Réseau-Na

N.L.Technique FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL S.CHARI

SI - Alimenter – Réseau national page 1/25 Classe : 2 STE

I. Introduction Pour être acheminée depuis les centres de production vers les consommateurs, l’électricité emprunte des chemins successifs qui sont « comparables au réseau routier. » Les différentes étapes de l’alimentation électrique sont :

• La production. • Le réseau de grand transport. • Le réseau de répartition. • Les réseaux de distribution.

II. Différentes tensions Les générateurs des centrales électriques fournissent généralement une tension comprise entre 5 et 20 kV. Cette tension est élevée à une valeur de 400 kV afin d’être transportée vers les centrales de répartition (dispatching) puis vers les lieux d’utilisation par les réseaux de transport et de distribution de l’énergie électrique.

Type de ligne Tension alternative

Domaine Tension alternative

Ancienne dénomination

Nouvelle dénomination

Usage

Très Haute Tension (THT)

400kV ou 225kV Haute Tension B

(HTB ) >50 000V

Transport d’énergie électrique à longue distance et international

Haute Tension (HT)

90kV ou 63kV Haute Tension A

(HTA ) 1kV <U< 50kV

Transport d’énergie électrique distant, industries lourdes, transport ferroviaire

Moyenne Tension (MT)

30kV, 20kV ou 15kV Basse Tension B

(BTB) 500<U<1000

Transport et distribution d’énergie électrique en local : industries, PME, services, commerces

Basse Tension (BT) 400V, 230V Basse Tension A

(BTA ) 50<U<500V

Distribution d’énergie électrique : ménages, artisans

Le réseau national possède deux types de ligne :

• Les lignes de transport : tension supérieure à 20 kV • Les lignes de distribution : tension inférieure à 20kV

III. Réseau national Le réseau national est organisé en trois niveaux III.1. Réseau de grand transport et d’interconnexio n Son rôle est de transporter l’électricité des principaux centres de production jusqu’aux zones de consommation. Il permet aussi les échanges d’énergie avec les pays voisins. Pour assurer les transits sur de telles distances, la Très Haute Tension (THT) est nécessaire afin de minimiser les pertes. III.2. Réseau de répartition A proximité des zones de consommation des postes de transformation abaissent la tension. Ce sont les points de départ du réseau de répartition qui achemine un courant à Haute Tension (HT) vers les centres distributeurs et les grands clients industriels. Il assure le transport régional et la répartition proprement dite. III.3. Réseau de distribution C’est au réseau de distribution qui amène l’électricité au client final (petites et moyenne industries, tertiaire, particuliers) en moyenne tension (MT) puis en basse tension (BT).



III.4. Schéma général de la production, du transpor t et de la distribution .

IV. Transport en haute tension Le réseau électrique national s'étend sur des milliers de kilomètres de lignes électriques. Ces lignes sont constituées de câbles métalliques très longs qui sont des conducteurs électriques imparfaits. Ainsi, lorsque des courants électriques de forte intensité traversent ces câbles, une partie de l'énergie transportée est transformée en chaleur par effet joule et donc perdue. Afin de limiter ces pertes d'énergie, il est nécessaire de diminuer l'intensité du courant donc d'augmenter la tension aux bornes de la ligne L’énergie produite par les différents sites de production doit être acheminée sur tout le territoire. Cet acheminement est réalisé par des lignes aériennes ou souterraines. IV.1. Lignes aériennes A haute et très haute tension, les lignes de transport sont aériennes dans leur grande majorité. Elles sont constituées de conducteurs nus en alliage d’aluminium et de supports (pylônes). Leur diamètre augmente avec la puissance à transporter.

Tension kV Distance entre phases (m) Distance du sol (m) 225 6 11 400 10 13

Elles sont composées de câbles; elles transportent essentiellement du courant alternatif triphasé. On regroupe en général deux circuits sur une seule ligne IV.2. Lignes Souterraines Les liaisons souterraines nécessitent des câbles de fabrication plus complexe. Ils sont constitués d’une partie conductrice centrale en cuivre ou en aluminium, l’âme du câble, entourée d’une gaine isolante en matière synthétique. En MT, ces câbles sont enterrés dans de simples tranchées. En HT et THT, c’est un peu plus compliqué. Toutefois le recours aux liaisons souterraines entraîne un coût d’investissement qui est 3 à 5 fois supérieur à l’aérien en HT et 5 à 7 fois en THT. V. Mouvements d’énergie Il faut qu'à chaque instant la puissance demandée par les abonnés soit égale à la puissance fournie par ONE. Il faut aussi à chaque instant que l'énergie livrée soit :

- à une fréquence fixe, - à une tension fixe, - à une puissance variable

Centrale hydraulique

Centrale thermique

Centrale nucléaire

PRODUCTION TRANSPORT

Poste d'interconnexion

Transformateur 400 kV / 225 kV

400 kV

400 kV

HTB / HTA

DISTRIBUTION

Sidérurgie ONCF Mines

Livraison en HTA (20 kV)

20 kV

Transformation HTA/BT

Réseau BT 230 / 400 V



V.1. Variation de la demande d'énergie Au cours d’une journée de 24 heures, la consommation d’électricité suit l’activité du pays. Elle varie également en fonction des jours de la semaine et des saisons V.2. Centres de répartition (Dispatching national)

C'est là que des opérateurs spécialisés surveillent et pilotent le réseau électrique, 24 heures sur 24. Pour cela, ils sont à l'écoute du réseau afin d'ajuster les offres de production aux demandes de consommation.

V.3. Postes d’interconnexion V.3.1. Fonction V.3.2. Structure Ils assurent la liaison entre les centrales de production d'énergie électrique et le réseau de transport et d'interconnexion. Des transformateurs de puissance permettent des échanges d'énergie entre réseaux et différentes tensions. VI. Réseau de distribution d ‘énergie MT/BT A partir de postes sources alimentés par le réseau de transport, O.N.E distribue l'énergie en moyenne tension (MT) 20 kV, mais il existe encore des réseaux en 5, 10, 15 kV ou en 24 ou 30 kV. On distingue deux types de réseaux moyenne tension : - réseau aérien surtout en zone rurale - réseau souterrain en zone urbaine VI.1. Réseau en zone rurale Ce sont essentiellement des lignes aériennes assez longues, assurant une distribution avec une faible puissance à des utilisateurs très dispersés. VI.2. Réseau en zone urbaine I1 s'agit surtout de câbles souterrains, qui ne sont pas influencés par les intempéries (orage par exemple). La puissance installée est beaucoup plus importante par unité de surface. VI.2.1. Alimentation en simple dérivation ou en ant enne

À partir d'un poste-source alimenté par le réseau de transport d'énergie, une artère principale du 20 kV dessert des postes de transformation 20kV/400V disposés en multiples dérivations comme une grappe. Remarque : Un défaut sur le réseau peut provoquer une coupure de courant chez tous les abonnés alimentés par l’artère principale

Arrivée 1 400KV

Arrivée 2 400KV

Départ 225KV

T1

T2

150/400KV

Départ 150KV

225/400KV

Tp

Tp

Tc

Tc

S2 S3

S1

D1

2 jeux de barres

Tp : transformateur de potentiel S1 : sectionneur de ligne Tc : transformateur de courant D1 : disjoncteur S2-S3 : sectionneurs de liaison avec les 2 jeux de barres



VI.2.2. Alimentation en coupure d’artère, « réseau en boucle » Tous les postes HTA/BT sont branchés en dérivation Sur une boucle ouverte en un point dit point de coupure, proche du milieu de la boucle. Tous les appareils de coupure de l’artère sont fermés, sauf un. Avantage : En cas de défaut sur une partie de la boucle, on peut isoler cette partie, et alimenter tous les postes. Ce type de réseau est surtout réalisé en souterrain. VI.2.3. Alimentation en double dérivation Chaque poste est alimenté par deux câbles avec permutation automatique en cas de manque de tension sur l'une des deux arrivées, ce qui permet d'assurer une grande continuité de l'alimentation. Cette disposition est surtout utilisée en souterrain et dans les grandes villes. VII. Poste de transformation HTA/BT (poste de livra ison) Un poste de transformation reçoit l’énergie en 20kV et la transforme en 400V, la puissance du transformateur est fonction du nombre d’abonné et de la puissance demandée individuellement. En fonction des besoins en énergie de l’utilisateur, la puissance installée chez le client varie de 3 à 36 kVA pour le domestique et de 36 à 250 kVA pour les professionnels. VII.1. Conception générale d’un poste de transforma tion. Le poste de livraison comporte essentiellement de l'appareillage et un ou plusieurs transformateurs afin d'assurer les fonctions suivantes :

• dérivation du courant sur le réseau; • protection du transformateur cote HT; • transformation HT/BT; • protection du transformateur cote BT; • comptage d'énergie.

Toutes les masses métalliques du poste sont reliées à la terre. Pour l'intervention dans le poste, les arrivées doivent êtres sectionnées et les câbles reliés entre eux mis à la terre. VII.2. Différents types de postes de livraison VII.2.1. Poste sur poteau Le transformateur et l'appareillage sont fixes sur le poteau, l'alimentation est aérienne, le départ s'effectue en aérien ou en souterrain.

• Protection : Cote haute tension, protection contre la foudre par éclateur. Cote basse tension, un disjoncteur protège le transformateur contre les surintensités.

• Raccordement : Le transformateur est alimente en aérien, le départ BT s'effectue soit en aérien soit en souterrain.



VII.2.2. Postes préfabriqués monoblocs Ces postes peuvent être soit en bas de poteau soit sur une plate-forme extérieure. Le raccordement s'effectue par câble soit au réseau aérien, soit au réseau souterrain. Le tableau BT comporte un interrupteur avec fusibles ou un disjoncteur avec coupure visible. La puissance du transformateur est comprise entre 100 kVA et 1000 kVA. VII.2.3. Postes d’intérieur. Les postes avec cellules préfabriquées métalliques sont réalisés avec des cellules remplissant chacune une fonction. Exemple :

• cellule d'arrivée; • cellule de protection HT; • cellule de protection BT (fusible + interrupteur); • cellule de protection BT (disjoncteur); • cellule de départ BT, etc.

Ces cellules sont juxtaposées à la demande et permettent de réaliser n'importe quelle disposition de poste de livraison.

Conception générale Poste sur poteau Poste préfabriqué

L'installation d'un poste de livraison en intérieur se justifie lorsqu'on doit protéger l'appareillage HT et BT du poste contre les fortes variations de température, ou dans le cas de puissances importantes. On distingue les postes dont l'appareillage HT est sous enveloppe métallique, des postes équipés d'appareillage HT sans enveloppe; le matériel, dans ce dernier cas, est dit (ouvert).



Les postes avec cellules préfabriquées métalliques ont pratiquement remplacé tous les postes maçonnés avec appareillage ouvert; ils présentent l'avantage d'une meilleure sécurité, et d'une mise en place rapide. VIII. Transformateurs monophasés VIII.1 Rôle Les transformateurs sont utilisés pour adapter (élever ou abaisser) une tension aux besoins de l’utilisation. VIII.2. Symbole

VIII.3. Principe de fonctionnement Il est constitué de 2 enroulements placés sur un circuit magnétique fermé.

Cellule de raccordement au

réseau HTA

Cellule de comptage et de protection

HTA

Cellule de protection

et de répartition

Assemblage de cellules

préfabriquées ayant chacune

un rôle déterminé

Adapter la tension Tension

d’alimentation Tension d’utilisation Pertes

Transformateur monophasé Transformateur triphasé

Circuit magnétique

Primaire Secondaire

Enroulement primaire Enroulement secondaire

Source U1 U2 Charge



Le primaire est alimenté par le réseau et se comporte comme un récepteur. Il crée un champ et un flux magnétique (ϕ(t) alternatif ) dans le circuit magnétique feuilleté. Le secondaire est soumis à la variation de ce flux, il est le siège d'une fem induite due à la loi de Lenz et alimente la charge. Un transformateur qui produit une tension plus grande est dit élévateur de tension, à l'inverse il est dit abaisseur de tension. VIII.4. Transformateur parfait VIII.4.1. Hypothèses simplificatrices - Circuit magnétique fermé de perméabilité infinie (pas de fuites de flux et pas de pertes de fer). - Enroulements primaire et secondaire de résistance nulle (pas de pertes par effet joule dans les enroulements). VIII.4.2. Relations entre les tensions A chaque instant, chaque spire est traversée par le même flux magnétique. Au primaire : u1 = - e1 U1 = - E1 = j ω N1 Φ (1) Au secondaire : u2 = e2 U2 = E2 = - j ω N2 Φ (2) On tire immédiatement : Cette relation indique que les tensions u1 et u2 sont en opposition de phase. La relation entre les valeurs efficaces U1 et U2 ne tient pas compte du déphasage : m est le rapport de transformation du transformateur. L’équation (1) donne en valeur efficace : U1 = E1 = ω N1 Φ = 2 π f N1 Φmax /√2 = 4,44 f N1 Φmax U1 = 4,44. f. N1.s.Bmax et U2 = 4,44. f .N2 .s.Bmax Formule de Boucherot Où U, E (valeurs efficaces) en V, B (champ magnétique) en Tesla (T), s (section de fer) en m2 et f (fréquence) en Hz. VIII.4.3. Relations entre les intensités Bilan des puissances: P1= P2 (transformateur parfait) Comme ϕ1 = ϕ2 on a: S1= S2 = U1 I1= U2 I2 ⇒

Rendement: η = 1=P

P

1

2

VIII.4.4. Schéma électrique équivalent et diagramme de Fresnel Un transformateur parfait est alimenté au primaire par une tension sinusoïdale u1. Il alimente une charge Zc, telle que le courant i2 présente un déphasage d’un angle φ2 avec la tension u2.

u2

u1 = -

e2

e1

N2

N1 = - = - m

m = U2

U1

m = U2

U1 =

I1

I2

e2 = - N2 dΦ

dt

e1 = - N1 dΦ

dt



L’intensité du courant I2 dépend de la charge appliquée au secondaire, il en est de même pour le facteur de puissance cos φ2. Ces deux grandeurs imposent l’intensité du courant I1 appelé au primaire, ainsi que le facteur de puissance du primaire, sachant que φ1 = φ2.

VIII.5. Transformateur réel En éliminant toutes les hypothèses précédentes : VIII.5.1. Relations entre les tensions Le circuit du primaire peut se mettre en équation comme suit : U1 = - E1 + R1.I1 + j L1 ω.I1 Le circuit du secondaire peut se mettre en équation comme suit : U2 = E2 - R2.I2 - j L2 ω.I2 VIII.5.2. Relations entre les intensités La relation s’écrit : Avec i10, intensité du courant absorbé par le primaire du transformateur à vide. VIII.5.3. Comportement simplifié dans l'hypothèse d e Kapp L’hypothèse de Kapp permet de négliger le courant i10 vis à vis de i1 si bien que i1 et i2 sont dans le rapport de transformation. VIII.5.4. Schéma équivalent simplifié ramené au sec ondaire Le modèle de Thévenin équivalent au transformateur vu du secondaire consiste à ramener tous les éléments du transformateur sur le circuit du secondaire. Connaissant la charge, il sera aisé de calculer les paramètres électriques du transformateur complet. Les éléments R1 et X1 = L1ω peuvent être déplacés au secondaire en les multipliant par m2, ainsi :

Le secondaire se comporte comme une source de tension : • de f.e.m :U20 ; • d'impédance ZS = √ XS

2 + RS2 avec : RS = (R2+m2 R1) et XS = (X2 + m2 X1)

On peut écrire l'équation du transformateur ramenée au secondaire : U2 = U20 - (R2 + jL2ω)I2

ϕ2

ϕ1 U2

I2

U1

I1

i2 i1

u1 u2 Z2 m

- N2

N1 i2 = i1o – m i2 i1 = i1o

L1 R1 i1

u1

e1

L2 R2 i2

u2

e2 Lm RF

i10

- mi2



ZS, l’impédance équivalente aux deux éléments RS et XS

La tension e2 étant égale à – m.u1, sa valeur efficace est donc égale à U2o. Le circuit du secondaire peut se mettre en équation comme suit : U2 =U20 - (RS + jX S)I 2 (6)

VIII.5.5. Calcul approché de la chute de tension au secondaire : Le calcul de la chute de tension peut être alors réalisé à l’aide d’une formule approchée : ∆U2 = RSI2 cos φ2 + XSI 2 sin φ2

VIII.5.6. Détermination des éléments R S et XS Le transformateur réel est équivalent à un transformateur parfait associé à un modèle de Thévenin au secondaire de fem Es = U20 = -mU1 et d'impédance Zs = Rs+jLsω = Rs+ jXs . avec Rs = Pj /I2

2 , Zs = mU1cc/I2cc et Xs = √ ZS2- RS

2 VIII.5.7. Rendement du transformateur

Le transformateur est un élément essentiel de la chaîne de distribution de l'énergie électrique pour des réseaux de très grande puissance. Dans la recherche d'une optimisation des coûts, il est nécessaire de connaître le rendement du transformateur. Le rendement d'un appareil est le rapport de la puissance restituée à la puissance fournie. Pour le transformateur : Remarque : le rendement est maximal lorsque pertes fer et pertes Joule sont identiques.

VIII.5.7.1. Mesure directe Cette méthode consiste à mesurer avec deux wattmètres P1 et P2. η = P2 / P1

m2 L1 m2 R1 i1

u1

e1

L2 R2 i2

u2 e2 m

i1

u1

e1

LS RS i2

u2 e2 = u20 m mu1

Xs Rs i2

u2

ZS

Puissance disponible au secondaire

Puissance totale absorbée au primaire

P2

P1 η = =



VIII.5.7.2. Mesure par la méthode des pertes séparé es Deux essais particuliers du transformateur permettent de mesurer séparément les pertes par effet joule (Pj) et les pertes ferromagnétiques (Pfer). Cette méthode consiste à évaluer les différentes pertes dans les conditions nominales d’utilisation.

• Essai à vide : mesure des pertes fer

A vide le circuit secondaire est ouvert : I2 = 0 ⇒ P2 = 0 et PJ2 = 0 Bilan des puissances : P10 = PJ10 + Pfer. Toute l’énergie absorbée au primaire est utilisée pour compenser les pertes fer et les pertes joules au primaire. Remarque : l’indice 0 (zéro) indique qu’il s’agit de valeurs à vide. A vide I10 est très faible. Par conséquent PJ10 << P10. Finalement : essai à vide P10 = Pfer Complément : les pertes fer dépendent essentiellement du champ magnétique donc de la tension U1 et de la fréquence f. Comme ces deux grandeurs restent les mêmes à vide ou en charge, les pertes fer mesurées à vide sont les mêmes que celles en charge. Il faut donc naturellement faire cet essai à la tension nominale (ex. U1N = 220 V).

• Essai en court circuit : mesure des pertes joule Le circuit secondaire est en court-circuit : U2 = 0 ⇒ P2 = 0 Bilan des puissances : P1CC = PJ1CC + PJ2CC + Pfer. Toute l’énergie absorbée au primaire est utilisée pour compenser les pertes fer et les pertes joules. Remarque : l’indice cc indique qu’il s’agit de valeurs mesurées en court-circuit. En court-circuit, pour obtenir I2N, il faut travailler à très faible tension U1CC. Par conséquent Pfer est très faible. Finalement : essai en court-circuit P1CC = PJ

• Essai en charge

Il faut choisir une charge appropriée pour travailler dans les conditions nominales de tension et de courant. On mesure P2.

I10

U1N

U20

A W

V1 V2

I 1CC

Tension réduite U1CC

A

W

V

I 2CC = I2n



Rendement : IX. Transformateurs triphasés IX.1. Exemple de transformateurs IX.2. Constitution IX.2.1. Circuit magnétique Le circuit magnétique canalise le flux magnétique. Il est constitué d’un empilage de tôles. Ces tôles sont :

Isolées entre elles par oxydation (diminutions des pertes par courant de Foucault) ; à cristaux orientés (diminution des pertes par hystérésis) ; assemblées en alterné pour limiter l’entrefer ( réductions des fuites magnétiques).

IX.2.2. Circuit électrique Il comprend les enroulements primaires et secondaires ainsi que les éléments permettant les connections avec les circuits extérieurs. Pour les transformateurs triphasés, il y a 3 enroulements primaires et 3 enroulements secondaires. IX.2.3. Couplage Comme tous les récepteurs triphasés, le primaire d’un transformateur peut avoir ses enroulements couplés en étoile ou en triangle. De la même façon, les bobines secondaires pourront être connectées en étoile, en triangle ou en zig- zag.

P2

P1 η =

U2.I2.cosφ2 U2.I2.cosφ2 + P10 +PJ

=

Transformateur de poteau 20 kV / 400 V Transformateur d’interconnexion de réseau

Culasse supérieure

Culasse inférieure



Par convention : - les bornes haute tension sont repérées par des lettres majuscules : A , B , C. - les bornes basse tension sont repérées par des lettres minuscules : a , b , c.

Y Couplage étoile

D Couplage triangle

1ére lettre (majuscule) Couplage primaire Z Couplage zig-zag (nécessite des enroulements à point milieu)

2ème lettre (minuscule) couplage secondaire

y, d ou z Idem

3ème lettre N ou n Neutre sorti

Indice horaire 0, 1,2,…, 11 Retard de la BT sur la HT exprimé en multiple de 30°

IX.2.4. Indice horaire Les conditions de couplage des enroulements primaires et secondaires ont aussi pour effet d’introduire un déphasage entre des tensions primaires et secondaires et homologues, c’est à dire apparaissant entre les bornes désignées par des mêmes lettres (VA , Va) ou (UAB , Uab). En pratique, le déphasage θ obtenu est toujours un multiple entier de ± 30°. θ = retard d’une tension BT sur son homologue HT. L’indice horaire I est : I = 0 ≤ I ≤ 11 (entier) Exemple : Un indice horaire de 11 correspond à un retard de 11 x 30° = 330° X. Protection des personnes et des matériels X.1. Protection des personnes : Régimes de neutre

Dyn11 Représentation de Fresnel

θ

π 6



X.1.2. Défaut d’isolement.

C’est un contact entre un ou plusieurs des conducteurs actif (phase ou neutre) avec la masse ou la terre. X.1.3. Les trois régimes de neutre. Chaque régime est caractérisé par deux lettres :

• 1er lettre :T Neutre relié directement à la terre.

I Neutre isolé ou relié à la terre par une impédance. • 2e lettre : T Masse reliée directement à la terre.

N Masse relié au neutre. X.1.4. Régime TT X.1.4.1. Caractéristiques.

• Déclenchement des protections au 1er défaut. • Le neutre du transformateur d’alimentation est relié à la terre. • Les masses sont interconnectées et reliées à la terre.

X.1.4.2. Schéma.

Rd : résistance de défaut. Rd = 0,1ΩΩΩΩ Rn : résistance de prise de terre. Rn =10ΩΩΩΩ Ru : résistance de prise de terre des masses. Ru = 10ΩΩΩΩ Uc = Ru x Id = 10 x 11,4 = 114 V ⇒ Tension mortelle

Id

Uc

Défaut

Ru Rn

Rd 230V

Id = U

Rd+Rn+Ru = 230

0,1+10+10 = 11,4 A

Id UL

Défaut

Soit UL : potentiel des masses. Ra : résistance de la prise de terre. Id : courant de défaut. On a : UL = Ra x Id Le potentiel UL ne doit pas dépasser :

25 V en local humide. 50 V en local sec.



X.1.4.3. Protection • Toutes les masses des matériels protégés par un même dispositif de protection doivent être

interconnectées et reliées par un conducteur de protection (PE) à une même prise de terre. • La condition de protection doit satisfaire à la relation suivante : Ru . I∆n < UL

I∆n : Courant de fonctionnement du dispositif de protection ; Ru : résistance de la prise de terre des masses ; UL : tension de contact limite : UL = 50V, 25V selon les locaux.

• Dans les schémas TT, on assurera la protection par un dispositif différentiel à courant résiduel. Dans ce cas, le courant I∆n est égal au courant différentiel résiduel du disjoncteur.

X.1.4.4. Emplacement des dispositifs différentiels Toute installation TT doit être protégée par un dispositif différentiel résiduel placé à l’origine de l’installation.

X.1.5. Régime TN X.1.5.1. Principe Le neutre de l’alimentation est relié à la terre et les masses sont reliées au neutre. Tout défaut d’isolement est transformé en un défaut entre phase et neutre. Ce qui se traduit par un court-circuit phase neutre.

X.1.5.2. Régime TNC : X.1.5.3. Régime TNS :

DRDR : Dispositif de détectiondifférentiel résiduel

PEN

Le conducteur de protection et le neutre sont confondus en un seul conducteur PEN : Protection Electrique + Neutre Section des conducteurs actifs ≥ 10 mm² On utilise l’appareillage tripolaire.

PE

N

Le conducteur neutre est séparé du conducteur de protection électrique PE. Utilisation de matériel tétra polaire. Dans les deux cas, la protection doit être assurée par coupure au premier défaut.



X.1.5.4. Boucle de Défaut

X.1.5.5. Caractéristiques :

• déclenchement au premier défaut. • répartition des prises de terre dans toute l’installation. • défaut d’isolement phase/masse est transformé en défaut phase/neutre. • aucune élévation du potentiel des masses.

X.1.5.6. Protection Un défaut d’isolement se traduit par un court-circuit Le courant de défaut n’est limité que par la résistance des conducteurs : Il faut vérifier que les dispositifs de protection réagissent en un temps inférieur à celui imposé par la norme, soit pour un disjoncteur :

Tension nominale Temps de coupure ( s ) UL= 50 V UL= 25V

230 V 0,4 0,2 400 V 0,2 0,06

Remarque : Il faut pour les fusibles If < Id (courant de fusion du fusible).

X.1.6. Régime IT : X.1.6.1. Principe Le neutre est isolé de la terre, ou relié à la terre par une impédance. Les masses sont reliées à une prise de terre. X.1.6.2. Schéma

PEN Id

Les prises de terre du neutre et des masses sont interconnectées. En cas de défaut, un courant Id circule dans le conducteur PE ou PEN. ⇒ Court circuit donc Id est important. ⇒ Déclenchement des protections.

Rn

Zn

Ru

PE

Ru : R de la prise de terre. Rn : R de la terre du neutre. Zn : Impédance d’isolement.

Id = 0,8V / (Rph + Rpe)

I magnétique < 0,8 .V. Sph / ρ . l. (1+m) avec m = Sph / Spe



X.1.6.3. Boucle de défaut X.1.6.1. Premier défaut X.1.6.2. Deuxième défaut En cas de double défaut, il y a présence d’un fort courant de court circuit (entre phase) et d’une tension de contact (Uc) dangereuse. ⇒⇒⇒⇒ Coupure automatique obligatoire. Deux cas se présentent :

masses séparées : protection par dispositif différentiel : Régime TT. masses communes : protection contre les surintensités : Régime TN.

X.1.6.3. Caractéristiques.

• le premier défaut doit être signalé par un contrôleur permanent d’isolement (CPI), par un signal sonore ou visuel.

• la coupure est obligatoire au deuxième défaut. • un personnel de surveillance doit être capable de réparer au 1er défaut.

X.1.6.4. Fonctionnement du CPI

Rn

Zn

Id

Ru

PE Uc

Rn

Zn

Id

Ru

PE

Le premier défaut est inoffensif. ⇒ Id est très faible. Exemple de calcul : Zn = 2200 Ω Rn = 10 Ω - Ru = 10 Ω Id = V / Ztotal = 220 /(2200+10+10) Id = 0,1 A Tension de défaut : Ud = Ru x Id Ud = 10 x 0,1 = 1V⇒⇒⇒⇒ Tension non dangereuse La coupure n’est pas impérative.

Relais de détection

Signalisation ΩΩΩΩ Mesure d’isolement

Cet appareil contrôle en permanence l’isolement du réseau. Un générateur injecte du courant continu entre le réseau et la terre. a) Absence de défaut : le courant continu ne

circule pas entre le réseau et la terre. b) Présence de défaut : un faible courant est

débité sur le réseau et le relais actionne les alarmes.

Cet appareil signale l’apparition du 1er défaut.



X.1.7. Choix du régime de neutre. Cas où le régime de neutre est imposé (exemples):

Tous les régimes de neutre permettent de protéger les personnes, le matériel contre les contacts indirects par coupure automatique de l’alimentation. X.1.8. Récapitulatif.

Le régime de neutre TT est surtout utilisé dans la distribution publique d’énergie. La mise au neutre TN est surtout employée dans l’industrie. Le neutre isolé IT est installé pour des raisons de continuité de fonctionnement. X.2. Protection des matériels X.2.1. Défauts dans les installations électriques Les principales perturbations sur une installation électrique se traduisent par :

- Les surintensités : surcharges ou courts-circuits - Les surtensions ou les baisses de tension

Perturbation Causes Effets Moyens de protection

Surcharges

Dès que l'appareil d'utilisation demande une puissance plus importante. Ex: moteur électrique bloqué

Accroissement anormal du courant absorbé, d'où échauffement lent mais pouvant entraîner la détérioration de l'installation.

Fusible Relais thermique Disjoncteur avec déclencheur thermique

S

urin

tens

ités

Court-circuit

Élévation brutale du courant absorbé due à un contact électrique entre 2 conducteurs de polarités différentes

Création d'un arc électrique, échauffement très important pouvant entraîner la fusion des conducteurs, création d'effets électrodynamiques

Fusible Disjoncteur avec déclencheur magnétique

Type d’installation RdN Exemple Bâtiment alimenté par un réseau de distribution publique

TT Commerces Habitations

Etablissement d’enseignement avec ateliers

TT Collège, LT, …

Salle d’opération IT Bloc opératoire Circuit de sécurité IT Eclairage de secours

Désignation Règles Protection Neutre à la terre

TT Masses à la terre

Coupure automatique au 1er défaut

UL ≤ Ru x I∆n

Assurée par disjoncteur

différentiel

Mise au neutre TN

Masses reliées au neutre et neutre à la terre

Coupure automatique

au 1er défaut

Défaut transformé en court circuit, phase/neutre,

protection par fusible ou disjoncteur

Neutre isolé IT

Masses à la terre

Coupure automatique au 2e défaut

Avertissement au 1er défaut par CPI



Surtensions

Augmentation brutale de la tension due : • à des contacts

accidentels avec la H.T, • à des conditions

atmosphériques : coup de foudre.

Destruction des isolants.

Relais de surtension, Parafoudre.

Baisses de tension

Chute de tension trop importante due à un déséquilibre du réseau.

Mauvais fonctionnement des récepteurs (moteurs, matériels informatiques, …).

Relais à minimum de tension.

X.2.2. Dispositifs de protection. X.2.2.1. Présentation générale. La détection des défauts des différents dispositifs de protection peut être liée:

• à un effet thermique comme la fusion d'un fusible ou la rupture d'un contact d'un bilame (Ferro-nickel/invar).

• à un effet magnétique: une surintensité provoque la fermeture d'un circuit magnétique ce qui entraîne l'ouverture d'un contact.

La détection permet, par la même occasion, l'élimination des défauts.

Remarque : la séparation de deux pièces sous tension lors d'une coupure de courant entraîne l'apparition d'un arc électrique. Pour réellement interrompre le courant, il va falloir couper cet arc. C'est ce qu'on appelle le soufflage de l'arc. X.2.3. Fusibles. X.2.3.1. Définition Appareil de connexion dont la fonction est d'ouvrir par la fusion d'un de ses éléments calibrés à cet effet, le circuit dans lequel il est inséré et d'interrompre le courant lorsque celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur précise. X.2.3.2. Constitution Le principe du fusible est basé sur la création d'un point faible dans un circuit avec un conducteur dont la nature, la section et le point de fusion sont parfaitement connus. Cet élément se trouve noyé dans de la silice (sable) qui a pour but de refroidir l'arc électrique lors de la fusion de l'élément fusible.

Circuit magnétique fixe Bobine 1 intensité

Contact fixe

Contact mobile

Ressort de rappel

Circuit magnétique mobile

Vis de réglagede l'intensité de déclenchement

Déclencheur thermique Déclencheur magnétique



X.2.3.3. Différents types de fusibles On distingue plusieurs classes de fusibles: - classe gI et gG : protègent contre les surcharges et les courts circuits (usage général). - classe aM : fusibles d'accompagnement moteur qui protègent contre les courts-circuits Les éléments fusibles peuvent se présenter sous forme de cartouches cylindriques ou de cartouches à couteau. X.2.3.4. Caractéristiques

• Tension nominale : Un : 250, 400, 500, 660 V • Courant nominal : In : c'est le calibre du fusible • Courant de non fusion : Inf : Valeur du courant qui peut être supporté par l'élément fusible, pendant

un temps conventionnel, sans fondre. • Courant de fusion : If : Valeur du courant qui provoque la fusion du fusible avant le temps

conventionnel. • Durée de coupure : temps qui s'écoule entre le moment ou commence à circuler un courant

suffisant pour provoquer la fusion et la fin de fusion. X.2.3.5. Représentation graphique des courants

Pouvoir de coupure : Courant maximal qu'un fusible peut couper sans que la tension de rétablissement ne provoque un réamorçage, les pouvoirs de coupures des fusibles sont élevés. Exemple: Fusibles gG calibre 16 A, Un = 500 V PC = 80 kA Fusible aM calibre 63 A, Un = 500 V PC = 170 kA X.2.3.6. Choix d'un fusible On choisit le calibre du fusible égal au courant :

- À pleine charge de l'installation à protéger pour la classe gG. - Nominal du moteur à pleine charge pour la classe aM.

X.2.3.7. Fusibles moyenne tension. Fusibles MT Fusarc de chez Schneider Electric .

Caractéristiquedu circuit

Caractéristiquedu fusible

Courantd'utilisation

Courantprésumé decourt-circuit

Courantnominal

In

Courantminimumde coupure

Courantcoupé limité

Pouvoir decoupure

I [A]



Caractéristiques - tension assignée : 3,6 - 7,2 - 12 - 17,5 - 24 - 36 kV; - pouvoir de coupure : 20 – 32 – 40 – 50 - 63 kA ; - courant assigné: 6,3 - 10 - 16 – 20 – 25 - 31,5 – 40 - 50 – 63 - 80 -100 –125 - 160 - 200 - 250 A. X.2.4. Sectionneurs. X.2.4.1. Définition Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui satisfait, en position d'ouverture, aux prescriptions spécifiées pour la fonction sectionnement. Le sectionnement consiste à séparer et à isoler électriquement, suivant les critères de sécurité définis par les normes, une installation de son réseau d'alimentation. La fonction sectionnement est réalisée au moyen de :

• Sectionneurs • Interrupteur Sectionneurs • Disjoncteurs et discontacteurs

X.2.4.2. Constitution générale

• Les contacts principaux (Pôles) : Contacts à fermeture. Position ouverte : ils assurent le sectionnement de l'installation. Position fermée : ils supportent le courant du circuit principal.

• Les contacts auxiliaires : 1 ou 2 contacts à fermeture (contact de précoupure).

Le contact auxiliaire de précoupure se raccorde en série avec la bobine du contacteur (Généralement, il est placé dans l'en-tête du circuit de commande) - Manœuvre d'ouverture : le contact auxiliaire s'ouvre avant le contact principal. - Manœuvre de fermeture : le contact auxiliaire se ferme après le contact principal. En cas de manœuvre accidentelle en charge, il interrompt donc l'alimentation des bobines de contacteurs avant l'ouverture des pôles du sectionneur. X.2.4.3. Caractéristiques fonctionnelles Le sectionneur est un appareil à rupture lente qui ne doit jamais être manœuvré en charge.

Les sectionneurs peuvent être munis de coupe-circuit fusibles en remplacement des tubes ou barrettes de sectionnement, dans ce cas, le sectionneur portera le nom de sectionneur porte fusibles.

• Caractéristiques des contacts principaux : Tension nominale assignée : 600 V, 1000 V Courant permanent maximal : 25, 50 … 500 A

• Caractéristiques des contacts auxiliaires : Tension nominale assignée : 500 V Courant nominal thermique : 10 A

Remarque : Le sectionneur peut comporter un dispositif de condamnation par cadenas empêchant toute manœuvre non autorisée. Verrouillage en position d'ouverture interdisant toute fermeture intempestive.



L'interrupteur sectionneur L'interrupteur est un appareil mécanique de connexion capable d'établir, de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions normales du circuit, y compris les conditions spécifiées de surcharges de service, ainsi que de supporter pendant une durée spécifiées des courants dans les conditions anormales spécifiées su circuits telles que celles du court- circuit.

Un mécanisme lié au dispositif de commande manuelle assure l'ouverture et la fermeture brusque des contacts indépendamment de la rapidité de manœuvre de l'opérateur. X.2.5. Disjoncteurs. X.2.5.1. Définition. Un disjoncteur est un appareil de connexion électrique capable d'établir, de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions anormales spécifiées telles que celles du court-circuit ou de la surcharge. X.2.5.2. Approche matérielle C'est l'association d'un ensemble de contacts avec un grand pouvoir de coupure et d'un système de détection et de protection contre les surcharges et les courts-circuits. X.2.5.3. Association avec d’autres fonctions On peut associer un disjoncteur à : - fonction du sectionneur Distribuer

- fonction du différentiel Protéger les personnes - déclenchement sur cde ATU Sécurité des personnes

X.2.5.4. Caractéristiques de déclenchement X.2.5.4.1. Courbe de déclenchement. C'est l'association de la courbe de déclenchement du relais thermique et de la courbe de déclenchement du relais magnétique

Courbe B. Protection des générateurs, des lignes de grande longueur, où il n’y a pas de pointes de courant. (Elle remplace la courbe L) Réglage de Im : 3 à 5 In. Courbe C. Protection générale des circuits ; (elle remplace la courbe U) Réglage de Im : 5 à 10 In. Courbe D. Protection des circuits à fort courant d’appel (primaires transformateurs BT/BT, moteurs,...). Réglage de Im : 10 à 14 In.

I (A)

Td (temps de

déclenchement en secondes)

Courant de nom déclenchement

Courbe du déclencheur thermique

Courbe du déclencheur magnétique

Temps dedéclenchement

minimal du disjoncteur Imaxi que peut couper

le disjoncteur( pouvoir de coupure )



X.2.5.5. Classification des disjoncteurs

X.2.5.5.1. Disjoncteur divisionnaire. La tendance est au remplacement des fusibles sur les tableaux de distribution d'abonnés par des disjoncteurs magnétothermiques X.2.5.5.2. Disjoncteur de distribution B.T. Pour la commande et la protection des circuits de moteurs et de distribution, il existe deux types de construction de disjoncteurs. • Les disjoncteurs sous boîtier moulé de 32 à 1 250 A équipés de relais thermiques • Les disjoncteurs sur châssis métallique de 800A à 6300A. Ils sont le plus souvent à commande motorisée et munis de relais de protection électroniques.

X.2.5.5.3 Disjoncteur moyenne et haute tension. Destinés à la protection des réseaux de distribution, et des postes de transformation, ces disjoncteurs utilisent la coupure dans l’hexafluorure de soufre (SF6) pour l'isolement et la coupure. Remarque : Pour les disjoncteurs HTA. et HTB (jusqu’à 400KV) un pôle de disjoncteur est constitué de une ou plusieurs chambres de coupures. X.2.5.6. Critères de choix. • Type (B, C ou D) : le choix se fait en fonction du type d’installation (domestique, distribution, moteur...). • Calibre : L’intensité du calibre In (en A) doit comprise entre Ib et Iz. Courant d'emploi Courant admissible

dans la canalisation

Courant nominaldu dispositif de protection

Intensité dansla ligne (en A)

0

IB Iz

In

Il est impératif d’avoir :

IB ≤≤≤≤ In ≤≤≤≤ Iz

IB : Courant d’emploi : Il s’agit du courant nominal ou maximal de la charge. In : Courant nominal du dispositif de protection : Il s’agit du calibre en Ampères de la cartouche fusible. Iz : Courant admissible dans la canalisation : Il s’agit de l’intensité maximale autorisée dans la ligne.

Elle est fonction de différents paramètres tels que mode de pose de la ligne, température, etc. • Nombre de pôles (4P, 3P,..) : IL est fonction du réseau et de la charge. • Modèle (modulaire, compact,..) : Le modèle est principalement imposé par In. • Tension nominale : Elle doit être supérieure ou égale à la tension du réseau. • Pouvoir de coupure (kA): IL doit être supérieur au courant de court-circuit que l’on peut atteindre sur

la ligne.

Disjoncteur sous boîtier moulé de 32 à 1 250 A

Disjoncteur sur châssis métallique de 800A à 6300A



XI. Mesure et comptage XI.1. Mesures électriques sur les réseaux XI.1.1. Principe Les données en provenance des capteurs placés sur le réseau sont traitées par l’unité de protection et de contrôle qui commande les actionneurs sur le réseau.

XI.1.2. Capteur de courant (TC) Ce sont des transformateurs de courant. Ils permettent : - D'adapter le courant à mesurer aux appareils de mesure. - D'isoler le circuit de puissance du circuit de mesure Caractéristique : Courant primaire : 10, 15, …, 500 A Courant secondaire : 1 à 5 A XI.1.3. Capteur de Tension (TP) Ce sont des transformateurs de tension et permettent: - d'adapter la tension aux calibres des appareils de mesures - isoler le circuit de puissance des circuits de mesures Caractéristiques : Tension primaire : 3.5, 10, 20, 30 kV (H.T.A.) Tension secondaire : 100, 110 V (B.T.) XI.1.4. Exploitation des mesures Les valeurs d'intensité et de tension à la sortie des transformateurs (TC et TP) sont l'image exacte des valeurs du réseau H.T.A.. Ces images sont exploitées pour le comptage de l'énergie, les mesures de déphasages, de puissance, de courant, de tension. Elles sont aussi exploitées pour la protection des personnes et des biens.

XI.2. Comptage Les postes de comptage sont des équipements destinés à enregistrer et à maîtriser la fourniture de l'énergie électrique.

I1

I2

I3

V1

V2

V3

TP

TC

Systèmede :MesureProtectionComptage

Réseau H.T.A. (20 kV)



XI.2.1. Pour les abonnés au réseau BT Le poste de comptage est en limite de propriété, il est constitué d’un compteur d’énergie enregistrant la consommation d'énergie. XI.2.1.2. Principe de fonctionnement

XI.2.1.3. Branchement d'un compteur triphasé. L'énergie active et l'énergie réactive sont mesurées selon les mêmes principes que les mesures de puissances actives et réactives en triphasé. Pour les intensités supérieures à 64 A on dispose de transformateurs de courant. XI.2.2. Pour les abonnés aux réseaux HT XI.2.2.1. Possession d'un seul transformateur Si le poste de livraison ne comporte qu'un seul transformateur (HT/BT - P maxi 1250 kVA), le comptage s'effectue en basse tension (BT). La tarification tient compte des pertes du transformateur. Avantages : économie en matériel et peu d'encombrement.

a : Alimentation simple ou double dérivation. b, c, d : Alimentation en coupure d'artère ou double dérivation. T : Transformateur de puissance. Tc : Transformateur de courant.

.

Les compteurs d'énergie fonctionnent sur le principe des moteurs d'induction, et comportent des enroulements parcourus par l'intensité I et par la tension U. Le nombre de tours d'un disque est proportionnel à l'énergie consommée dans le circuit.



XI.2.2.2. Possession d'un ou plusieurs transformate urs Si le poste de livraison comporte :

• soit un transformateur de P> 1250 kVA, • soit plusieurs transformateurs (courant assigné du poste HT 400 A),

Le comptage est réalisé sur la haute tension (HT). Remarque : Ce type de comptage est plus coûteux car il nécessite des interfaces pour les mesures tels que :

• transformateur de courant (TC), • transformateur de potentiel (ou tension) (TP).

Schéma pour courant de base Ib ≥ 45A. Tp : Transformateur de potentiel. Tc : Transformateur de courant

Documents

Réseau-Na