Support de cours avec exercices sur l’energie electrique

Support de cours avec exercices sur l’énergie électrique

Introduction

L'électricité  est  une  énergie  souple  et adaptable   mais   elle   est   difficilement stockable,  alors  que  la  consommation  des clients et la coïncidence de la demande sont constamment variables.

Ces exigences nécessitent la permanence du transport et la mise à disposition de l ‘énergie par un réseau de distribution :

  « Haute Tension » pour les fortes puissances et les longues distances,

  « Basse Tension » pour les moyennes et faibles puissances et les courtes distances.

Sur l'illustration ci- dessous, nous voyons l'organisation du transport de l'énergie électrique de la centrale de production (centrale nucléaire, centrale thermique classique, centrale hydroélectrique, etc.) vers les gros utilisateurs (grands centres de consommation), agglomérations, réseau ferroviaire, industrie via le réseau de répartition, puis vers l'utilisateur final (villes, grandes surface, habitation, petite industrie) via le réseau de distribution.

Image 2 Organisation du réseau

Distribution

Exercice : Ai-je compris les spécificités des trois schémas de

A. Conditions de distribution de l'énergie

Domaines de tension

Les domaines de tension sont publiés par la Commission TIS conformément aux dispositions des Codes de sécurité du CERN et par référence à la législation en vigueur.

Selon la valeur de la tension (valeur efficace dans le cas du courant alternatif), les installations électriques sont classées comme suit :

…

Tableau 1 Domaines de Tension

Distribution

Attention : Anciens domaines de tension

Nous pouvons encore trouver des documents qui mentionnent les anciens domaines de tension, notamment les domaines BTA & BTB qui sont désormais inclus dans le seul domaine nommé BT.

Une ligne aérienne haute tension compte en général 3 câbles électriques les uns à côté des autres.

Lorsqu'une ligne est composée de 6 câbles, il s'agit en fait de 2 lignes différentes (3 câbles par ligne).

Un câble supplémentaire, appelé câble de garde est généralement disposé au-dessus de la ligne de transport et la protège de la foudre.

Distribution

  la tension

  l'aspect des lieux

  le respect de l'environnement

  les conditions climatiques

1. Schéma de principe de la distribution haute tension - HTA

Les réseaux de distribution ont comme point de départ les postes sources.

Ils comportent des transformateurs HTB/HTA à partir desquels la HTB est distribuée en triphasé sans neutre et entre 5 et 33 kV (souvent 20kV).

Les transformateurs HTB/HTA peuvent être couplés.

Image 4 Poste source

En aval des transformateurs, la partie HTA est constituée de cellules « arrivée », « couplage » et « départ ».

A partir de ces départs, on réalise des schémas :

  en « Antenne » ou « Simple dérivation»,

  en « Boucle » ou « Coupure d'Artère »,

  en « Double dérivation », selon les besoins de continuité de service et de contraintes de coût.

Distribution

1. Distribution en «Antenne» ou «Simple dérivation»

Il est principalement utilisé dans les zones rurales, en réseau aérien.

Image 5 Distribution en Antenne

En cas de défaut sur un tronçon de câble ou dans un poste, les utilisateurs sont privés d'alimentation le temps de la réparation.

Simulateur

2. Distribution en «Coupure d'artère» ou en «Boucle»

Distribution en «Coupure d'artère» ou en «Boucle»

Il est utilisé en zone urbaine.

Image 6 Distribution en Boucle

En cas de défaut sur un tronçon de câble ou dans un poste, on isole le tronçon en défaut par l'ouverture des 2 appareils de protection ou de sectionnement qui l'encadrent et on ré-alimente la boucle en refermant le disjoncteur.

Distribution

Simulateur

3. Distribution en « Double dérivation »

Il est utilisé pour assurer une continuité de service optimale.

Image 7 Double dérivation

En cas de défaut sur l'une des lignes, l'alimentation de l'abonné est permutée sur la seconde.

Les deux arrivées sont différentes mais peuvent être issues du même poste source.

On ne peut se connecter sur les deux arrivées en même temps grâce au verrouillage mécanique présents entre A1 & A2.

Il est possible que la seconde arrivée (ou la troisième) soit un groupe électrogène (diesel, gaz, autre).

1. Exercice : Ai-je mémorisé les domaines de tension ?

Indiquez les limites de chaque domaine de tension pour le courant alternatif.

1. TBT → Un < v
2. BT → V < Un < v
3. HTA → kV < Un < kV
4. HTB → kV < Un

D. Exercice : Ai-je compris les spécificités des trois schémas de distribution ?

Donnez les trois principales caractéristiques des trois schémas de distribution

1 - Très coûteux (deux fois plus cher qu'une distribution classique) 2 - Excellente continuité de service

3 - Utilisée en zone urbaine

4 - Continuité de service possible

5 - économique

6 - simplicité

7 - Nécessite de nombreux appareils

8 - aucune continuité de service en cas de défaut

Distribution

9 - Nécessite une seconde alimentation ou une seconde arrivée

E. Exercice : Application au lycée

Le lycée se situe en zone urbaine. Pour réaliser ce poste, trois cellules sont utilisées.

Quel est le schéma de distribution probable ?

Image 8 Cellules du poste

Antenne

Boucle ou Coupure d'artère

Double dérivation

1. Exercice : Quels sont les abonnés qui sont alimentés

Plusieurs abonnés sont alimentés par un réseau de distribution en coupure d'artère selon le schéma ci-dessous.

En fonctionnement normal, les Interrupteurs-Sectionneurs (IS) sont dans l'état suivant :

fermésouverts

  ISN1

  ISN2

Tableau 2 état des IS

Indiquez quels sont les abonnés qui sont alimentés dans l'état actuels des Interrupteurs-Sectionneurs.

Réseau de distribution Hta

Abonné n°1

Abonné n°2

Abonné n°n

G. Exercice : Intervention sur le réseau HTa

Suite à des travaux de terrassement, un tractopelle coupe accidentellement le câble à l'endroit indiqué par le point (rouge).

Vous envoyer un électricien habilité à travailler en HTa sur le terrain.

Indiquez quels sont les organes de sectionnement qui doivent rester ou être fermés, quels sont ceux qui doivent rester ou être ouverts.

Distribution

Livraison & comptage de l'énergie

A. Livraison de l'énergie

Selon la puissance souscrite et le tarif qui y correspond, la livraison de l'énergie électrique peut se faire :

  en Basse tension - BT (moins de 1000V)

  en Haute-Tension - HT (plus de 1000V)

1. Livraison BT

Il est du type triphasé 50 Hz avec neutre distribué.

La puissance ne doit pas être supérieure à 250 kVA.

Remarque: En BT nous avons :

  le choix de la tarification en fonction de l'utilisation,

  des coûts d'investissement et d'entretien réduits,

Mais le schéma de liaison à la terre est imposé (TT) et l'évolution de la puissance est limitée.

Complément : Il existe deux tarifs :

  le tarif « Bleu » pour les puissances inférieures ou égales à 36 kVA

  le tarif « Jaune » pour les puissances comprises entre 36 et 250 kVA Plusieurs options sont possibles (voir cours « Tarifs de l'Électricité »).

2. Livraison HT

Pour les puissances supérieures à 250 kVA, le distributeur fournit une alimentation dite de 2ème catégorie comprise entre 5 et 33 kV.

Livraison & comptage de l'énergie

Les gros consommateurs sont alimentés à des tensions supérieures (90kV ou plus).

Remarque: En HT nous avons :

  le libre choix du schéma de liaison à la terre,

  une tarification adaptable,

  la possibilité d'évolution de la puissance.

Complément

  Le client est propriétaire du poste HT/BT.

  Son coût et son entretien sont à sa charge.

  Le client n'a accès qu'à la partie BT et à l'interrupteur HT. Plusieurs options sont possibles (voir cours « Tarifs de l'Électricité »).

1. Comptage

Le comptage peut s'effectuer

  à l'intérieur ou à l'extérieur du point de livraison

  coté BT ou coté HT en fonction du tarif appliqué à l'installation

Alimentation HT jusqu'à 160 kVA - Poste sur poteau.

Le point de livraison se situe après le disjoncteur de protection.

Le comptage s'effectue coté BT. La mesure du courant se fait à l'aide d'un transformateur de courant (cf. Transformateur de courant (HT)).

Image 9 Comptage - poste sur poteau

Livraison & comptage de l'énergie

Alimentation HT jusqu'à 250 kVA (tarif vert) - Poste sous enveloppe.

Le point de livraison se situe immédiatement après le disjoncteur de protection du secondaire du transformateur mais si le comptage s'effectue là aussi coté BT, ce dernier est intégré à l'enveloppe.

Image 10 Comptage - Poste sous enveloppe

Alimentation HT à comptage BT.

Pour les puissances élevées, la livraison se fait en HT.

Pour des raisons de facturation (voir cours « Tarifs de l'Electrcité »), le comptage se fait en BT (les pertes du transformateur ne sont pas comptabilisées).

Image 11 Comptage BT

Alimentation HT à comptage HT.

Selon le tarif, le comptage peut s'effectuer coté HT.

Les pertes du ou des transformateurs sont comptabilisées.

L'utilisation d'un transformateur detension (cf. Transformateur detension ou de potentiel), en plus du transformateur de courant (cf.Transformateur de courant (HT)), est nécessaire pour réaliser la mesure de la consommation d'énergie.

Livraison & comptage de l'énergie

C. Exercice : Application au lycée

La photo ci-contre montre la plaque signalétique du transformateur.

Indiquez quel est le tarif utilisé par le lycée.

Image 13 Plaque signalétique

Tarif Bleu

Tarif Jaune

Tarif Vert

Appareillage HTA

L'appareillage électrique à haute tension est l'ensemble des appareils électriques qui permettent la mise sous ou hors tension de portions d'un réseau électrique à haute tension (y compris pour des opérations de délestage).

Les applications industrielles des disjoncteurs à haute tension sont

Image 14 Poste de transformation HTA/BT pour l'instant limitées au courantalternatif car elles sont plus économiques, il existe cependant des sectionneurs à haute tension pour liaisons à courant continu.

L'appareillage électrique à haute tension a été créé dès la fin du XIXe siècle, au début pour la manœuvre de moteurs et autres machines électriques. Il n'a cessé de se développer, l'appareillage est actuellement utilisé dans toute gamme des hautes tensions, jusqu'à 1 100 kV.

Il existe de nombreux types de cellules : sectionnement à fusible, disjoncteur, couplage... De même, on distingue les cellules isolées dans l'air des cellules isolées dans le gaz (GIS).

Elles se trouvent en général dans le poste de transformation HT/BT avec le transformateur.

Appareillage HTA

A. Les Cellules préfabriquées

Qu'est-ce qu'une cellule HTA ?

L'appareillage électrique à haute tension (interrupteurs, disjoncteur, sectionneurs, etc.) est en général installé dans des cellules, armoires métalliques modulaires qu'on assemble et relie entre elles.

Ces cellules sont installées en bâtiment. L'appareillage HTA installé en extérieur est rare dans les postes sources, mais est fréquent en distribution rurale, avec en particulier des  interrupteurs  installés  en  haut des pylônes électriques.

Une cellule comprend les différents organes nécessaires au fonctionnement du poste : disjoncteur, jeu de barres, sectionneur de jeu de barres, sectionneur de terre, transformateur de courant, transformateur de tension (ou transformateur de potentiel) et parfois parafoudre.

Il existe de nombreux types de cellules : sectionnement à fusible, disjoncteur, couplage... De même, on distingue les cellules isolées dans l'air des cellules isolées dans le gaz (GIS).

1. Les cellules de raccordement

Elle permettent de réaliser les raccordements en antenne, boucle, ou double dérivation.

Elles peuvent recevoir des options

Image 16 Cellules de raccordement

Appareillage HTA

1. Les cellules de protection

1. Les cellules de protection

Elles peuvent êtres équipées de sectionneurs, de fusibles ou de disjoncteurs.

Elles peuvent recevoir des options : transformateur de courant , disjoncteurs motorisés, etc.)

Les  disjoncteurs  peuvent  utiliser  le principe de la coupure dans l'air ou dans l'hexafluorure de soufre   - SF6

La vidéo ci-dessous montre l'ouverture d'un disjoncteur au SF6

Complément : Coupure dans le SF6

Le SF6 permet l'extinction de l'arc électrique qui se produit à l'ouverture de contacts en HTA.

Il est deux fois plus efficace que l'air, ce qui permet de réduire les volumes des appareils.

Il est également Incolore, inerte, non toxique, ininflammable et ne présente aucune dangerosité pour les personnes, il ne contient pas de substance polluante.

Image 18 Hexafluorure de soufre

Il est l'un des plus puissants des 6 gaz à effet de serre mentionnés dans le Protocole de Kyoto, signé en 1997 et en tant que tel, ses émissions

La contribution des émissions de SF6 provenant des appareils HTA sur les changements climatiques s'avère cependant marginale: 0.05% des émissions mondiales de gaz à effet de serre.

Appareillage HTA

Complément: Les 3 positions des interrupteurs HTA

Les interrupteurs HTA ont la particularité de posséder les 3 états suivants :

  ouvert,

  fermé,

  mise à la terre.

Intérêt de la mise à la terre : décharger les capacités contenues dans les câbles et éviter les retours possibles de tension liés à des erreurs de manœuvre.

Tableau 3 Les 3 positions des interrupteurs HTA

Complément : Les trois postions de l'interrupteur HTA

Interrupteur HT

Appareillage HTA

1. Les cellules de raccordement
2. Les cellules de raccordement

Elle permettent de réaliser les raccordements en antenne, boucle, ou double dérivation.

Elles peuvent recevoir des options

Image 19 Cellules de raccordement

D. Cellules de comptage

Elle permettent le comptage de l'énergie en BT ou en HTA.

Dans ce cas, un TP est indispensable.

Une cellule de comptage peut être intégrée dans une autre cellule au travers d'une option.

Les catalogues constructeur (Siemens, Schneider, Uniswicht, etc) permettent de choisir les cellules nécessaires à la confection d'une sous-station principale ou secondaire.

Image 20 Cellule de comptage HTA

Catalogue Uniswicht

Exercice : Usine de produits préfabriqués en béton

Distribution de l'usine

Image 21 Industrie du Béton

L'usine de produits préfabriqués en béton armé est située dans le Val-de -Loire d'où est extrait le sable utilisé pour élaborer le béton.

Les produits préfabriqués sont surtout utilisés dans le bâtiment ; ce sont des panneaux de façade, des escaliers, des élé-ments de dalles etc.

Le schéma de l'alimentation HTA de l'usine est le suivant (le reste de la distribution BT n'est pas représenté) :

Image 22 Distribution de l'usine

Q u e s t i o n  1

Parmi les types d'alimentation qui existent, indiquez quelle est celui utilisé dans cette usine. Justifiez votre réponse

Indices :

Le schéma ne représente que la partie de la distribution concernant l'usine

L'usine possède deux transformateurs, protégés par deux disjoncteurs, DG01 & DG02

Vérifiez si les différents disjoncteurs peuvent être fermés en même temps.

Patrick Jacob

Exercice : Usine de produits préfabriqués en béton

Détails des circuits des différents bâtiments

Le plan de l'implantation d'une usine de produits préfabriqués en béton armé est donné ci-contre →

La composition de chaque batiment est donnée ci-dessous :

Image 23 Implantation

Atelier A1 :

  Concasseur 120 kVA

  Centrale béton 60 kVA

  Tables vibrantes 80 kVA

  Tables vibrantes 85 kVA

  Eclairage 15 kVA Armature TR3 :

  Soudure par point 80kVA

  Cisailles 60kVA

  Manutention 40 kVA

  Eclairage 20 kVA

Atelier A2 :

  Tables vibrantes 90 kVA

  Tables vibrantes 70 kVA

  Mouleuses 45 kVA

  Grue 30 kVA

  Eclairage 15 kVA Bureau TR4 :

  Eclairage 20 kVA

  Chauffage 40 kVA

  Informatique 10 kVA

  Réserve 20 kVA Compresseur : 80 kVA

Table des matières

Introduction 5

I - Distribution 7

 A. Conditions de distribution de l'énergie......................7

 B. Schéma de principe de la distribution haute tension - HTA.......9

 1. Distribution en «Antenne» ou «Simple dérivation»...........10

 2. Distribution en «Coupure d'artère» ou en «Boucle»..........10

 3. Distribution en « Double dérivation »................11

 C. Exercice : Ai-je mémorisé les domaines de tension ?.............11

 D. Exercice : Ai-je compris les spécificités des trois schémas de distribution ?........11

 E. Exercice : Application au lycée..................12

 F. Exercice : Quels sont les abonnés qui sont alimentés.............12

 G. Exercice : Intervention sur le réseau HTa................13

II - Livraison & comptage de l'énergie 15

 A. Livraison de l'énergie..................15

 1. Livraison BT........................15

 2. Livraison HT........................16

 B. Comptage....................18

 C. Exercice : Application au lycée..................19

III - Appareillage HTA 21

 A. Les Cellules préfabriquées...........22

 1. Les cellules de raccordement..............22

 B. Les cellules de protection............23

 1. Les cellules de protection...................23

 C. Les cellules de raccordement....................26

 1. Les cellules de raccordement..............26

D. Cellules de comptage.................27

IV - Exercice : Usine de produits préfabriqués en béton 29

Conclusion 33

Glossaire 35