un laps de temps très court, a besoin d’être automatisé.

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I Perturbations et protections

I 1 Arcs de défaut sur les jeux de barre des tableaux

L’arc électrique est constitué d’une colonne gazeuse conductrice(plasma) portée à la

température : 6 à 12000 k. sa forme, quelconque, n’a généralement pas celle d’un arc comme

le laisse supposer son nom, sa section peut être considérée comme circulaire en l’absence de

contraintes externe ;elle résulte de l’équilibre entre la pression interne des gaz chauds de la

colonne et la striction magnétique due au passage du courant.la transmission du courant est

assuré dans l’arc par des électrons libre se déplaçant en sens inverse du sens conventionnel du

courant. Les particules ionisées positives présentes dans la colonne en nombre presque égal à

celui des électrons ne véhiculent qu’une très faible partie du courant en raison de leur masse

beaucoup plus élevée que celle des électrons. Elles ont pour effet de compenser la charge

d’espace des électrons. La tension de l’arc va de 20 à 300volts. Sa formule est Ua=Ue +lE

Ue est la somme des chutes de tension cathodique et anodique, 20v en moyenne

L est la longueur de l’arc (cm)

E est le gradient de potentiel (V/cm) de la colonne d’arc.

La probabilité d’apparition d’un arc de défaut sur un jeu de barres ne peut être considéré

comme nulle. Son comportement et sa vitesse ont été analysés par un dispositif réalisant des

photographies à grande cadence. Il appariait que les destructions provoquées par l’arc sont

d’autant plus réduites que sa vitesse est grande et que son déplacement n’est pas bloqué. le

constructeur du tableau, l’installeur et l’exploitant doivent prendre toutes les précautions pour

réduire la probabilité d’apparition d’un arc, ainsi que ses conséquences.

[6]

I 1.1 naissance de l’arc de défaut

Les causes d’apparition d’un arc de défaut dans une installation peuvent se classer en trois

catégories :

Les causes évolutives ;

Les causes mécaniques ;

Les surtensions.

a) Les causes évolutives

Elles résultent d’un affaiblissement progressif de la résistance d’isolement entre les phases, ou

entre phase et masses. Cet affaiblissent peut être la conséquence de dépôts qui, lors d’une

condensation ou d’un état hygrométrique exceptionnel, peuvent entrainer la formation d’un

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pont de résistance superficiel telle qu’un cheminement à la surface des isolants puisse se créer

suivant la nature des isolants. Ce défaut initial peu s’éliminer de lui-même ou bien s’aggraver

avec la création d’un arc de défaut. Ce phénomène est constaté parfois lorsqu’on remet sous

tension une installation, après plusieurs jours d’arrêt, période pendant laquelle des

condensations ont pu se produire du fait que l’installation n’est plus à une température

supérieure à l’ambiante. C’est le cas en particulier des installations de verrerie où

l’atmosphère véhicule des poussières de carbonate de soude et où les risques de variation

d’hygroscopicité sont élèves. Le résultat final sera le même si la pollution superficielle des

isolants est la conséquence d’éclaboussures de liquides contenant des électrolytes. L’accident

peut passer inaperçu et se produire au cours du transport et des manutentions des éléments de

l’installation. Il se révélera plus tard, en exploitation lors des conditions hygroscopiques

exceptionnelles, il en sera de même des condensations sur des matériels stockés en bord de

mer et mal protégés. La dégradation progressive de l’isolation peut également résulter d’un

échauffement local accidentel dû par exemple à un mauvais serrage ou à un desserrage

progressif d’un raccordement. L’élévation de température au voisinage immédiat du point

défaillant peut entrainer la décomposition et la carbonisation progressive des isolants voisins

puis la naissance d’un arc de défaut, d’abord entre phase ou entre phase-masse et dégénérant

en défaut triphasé. [6]

b) Les causes mécaniques

Elles résultent de l’intervention d’un élément conducteur étranger à la structure même de

l’installation.

C’est le cas des interventions maladroites de la part du personnel d’exploitation : les

consignes fixant les précautions à prendre pour intervenir sur les parties sous tension ne sont

pas toujours strictement observées. On constate par exemple, dans le but de ne pas perturber

le fonctionnement général d’une installation, un électricien désirant faire une vérification,

ouvre les panneaux arrières d’un tableau, et sur les jeux de barres ainsi accessibles pense

travailler en prenant suffisamment de précautions. Qu’un outil glisse et échappe des mains,

qu’une lampe témoin (interdite) explose et c’est l’amorçage général avec le risque de brulures

graves pour l’operateur imprudent. Le résultat sera identique si un objet conducteur

« oubliée » à la partie supérieure d’un tableau (outil, portion de barre, écrou, rondelle, cale

métallique, etc..), arrive à se déplacer peu à peu sous l’effet des vibrations et tombe entre deux

barres, ou entre deux boulons de serrage d’un câble.

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On peut rapprocher de ces incidents ceux qui résultent de la présence insolite d’un animal à

l’intérieur d’un tableau (chat, oiseau, rat, etc). [6]

c) Les surtensions

Seules des surtensions de valeur élevée provoquent des amorçages dans un tableau

correctement conçu et installée. Pourtant ces cas exceptionnels peuvent se produire en

particulier en BT. Des surtensions atteignant 8 à 10 kV ont été détectées dans des réseaux BT.

Elles proviennent de la transmission par les capacités du transformateur MT/BT de

surtensions « normales » survenant en MT, par exemple à l’occasion de la coupure du

courant magnétisant d’un transformateur à vide. L’installation de parasurtenseurs sur les

bornes BT du transfo est le meilleur moyen de se prémunir contre ce genre d’incident.

[6]

F : force électrodynamique s’exerçant sur l’arc accroche sur 2 conducteurs parallèles

V vitesse de l’arc

R : Resistance de l’air R=KV2d

K : coefficient dépendant de la géométrie de l’arc assimile à un corps solide.

Remarque : le mouvement devient très rapidement uniforme lorsque F=R

[6]

[6]

Figure 1 : arc électrique [6]

Vitesse de déplacement de l’ordre de 200 à 250 m/s pour des intensités d’environ 15 à 20KA

eff sur un jeu de barres BT séparées par 300mm.

I 1.2 Dégradation dues à l’arc

Si l’arc de défaut se propage librement sur des barre sans discontinuités ni changement de

plans trop brusques, sans rencontrer d’obstacles métalliques ou isolant, son passage ne

provoque pratiquement aucune détérioration. Les racines d’arc se déplacent par sauts

successifs en laissant des traces insignifiantes, sortes de petites taches circulaires de quelques

mm de diamètre. Par contre si l’arc est freiné ou stoppé dans sa course, même pendant

quelques centimètres de seconde, il provoque alors de sérieux dégâts : fusion de métal,

combustion d’isolant. [6]

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I 1.3 Obstacle sur le parcours de l’arc

Le comportement de l’arc vis-à-vis des discontinuités des barres sur lesquelles il se propage,

comme des obstacles qu’il rencontre reste cependant relativement aléatoire.

Ainsi un changement brusque de direction sur un jeu de barres rectiligne peut amener l’arc

soit à se stabiliser sur l’angle vif formé par les barres, soit à continuer sa propagation dans la

nouvelle direction qui lui est imposée.

Pour stopper la propagation de l’arc, le procédé apparemment le plus approprié est de faire

passer les barres à travers un écran isolant. Celui-ci ne remplira correctement sa fonction que

s’il constitue une véritable traversée moulée autour de barres conductrices. Un jeu de l’ordre

du millimètre entre l’écran isolant et le métal des barres est suffisant pour permettre aux gaz

ionisés de provoquer le réamorçage de l’autre coté de l’écran.

I 1.4 Les perturbations engendrées par de l’arc

L’effet thermique

Il constitue la plus importante manifestation de l’arc électrique. La chaleur dégagée fond le

métal, carbonise les isolants. Par exemple il suffit d’un courant de défaut de 10 000A pendant

1/10 de sec pour fondre la moitié d’un câble de 150mm2. [6]

L’effet de pression

Peu d’enceintes ou porte de tableaux résistants à de telles pressions internes, d’ou une

aggravation des dégâts causés aux installations. [6]

L’effet d’ionisation

Il peut provoquer des rallumages entre pièces sous tension séparées par un intervalle

d’isolement pourtant correct en atmosphère normale. Ces rallumages entrainent la formation

d’arcs secondaires indépendants de l’arc initial et qui se propagent sur des portions

différentes. Ceci explique les amorçages multiples que l’on constate après un coup de feu

dans un tableau et rendent difficile la recherche de l’origine exacte du défaut. [6]

I 1.5 les protections contre l’arc

I 1.5.1 Réduire la possibilité de naissance d’un arc Les dispositifs à prendre doivent faire face aux risques correspondants qui sont de trois

natures :

Les risques 1 :

Ils relèvent de l’exécution même de l’ensemble de l’installation : qualité des isolants,

distances minimales d’isolement, efficacité du serrage des raccordements, rigidité des

éléments de barres entre supports, tenue des barres aux surintensités éventuelles

(échauffement, résonance), accès d’animaux dans les parties sous tension.

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Les risques 2 :

Ils résultent de l’accident plus ou moins prévisible : introduction intempestive d’eau

ou de vapeur d’eau dans un tableau, choc de véhicules ou de charges résultant de

fausses manœuvres, vibrations excessives dues à la proximité de certaines machines.

Les risques 3 :

Ils sont consécutifs à l’intervention de personne.

Comment éviter ces risques ?

Les risques 1, peuvent être éliminés par une construction soignée et par des

vérifications complètes en fin de construction chez le constructeur, puis avant mise

sous tension sur les lieux d’utilisation. Il faut noter ici toute l’importance qu’à la

conception même du matériel ; de la valeur technique et de l’expérience du personnel

des bureaux d’études dépendent directement la sécurité d’exploitation des

installations.

Les risques 2, s’ils ne peuvent être totalement éliminés, sont toutefois réduits par le

choix de l’implantation des différentes parties de l’installation. Le cas particulier des

tableaux installés à bord des navires est à signaler spécialement : il a été constaté des

arcs de défauts dus à l’arrivée d’eau de mer sur les jeux de barres par les ga ines

d’aération ou par des condensations abondantes résultant d’une fuite de vapeur

importante. Ces accidents peuvent être évités par une étude préalable complète de ces

risques externes et des moyens propres à les éliminer.

Les risques 3 sont directement lies à l’établissement et au respect des consignes

d’exploitation et d’intervention du personnel autorise à intervenir doit être garantie :

du sérieux que ce personne apporte à son travail dépend directement la sécurité de

l’ensemble d’une installation ou d’une usine, et bien plus, sa propre sécurité.

Il est toujours possible de concevoir et réaliser des tableaux dont les jeux de barres et

dérivations sont à l’abri de toute intervention maladroite du personnel.

Une première méthode consiste à placer toutes les barres sous tension dans des gaines

métalliques permettant ainsi au personnel de travailler en sécurité sur les circuits de

contrôle voisins.

La méthode la plus sure mais aussi la plus couteuse (très pratique aux USA) conduit à

gainer totalement toutes les barres, connexions et pièces de raccordement par

trempage des conducteurs dans un isolant genre rilsan, et enrubannage après montage

de toute les autres pièces sous tension. [6]

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I 1.5.2 Limitation des conséquences d’un arc a) Réduire l’intensité du défaut

Les effets thermiques sont proportionnels à cette intensité Icc de court-circuit souvent

réductible dans de fortes proportions en BT par l’utilisation de disjoncteurs limiteurs. Il est

donc recommandé d’utiliser ces matériels comme disjoncteurs d’arrivée des tableaux, lorsque

leurs caractéristiques (calibre, sélectivité partielle) sont compatibles avec l’installation. Mais

dans les réseaux BT dont la puissance élevée est fournie par plusieurs transformateurs ou

générateur en parallèle, la valeur du courant de court-circuit sur le jeu de barres peut atteindre,

ou même dépasser 100 000 A eff. D’où un risque de destructions très important en cas de

défauts dans le tableau.

Ce risque est sensiblement réduit en adoptant des schémas de distribution ana logues à ceux

des réseaux de bord des navires, dont on connait le haut degré de sécurité. [ 6]

[6]

Figure 2 : Les générateurs sont repartis sur deux demi- jeux de barres connectés en

permanence, pour des nécessités d’exploitation, par un disjoncteur de couplage.

Cet appareil d’un calibre élevé 3000 A à 6000 A généralement, doit être très limiteur, ce qui

nécessite de faire appel à un principe de concession très différente de celui des limiteurs

classiques. En effet le pouvoir de limitation des limiteurs classiques diminue lorsque le calibre

augmente ; il n’y a d’ailleurs pas d’appareils de ce type au-delà de 2000 A.

Merlin Gerin a donc développé pour résoudre ce problème un disjoncteur limiteur ultra-

rapide DURT dont le temps d’ouverture est inferieur à 1ms. Le courant de court-circuit sur le

jeu de barres se trouve réduit à prés de la moitié de sa valeur calculée avec toutes les sources

fonctionnant en parallèle. D’où un risque réduit en cas d’accident majeur sur le tableau.

D’autre part cette diminution importante du courant de court-circuit réduit dans la même

proportion le pouvoir de coupure de tous les disjoncteurs de départ ; l’économie ainsi réalisée

sur ces appareils compense le cout supplémentaire d’un disjoncteur de couplage limiteur. [6]

b) Réduire la durée de défaut

Les effets thermiques sont aussi proportionnels à cette durée t que l’on cherchera à réduire en

provoquant l’élimination du défaut aussi rapidement que possible. Mais les appareils chargés

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de cette mission sont les disjoncteurs de source que les impératifs de sélectivité obligent

souvent à temporiser. Il faudra tout au moins veiller à ce que le réglage des temporisations

soit aussi réduit que possible, sans prendre sur ces temps des marges de sécurité apparente que

l’on regretterait en cas de court-circuit sur le jeu de barres. Il a été montré qu’un défaut de

20 000 A, relativement faible en BT, se propage à 300m/s, presque à la vitesse du son. L’arc a

donc le temps de parcourir 45 mètres pendant les 150 millisecondes de la temporisation.

C’est pour remédier à cette situation que Merlin Gerin a développé un nouveau système : la

sélectivité logique permettant de conserver une sélectivité absolue sans être obligé

d’augmenter la temporisation des disjoncteurs à mesure qu’ils sont installés plus en amont,

principe utilise en sélectivité chronométrique. [6]

c) Ecrans consommables et pièges à arc

Il est possible de concevoir une disposition du jeu de barres telle qu’après une certaine course

l’arc reste accroché sur une extrémité sans pouvoir se propager plus loin : on place alors

devant l’arc un écran « consommable » dont l’épaisseur est déterminée en fonction de

l’énergie probable à absorber. Cet écran peut être soit métallique, l’arc s’emploiera alors à le

fondre, soit d’un isolant minéral suffisamment résistant à la chaleur. Un isolant organique

provoquerait par sa combustion des gaz aux effets dangereux. On peut aussi disposer sur les

barres des pièces de forme appropriée dont la mission est de dériver l’arc dans une direction

où ses manifestations provoqueront moins de dégâts et seront tout au moins contrôlées par un

écran consommable. Ces dispositifs sont dénommés « pièges à arc ». [6]

d) Ecrans, traversées

Le fractionnement d’un jeu de barres en plusieurs tronçons tel qu’il a été évoquée ci-dessus

est avantageusement accompagné d’un isolement physique efficace entre les différents

tronçons. Des traversées constituent des écrans sur lesquels l’arc stoppera mais leur

constitution doit être telle qu’ils résistent le temps nécessaire à la chaleur de l’arc. [6]

e) Avantages des cases unitaires fermées

Il est arrivé qu’un arc de défaut ait pris naissance sur un appareil par la suite de l’oubli d’un

outil ou d’une pièce métallique reposant sur les plages mêmes de l’appareil. Généralement

l’arc ainsi créé trouvant de bonnes conditions de persistance locale, demeure « accroché » sur

l’appareil incriminé tout en ionisant fortement les zones voisines. Il en résulte que si l’appareil

est placé sur charpente, l’ionisation peut entrainer des amorçages sur les disjoncteurs et jeux

de barres voisins et c’est l’amorçage général dans toute l’installation. Par contre, si chaque

appareil est séparé du reste de l’installation par des parois métalliques, le risque de

généralisation du défaut disparait. Chaque appareil de manœuvre est installé à l’intérieur

d’une case unitaire fermée où se trouve néanmoins réservée une zone neutre permettant

l’expansion des gaz pour éviter les surpressions. Le passage des bornes d’arrivée et de départ

se fait par l’intermédiaire de traversées isolantes limitant à l’intérieur de la case les

conséquences d’un arc y ayant pris naissance, ou protégeant celle-ci contre un arc d’origine

extérieure. Les manœuvres d’exploitation de l’appareil (ouverture-fermeture) comme sa mise

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hors circuit amont et aval (débrochage) s’effectuent porte fermée. Le débrochage étant

préalable à toute ouverture de la porte d’une case, le personnel ayant à intervenir directement

sur un appareil (pour entretien, contrôle, remplacement) se trouve donc hors de portée d u jeu

de barres et à l’abri d’un « flash » provenant d’in appareil de coupure placée dans une case

voisine. [6]

I 2 Effet de peau

L’effet de peau ou effet pelliculaire (ou plus rarement effet Kelvin) est un phénomène électromagnétique qui fait que, à fréquence élevée, le courant a tendance à ne circuler qu'en surface des conducteurs. Ce phénomène d'origine électromagnétique existe pour tous les

conducteurs parcourus par des courants alternatifs. Il provoque la décroissance de la densité de courant à mesure que l'on s'éloigne de la périphérie du conducteur. Il en résulte une

augmentation de la résistance du conducteur.

Cet effet peut être utilisé pour alléger le poids des lignes de transmission à haute fréquence en utilisant des conducteurs tubulaires, ou même des tuyaux, sans perte de courant. Il sert aussi

dans le blindage électromagnétique des fils coaxiaux en les entourant d'un mince étui métallique qui garde les courants induits par les hautes fréquences ambiantes sur l'extérieur du câble. [wikipedia]

I 2.1 Cause

Figure 3 : Formation de boucle de courant induit par la variation du champ magnétique (H)

dans un courant alternatif.

Tout courant se déplaçant dans un conducteur génère un champ magnétique autour de ce dernier. Quand un courant continu traverse un conducteur, la différence de potentiel est uniforme et les charges se déplacent dans le conducteur de manière isotrope ce qui donne un champ magnétique constant (H). Par contre, lorsqu'un courant alternatif circule, les charges

oscillent et le champ magnétique varie ce qui induit une boucle de courant électrique inverse (

).

Sur la figure 3, on peut observer que la direction de rotation est toujours inverse à celle de la variation de courant dans le conducteur. Ainsi, la somme du courant alternatif avec celui de la

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boucle est toujours plus faible au centre du conducteur alors que ces deux courants

s’additionnent en périphérie.

Cela signifie que le courant ne circule pas uniformément dans toute la section du conducteur. Tout se passe comme si la section utile du câble était plus petite. La résistance augmente

donc, ce qui conduit à des pertes par effet joule plus importantes.

I 2.2 Mise en évidence par Nikola Tesla

Sur son estrade, Nikola Tesla avait des bobinages, des lampes à incandescences, et surtout,

d'étonnants tubes de verre remplis de gaz à très basse pression. Tesla saisissait d'une main un fil conducteur provenant d'une de ses bobines, et où circulait un courant alternatif à haute tension. De l'autre main, il prenait un tube et celui-ci s'illuminait, à la stupéfaction de la salle.

Comme Tesla employait un courant à très haute fréquence, par « effet de peau », celui-ci ne pénétrait pas dans le conducteur qu'était son corps mais circulait à sa périphérie pour atteindre

le tube.

I 2.3 Épaisseur de peau dans un métal

L'épaisseur de peau détermine, en première approximation, la largeur de la zone où se concentre le courant dans un conducteur. Elle permet de calculer la résistance effective à une

fréquence donnée. Dans ce calcul, on néglige la partie réelle devant la partie imaginaire : la conductivité des métaux étant très élevée.

δ : épaisseur de peau en mètre [m] ω : pulsation en radian par seconde [rad/s] (ω=2.π.f)

f : fréquence du courant en hertz [Hz] µ : perméabilité magnétique en henry par mètre [H/m] ρ : résistivité en ohm-mètre [Ω.m] (ρ=1/σ)

σ : conductivité électrique en siemens par mètre [S/m]

Pour un conducteur de diamètre significativement plus grand que δ, on peut calculer la résistance effective à une fréquence donnée en considérant que seule la partie extérieure

d'épaisseur δ contribue à la conduction. Par exemple pour un conducteur cylindrique de rayon R, on aura une section utile de :

Exemples de valeurs

Pour un conducteur en cuivre, on a les valeurs ci-dessous.

fréquence δ

50 Hz 9,38 mm

15

60 Hz 8.57 mm

10 kHz 0.66 mm

100 kHz 0.21 mm

1 MHz 66 µm

10 MHz 21 µm

I 2.4 Modélisation dans un conducteur cylindrique en régime harmonique

Figure 4 : Répartition courant dans un conducteur cylindrique

Fonction de répartition du courant dans un conducteur cylindrique en régime harmonique. En abscisse : la profondeur en p.u. de l'épaisseur de peau, en prenant la surface pour origine. En ordonnée : le rapport du module du courant circulant entre la surface et une profondeur r

donnée sur le module du courant total traversant la section du conducteur. Le rayon a du cylindre a été choisi arbitrairement à 5 fois l'épaisseur de peau.

Soit I(r) le courant circulant dans l'épaisseur comprise entre la surface et le rayon r du cylindre, et I le courant total.

La fonction de répartition du courant ayant pour origine r = 0 la surface du conducteur est donnée par l'expression :

Source [wikipedia]

Si l'on représente graphiquement le module de la fonction de répartition du courant dans le

conducteur cylindrique, c’est-à-dire I(r)/I, on constate que plus de 80 % du courant circule dans l'épaisseur de peau, ce qui justifie l'approximation faite lors du calcul de la résistance

16

effective du conducteur. Le dépassement de la valeur 1 qui apparaît sur la figure est due à la

rotation de phase de la densité de courant qui peut s'inverser à certaine profondeur par rapport au courant total.[wikipedia]

I 2.5 Atténuation de effet de peau

L'effet de peau est généralement une nuisance, car il crée des pertes supplémentaires, des atténuations à fréquence élevée, etc. Une manière efficace d'en diminuer l'effet est de diviser

la section d'un fil conducteur, c'est-à-dire de le remplacer par plusieurs conducteurs en parallèle isolés entre eux.

Dans l'idéal, chaque « brin » du conducteur ainsi formé devrait avoir un rayon inférieur à δ.

Le fil de Litz est un type de conducteur qui pousse à l'extrême cette division.

Une autre technique consiste à plaquer le conducteur avec de l'argent. Lorsque la «peau» est entièrement dans la couche d'argent, elle bénéficie de ce que l'argent a la plus faible résistivité

de tous les métaux. Cette méthode peut être un bon compromis pour un courant composé de deux composantes, l'une à basse fréquence qui circulera dans la totalité de la section, l'autre à très haute fréquence qui circule dans l'argent.

On peut enfin envisager des géométries de conducteurs permettant de limiter l'effet de peau.

Dans les postes électriques haute tension, on utilise fréquemment des conducteurs tubulaires creux en aluminium ou cuivre pour transporter de forts courants. L'épaisseur du tube est en

général de l'ordre de δ, ce qui permet une utilisation effective de l'ensemble du conducteur. C'est aussi particulièrement le cas dans les installations comme les émetteurs, où l'on peut trouver des bobinages réalisés en tubes creux, à l'intérieur desquels circule un liquide de

refroidissement. En basse tension on utilise parfois des géométries plus complexes et permettant un meilleur comportement thermique, mais l'idée est toujours d'avoir des

épaisseurs de conducteur ne dépassant pas δ. [wikipedia]

I 3 Effet de proximité

Figure 5 : Schéma montrant une vue en coupe de deux conducteurs qui sont en transmission. La zone verte contient les charges porteuses.

17

Dans un câble composé de deux conducteurs (aller et retour du courant), à haute fréquence il peut se produire un effet de proximité entre les deux conducteurs, improprement confondu avec l'effet de peau, qui fait que le courant a tendance à circuler seulement sur les parties des

conducteurs en vis-à-vis.

Cet effet s'ajoute à l'effet de peau proprement dit. Il est totalement dépendant de la géométrie de l'ensemble : section des conducteurs (circulaire, carrée, plate...), distance entre

conducteurs, asymétrie des conducteurs (par exemple fil parallèle à un plan de masse), etc. L'effet de proximité est pratiquement négligeable sur des conducteurs espacés de plus de 20 cm. [wikipedia]

I 3.1 Atténuation de l’effet de proximité

Afin d'atténuer cet effet, il faut éloigner les conducteurs, mais cela a d'autres inconvénients, comme d'augmenter l'inductance.[wikipedia]

I 4 Creux de tension

I 4.1 Origine des creux de tension

Un creux de tension est une diminution brusque de la tension de fourniture Uf. Cette diminution, située entre 90% et 10% de la tension nominale Un, est suivie du rétablissement de la tension après un court laps de temps. Un creux de tension peut durer de 10 ms à 3 mn.

La plupart des appareils électriques admettent une coupure totale d’alimentation d’une durée inférieure à 10 ms.

Il y a deux types de phénomène à l’origine des creux de tension : o ceux provenant du fonctionnement d’appareils à charge fluctuante ou de la mise en

service d’appareils appelant un courant élevé au démarrage (moteurs, transformateurs…etc.),

o ceux liés aux phénomènes aléatoires, comme la foudre ou tous les courts-circuits accidentels sur les réseaux de distribution, ou les réseaux internes des clients (défaut

d’isolation, blessure de câble, projection de branches sur les lignes aériennes). Les creux de tension sont caractérisés par leur amplitude et par leur durée. Ils sont monophasés, biphasés ou triphasés suivant le nombre de phases concernées.

Remarque

Un creux de tension est une baisse de l’amplitude de la tension nominale pendant un temps

compris entre 1 s et10 ms. Un creux de 100% est appelé coupure.

Normale baisse coupure

Figure 6 : Creux de tension

18

I 4.2 Conséquences des creux de tension

Les creux de tension sont susceptibles de perturber le fonctionnement de certaines

installations industrielles et tertiaires. En effet, ce type de perturbation peut causer des dégradations de fonctionnement des équipements électriques qui peuvent aller jusqu’à la destruction totale de ces équipements. [11]

Tableau1 : Conséquences des creux de tension sur quelques équipements électriques

sensibles. [11]

Types d’appareils Conséquences néfastes

Eclairage Moins de luminosité, extinction et réallumage (lampes à arc)

Systèmes à base d’électronique de puissance Arrêt du dispositif

Dispositifs de protection Ouverture des contacteurs

Moteurs asynchrones Ralentissements, décrochage, surintensité au retour de la tension

Moteurs synchrones Perte de synchronisme, décrochage et arrêt

du moteur

Variateurs de vitesse pour un moteur à courant continu

En mode onduleur : destruction des protections

En mode redresseur : ralentissement

de la machine

Variateurs de vitesse pour un moteur asynchrone

Ralentissement, décrochage, surintensité au retour de la tension, destruction éventuelle de

matériel au niveau du convertisseur

I 4.3 comment remédier au problème de Creux de tension

Pour remédier il faut utiliser des moteurs en bon état de fonctionnement.

I 5 Flickers

Le flicker (scintillement) c’est un papillotement de la lumière dû à des variations brusques de la tension. Ces variations sont causées par des appareils dont la puissance absorbée varie très

rapidement.

Figure 7 : un flicker

I 5.1 comment remédier au problème de Flickers

On peut y remédier en plaçant sur le circuit de charge une batterie de condensateurs et des

alimentations statiques sans interruption (ASI).

19

I 6 Les phénomènes transitoires

Ils sont dus à des surtensions très élevées causés par la foudre, des manœuvres ou défauts sur

les réseaux HT ou BT, par des arcs électriques …. Ils provoquent le déclenchement

intempestif des appareils de protection, le claquage de la gaine isolante des câbles, des

matériels du système.

Figure 8 : phénomène transitoire

I 6.1 comment remédier au problème de phénomènes transitoires

Un parafoudre ou un limiteur de surtension permet de remédier.

I 7 Variations de fréquence

Elles sont dues à des défaillances au niveau des groupes électrogènes des centrales de

production.

I 7.1 comment remédier au problème de Variations de fréquence

Pour y remédier on peut utiliser des alimentations statiques sans interruption (ASI).

I 8 les Harmoniques

Ce sont des courants ou des tensions parasites du réseau électrique qui déforment l’onde du courant et de la tension et provoquent une augmentation de la valeur efficace du courant, la

saturation des transformateurs, des mesures faussées de grandeurs électriques, la circulation d’un courant dans le neutre.

Figure 9 : Courant sinusoïdal déformé par les harmoniques

20

Figure 10 : Tension sinusoïdale déformée par les harmoniques

I 8.1 comment remédier au problème d’Harmoniques

On peut y remédier en utilisant des filtres anti-harmoniques ou en augmentant les sections des conducteurs.

I 9 Court-circuit

Il se produit part la mise en contact de deux conducteurs portés à des potentiels différents.

I 9.1 Causes

La Dégradation des isolants:

Dégradation de la qualité de surface (pollution)

Dégradation thermique (température excessif)

Décharge partielle dans les vacuoles (micropoches) à l’intérieur des isolants

La diminution accidentelle des distances d’isolement (présence d’animaux, outils

laissés par mégarde sur jeu de barres, contacts entre conducteurs aériens).

La destruction pour cause extérieure (coup de pelle, etc)

Les surtensions. [10]

I 9.2 Conséquences

Brutale augmentation du courant

échauffements importants conduisant à la dégradation des isolants (ce qui risque de

provoquer d'autre courts circuits…).

arcs électriques, si les conducteurs n'étaient pas strictement en contact

outre les efforts électrodynamiques, des effets thermiques se développent : incendie au

niveau de l’arc de défaut, échauffement sur le trajet du courant de courant-circuit. La

coupure rapide limite les effets thermiques.

Le défaut modifie les grandeurs électriques du réseau : naissance de creux de tension,

de déséquilibre, d’échanges d’énergie réactive, etc

Les grandeurs électriques ainsi accidentellement modifiées perturbent le

fonctionnement des machines du réseau (instabilité) et constituent un danger

(surtension).

21

Les courants de défaut créent des phénomènes d’induction électromagnétique dans les

circuits auxiliaires. [10]

I 9.3 Moyens de protection

Pour se protéger des courts-circuits, on pourra utiliser :

un relais à maximum de courant (max de I) à temps indépendant ou à temps

indépendant. Le relais limite :

Les effets thermiques

Les risques d’instabilité du réseau.

La coordination des divers relais à maximum de courant d’un réseau est réalisée

de façon à ne mètre hors tension que la seule partie en défaut sélectivité).

Ces relais ne peuvent sauvegarder la sélectivité dans les réseaux bouclés ou de

structure maillée. On emploie alors des relais :

Directionnels,

Différentiels longitudinaux. [10]

des fusibles (gI, gG ou aM)

un disjoncteur à relais magnétique (coupure plus rapide que l’échauffement…).

I 10 Déséquilibre du courant et de la tension

I 10.1 Origine du déséquilibre

Un récepteur triphasé électrique qui n’est pas équilibré et que l’on alimente par un réseau triphasé équilibré conduit à des déséquilibres de tension dus à la circulation de courants non équilibrés dans les impédances du réseau. Ceci est fréquent pour les récepteurs monophasés

basse tension. Mais cela peut également être engendré, à des tensions plus élevées, par des machines à souder, des fours à arc ou par la traction ferroviaire.

I 10.2 Conséquences du déséquilibre

Il est plus intéressant d'aborder le problème du déséquilibre par type d'équipement. Le déséquilibre d’une installation triphasée peut entraîner un dysfonctionnement des appareils basses tensions connectés :

Mauvais fonctionnent d’un appareil monophasé alimenté par une tension très faible (lampe à incandescence qui fournit un mauvais éclairage),

Destruction d’un appareil monophasé alimenté par une tension trop élevée, il peut être détruit (claquage d'un filament de lampe par surtension).

Concernant les dispositifs triphasés d’électronique de puissance, principalement les ponts

redresseurs, le fonctionnement en présence de déséquilibre entraîne l'apparition de composantes harmoniques non caractéristiques, notamment des harmoniques de rang multiple

de 3. L’apparition de ces courants harmoniques peut poser des problèmes, comme la génération d’une anti-résonance lors du filtrage de l’harmonique de rang 5. Outre les effets classiques des harmoniques, ces fréquences non caractéristiques peuvent conduire, dans

certains cas, au blocage de la commande. La conséquence des composantes inverses sur les machines tournantes est la création d’un

champ tournant en sens inverse du sens de rotation normal, d'où un couple de freinage parasite et des pertes supplémentaires qui provoquent l’échauffement de la machine.

22

Concernant l'effet du déséquilibre homopolaire, il faut signaler le risque d'échauffement du

conducteur neutre dans un réseau BT qui, lorsque le conducteur est d'un diamètre trop faible, peut provoquer une rupture du conducteur ou un incendie.[11]

I 10.3 Réglementation

Le déséquilibre en tension est caractérisé par le taux de déséquilibre de tension _v donné par le rapport des amplitudes des tensions inverse et directe :

[11]

I 10.4 comment remédier Déséquilibre du courant et de la tension

Pour remédier il faut changer les récepteurs triphasés électriques qui ne sont pas équilibrés

dans le réseau.

I 11 Défaut phase-terre

I 11.1 Causes

Ce sont les mêmes que celles développant des courts-circuits phase-phase. Les

contacts accidentels ont lieu entre phase et terre ou entre phase masse, les

masses étant reliées à la terre. Les défauts permanents conduisent à une mise

hors tension, exception faite sous certaines conditions, en régime neutre isolé

(ou fortement impédant).

I 11.2 Conséquences

Les courants de défauts phase-terre sont limités et ne dépassent généralement

pas le 1/10 du courant de court-circuit entre phases.

Les conséquences se résument généralement à:

Elévation en potentiel des masses mettent en jeu la sécurité des

personnes, la tension de

contact ne devant pas excéder 50 V en permanence (consulter la norme NFC

13.200).

Cuisson des prises de terre, points chauds dans les masses, brulures.

Echauffement des circuits magnétiques. Le courant de défaut phase-terre

sera dans une

machine limite à une vingtaine d’ampères, ce qui évitera des dommages au

circuit magnétique.

Echauffement des écrans des câbles

Surtensions développées dans le réseau.

23

I 11.3 Moyens de protection

Le régime neutre faiblement impédant est le plus utilisé.

Le courant de défaut, bien que limité, permet l’utilisation de relais à maximum de courant

homopolaire.la coordination de ces relais est réalisé de façon à ne mettre hors tension que la

partie en défaut (sélectivité chronométrique).ils ne peuvent sauvegarder la sélectivité dans les

réseaux bouclés ou de structure maillée. On emploi alors :

Des relais différentiels longitudinaux de courant homopolaire,

Des relais directionnels de courant homopolaire qui présentent en outre l’avantage

de pouvoir être insensibilisé aux courants capacitifs des câbles, lors de leur

réglage.

L’utilisation de relais voltmetrique homopolaire peut être utile pour détecter à partir d’un

point volontairement choisi dans l’ensemble du réseau, les défauts phase-terre ou phase-phase

développent en un point quelconque du réseau.

Le régime neutre isolé ou fortement impedant lorsqu’il est possible permet sous

condition de continuer l’exploitation au 1er défaut.

D’une façon générale, la détection du 1er défaut n’est pas sélective.

Cette détection est alors assurée soit par :

Un relais voltmetrique homopolaire monté entre bornes neutre générateur te terre

et réglé en fonction de la montée en potentiel du neutre,

Un contrôleur permanent d’isolement ayant l’avantage de mesurer l’isolement du

réseau et de fonctionner même réseau hors tension.

Le défaut double est éliminé par les protections à maximum de courant.

Des relais directionnels de courant de défaut phase-terre ou phase-masse sont éventuellement

utilisé, après étude technique soignée, sur des départs non prioritaires déclenchant au 1er

défaut. Généralement l’emploi de rela is à maxi de courant homopolaire fonctionnant grâce au

courant capacitif du réseau est difficile sinon impossible.[11]

I 12 Les surcharges

Ce défaut provient d'une charge qui appelle une puissance trop importante pour la ligne

d'alimentation. Ceci se traduit par un appel de courant tel que l'installation voit sa température augmenter au delà ses limites normales de fonctionnement. On observe alors une usure des isolants pouvant conduire à la longue à d'autres défauts (courts-circuits…). Ce type de défaut

est bien entendu d'autant plus grave que le courant appelé dépasse fortement les limites définies pour l'installation. En effet, les échauffements provoqués seront alors de plus en plus

importants et entraîneront une usure de plus en plus rapide des isolants.

I 12.1 comment remédier aux défauts de surcharges

Pour éviter les effets de ce type de défaut, il va falloir couper le courant dès que celui-ci va dépasser les limites autorisées. Pour cela, on peut utiliser des fusibles (gG ou gI), des

contacteurs avec relais thermique ou encore des disjoncteurs (à coupure d'autant plus rapide que l'intensité est importante).

Exemple de surcharge: excès d'appareils électriques fonctionnant en même temps sur la même phase (radiateur + machine à laver + un appareil branché occasionnellement sur un prise + …).

24

I 13 Les surtensions

La surtension est souvent d'origine inductive. Elle peut être provoquée par des phénomènes de

résonance sur le réseau électrique, par la foudre… Une surtension importante peut provoquer un claquage des isolants de l'installation (diélectriques), ce qui risque de provoquer des courts-circuits.

I 13.1 comment remédier aux défauts surtensions

Pour éviter ce genre de défaut, on peut séparer les conducteurs portés à des niveaux de tensions différents dans les canalisations. Dans les zones ou les installations à risque, on

installe des parafoudres…

II les appareils et les moyens de protection

La protection des réseaux électriques désigne l'ensemble des appareils de surveillance et de protection assurant la stabilité d'un réseau électrique. Cette protection est nécessaire pour éviter la destruction accidentelle d'équipements coûteux et pour assurer une alimentation

électrique ininterrompue.

La plupart des systèmes de fourniture d’énergie électrique sont interconnectés et doivent bénéficier de telles protections.[wikipedia]

Dans l'une ou l'autre de ces parties du réseau électrique, chaque ouvrage peut être l'objet d'incidents, tels que panne, fonctionnement aberrant, fuite ou court-circuit dû à une cause

externe. C'est pourquoi toute une panoplie d'appareils est installée pour éviter que ces incidents ne détruisent l'ouvrage, ou ne compromettent la qualité de fourniture d'énergie.

Parmi eux, nous distinguons 3 catégories :

Les relais de protection (ou simplement protections) chargés de mettre hors tension la partie malade de l'ouvrage ou du réseau ;

Les automates chargés d'effectuer les manœuvres automatiquement et surtout sans

délais ; Les équipements de surveillance chargés de collecter des informations et de les

envoyer aux personnes chargées de conduire le système.

La qualité de fonctionnement de ces appareils et plus particulièrement des protections, est toujours primordiale. Elle peut cependant être appréciée de manière différente suivant que

l’on s’intéresse à l’une ou l’autre des trois parties du système. [wikipedia]

II 1 Protection des groupes de production

Ici ce qu’il ya lieu de protéger c’est le site de production.

Si c’est un site de production d’énergie hydraulique faire la maintenance les turbines, des

alternateurs ;

Si c’est éolien, faire la maintenance, bien fixer la tour contre les vents violents ;

25

Si c’est nucléaire, éviter les réactions incontrôlables lorsque noyaux seront bombardés par

neutrons.

Mettre des systèmes automatiques capables de réagir suite aux défauts.

II 2 Protection des ouvrages du réseau de transport

Sur un réseau de transport, le problème se pose de manière totalement différente :

D'abord, une ligne aérienne, qui passe sur le domaine public, est périodiquement sujet à des courts-circuits (ou « défauts » dans le jargon de l'exploitant), dus à la foudre, aux arbres mal

élagués, aux grues et engins de grande hauteur travaillant au vois inage, au vent, à la pollution, ... Une bonne conception de la ligne et une bonne maintenance peuvent les minimiser, mais

jamais les éliminer. Par exemple, en France, sur le réseau de transport de RTE (gestionnaire du réseau de transport d'électricité), le nombre de courts-circuits observés en moyenne pour 100 km de liaison aérienne est de 2 par an en 400 kV, 8 en 225 kV, 12 en 90 kV et 18 en 63

kV.[wikipedia]

Par ailleurs, le courant du court-circuit circulant dans la terre (au voisinage du pylône en court-circuit) entraîne une surtension dans le sol qui peut avoir des conséquences importantes

à l'intérieur d'un certain périmètre autour du pylône concerné, comme la détérioration des matériels électriques et électroménagers, ou l'électrisation des hommes et des animaux. Les dimensions de ce périmètre "à risque" sont très variables suivant le niveau de tension, le type

de sol (granite, gravier, marais...) et l'humidité du sol, et le risque considéré. Les conséquences d'un dysfonctionnement des relais de protection ne sont dans ce cas pas

uniquement financières, mais peuvent mettre en danger des vies humaines ! C'est pourquoi les systèmes de protection sont redondés : la défaillance d’une protection est ainsi palliée par le fonctionnement d'autres protections localisées éventuellement en d’autres points du réseau.

Ceci peut conduire à la mise hors tension de plusieurs ouvrages. L’alimentation électrique de toute une région peut alors se trouver perturbée.

Le fonctionnement défectueux d'une protection peut donc avoir pour conséquence la coupure

d'un ou plusieurs clients, voire d'une ville entière, clients prioritaires compris. Or, l'impact de la coupure d'un client industriel ne se limite pas à l'énergie non vendue pendant la coupure, mais aussi aux pertes de production pour l'industriel. Pour minimiser l'occurrence de telles

situations, l’étude du fonctionnement des protections, normal et en secours, fait l’objet d’un plan d’ensemble.[wikipedia]

26

II 2 .1 Les lignes aériennes

Figure 11 : outils de protection sur les lignes [3]

II 2 .1 .1 Protection des lignes à haute tension

Les relais de protections les plus utilisés sur les lignes à haute tension sont :

protection de distance (code ANSI 21) protection différentielle de ligne (code ANSI 87 L)

On rencontre aussi d'autres relais de protection : à maximum de courant, contre les

surcharges, contre les surtensions, protection à comparaison de phase, ...[wikipedia]

27

II 2.2 Les lignes souterraines

Figure 12 : les lignes souterraines protégées [3]

II 2.3 Les isolateurs

Les isolateurs assurent l’isolement électrique entre les câbles conducteurs et les supports. Sur le réseau de transport, les isolateurs sont utilisés en chaîne, dont la longueur augmente avec le niveau de tension : il faut compter environ 6 isolateurs en 63 kV, 9 en 90 kV, 12 en 225 kV et

19 en 400 kV. La chaîne d’isolateurs joue également un rôle mécanique : elle doit être capable de résister aux efforts dus aux conducteurs, qui subissent les effets du vent, de la neige ou du

givre. [3]

28

Figure 13 : protections des lignes aériennes [3]

II 2.4 Les postes

Les postes hébergent des systèmes de surveillance et de contrôle du réseau dans des bâtiments de relayage. Ils permettent d’envoyer des informations vers des centres distants qui les analysent et détectent les éventuelles anomalies.

Ces centres envoient en retour des ordres télécommandés (ouverture ou fermeture des disjoncteurs et sectionneurs) permettant de répartir le courant sur les différentes lignes ou

corriger une anomalie sur le réseau.

II 2.5 Le disjoncteur

Situé à l’intérieur d’un poste électrique, le disjoncteur est un appareil destiné à protéger les circuits et les installations contre une éventuelle surcharge de courant due à un court-circuit

(provoqué par la foudre ou par un contact entre le conducteur et la terre). Il permet aussi l’exploitation du réseau en interrompant ou en rétablissant le passage du courant dans une

portion du circuit. En haute tension, les courants sont intenses. A la séparation des contacts du disjoncteur, il se forme un arc électrique qui ne peut pas être interrompu simplement

dans l’air comme en basse tension. Son extinction a lieu dans une « chambre de coupure », qui utilise un gaz en surpression projeté sur l’arc pour l’éteindre.

Depuis les années 1970, les disjoncteurs utilisent de l’hexafluorure de soufre (SF6). Les autres technologies (air comprimé et huile) ont été abandonnées depuis la fin des années 1980.

Au cours des 30 dernières années, les performances des disjoncteurs SF6 ont été améliorées, le nombre de chambres a été divisé par 2 et les commandes oléopneumatiques ont été

remplacées par des commandes mécaniques plus fiables. [3]

29

Figure 14 : fonctionnement d’un disjoncteur [3]

II 2.6 Le sectionneur

Situé dans un poste électrique, le sectionneur assure une coupure visible du circuit électrique.

Cette coupure certaine est primordiale car elle permet d’intervenir pour l’entretien ou la réparation des appareils en toute sécurité. En mettant hors tension ou sous tension certains

circuits du poste. Il assure la fonction d’aiguillage en répartissant les transits d’énergie entre les lignes électriques raccordées au poste. La commande du sectionneur peut être électrique ou manuelle.

Figure 15 : un sectionneur [3]

30

II 2.7 Protection des transformateurs de puissance

Les relais de protections les plus utilisés pour protéger les transformateurs sont :

protection différentielle (code ANSI 87 T)

protection à maximum de courant (direct et homopolaire)(code ANSI 50et 50N, 51 et 51N)

II 2.8 Le relais thermique

Figure 16 : relais thermique [wikipedia]

Le relais thermique est un appareil de protection capable de protéger contre les surcharges

(c'est sa fonction). Une surcharge est une élévation anormale du courant consommé par le ou les récepteurs dans des proportions somme toute raisonnables (1 à 3 In). Cette élévation faible du courant mais prolongée dans le temps va entraîner un échauffement de l'installation

pouvant aller jusqu'à sa destruction (voir M JOULE...). Nous utilisons pour nous prémunir de ce type de problème soit des fusibles de type G1, soit des disjoncteurs, soit des relais

thermiques. L'augmentation du courant n'étant pas soudaine il n'est pas nécessaire de couper l'alimentation du circuit de puissance d'une façon brutale. Par contre le temps de coupure devra être inversement proportionnel à l'augmentation du courant : plus le courant augmente

plus le temps de détection et de coupure doit être court. Voir la courbe ci-dessous :

31

Figure 17 : courbe de réglage d’un relai

De cette courbe nous pouvons déduire plusieurs choses intéressantes :

elle représente le temps en fonction des multiples de l'intensité de réglage, le relais thermique doit être réglé à l'intensité nominale du récepteur à protéger (Ir = In

ou Ia), le déclenchement réel se fait à 1,15 Ir.

Principe de fonctionnement et constitution :

Le relais thermique utilise la propriété d'un bilame formé de deux lames minces ayant un coefficient de dilatation différent. L'un nul ne se tordra pas sous l'effet de la chaleur, l'autre

non nul lui permettra de se tordre. Pour avoir l'image de la chaleur, nous utilisons le courant puisque M. JOULE nous dit que Pj = R x I². Le principe du bilame apparaissant dans tous les ouvrages de technologie appliqué à l'Electrotechnique, je n'ai pas jugé utile d'en développer le

fonctionnement.

REMARQUE : Le relais thermique coupe le circuit de commande par l'intermédiaire de son contact auxiliaire. En effet, les bilames détectent l'augmentation de chaleur et donnent

l'information au contact auxiliaire de s'ouvrir. Ce contact étant convenablement placé dans le circuit de commande va couper l'alimentation de la bobine du contacteur qui va ouvrir ses pôles de puissances et interrompre le passage de l'énergie électrique au travers du récepteur.

Ce n'est donc pas le relais thermique qui coupe le circuit de puissance mais bel et bien l'appareillage de commande...

32

II 3 Protection des ouvrages du réseau de distribution

Figure 18 : Relais de protection utilisé en distribution [wikipedia]

Sur un réseau de distribution, les mêmes considérations peuvent s’appliquer, mais les conséquences d’un dysfonctionnement sont à une échelle moindre. C'est en général au niveau

du réseau de distribution qu'on implante un plan de délestage électrique. [wikipedia]

II 3.1 Notion de sélectivité

L'ensemble des protections d'un réseau constitue un système. La sélectivité a pour but d'isoler le plus rapidement possible la branche en défaut, et d'éviter de couper injustement des branches saines. On distingue trois types de sélectivité :

II 3.1.1 Sélectivité ampèremétrique

La sélectivité ampèremétrique repose sur des réglages de courant de déclenchement décroissant vers l'aval du réseau. Plus on est près du consommateur, plus le courant réglé sera

faible. C'est la sélectivité ampèremétrique qui est par exemple utilisée dans les tableaux résidentiels (un disjoncteur général 40 ou 63 A différentiel en tête, et des disjoncteurs 10 à 32

A pour les différents équipements de la maison).

II 3.1.2 Sélectivité chronométrique

La sélectivité chronométrique agit indépendamment du courant. On augmente la temporisation (généralement 300 ms) par étage de réseau. Ainsi, on attend à chaque niveau que les niveaux avals aient le temps de couper le défaut, avant de couper une plus grande

partie du réseau.

II 3.1.3 Sélectivité logique

La sélectivité logique requiert un échange d'informations entre les différents organes de protection. En effet, la première protection détectant un défaut envoie un ordre de « blocage » aux autres protections, les empêchant ainsi de déclencher.

Généralement, on utilise au moins deux des trois types de sélectivité sur les réseaux de

distribution, afin d'avoir un système de protection sûr, efficace et fiable.

33

II 3.2 Protéger efficacement son matériel contre les orages

Figure 19 : Une maison qui reçoit la foudre [wikipedia]

Avec les grandes chaleurs arrivent également les orages et les dangers pour votre installation électrique qu'ils peuvent engendrer. C'est ainsi un téléviseur, une Freebox ou pire, votre

ordinateur, qui peuvent être endommagés de façon souvent irréversible. Comment cela se produit- il et surtout, quels sont les moyens à mettre en œuvre pour empêcher un tel phénomène ?

Ce problème est d'autant plus important que la prolifération d'appareils à l'électronique

délicate dans nos habitations les rend plus sensibles aux perturbations électriques. Le risque est donc particulièrement important au moment d'un orage durant lequel les nombreux fils électriques, les armatures des bétons ou encore les canalisations peuvent guider la foudre

jusqu'à votre maison ou appartement. C'est pourquoi nous avons répertorié pour vous quelques solutions simples ou plus complexes afin de sécuriser tout ou partie de votre réseau

électrique. [wikipedia]

Conformité et choix de vos appareils Les onduleurs

Parafoudres et parasurtenseurs

II 3.2.1 les paratonnerres, les parafoudres et parasurtenseurs Sur le million d'éclairs qui nait chaque heure sur Terre, 10% touchent le sol, transportant un

courant électrique pouvant atteindre plusieurs centaines de milliers de volts (pour la tension) et d'ampères (pour l'intensité). Le danger le plus important est alors évidemment le

foudroiement. Ce qui tue chaque année plusieurs dizaines de personnes en France est ce qu'on appelle un effet « direct » de la foudre. Pour éviter ce phénomène, nous avons recours, depuis Benjamin Franklin, à des paratonnerres. Ces équipements peuvent être placés dans ce que l'on

pourrait appeler le premier niveau de protection, celui qui évite l'impact direct en captant la foudre et en l'orientant vers des lieux d'écoulements privilégiés.

Le second niveau de protection concerne le bon déroulement de cet « écoulement » vers la terre en assurant au circuit électrique une bonne isolation. C'est le rôle des parafoudres haute-

tension par exemple. Malgré toutes ces précautions, lorsque la foudre frappe une installation, ce phénomène peut être à l'origine de surtensions passagères. Cela peut se produire via des

remontées du courant à partir du sol, des courants conduits par les câbles électriques ou induits par l'impact de la foudre. C'est pourquoi un dernier niveau de protection est nécessaire : les onduleurs.

34

Courant conduit [wikipedia]

Courant induit [wikipedia]

Remontée de la terre [wikipedia] Figure 20 : chemin foudre sur une maison Figure 21 :Parafoudre [wikipedia]

Si les onduleurs sont d'excellentes solutions pour protéger votre équipement à la fois des

orages et des chutes de tension et assurer une alimentation saine et continue, cette solution

reste assez onéreuse. Il existe d'autres types appareils qui peuvent vous prémunir contre les

surtensions. Les parafoudres en font partie, le terme générique pour ce genre d'équipement

étant les parasurtenseurs. Comme leur nom l'indique, ces éléments n'assurent qu'une

protection contre une élévation anormale de la tension du courant du secteur. Il ne peut rien

contre une tension trop faible et n'assurera en aucune façon une alimentation de secours en cas

de coupure électrique.

Sachez ensuite qu'il existe des parafoudres haute tension et basse tension. Les premiers sont

réservés à des équipements lourds, s'installent en extérieur. Les parafoudres basse tension se

découpent eux-mêmes en plusieurs catégories, selon la technologie employée : les appare ils

de type 1 utilisent principalement la technologie à éclateur (souvent à gaz), ils sont conçus

pour les locaux équipés de paratonnerres. Les parafoudres de type 2 utilisent les technologies

à varistance ou diodes TVS. C'est le type le plus utilisé dans le domaine domestique. Enfin,

les modèles de type 3 utilisent principalement la technologie à varistances. Ils assurent la

protection finale et doivent être assistés par un parafoudre de types 1 ou 2.

Les différents types de parasurtenseurs sont donc définis en partie par les techniques qu'ils

utilisent. Voyons brièvement en quoi consistent ces différentes technologies.

Les varistances :

35

Lorsque la tension du courant d'entrée franchit un certain seuil, l'impédance de ces

composants chute, permettant l'évacuation de la surtension. Quand la tension redevient

correcte, l'impédance reprend sa valeur d'origine. Ces composants vieillissent relativement

vite et chauffent lorsqu'une surtension les traverse. De ce fait, ils sont parfois équipés de

disjoncteurs thermiques.

Les diodes TVS (pour Transient Voltage Suppressor) ou diodes à effet Zener :

Leur fonctionnement est identique à celui des varistances, mais elles offrent une meilleure

protection grâce à un temps de réponse très faible. Elles ont de pus une durée de vie

quasiment illimitée. Si une surtension est plus intense que celle qu'elles peuvent supporter, ces

diodes se mettent en court-circuit définitivement.

Figure 22 : Diode effet zener [wikipedia]

Les éclateurs :

Ces composants sont constitués de deux électrodes placées face-à-face dans un milieu qui

peut être de l'air ou du gaz. Au-delà d'une certaine tension entre ces deux électrodes, un arc

électrique se forme, coupant le passage du courant. La lenteur de cet amorçage (environ 1 µs)

est un défaut de ce type de composant pour la protection, mais les éclateurs sont très robustes

et permettent de dévier des courants de foudre importants.

II 3.2.2 Choisir son parafoudre

Tout comme pour les onduleurs, il convient de s'équiper du matériel qui correspond à vos

besoins.

II 3.2.2.1 La place dans votre réseau électrique Contrairement aux parafoudres haute tension, les modèles basse tension peuvent prendre des

formes différentes. Ils s'installent dans le tableau électrique principal de votre logement ou

peuvent prendre la forme de bloc ou de prises pour protéger certains appareils seulement. Il

existe à ce propos des produits spécialisés dans la protection de votre réseau téléphonique et

d'autres qui seront voués à sauver votre télévision en cas d'orage.

Votre installation électrique conditionnera en grande partie votre choix : l'accès au panneau

principal, la possibilité ou non de le modifier (pour les locataires, par exemple), l'ancienneté

de votre installation... Tous ces éléments seront à considérer au moment de l'achat d'un

parafoudre.

36

Figure 23 : Installation tableau [wikipedia]

II 3.2.2.2 Les caractéristiques techniques des parafoudres Ce sont évidemment des informations importantes qui conditionneront votre achat si tant est

que vous sachiez ce dont vous avez besoin. Les caractéristiques traditionnellement fournies

pour les parafoudres sont les suivantes :

Uc : la tension maximale que peut supporter en utilisation « classique », c'est-à-dire sans surtension ;

Up : la tension que le parasurtenseur peut accepter lors d'une surtension importante cette fois ;

In : le courant que le parafoudre peut évacuer à plusieurs reprises sans subir de dommages ;

Imax : le courant de décharge maximal que le parafoudre peut évacuer une fois sans

dommage ;

II 3.2.2.3 Les options Si les caractéristiques techniques constituent un critère prépondérant, certaines options

peuvent peser sur votre choix. Certains modèles sont ainsi capables de protéger également

votre connexion à Internet en adoptant une entrée pour les câbles réseau de type RJ11 et RJ45.

De même, il existe des parasurtenseurs capables d'assurer la sécurité de votre téléviseur et

autres appareils raccordés à une antenne. Cette dernière peut également véhiculer les

surtensions produites par un orage. Enfin, certains constructeurs proposent des assurances

avec leur produit. En cas d'inefficacité avérée de la prise parasurtenseur, votre matériel est

ainsi couvert à une certaine hauteur, parfois plusieurs dizaines de milliers d'euros. Méfiance

toutefois, car il arrive que ces assurances soient en réalité de bons arguments marketing et que

les clauses prévues par les constructeurs empêchent leur application dans de nombreux cas.

II 3.2.2.4 Le prix Sous forme de prise, les parafoudres couvrent une large gamme de prix, partant de quelques

euros pour les protections coaxiales (antenne TV) à plusieurs centaines d'euros pour les

meilleurs modèles, qui comprennent généralement pas moins de 8 prises et de multiples

options. Si vous cherchez en revanche à installer un parafoudre directement dans le tableau

principal, sachez également que le coût de remplacement d'une cassette ou cartouche de

remplacement est 50€ à 80€.

37

Figure 24 : Prise parafoudre [wikipedia]

II 3.2.3 Du choix de vos appareils : la LiveBox , la Freebox et l’

Alimentation Lorsqu'une surtension parvient jusqu'à votre réseau voire jusqu'à vos appareils, ce sont ces derniers qui

vont faire office de résistance au courant électrique. Il est donc intéressant de posséder des appareils

qui pourront offrir le maximum d'opposition dans le cas d'un orage, notamment. La donnée qui

caractérise cette faculté se nomme impédance, notée Z. Malheureusement, cette donnée est la plupart

du temps absente des informations fournies par les constructeurs.

Figure 25 : Freebox[wikipedia]

Il arrive toutefois que certains produits soient réputés pour résister particulièrement bien aux

violentes surtensions engendrées par les orages. Au contraire, d'autres appareils sont, de notoriété publique, particulièrement sensibles à ces phénomènes. Deux exemples : la LiveBox Mini d'Orange et la Freebox. Les boîtiers ADSL sont très exposés aux surtensions, étant

connectés à la fois au réseau électrique et téléphonique, qui peut également véhiculer les surtensions. Alors que le boitier d'Orange possède une résistance efficace contre les

surtensions de 6 000 Volts, la Freebox est quant à elle assez mal conçue de ce point de vue, étant très sensible aux surtensions (il semblerait qu'elle supporte un maximum de 1 000 Volts, tension qui est facilement atteinte... en cas de surtension !). Si cette particularité de la Freebox

est bien spécifiée dans les conditions générales de vente, elle n'en reste pas moins l'une des faiblesses du boîtier de Free. Le choix de votre matériel a donc une certaine influence sur sa

pérennité en cas de surtension importante et d'orage en particulier.

38

Figure 26 : Alimentation Tagan TG500-U33II[wikipedia]

Il en va de même pour les blocs d'alimentation de votre ordinateur. Certains sont par exemple capables de résister à des tensions très importantes pendant quelques fractions de seconde, d'autres disposent de voyants lumineux ou sonores en cas de chute ou d'augmentation

anormale de la tension. Certains blocs proposent désormais des raffinements très intéressants au niveau de la sécurité. Certains blocs sont ainsi équipés de l'OCP contre les surintensités, de

l'OVP contre les surtensions, de l'UVP pour une protection contre les sous-tensions, de l'OPP pour parer aux surpuissances, de l'OTP pour éviter toute surchauffe et du SCP contre les courts-circuits.[wikipedia]

II 3.2.4 Les onduleurs

II 3.2.3.1 Les différents onduleurs L'onduleur est un boîtier qui se place entre la prise de courant et votre matériel. Il sert à

réguler le courant qu'il achemine vers vos appareils et à assurer la continuité du courant

électrique en cas de coupure, grâce à ses batteries. Ce qui communément appelé onduleur n'en

sont en fait pas vraiment. Ou plutôt pas seulement. En effet, les boitiers que l'on voit parfois

trainer sous les bureaux sont en fait des UPS, pour uninterruptible power supply. L'onduleur

n'est en fait qu'une partie de ce dispositif, qui comporte également des filtres, un circuit de

charge et une batterie d'accumulateurs. Bien qu'ils soient tous composés de ces mêmes

éléments, les ASI se différencient par l'électronique qu'ils embarquent. On peut les classer

dans trois catégories :

a) Les onduleurs « Off Line »

Figure 27 : onduleur Off Line [wikipedia]

Ce sont les plus rudimentaires et les moins onéreux des onduleurs. Ils sont particulièrement

utilisés pour protéger des ordinateurs. Comment fonctionnent- ils ? Dès qu'un problème est

39

détecté sur l'arrivée du courant, ce genre d'appareil passe sur batterie, tout simplement. Trop

simplement. En effet, chaque commutation entre la batterie et le secteur crée une micro-

coupure de 8 à 10 ms selon la qualité de l'onduleur. Cette micro-coupure ne peut suffire à

éteindre votre ordinateur, le temps de décharge des condensateurs présents dans la plupart des

alimentations étant plus important. Toutefois, pour des blocs plus sensibles comme ceux qui

équipent les serveurs, un tel laps de temps induirait l'extinction de la machine.

Sur ce principe, un réseau fortement perturbé sera la cause de nombreuses commutations qui

endommageront petit à petit votre onduleur, dont la durée de vie est liée au nombre de cycles

charge/décharge. Pour éviter des basculements trop nombreux, certains onduleurs disposent

des fonctions « Booster » qui apportent une certaine tolérance de fonctionnement.

Enfin, le courant de sortie d'un tel onduleur est de piètre qualité, c'est-à-dire que les tensions

et les fréquences sont assez peu stables, particulièrement si le courant d'entrée est lui-même

mauvais.

b) Les onduleurs « Line Interactive »

Ces onduleurs ressemblent fort à leurs cousins « Off Line » à ceci près que les filtres qui les

composent sont de meilleure qualité. Le courant d'entrée est donc corrigé, ce qui lui évite de

sortir des valeurs seuils que tolère l'onduleur. Les conséquences principales sont un recours

moins fréquent à la batterie et un courant de sortie de bonne qualité. Il n'en reste pas moins

que pour ce type d'onduleurs, la micro-coupure présente au moment du basculement entre

alimentation par secteur et alimentation par la batterie peut être gênante pour du matériel très

sensible aux variations de tension. Sachez toutefois que le temps de commutation est p lus

court que sur un onduleur Off Line, avec seulement 2 à 4 ms de coupure. Ces onduleurs sont

très utilisés pour protéger des stations de travail, des serveurs et tout autre élément sensible

dans un réseau.

Figure 28 : Schéma de l'onduleur de type Line Interactive [wikipedia]

c) Les onduleurs « On Line Double Conversion »

Cette solution diffère assez radicalement des deux autres, puisqu'il n'y a tout simplement ici

aucune commutation. En effet, le courant passant dans ce type d'onduleurs est converti vers

les batteries puis reconverti en sortie. Il est ainsi recréé en permanence. Il n'y a ainsi jamais de

commutation et par conséquent aucune micro-coupure. Les onduleurs « On Line Double

40

Conversion » sont ainsi les seuls à pouvoir prétendre assurer un courant en continu et sont

préconisés pour des installations électriquement très peu stables et les appareils

particulièrement sensibles aux différences de tensions. [wikipedia]

II 3.2.3.2 Choisir votre onduleur Quels sont les critères à retenir au moment du choix de votre onduleur ? Le type d'appareil

tout d'abord. Nous l'avons vu, les modèles dit « Off Line » sont en retrait d'un point de vue

technique, mais ont l'avantage d'être moins chers que leurs cousins. Les onduleurs « On Line

Double Conversion » sont à réserver à un usage professionnel. Les « Line Interactive »

semblent être le meilleur compromis, avec des commutations moins fréquentes et un temps

pour effectuer cette opération particulièrement court.

Figure 29 : Onduleur PAC Smart-UPS 5000I[wikipedia]

La durée durant laquelle la batterie pourra assurer l'alimentation de vos appareils peut

également être un critère prépondérant. Généralement, cette donnée est fournie en terme

d'autonomie en demi-charge et à pleine charge. Sachez que ces autonomies ne dépassent

généralement pas le quart d'heure dans le premier cas, et les 5 minutes dans le second. Cela

reste toutefois suffisant pour enregistrer son document et éteindre son ordinateur. Le temps de

chargement des batteries peut également être un argument important pour certains, tout

comme le nombre de sorties dont dispose l'appareil.

Certains onduleurs possèdent également des interfaces de gestion qui permettent, via une prise

réseau ou USB, de les diriger à distance. Les modèles les plus évolués sont ainsi capables

d'effectuer une sauvegarde de vos documents et d'éteindre votre machine sans intervention

physique de votre part. Sachez de plus qu'un PC sous Vista branché en USB à un onduleur

bénéficie des modes de gestion de l'alimentation avancées, similaires à ceux dont bénéficient

les ordinateurs portables.

Enfin vient le paramètre puissance. Celui-ci est exprimé en VA (Volt-Ampère). Il existe un

calcul assez simple vous permettant de connaître la puissance dont vous avez besoin.

Additionnez la puissance nécessaire à différents appareils électriques qui seront branchés sur

votre onduleur (par exemple un PC, une imprimante, un disque dur externe) et multipliez le

tout par 1,67. Si les résultats obtenus sont légèrement surévalués, ce n'est pas un mal. En effet,

41

il vaut mieux prévoir large dans le cadre d'un tel achat, afin que votre installation soit

évolutive (vous pourrez ajouter un appareil plus tard), et il convient de considérer, dans votre

calcul, la charge maximale que peut demander votre matériel.

II 3.2.5 Une installation conforme pour plus de sécurité : les fusibles

Figure 30 : Fusible[wikipedia]

Le premier élément qui doit assurer la sécurité de votre matériel est le réseau électrique lui-

même. Pour être en conformité, une installation domestique ne doit comporter que des matériaux et des composants agréés selon la norme européenne CE et doit répondre à toutes les règles de sécurité. Parmi celles-ci figure la présence, au sein de votre installation, d'un

tableau électrique central muni de coupe-circuits fusibles, à tort appelés « plombs ». Il s'agit d'un fin fil d'alliage d'argent enfermé dans une cartouche et placé dans un tiroir basculant. Si l'intensité du courant qui circule dans la ligne dépasse une valeur déterminée, le fil fond et

ouvre le circuit, évitant ainsi un dégagement de chaleur qui conduirait à un incendie. Sachez qu'il existe différent types de fusibles et dont la qualité se juge à la vitesse à laquelle ils isolent

votre réseau électrique de la surtension. Enfin, les plus récents panneaux électriques sont équipés de disjoncteurs thermiques réarmables qui évitent l'utilisation de fusibles. [wikipedia]

II 3.2.6 Comment me protéger des pannes d'électricité ? prises

parasurtensions

- Heureusement, il existe des solutions pour protéger le matériel électronique des caprices

électriques. Ces derniers peuvent d'ailleurs prendre plusieurs formes : simple panne de courant, surtension (la tension peut alors atteindre 300 volts au lieu de 220 volts à cause de la

foudre ou de l'arrêt brutal de machines puissantes sur le même réseau électrique), sous-tension (provoquée en général par une augmentation de la consommation électrique), parasites et microcoupures d'une durée de quelques millisecondes.

- S'il s'agit simplement de protéger son équipement contre les surtensions qui surviennent en cas d'orage ou de problème sur le réseau électrique, on s'orientera vers les prises

parasurtensions. Vendues à partir de 10 €, elles empêchent les pics de tensions qui peuvent brûler l'alimentation des appareils électroniques ou pire, endommager les composants internes du PC : disque dur, processeur, mémoire, etc.

- Seules les prises qui répondent à une norme précise peuvent être qualifiées d'«antifoudre». Mais cette capacité se limite à une protection contre les effets indirects de la foudre. L'idéal

consiste à choisir une prise parasurtension équipée de connecteurs pour une antenne, un téléphone ou un modem, un réseau Ethernet, qu'il est indispensable de protéger contre les impacts de la foudre.

Remarque

- Dans le cas des pannes de courant, la parade idéale est l'onduleur. Il s'agit d'un appareil qui

42

se branche entre le réseau électrique et l'équipement informatique. Équipé d'une batterie, il

permet de bénéficier d'une réserve d'énergie – entre 5 et 30 mn selon le modèle- suffisante pour enregistrer les documents et éteindre l'ordinateur, voire pour continuer de travailler.

- Les modèles d'entrée de gamme, vendus aux alentours de 50 €, durent moins longtemps que les produits professionnels, qui peuvent atteindre 500 €, voire plus. Certains communiquent par liaison USB avec l'ordinateur et déclenchent un programme qui arrête alors le PC. Les

principaux fabricants sont APC, Merlin Gerin, Powercom, Belkin et Trust. - Les modèles équipés d'un dispositif de régulation automatique de tension (AVR) permettent

de stabiliser la tension pour éviter d'autres problèmes électriques : microcoupures, parasites, surtensions et sous-tensions. Pour un courant électrique de 220 V (ou 240 V), la tension peut varier en pratique entre 207 V et 244 V. Dans certaines régions, des chutes importantes

peuvent entraîner des problèmes de fonctionnement des réfrigérateurs et des congélateurs, des fours électriques et, bien entendu, des ordinateurs.

- Attention : l'onduleur ne délivre qu'une puissance limitée. S'il est relié à un trop grand nombre d'appareils, il peut surchauffer et même détériorer le matériel qu'il est censé protéger. D'où l'importance, avant de s'équiper, de bien calculer la puissance nécessaire selon qu'on

souhaite protéger uniquement l'ordinateur et son écran, ou d'autres appareils .D. S. [wikipedia]

II 3.3 Tableau électrique

Figure 31 : Tableau électrique [wikipedia]

Un tableau électrique est l'endroit où sont regroupés toutes les protections du circuit, les systèmes de protection de ces circuits ainsi que les protections spécifiques aux personnes

d'une installation électrique basse tension.

Ce regroupement, suivant l'importance de l'installation, peut être un simple coffret (appartement, villa), une armoire ou tout un local avec diverses armoires et coffrets que l'on appelle généralement tableau général basse tension (TGBT). On parle aussi de tableau de

protection et de répartition.

Dans les très grandes installations, des tableaux divisionnaires regroupent les commandes des circuits environnants au plus près des utilisateurs. [wikipedia]

III Couplage de transformateurs triphasés

Les transformateurs de puissance sont constitués de plusieurs enroulements pour fonctionner dans un réseau électrique triphasé. Ces enroulements, qu'ils se trouvent dans un même

43

transformateur dans le cas d'un transformateur triphasé ou répartis dans 3 transformateurs

monophasés, sont connectés entre eux selon différents arrangements, appelé couplage ou « connexion ». Chacun a ses avantages et ses défauts, il convient de les utiliser dans les cas

appropriés. Ainsi s’en suit différents types de couplage : [wikipedia]

III 1 les différents types

III 1.1 Connexion étoile

Figure 32 : Schéma de la connexion étoile

Dans la connexion étoile chaque enroulement de phase d'un transformateur triphasé est connecté à un point commun (point neutre). L'autre extrémité étant reliée à la borne de ligne correspondante. La tension aux bornes des bobines est la tension entre phases divisée par

. Le courant traversant les bobines est le courant de ligne. Elle est représentée par la lettre Y.

III 1.2 Connexion triangle

Figure 33 : Schéma de la connexion triangle

Dans la connexion triangle, la connexion des enroulements de phase d'un transformateur triphasé est effectuée de manière à réaliser un circuit fermé. La tension aux bornes des

44

bobines est la tension entre phases. Le courant traversant les bobines est le courant de ligne

divisé par . Elle est représentée par la lettre D ou Δ.

III 1.3 Connexion Zigzag

Figure 34 : Schéma de la connexion Zigzag

Connexion des enroulements consistant en deux sections d'enroulement, la première section étant connectée en étoile et la seconde en série entre la première section et les bornes de ligne : les deux sections sont disposées de telle sorte que chaque phase de la deuxième section soit enroulée sur une colonne du transformateur différente de celle de la première sect ion à

laquelle elle est connectée. Elle est représentée par la lettre Z.

III 2 Symbole de couplage

Le primaire du transformateur est connecté selon une connexion, tout comme le secondaire, la combinaison des deux est le couplage du transformateur. Le symbole de couplage indique les

modes de connexions des enroulements et déphasages relatifs, exprimés par une combinaison de lettres et du ou des indices horaires. La majuscule représente la haute tension du transformateur. La minuscule représente la basse tension du transformateur. Le « n »

représente le neutre sorti au secondaire (couplage étoile). L'indice de couplage est complété par un « indice horaire » qui donne, par pas de 30 °, le déphasage horaire en 12e de tour

(comme sur une montre) entre le primaire et le secondaire du transformateur (exemple : 11 = 11×30 ° = 330 ° en sens horaire ou 30 ° en sens anti-horaire).

Par exemple, un indice de couplage « Dyn11 » définit donc un transformateur dont :

le système triphasé de tension élevé est en « triangle » ; le système triphasé de tension basse est en « étoile » avec neutre sorti (indiqué par le

« n ») ; le décalage entre les deux systèmes est de 330 ° (= – 30 ° ou bien 11×30 °).

Les couplages les plus utilisés sont : Yyn0, Yyn6, Yzn5, Yzn11, Dyn5, Dyn11.

45

III 3 Comparatif

La connexion étoile a les avantages suivants :

plus économique pour les transformateurs de haute tension a un point de neutre disponible

permet la mise à la terre directe ou la mise à la terre à travers une impédance permet de réduire le niveau d'isolation du neutre (isolation graduée) permet de loger les prises d'enroulement et les changeurs de prises à l'extrémité neutre

de chaque phase

La connexion triangle a les avantages suivants:

plus économique pour un enroulement à courant fort et à basse tension combiné avec un enroulement à couplage étoile, réduit l'impédance homopolaire dans

cet enroulement

La connexion en zigzag a les avantages suivants :

Peut recevoir une charge de courant de neutre avec une basse impédance homopolaire inhérente

réduit le déséquilibre de tension dans les réseaux où la charge n'est pas répart i également entre les phases.

III 4 Utilisations

Les avantages et les défauts des différents couplages conditionnent leurs utilisations.

Le couplage Yz5 est utilisé pour les transformateurs de distribution électrique d'une puissance inférieure à 250 kVA. Les propriétés de rééquilibrage de la tension sont en

effet très utile dans un réseau de distribution où les charges ne sont pas forcément également réparties entre les différentes phases (les particuliers sont connectés en

monophasé). Le couplage Dy5 est utilisé pour les transformateurs de distribution électrique d'une

puissance supérieure à 250 kVA. L'économie de cuivre par rapport au couplage Yz5

devient alors intéressante, un Dz5 serait difficile pour les petites puissantes car le diamètre du câble des enroulements deviendrait trop faible.

Pour les transformateurs associés à des moteurs un couplage Yd5 est privilégié, tout

comme pour la connexion des générateurs électriques des centrales électriques : du côté où le courant est fort on connecte en delta pour le réduire, côté haute-tension on

connecte en étoile pour la réduire. Pour les grands transformateurs dans le réseau le couplage Yy0 est souvent utilisé

pour limiter le besoin en isolation des transformateurs à cause de la haute

tension.[wikipedia]

46

IV Régime de neutre

Le régime de neutre correspond au mode de liaison, à la terre du neutre, d'un réseau triphasé. La confusion entre les régimes de neutre et la manière de mettre à la terre une carcasse

métallique d'un appareil alimenté par l’électricité est courante.

IV 1 Les Cinq régimes de neutre

En électricité, un régime de neutre définit la façon dont est raccordée à la terre le point central du secondaire d'un transformateur triphasé en étoile;

Il existe cinq régimes de neutre différents :

neutre isolé ou flottant (aucune connexion entre le neutre et la terre); mise à la terre par résistance, ou impédance de compensation ; mise à la terre par réactance faible (mise à la terre des perturbations très rapide, par

ex. : foudre) ; mise à la terre par réactance de compensation, pour atténuer l'effet capacitif des lignes

HT ; mise à la terre directe (non utilisé sur les réseaux européens moyenne et haute

tension).

[wikipedia]

V La méthode des composantes symétriques

C’est un outil mathématique permettant de faire le calcul des courants de défauts

asymétriques ou déséquilibré, monophasés ou biphasés dans un réseau triphasé déséquilibré. Pour le système triphasé, trois types de composantes sont introduites en tension et courant :

séquence directe, inverse et homopolaire. La séquence directe (d) : correspond à un système triphasé ou les courants de phase et les tensions de phases produits par la génératrice sont équilibrés entre elles et déphasé de 120°.

La séquence directe correspond au sens de rotation positif à la fréquence du réseau, c'est-à-dire dans le sens contraire des aiguilles d’une montre.

La séquence inverse (i): c’est l’inverse de la séquence directe (rotation dans le sens négatif) avec un système triphasé de tension et de courants équilibrés aussi et décalés de 120°. La séquence homopolaire (o): Les courants et les tensions sont égales entre elles en

amplitude et en phase sur toutes les phases. Toutes les situations dans le réseau peuvent être décrites avec cet outil.

Formules : En résumé : I1 = Io + Id + Ii

I2=Io+ a²Id+aIi I3= Io+aId+a²Ii

V1= Vo+ Vd+ Vi V2=Vo+a²Vd+aVi V3=Vo+aVd+a²Vi

a = 1/120° I1, I2 et I3 (V1, V2, V3) correspondant respectivement à la phase 1, 2 et 3

47

Io, Ii, et Id ( Vo, Vi, Vd ) correspondant respectivement à la séquence homopolaire, directe,

et inverse. Dans le cas de défaut biphasé (ex phases 2 et 3) , c’est un défaut asymétrique :

I1 = 0 I2= -I3= Un / (2Z + Zf) V2=Un-ZI2

V3=Un-ZI3 Io=0 Id=-Ii

Vo =0 Z impédance du réseau sur les phases en défaut (phase2, phase3) Zf : impédance du défaut

Un= tension entre phase V2 tension monophasé sur la phase 2

V3 tension monophasé sur la phase 3 Défaut monophasé phase et terre (phase 1 et terre) I1= 3V / (2Z+ Z0+3 Z1)

I2=I3= 0 Id=Ii=Io

V1= I1Z1 V: Tension simple du réseau Z1= impédance du défaut entre la phase 1 et la terre. [12]

VI Filtres Passifs

De nombreuses solutions ont été développées pour désensibiliser les installations industrielles et le réseau vis-à-vis de la pollution harmonique. La solution la plus fréquemment mise en

œuvre est le filtrage passif des harmoniques.

VI 1 Principe

Le principe d'un filtre passif est de modifier localement l'impédance du réseau, de façon à

« dériver » les courants harmoniques et à éliminer les tensions harmoniques y afférentes. Des éléments capacitifs et inductifs sont, en effet, associés de manière à obtenir une résonance série accordée sur une fréquence choisie.

Une connaissance précise des rangs harmoniques devant être filtrés et des atténuations requises est nécessaire à la réalisation d'un filtre. Une telle étude est généralement menée à

l' aide d'un logiciel de simulation. En fonction de l'atténuation harmonique recherchée, différents types de filtres passifs sont utilisés. Ils peuvent être classifiés selon leur emplacement, leur mode de connexion au circuit

principal, leur degré d'amortissement ainsi que les fréquences de leurs résonances. On distingue généralement un filtre shunt et un filtre série. Par ailleurs, le filtre shunt est utilisé

exclusivement du côté courant alternatif (ca) pour les raisons suivantes: Le filtre série peut porter le courant en entier à partir du circuit principal et doit être

isolé de la terre. Le filtre shunt, par contre, porte uniquement le courant harmonique et peut être lié à la terre à l'une des extrémités

A la fréquence fondamentale, un filtre shunt (ca) a l'avantage de fournir de la puissance réactive alors qu'un filtre série consomme de la puissance réactive. Pour des performances égales, un filtre shunt est beaucoup moins cher qu'un filtre

série.[13]

48

VI 2 Différents types de filtres parallèles ( ou passifs shun)

a- Inductance anti-harmonique : Cette première solution consiste à installer une inductance en série avec les condensateurs de

compensation sur chaque branche monophasée.

-

Figure 35: Raccordement d'une inductance anti-harmonique [13]

Ce type de filtre a pour objectif essentiel de protéger les batteries de condensateurs d'une surintensité due aux harmoniques. Il a en outre pour effet de réduire les tensions harmoniques

aux bornes de ces condensateurs. Il permet souvent de réduire les valeurs d'impédance harmonique du réseau, vues du point d'injection au voisinage de la fréquence d'accord et donc les tensions harmoniques sur le réseau.

Pour éviter que ce filtre présente une résonance parallèle (antirésonance) avec l'inductance du réseau sur lequel ils sont raccordés, on les accorde sur une fréquence inférieure à celle de la

première injection de courant harmonique.

A noter aussi que l'installation d'inductances anti-harmoniques accroît la tension permanente à

la fréquence fondamentale aux bornes des condensateurs qui doivent donc être dimensionnés en conséquence.[13] b- Filtre résonant

Un filtre résonant a pour objet de présenter une impédance très faible au passage d'un courant harmonique à un rang déterminé.

Le facteur de qualité d'un filtre résonant est élevé; l'accord du filtre est donc très pointu. Plusieurs filtres résonants correspondant aux différents rangs harmoniques à filtrer, sont

souvent installés, en parallèle. [13]

49

Figure 36: Installations de filtres résonants [13] La puissance réactive nécessaire pour l'installation est répartie entre condensateurs des différents filtres. Ceci nécessite une étude fine du profil de charge de l'installation.

Les filtres résonants présentent l'inconvénient d'être sensibles aux variations de l'inductance (dues à la qualité de réalisation) ou de la capacité (dues au vieillissement ou à la température),

ce qui entraîne un désaccord de l'ensemble. Cette dérive est plus marquée pour les filtres utilisant des condensateurs de faible capacité. Afin d'ajuster la fréquence du filtre à la mise en service, l'inductance doit être munie de prises de réglage.

c- Filtre amorti: On distingue trois types de filtres amortis tels qu'illustrés en figure 1.5; nous avons en (a) un

filtre amorti de premier ordre, en (b) un filtre amorti de second ordre et en (c) un filtre de troisième ordre.

a : filtre de 1 er ordre b: filtre de 2ème ordre c : filtre de 3ème ordre Figure 37 : Filtres amortis passe-haut [13]

Le filtre de premier ordre exige une grande capacité et présente une perte de puissance

excessive à la fréquence fondamentale. Les filtres de second ordre et d'ordre 3 sont couramment utilisés.

Tous les deux sont en général conçus avec un faible facteur de qualité Fq compris entre 0,7 et 1,4. Un filtre amorti de second ordre se compose d'une capacité en série avec un ensemble

constitué de la mise en parallèle d'une inductance et d'une résistance appelée résistance d'amortissement.

Il est utilisé lorsque les performances demandées ne sont pas élevées pour filtrer simultanément.

50

les plus hautes fréquences du spectre; c'est un filtre passe-haut de deuxième ordre .

Figure 38 : Installation d'un filtre amorti [13] En pratique, il est courant de mettre en œuvre :

- des filtres résonants accordés sur les premiers rangs harmoniques (rangs 5 et 7) où les injections de courant sont importantes.

- Un filtre amorti pour limiter l'impédance harmonique sur le reste du spectre (rangs> Il).

L'antirésonance des filtres provoque une amplification des rangs harmoniques inférieurs à la fréquence d'accord. Le premier filtre est alors accordé sur la première fréquence d'injection de

façon à ne pas faire coïncider la fréquence d' antirésonance avec une injection de courant. Il est important de prévoir une inductance ajustable afin d'accorder correctement le filtre; ce

en raison des tolérances sur les valeurs des condensateurs et de l'inductance dont l' effet peut être très important sur l' efficacité du filtre. [13]

VI 3 Avantages et inconvénients des filtres passifs

Le filtrage passif a déjà largement fait ses preuves dans le milieu industriel grâce à son coût

faible, son efficacité et son adaptation pour des réseaux de forte puissance. Il présente cependant les inconvénients suivants:

- La présence sur un même réseau de deux filtres passifs accordés sur un rang théoriquement égal, mais en pratique légèrement différent, provoque entre eux la circulation de courants harmoniques très importants qui provoque rapidement leur destruction. Ce cas se rencontre

facilement en raison du fait que la fréquence d'accord varie lentement avec le vieillissement des éléments du filtre. Il faut absolument éviter de raccorder des filtres harmoniques de même

rang sur un même réseau. - La mise en parallèle d'un filtre anti-harmonique et d'une batterie de condensateurs provoque une contrainte pouvant amener la destruction des condensateurs.

- Lorsqu'il y a plusieurs rangs harmoniques à filtrer, il est nécessaire de mettre autant de filtres accordés sur les rangs correspondants. Ce problème peut être résolu en adoptant un filtre à

large bande qui atténue plusieurs rangs harmoniques; ce avec un facteur d' atténuation moindre. - L'implantation de filtres passifs sur un réseau nécessite une étude poussée et précise. En

outre, il n'est pas toujours possible de connaître tous les paramètres du réseau, nécessaires à l'étude, lorsqu'il est de grande dimension.

- Finalement, l'amortissement de la résonance dans les systèmes de puissance par les filtres passifs peut introduire des résonances additionnelles indésirables pouvant conduire à la

51

destruction de ces filtres. L'amortissement utilisant la commande et l'électronique de

puissance se présente comme solution pour améliorer efficacement le mode opératoire du réseau.[13]

VII Filtres actifs

L’apparition de nouveaux composants semi-conducteurs, comme les thyristors GTO et les

transistors IGBT, a permis d’envisager de nouvelles solutions de compensation des perturbations du réseaux électriques. Les filtres actifs constituent une alternative intéressante

aux solutions classiques. Flexibles car auto-adaptatifs, ils viennent s’ajouter à des structures déjà existantes de convertisseurs. Ils peuvent également être utilisés comme complément aux solutions traditionnelles de dépollution. Le rôle d’un filtre actif est de compenser en temps

réel les perturbations, en tout ou en partie, présentes dans les réseaux électriques.[11]

Les filtres actifs de puissance ont été étudiés pour compenser les harmoniques dans les systèmes de puissance industriels depuis le principe de compensation de base proposé en 1971 par Sasaki et Machida . Cependant, au début de l'année 1970, le domaine de filtres actifs de

puissance ne connaissait presque pas de progrès au-delà du stade de test de laboratoire, parce que la technologie de ces circuits était très pauvre pour l'implantation pratique du principe de

compensation.[13] En plus de la technologie de commande (MLI) [i.e. modulation de largeur d'impulsion] sophistiquée, le développement de l'étude théorique a rendu possible leur mise au stade de test

pratique. En 1990, le filtre actif (MLI) a connu un regain d'intérêt. Ses performances de compensation harmonique sont supérieures à celles du filtre passif le classique.[13]

VII 1 Principe

Les filtres actifs sont des convertisseurs de puissance, agissant comme source de courants ou de tensions harmoniques, qui injectent en série ou en parallèle sur les réseaux des courants ou des tensions harmoniques en opposition par rapport aux perturbations existantes.

Les convertisseurs de puissance totalement commandables utilisent un GTO, IGBT ou un MOFSET comme organe de réglage en vue d'asservir l'évolution de certaines grandeurs

relatives au générateur ou au récepteur. Ces interrupteurs sont à amorçage et blocage commandés. L'utilisation de réseaux de commutation avec les thyristors classiques limite la fréquence de

l'onduleur à environ 100 Hz. Les thyristors interruptibles par la gâchette étendent la fréquence jusqu'à environ 2 kHz, le transistor bipolaire à 10 kHz et le transistor MOS de puissance à 25 kHz.[13]

La principale raison de l'utilisation de dispositifs de commutation rapides est de pouvoir commander l'onduleur par modulation de largeur d'impulsions. Plus on effectue des commutations par période, plus on élimine les harmoniques de rangs supérieurs.[13]

VII 2 Principaux types de filtres actifs

VII 2.1 Le filtre actif parallèle (F.A.P) Le filtre actif connecté en parallèle sur le réseau est le plus souvent commandé comme un générateur de courant. Il injecte dans le réseau des courants perturbateurs égaux à ceux

absorbés par la charge polluante, mais en opposition de phase avec ceux-ci. Le courant côté réseau est alors sinusoïdal. Ainsi l’objectif du filtre actif parallèle (F.A.P) consiste à empêcher les courants perturbateurs (harmoniques, réactifs et déséquilibrés), produits par des

52

charges polluantes, de circuler à travers l’impédance du réseau, située en amont du point de

connexion du filtre actif.[11]

Figure 39 : Filtre actif parallèle [11]

VII 2.2 Le filtre actif série (F.A.S) Le filtre actif série se comporte dans ce cas, comme une source de tension qui s’oppose aux tensions perturbatrices (creux, déséquilibre, harmonique) venant de la source et également à celles provoquées par la circulation des courants perturbateurs à travers l’impédance du

réseau. Ainsi la tension aux bornes de la charge à protéger est purement sinusoïdale.

Figure 40 : Filtre actif série [11]

VII 2.3 La combinaison parallèle-série actifs (UPQC) La combinaison parallèle-série actifs, aussi appelée Unified Power Quality Conditioner (UPQC), résulte de l’association des deux filtres actifs parallèle et série, comme le montre la. Profitant des avantages des deux filtres actifs, l’UPQC assure un courant et une tension

sinusoïdaux du réseau électrique à partir d’un courant et d’une tension perturbés de celui-ci

53

Figure 42 : Combinaison parallèle-série actifs (UPQC).[11]

VII 2.4 Combinaison hybride active et passive Afin de réduire le dimensionnement et par conséquent le prix des filtres actifs, l’association

de filtres actifs de faible puissance à des filtres passifs peut être une solution. Dans ce cas, les filtres passifs ont pour rôle d’éliminer les harmoniques prépondérants permettant de réduire le dimensionnement des filtres actifs qui ne compensent que le reste des perturbations.

Plusieurs configurations ont été présentées dans la littérature, les plus étudiées étant : le filtre actif série avec des filtres passifs parallèles

le filtre actif série connecté en série avec des filtres passifs parallèles le filtre actif parallèle avec un filtre passif parallèle[11]

V II 2.4.1 Le filtre actif série avec des filtres passifs parallèles Le rôle du filtre actif série dans ce cas est d’empêcher les courants harmoniques de circuler vers le réseau et de les obliger à passer par les filtres passifs raccordés à leurs fréquences

Figure 43 : Filtre actif série et filtre passif parallèle. [11]

54

VII 2.4.2 Le filtre actif série connecté en série avec des filtres passifs

parallèles

Le principe de fonctionnement de cette configuration est la même que la précédente avec l’avantage de réduire encore le dimensionnement du filtre actif série car le courant qui le

traverse est plus faible. De plus, le filtre actif série est à l’abri d’un éventuel court-circuit de la charge.

Figure 44: Filtre actif série connecté en série avec un filtre passif parallèle [11]

VII 2.4.3 Le filtre actif parallèle avec un filtre passif parallèle Le rôle du filtre actif parallèle dans cette configuration est la compensation des courants

harmoniques basses fréquences émis par la charge polluante. Le filtre passif accordé sur une fréquence élevée, élimine les harmoniques hautes fréquences y compris ceux créés par le filtre actif parallèle. Ce type de filtrage a déjà été appliqué à la compensation des courants

harmoniques émis par un cycloconvertisseur de forte puissance.

Figure 45 : Filtre actif parallèle avec un filtre passif parallèle [11]

55

VIII Courant de court-circuit

Le courant de court-circuit (ou intensité de court-circuit, aussi notée Icc) d'un dipôle est le courant qui le traverserait si ses bornes étaient reliées à un conducteur parfait de résistance

nulle. Le courant de court-circuit d'un générateur de tension parfait est infini. En pratique, les générateurs de tension ne sont pas parfaits et la valeur du courant de court-circuit est finie, limitée par les impédances internes de la source, des divers tronçons de ligne et des

composants placés sur le trajet de ce courant. [wikipedia]

VIII 1 Intérêt du calcul du courant de court-circuit

Pour les calculs en électrocinétique

Le courant de court-circuit d'un dipôle linéaire permet de déterminer le courant de Norton utile pour établir le modèle équivalent de Norton d'un dipôle actif linéaire. [wikipedia]

Pour le dimensionnement des protections d'une installation

La connaissance du courant de court-circuit est très importante pour le dimensionnement des

organes de sécurité. La connaissance de la valeur du courant de court-circuit Icc à tous les

endroits d'une installation, où l'on veut placer un dispositif de protection (fusible ou disjoncteur) chargé de l'interrompre, permet de s'assurer que le pouvoir de coupure du fusible ou du disjoncteur est bien supérieur au courant de court-circuit à cet endroit. L'incapacité d'un

fusible ou d'un disjoncteur d'interrompre un courant de court-circuit pouvant produire des résultats catastrophiques. [wikipedia]

Pour les installations, la valeur du courant de court-circuit d'une alimentation doit être

déterminée en deux endroits :

un point pour lequel la valeur est dite minimale , quand le court-circuit se produit à l'extrémité de la liaison protégée, c'est-à-dire à l'entrée du prochain organe de

protection, et dans le cas le plus favorable (défaut biphasé) ; un point pour lequel la valeur est dite maximale et calculée après une durée de 1 ou 3

secondes , quand le court-circuit se produit aux bornes même de l'organe de protection et dans le cas le plus défavorable (défaut triphasé).

Les valeurs de ce courant sont généralement exprimées en kA.

La valeur maximale définit :

le pouvoir de coupure nécessaire du fusible ou du disjoncteur chargé de la protection à

cet endroit ; le pouvoir de fermeture nécessaire de ce même disjoncteur (en cas de fermeture sur un

court-circuit) ; la tenue électrodynamique des canalisations et de l'appareillage électrique.

La valeur minimale définit le choix de la courbe de déclenchement du disjoncteur ou du fusible, assurant la sélectivité des déclenchements. [wikipedia]

56

VIII 2 Types de court-circuit

Sur un réseau triphasé, les courts-circuits peuvent être de plusieurs types :

défaut triphasé : les trois phases sont réunies ensemble (5 % des cas) ; défaut biphasé : deux phases sont raccordées ensemble (15 % des cas). On distingue

entre défaut biphasé/terre et biphasé isolé. Les défauts biphasés isolés sont fréquemment causés par un vent violent qui fait se toucher les conducteurs de deux phases sur une ligne à haute tension ;

défaut monophasé : une phase est reliée au neutre ou à la terre (80 % des cas). Sur une ligne à haute tension, ce type de défaut est fréquemment causé par la foudre qui initie un court-circuit entre une phase et la terre. [wikipedia]

Norme CEI 60909(commission électronique internationale)

Elle s'applique à tous les réseaux, maillés ou radiaux, jusqu'à 230 kV. Elle est surtout utilisée en HT, où elle est retenue pour sa précision. Elle est basée sur le théorème de Thévenin, et

consiste à calculer une source de tension équivalente au point de court-circuit. Toutes les alimentations du réseau et les machines synchrones ou asynchrones sont remplacées par leurs impédances (directe, inverse et homopolaire). Toutes les capacités de ligne et les admittances

en parallèle des charges non tournantes, sauf celles du système homopolaire, sont négligées.

VIII 3 Courants calculés suivant la norme CEI 60909

Courant de court-circuit symétrique initial

C'est la valeur efficace de la composante alternative du courant de court-circuit lors de l'apparition du courant de défaut. Lorsque le défaut est proche des générateurs, étant un

courant dans le domaine temporelle subtransitoire, il est aussi appelé simplement courant de court circuit subtransitoire ou initial. Lorsque le défaut est loin des générateurs, ce coura nt est

le même que le courant de court-circuit permanent car les phénomènes subtransitoires sont négligeables. [wikipedia]

Crête du courant de court-circuit

À partir du courant de court-circuit symétrique initial, la valeur crête maximale est déduite (en

kA crête) de: avec entre 1 et 2, et peut être calculée par une formule de la

norme CEI 60909-0 suivant les composantes résistives et inductives (R/X) du réseau.

Courant de court-circuit coupé

Le courant de court-circuit coupé est le courant que devra couper le disjoncteur. C'est la valeur du courant de court-circuit au moment de la coupure. Sa valeur est linéaire avec le

courant de court-circuit initial (ou subtransitoire): . Le coefficient dépend des caractéristiques du générateur ainsi que du temps minimal pour que le disjoncteur agisse. Sa valeur peut être trouvée grâce à des abaques et aux formules de la norme CEI 60909. Pour un

défaut loin du générateur, car il n'y a pas d'effet transitoire symétrique.

57

Courant de court-circuit permanent

C'est la valeur efficace du courant de court-circuit en régime permanent lorsque les

phénomènes subtransitoires et transitoires sont négligeables. Comme on se situe dans le

régime permanent, sa valeur se trouve en appliquant la loi d'ohm avec les valeurs usuelles du régime permanent pour les résistances et les réactances du système et avec une impédance nulle pour le défaut si le court-circuit est franc ou non nulle pour un court-circuit impédant.

Le temps afin d'arriver au régime permanent après un court-circuit dépend des caractéristiques du générateur pour un court-circuit proche du générateur ou de la valeur instantanée de la

tension pour un court-circuit loin d'un générateur.[wikipedia]

VIII 4 Méthodes de calcul employées

Le principe du calcul de Icc est simple, puisqu'il suffit d'appliquer la loi d'Ohm :

où :

U est la tension du réseau (de phase à neutre) ;

Figure 46 :Court-circuit proche d'un générateur[wikipedia]

Zi est l'impédance interne de la source ;

Zl est l'impédance des tronçons de ligne traversés ; Za est l'impédance de l'appareillage rencontré.

En pratique, ce calcul s'avère délicat pour plusieurs raisons :

il fait intervenir des éléments de faible valeur, négligés le reste du temps et peu ou mal

spécifiés par les constructeurs ; la source d'énergie est complexe, quand il s'agit d'un réseau de distribution, car elle est

alors composée de nombreux générateurs et lignes ; interconnectés. Le fournisseur

d'énergie caractérise simplement son réseau au point de livraison par une puissance de court-circuit ;

58

pour ces valeurs extrêmes de l'intensité, la non linéarité de certaines impédances est

difficilement négligeable ; l'établissement du courant de court-circuit est complexe, et sa forme et les amplitudes

atteintes dépendent fortement de l'instant où s'est produit le court-circuit. Le régime transitoire est encore plus complexe, quand un générateur est proche de l'endroit du défaut ;

l'apparition du court-circuit provoque généralement un déséquilibre du régime triphasé ;

d'autres éléments peuvent introduire des paramètres supplémentaires difficiles à prendre en compte : batteries de condensateurs, apparition d'arcs de défaut, machines tournantes dans l'installation, filtres antiharmoniques, transformateurs de courant, etc.

Pour ces raisons, toutes les méthodes de calcul des courants de court-circuit utilisent des approximations, négligent certains phénomènes, définissant de ce fait leurs domaines de validité, où les résultats obtenus offrent une précision acceptable et par excès. On peut citer

quelques méthodes :

Méthode des impédances

Cette méthode permet d'obtenir une bonne précision en BT (< 1000 V). Elle consiste à

recenser toutes les impédances se trouvant sur le parcours du courant de court-circuit1. Des tableaux facilitent la détermination des impédances du réseau de distribution à partir de sa puissance de court-circuit, et celles des transformateurs à partir de leur puissance apparente.

D'autres tableaux donnent pour chaque type de ligne et leur mode de pose la part relative de la résistance et de la réactance dans leurs impédances.

Le recensement terminé, le module de l'impédance totale est calculé, ce qui permet, par

application de la loi d'Ohm, de déduire la valeur du courant de court-circuit. [wikipedia]

Méthode de composition

Cette méthode est utilisable quand les caractéristiques de l'alimentation ne sont pas connues. L'impédance amont du circuit considéré est calculée à partir d'une estimation du courant de

court-circuit à son origine. Cette méthode approchée a une précision suffisante pour ajouter un circuit à une installation existante, du moment que sa puissance ne dépasse pas 800 kVA.

VIII 5 Machine Synchrone

Après l'apparition d'un court-circuit aux bornes d'un générateur synchrone, le courant de défaut diminue en fonction de trois échelles de temps correspondant à trois courants :

un courant subtransitoire , le premier à apparaitre, il est aussi le plus fort ;

un courant transitoire , apparaissant entre le régime subtransitoire et le régime permanent ;

un courant permanent .

59

Ces trois courants correspondent à trois impédances internes dites directes , et .

Ainsi, avec les valeurs des impédances en unité réduite et l'intensité nominale du générateur:

; ; . [wikipedia]

VIII 6 Moteur Asynchrone

Aux bornes du moteur asynchrone, le courant de court-circuit est égal au courant de

démarrage donc . Dans le cas d'un défaut sur le réseau (non à ses bornes), sa

contribution au courant de défaut dépendra de l'éloignement du défaut. [wikipedia]

VIII 7 Calculs par ordinateur

De nombreux logiciels ont été développés pour calculer les courants de court-circuit conformément aux normes (par exemple les logiciels Caneco, Elec Calc, SEE Calculation, Ecodial). Les plus évolués peuvent prendre en compte l'aspect dynamique du court-circuit, et

peuvent également faire des simulations. [wikipedia]

VIII 8 Formules de calcul du courant de court-circuit

Sur un réseau triphasé, pour un défaut éloigné des machines tournantes, les courants de court-circuit permanent peuvent se calculer par :

défaut triphasé : ;

défaut biphasé isolé: ;

défaut biphasé terre : ;

défaut monophasé : .

Note : Zcc est l'impédance directe totale par phase traversée par le courant de court-circuit, et

Z0 est l'impédance homopolaire, ce qui est lié en particulier à l'impédance de la ligne du neutre ou de la terre selon le cas. est un facteur de tension selon les tolérances acceptées sur

la valeur de la tension. Ce facteur peut varier entre 0.95 et 1.1 selon la norme CEI 60909.

[wikipedia]

IX Qualité de l’énergie: distorsion de la tension

IX 1 Qualité de l’énergie électrique La qualité de l’énergie électrique est considérée comme une combinaison de la qualité de la tension et de la qualité du courant et pour la connaitre on peut utiliser un appareil qui mesure la distorsion de la tension.

60

IX 1.1 Qualité de la tension Dans la pratique, l’énergie électrique distribuée se présente sous la forme d’un ensemble de tensions constituant un système alternatif triphasé, qui possède quatre caractéristiques principales : amplitude, fréquence, forme d’onde et symétrie. Donc ces quatre éléments

doivent être maintenus pour qu’il ait une bonne qualité de la tension.

IX 1.1.1 Amplitude L’amplitude de la tension est un facteur crucial pour la qualité de l’électricité. Elle constitue

en général le premier engagement contractuel du distributeur d’énergie. Habituellement, l’amplitude de la tension doit être maintenue dans un intervalle de ±10% autour de la valeur nominale.

Dans le cas idéal, les trois tensions ont la même amplitude, qui est une constante. Cependant,

plusieurs phénomènes perturbateurs peuvent affecter l’amplitude des tensions. [wikipedia]

IX 1.1.2 Fréquence Des variations de fréquence peuvent être provoquées par des pertes importantes de production. Cependant, ces variations sont en général très faibles (moins de 1%) et ne nuisent pas au bon fonctionnement des équipements électriques ou électroniques.

IX 1.1.3 Forme d’onde La forme d’onde des trois tensions formant un système triphasé doit être la plus proche

possible d’une sinusoïde. En cas de perturbations au niveau de la forme d’onde, la tension n’est plus sinusoïdale et peut en général être considérée comme une onde fondamentale à 50Hz associée à des ondes de fréquences supérieures ou inférieures à 50 Hz appelées

également harmoniques. Les tensions peuvent également contenir des signaux permanents mais non-périodiques, alors dénommés bruits.

IX 1.1.4 Symétrie La symétrie d’un système triphasé se caractérise par l’égalité des modules des trois tensions et

celle de leurs déphasages relatifs. La dissymétrie de tels systèmes est communément appelé déséquilibre.

IX 1.2 Qualité du courant La qualité du courant est relative à une dérive des courants de leur forme idéale, et se caractérise de la même manière que pour les tensions par quatre paramètres : amplitude,

fréquence, forme d’onde et symétrie. Dans le cas idéal, les trois courants sont d’amplitude et de fréquence constantes, déphasés de 2π/3 radians entre eux, et de forme purement sinusoïdale.

Le terme « qualité du courant » est rarement utilisé, car la qualité du courant est étroitement

lié à la qualité de la tension et la nature des charges. Pour cette raison, « la qualité de l’énergie

électrique » est souvent réduite à « la qualité de la tension ». [wikipedia]

IX 1.3 Distorsion

Le taux de distorsion (abrégé THD, total harmonic distortion en anglais), encore appelé distorsion harmonique totale est défini comme : la variation d'un signal par rapport à une

61

référence, ou le rapport de la valeur efficace globale des harmoniques (c'est-à-dire leur somme

quadratique) à la valeur efficace de la composante fondamentale. Il s'exprime en pourcentage, le résultat obtenu sera donc à multiplier par 100.

Il peut s’appliquer soit au courant ou à la tension.

1

2

3

2

2 ....

F

HHTHD

On va couramment jusqu’au 40 eme ou 50 eme rang d’harmoniques

Cette grandeur permet d’évaluer à l’aide d’un nombre unique la perturbation d’un courant ou

d’une tension en un point d’un réseau, voire de comparer deux réseaux sujets à des

harmoniques de rangs différents.

Le THD représente sensiblement l’augmentation de l’effet Joule dans les lignes et les

dispositifs.

Le THD d’un courant dans le neutre peut par exemple dépasser 100 %, à cause d’un

harmonique de rang 3 généré par des charges monophasés.

Un appareil de mesure qui n’effectue pas une analyse spectrale ne mesure pas le THD mais

une valeur approchée appelée le facteur de distorsion, ou DF.

Ce facteur, inférieur à 100 %, est défini par le rapport de la valeur efficace des harmoniques à

la valeur efficace du signal total.

...

...

2

3

2

21

2

3

2

2

HHF

HHDF

Lorsque la distorsion est faible, les deux valeurs THD et DF sont équivalentes.

Si DF dépasse les 15 %, il est possible de corriger la mesure pour obtenir le taux de distorsion

harmonique total.

21 DF

DFTHD

[wikipedia]

X Smart grid, une solution pour optimiser son réseau électrique

Le smart grid est une des dénominations d'un réseau de distribution d'électricité « intelligent » qui utilise des technologies informatiques de manière à optimiser la production, la distribution, la consommation et qui a pour objectif d’optimiser l’ensemble des mailles du

62

réseau d'électricité qui va de tous les producteurs à tous les consommateurs afin d’améliorer

l'efficacité énergétique de l'ensemble.

L'apport des technologies informatiques devrait permettre d'économiser l'énergie en lissant les pointes de consommation et en diminuant les capacités de production en pointe qui sont les

plus coûteuses et les plus polluantes, de sécuriser le réseau et d'en réduire le coût.

C'est aussi une réponse (partielle) à la nécessité de diminuer les émissions de gaz à effet de serre pour lutter contre le dérèglement climatique.

C'est (lorsqu'il est associé à un système distribué constitué de très nombreuses micro-

centrales) l'un des 5 piliers de la « Troisième révolution industrielle » proposée et promue, notamment par Jeremy Rifkin.[wokipedia]

Figure 47 : Schéma théorique d'un réseau d'interconnexion entre l'Europe, l'Afrique du Nord et le Moyen-Orient [wikipedia]

X 1 Terminologie

Il n’existe pas vraiment de traduction à l’expression anglaise smart grid, qui est inspirée de power grid désignant le réseau de distribution d'électricité. Ainsi, le mot smart met l’accent

sur « l’intelligence » apportée par l’informatique au réseau de distribution d’électricité. Le GDT(Grand Dictionnaire Technologique) propose la traduction « réseau de distribution

d’électricité intelligent ». Certains utilisent plus simplement « réseau électrique intelligent » ; c'est en particulier cette expression qui a été retenue dans le Vocabulaire de l'Énergie paru au Journal Officiel.

D’autres expressions sont employées en anglais comme : smart electric grid, smart power grid, intelligent grid, IntelliGrid, future grid ou SuperSmart Grid. [wikipedia]

63

X 2 Intérêt du réseau intelligent

Sachant que l'électricité ne peut pas être stockée facilement, rapidement et économiquement en grandes quantités, les technologies du « réseau intelligent » cherchent à ajuster en temps

réel la production et la distribution (offre et demande) de l’électric ité en hiérarchisant les besoins de consommation (quantité et localisation) selon leur urgence afin de :

optimiser le rendement des centrales ; éviter d'avoir à régulièrement construire de nouvelles lignes ;

minimiser les pertes en ligne ; optimiser l'insertion (aléatoire) de la production décentralisée, en particulier d'origine

renouvelable ; distribuer l’électricité au meilleur prix possible.

Une évaluation plus approfondie également faite par Accenture (2013) estime que chaque

compteur nord-américain pourrait permettre une économie de 40 $ à 70 $ par an.

X 2.1 Une consommation variable

Dans un réseau électrique classique, la consommation d’électricité et donc la production doivent, à chaque instant, être en adéquation avec la demande des utilisateurs (industriels et

particuliers) ; cette demande est variable et ne peut pas être complètement maîtrisée. La production doit s’adapter instantanément à la demande pour préserver la stabilité du réseau en

terme de tension et de fréquence.

Les réseaux intelligents grâce aux technologies (compteur intelligent) permettant d’agir sur la demande et aux réseaux informatiques reliant producteurs, distributeurs et consommateurs permettront d’adapter, en partie, la consommation aux capacités instantanées de production,

notamment en décalant certaines consommations en dehors des heures de pointe et en optimisant les systèmes dits d'« Effacement de consommation électrique ». L'asservissement

d'une partie de la consommation (industrielle et domestique) à la production disponible, permettra ainsi de diminuer les pics de consommation et donc de réduire les capacités maximales de production dans une zone géographique donnée. [wikipedia]

X 2.2 Une consommation variable

Certaines centrales ont une production très irrégulière du fait de leur source d'énergie (centrales solaires ou éoliennes). D'autres centrales électriques ont souvent un niveau de

« production optimal » permettant d’obtenir un « rendement optimum » et l’idéal serait de les faire fonctionner en permanence à ce rendement optimum quelle que soit la consommation;

Certaines centrales peuvent être démarrées très rapidement (par exemple, les centrales

hydrauliques) alors que d'autres nécessitent des temps de mise en route et d’arrêt plus longs, par exemple, les centrales nucléaires ont besoin d’un certain temps pour entrer en production.

Le réseau "smart-grid" doit concilier et optimiser ces différents paramètres. [wikipedia]

64

X 2.3 Optimiser l'acheminement de l'électricité

L'acheminement de l'électricité se fait à travers un réseau « maillé » de lignes haute et moyenne tension. Chaque maille de ce réseau peut être activée ou désactivée en fonction des

impératifs de maintenance, des impondérables de distribution et des besoins de consommation, sachant que chaque maille peut aussi devenir indisponible à des moments imprévisibles (ligne mise hors service ou endommagée par le vent, la glace, une chute

d'arbre, etc.)

Le maillage du réseau s'effectuant de plus en plus souvent au niveau international, il doit :

respecter des règles techniques (par exemple : tension ou fréquence différentes entre pays) et économiques ;

minimiser les pertes en lignes doivent pour éviter de produire inutilement (par exemple pour réchauffer l’atmosphère en faisant chauffer les lignes conductrices)

sachant que chaque maille du réseau a une capacité de transport qu'il est souhaitable de ne pas dépasser (risque de fragilisation, voire de destruction d'une ligne ou d'un équipement).

Le réseau concerné par les technologies « smart grid » est plus particulièrement le réseau de

distribution (incluant : les compteurs intelligents « Linky en France », les productions décentralisées et des actions sur la consommation, …).

Le réseau actuel a été construit sur une architecture historique "top-down", le producteur

fournit l’énergie totale nécessaire au réseau sans trop se préoccuper de chaque consommateur et de ses besoins. L'acheminement s'effectue depuis les centrales de production au travers du réseau de transport, vers le consommateur en passant par le réseau de distribution. Le réseau

smart grid doit être conçu pour permettre d'utiliser au maximum la production locale ou régionale afin d'éviter de transporter l’électricité sur de longues distances. Pour cela le réseau

doit fonctionner en mode interactif (top-down, et bottom-up) en tenant compte des contraintes de chacun (producteur/distributeur/consommateur). L'intelligence va ainsi se répartir sur l'ensemble des réseaux de production et de distribution et plus particulièrement vers les

niveaux locaux de contrôle et d'observation qui constituent les réseaux de moyenne et basse tension et vers les consommateurs d'électricité.

Avec le smart grid, les mécanismes de régulation de la demande (en fonction du prix et de la

production disponible à un instant donné) permettront de diminuer la capacité maximale de production (via l’étalement des pics de consommation). [wikipedia]

X 2.4 Contrôle du réseau

Pour contrôler en permanence les différents paramètres du réseau en termes de capacité, de production, de charge du réseau et les besoins utilisateurs, un certain nombre de mesures doivent être réalisées tout au long de la chaine afin de déterminer la configuration optimale de

l'ensemble du réseau et son potentiel.

Deux démarches existent, éventuellement complémentaires :

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1. Un traitement centralisé de toutes ces mesures (au niveau d'une région, d'un pays voire

d'un continent), ce qui implique des moyens de communication et de traitement importants, qui ne peuvent être réalisés sans des moyens de communication et de

traitement temps réel importants. Cette solution correspondrait à un système centralisé basé sur un réseau rayonnant à partir de grandes centrales électriques, sécurisé par quelques interconnexions.

2. Une part croissante d'auto-contrôle par le smart grid, dans le cadre d'un réseau devenu « intelligent » et communiquant à haut débit, où l'autoproduction, l'autoconsommation

et la production locale consommée latéralement prendraient de l'importance. Cette solution répond mieux aux besoins d'un réseau décentralisé, tel celui promu par Jeremy Rifkin avec un « Internet de l'énergie », base d'une « troisième révolution

industrielle ».

Dans les deux cas, sans l'apparition conjointe de systèmes de mesure et de télécommunication, sans ordinateurs assez puissants et les logiciels adaptés et optimisés, le

« smart grid » n'existe pas.

Un peu historique

Jeremy Rifkin, né le 26 janvier 1945 à Denver(capitale et la ville la plus peuplée de l'État du Colorado) dans le Colorado(Le Colorado est un État de l'Ouest des États-Unis), est un

essayiste américain, spécialiste de prospective (économique et scientifique). Il a aussi conseillé diverses personnalités politiques. Son travail, basé sur une veille et une réflexion prospective, a surtout porté sur l'exploration des potentialités scientifiques et techniques

nouvelles, sur leurs impacts en termes sociétaux, environnementaux et socio-économiques. Il est également fondateur et président de la Fondation pour les tendances économiques

(Foundation on Economic Trends ou FOET) basée à Washington.

Photo de Jeremy Rifkin [wikipedia]

X 3 Technologies et moyens mis en œuvre

La mise en œuvre, sur le réseau de distribution électrique existant, de capteurs reliés à un

réseau informatique et à un puissant système d'analyse capable de s'appuyer sur des données prospectives de court, moyen et long terme, doit permettre un meilleur ajustement de la production et de la consommation d'électricité, avec les avantages suivants :

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Optimiser la fourniture d'électricité lors des pics de consommations, en lissant la

courbe de charge, permettant ainsi de réduire la production d'électricité par les énergies fossiles ;

Diminution des pannes en réduisant la surcharge des lignes; Réduction des pertes en ligne Intégration au réseau facilitée pour un bouquet de sources d'énergie propre; sûres et

complémentaires, mais souvent irrégulières et diffuses telles que les éoliennes domestiques, hydroliennes, fermes éoliennes, panneaux solaires domestiques,

centrales solaires, petite hydraulique, les sources marémotrices, etc. Transferts facilités et optimisés de la production électrique sur de grande distance.

Bien que certaines technologies soient estampillées smart grid, le terme se réfère plutôt à un

ensemble homogène de technologies qu'à un item précis.

L'émergence des réseaux intelligents est incitée par l'évolution des logiques législatives introduites par l'ouverture des marchés de fourniture d'électricité à la concurrence, ainsi, les apports précédents proviennent principalement du gestionnaire de réseau de distribution, mais

d'autres apports des réseaux intelligents concernent directement les clients finaux en lien avec leur fournisseur d'énergie:

Encourager le consommateur à consommer à l'heure où l'énergie est la plus abondante

(et la moins chère) et donc optimiser sa facture, à travers notamment des offres tarifaires nouvelles rendues possibles par le compteur intelligent (smart meter),

Réaliser une "réponse en flux tendu" en fonction des besoins en consommation /

production des utilisateurs, en consommant par exemple l'énergie produite à proximité de chez soi (panneaux photovoltaïques, Éoliennes, ...) [wikipedia]

X 4 Efficacité

Selon le Département de l'Énergie des États-Unis, si les technologies de réseau intelligent rendaient le réseau électrique américain plus efficace de 5 %, cela équivaudrait à une économie en termes d'émission de gaz à effet de serre de 53 millions de voitures, et

l'amélioration du réseau grâce à ces technologies devrait permettre une économie de 46 à 117 milliards de dollars d'ici à 2023.

Selon une autre étude, l'Europe pourrait de son côté grâce à un « super-réseau intelligent »

(SuperSmart Grid, SSG) sécuriser son alimentation énergétique, en développant les énergies douces, renouvelables et décentralisées, tout en diminuant fortement ses contributions à l'effet

de serre. Ce réseau permettrait même selon l'étude de basculer dès 2050 sur un réseau uniquement alimenté par des énergies propres, sûres et renouvelables, un projet s'étendant jusqu'en 2011, bénéficiant de 10 millions d'euros dans le cadre du programme cadre européen

et visant à étudier les impacts des changements climatiques en zone méditerranéenne et des solutions aux principaux problèmes posés.

À Taïwan, où le groupe Taiwan Power , principal énergéticien de l'île estime que le réseau

intelligent est le seul moyen de « contourner la paresse humaine », ce dernier estime pouvoir faire économiser 10 %, rien qu'en gérant de manière automatique les équipements de veille, et 10 à 20 % supplémentaires en faisant de même avec la climatisation. [wikipedia]

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V 5 Compteurs intelligents

L'expression smart grid est souvent associée au concept de compteur intelligent (smart meter) capable de donner une facturation par tranche horaire permettant aux consommateurs

de choisir le meilleur tarif chez les différentes entreprises productrices, mais aussi de joue r sur les heures de consommation, permettant ainsi une meilleure utilisation du réseau électrique. Un tel système permettrait aussi de cartographier plus finement les consommations et de

mieux anticiper les besoins, à l'échelle locale.

En France par exemple, Linky, le compteur intelligent d'ERDF sera une véritable révolution pour développer le concept Smart grid. Associé aux équipements de la maison communicante,

en particulier certaines box ou gestionnaires d'énergie chez les usagers, il devrait permettre de généraliser le pilotage tarifaire des équipements de l'habitat pour faciliter la gestion de la production et de la charge électrique qui transite sur les réseaux (exemple : pilotage de la

charge des véhicules électriques, du chauffage électrique par radiateurs électriques ou pompes à chaleur, de la climatisation, pilotage de la mise en marche des machines à laver ou des

sèche-linge, ...).

Des prises intelligentes ou ploggs, éventuellement gérées par des logiciels de type middleware, permettent de doter les appareils non communicants de fonctions de

communication simples.

Les grandes entreprises du secteur de l'informatique, comme Google et Microsoft, travaillent sur ces compteurs intelligents pour en faire des interfaces de suivi (tableaux de bord) de la consommation. L'utilisateur peut alors connaître le détail de sa consommation, par pièce, par

interrupteur, par période, par type d'équipements, et connaître les postes sur lesquels des économies d'énergie sont possibles.

Pour accompagner le développement des Smart Grids, et faciliter l'intégration des énergies

solaires et éoliennes sur les réseaux, deux nouvelles normes d'interopérabilité entre les appareils et terminaux et les réseaux électriques intelligents ont été lancées en 2012 par l'ETSI (European Telecommunications Standards Institute) et l’Esna (Energy Services Network

Association), pour la zone de l'Union européenne. L’« Open Smart Grid Protocol » est une nouvelle couche de protocole de communication standard et le « BPSK Narrow Band Power

Line Channel for Smart Metering Applications » précise le mécanisme de contrôle du réseau à travers une « ligne électrique haute performance à bande étroite ». [wikipedia]

V 6 Acceptabilité par le public et enjeux économiques

Ce réseau, s'il se développe, donnera aux opérateurs des informations indirectes et directes sur la vie privée (horaires et activité des habitants). Néanmoins sa capacité annoncée à améliorer le rendement énergétique et à générer des économies sur les factures individuelles, semblent

faciliter son acceptation par le public. Cette acceptation par les utilisateurs est d'autant plus importante qu'une partie des bénéfices du smartgrid en dépend, mais elle reste à démontrer. C'est pourquoi en France, l'ADEME(Agence de l'environnement et de la maîtrise de

l'énergie établissement public à caractère industriel et commercial français créé en 1991), sous l'impulsion du Ministère du développement durable, a lancé des appels à manifestations

d'intérêts courant 2009 visant à démontrer l'efficacité énergétique apportée par le concept smart grid tout en favorisant l'intégration des énergies renouvelables distribuées. Les projets

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attendus devront être en cohérence avec la Feuille de Route « réseaux et systèmes électriques

intelligents intégrant les énergies renouvelables », les principaux objectifs doivent : favoriser l'intégration des énergies renouvelables sur les réseaux de distribution; participer à

l'amélioration de l'efficacité énergétique, développer de nouveaux modèles d'affaires pour la vente de l'énergie, et enfin intégrer le compteur intelligent comme vecteur technologique et économique pour faciliter la gestion active de la demande.

Par ailleurs un des thèmes du grand emprunt 2010 traite des réseaux intelligents, et vise notamment à satisfaire les engagements du Grenelle 2 (La loi « Grenelle II », ou loi n° 2010-

788 du 12 juillet 2010 portant engagement national pour l'environnement est la loi

française qui complète, applique et territorialise une loi votée l'année précédente, dite « Loi Grenelle I

Le Grenelle Environnement (souvent appelé Grenelle de l'environnement) est un ensemble

de rencontres politiques organisées en France en septembre et Décembre 2007, visant à prendre des décisions à long terme en matière d'environnement et de développement durable, en particulier pour restaurer la biodiversité par la mise en place d'une trame verte et bleue et

de schémas régionaux de cohérence écologique, tout en diminuant les émissions de gaz à effet de serre et en améliorant l'efficience énergétique. ) à travers le développement des réseaux

intelligents et son impact sur le grand public (amélioration énergétique, bilan économique long terme...). Les attributions de l'ADEME et celles issues du grand emprunt sont prévues pour fin 2010 début 2011, et devraient concerner les grands acteurs de l'énergie : producteurs,

gestionnaires des réseaux de distribution, acteurs commerciaux, mais aussi industrie ls, institutions, universités...

Après que le président Obama a annoncé un investissement de 3,4 milliards de dollars pour la

transition Spur Energy Smart Grid et le financement d'un large éventail de technologies qui visent à stimuler la transition vers un réseau électrique intelligent et efficient, deux sondages montraient fin 2009 que la population des États-Unis souhaitait que les producteurs

d’électricité fassent plus appel aux sources renouvelables (25 % d'ici 2025) pour l’électricité, ce qui demande un réseau plus souple et intelligent et que 74 % des américains se disaient

prêts à modifier leur comportement via de nouvelles technologies pour économiser l’énergie, si leur facture d’électricité était allégée, et souhaitaient à 88 % que les autorités investissent dans de nouvelles technologies.

X 7 Aspects financiers

Les réseaux de distribution directement concernés par le concept smart grid ont été conçus initialement pour distribuer l'énergie de l'amont vers l'aval ("des centrales vers les

consommateurs"). Avec la production décentralisée (photovoltaïque, éolien...) et avec la modification des utilités (véhicule électrique), la donne est en train de changer. L'émergence des smart grids fait apparaître ainsi de vraies questions financières pour définir à qui profitent

ces nouvelles technologies :

à l'utilisateur final ? Peut-être à condition que les fournisseurs d'énergie parviennent à facturer l'énergie consommée en tenant compte que cette énergie provient du panneau

photovoltaïque du quartier par exemple, les tarifs d'acheminement du distributeur évolueront probablement,

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au gestionnaire de réseau de distribution (principalement ERDF en France) ? peut-être,

si ce dernier redéfinit une nouvelle politique d'investissements visant à ne pas développer de nouveaux réseaux en profitant des producteurs décentralisés, en jouant

sur la courbe de charge à travers les compteurs intelligents, en appliquant de nouvelles règles pour par exemple "délester" des appareils chez l’utilisateur (exemple machine à laver, véhicule électrique, ...)

Historique

,Électricité Réseau Distribution France (ERDF) est une société anonyme à conseil de surveillance et directoire, filiale à 100 % d'EDF chargée de la gestion de 95 % du réseau de distribution d'électricité en France, Électricité de France (EDF) est le premier producteur et

fournisseur d'électricité en France et dans le monde.

aux industriels, si un nouveau marché apparaît, en associant notamment les acteurs de l'électrotechnique et les acteurs des télécommunications,

aux institutions, si l'efficacité énergétique proposée par le smart grid devient réelle et

permet de satisfaire la politique énergétique définie par les gouvernements

aux fournisseurs d'énergie, s'ils parviennent à maîtriser parfaitement l'équation offre-demande de leurs utilisateurs en pilotant notamment des charges électriques en aval du

compteur (ce qui sera sans doute possible avec le compteur intelligent)

L'équation économique n'est donc pas encore définie, les démonstrateurs de l'ADEME viendront éclairer les autorités sur les choix les plus pertinents.

Le smart grid étant un concept novateur, les références restent à bâtir, il existe de nombreux

articles sur le sujet, mais le concept varie d'un pays à l'autre, seul le réseau de distribution est toujours au centre de la problématique.

X 8 Prospective

Avec le développement de l'Internet conjoint à l'apparition de compteurs d'eau et compteurs de gaz intelligents, des prospectivistes comme Jeremy Rifkin prévoit l'émergence proche d'un Internet de l'énergie, qui pourrait également s'étendre aux réseaux et systèmes de transports

intelligents promus par l'Europe notamment.

Conclusion Les perturbations sont dues par des phénomènes naturels, des faits du hasard ou par des

mauvaises manipulations de l’homme. C’est pourquoi on conçoit des matériaux appropries

pour la protection des réseaux électriques. Malgré une protection, il n’y a pas de risque zéro

pour qu’un réseau ne soit perturbé, ce qui diminue la qualité du réseau.

La meilleure manière de protéger son réseau c’est de l’automatiser grâce à un système

informatique qui interagit avec le système électronique inséré dans le réseau.

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Références

[1]

[2] Sûreté des Grands réseaux électriques Forum Electricité–Genève –SIG 1erjuillet 2005

Michel Aguet Chef du service de l’électricité de la Ville de Lausanne Chargé de cours EPFL

[3] protection des réseaux par le système de sélectivité logique , F. Sautriau

[4] Merlin Gerin Service information CT 2 Septembre 90

[5] Les Cahiers Techniques Analyse des réseaux triphasés en régime perturbé à l’aide

des composantes symétriques

[6] Les Cahiers Techniques arc de défaut sur les jeux de barres des tableaux, G. Bouvier,

A. Ducluzaux

[7 ] Les Cahiers Techniques mise à la terre du neutre dans un réseau industriel

haute tension François Sautriau [8] Les Cahiers Techniques Pertes supplémentaires dans les conducteurs pour

forte intensité par effets de peau et de proximité

[9] Les Cahiers Techniques Les disjoncteurs à autosoufflage de SF6 sous contraintes sévères

[10] Les Cahiers Techniques protection des machines et des réseaux industriels

haute tension ; Pierre Roccia

[11] THÈSE présentée pour obtenir le grade de Docteur de l’Université Louis

Pasteur – Strasbourg I Discipline : Génie électrique (spécialité Electrotechnique,

Electronique, Automatique) Par Mohamad Alaa Eddin Alali

[12] http://electra.afrikblog.com/archives/2010/03/01/16746350.html

[13] MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS-RIVIÈRES Université du Québec à Trois-Rivières École d'Ingénierie, Département de génie électrique et génie informatique PAR SANAE RECHKA ÉTUDE DE MÉTHODES DE FILTRAGE DES HAMONIQUES DANS LES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES DE DITRIBUTION Avril 2002

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