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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Sup

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Centre Universitaire Nour El Bachir El Bayadh Institut des Sciences Département de Technologie Support de Cours Réseaux Electriques Année universitaire 2017/2018 Avant-propos Ce cours de réseaux électriques est destiné aux étudiants en troisième année Licence électrotechnique, il est axé sur le calcul des paramètres des lignes électriques, la modélisation des différentes parties du réseau, le calcul des courants de court-circuit et l’écoulement de puissances dans les réseaux électriques. Il commence par des généralités sur les réseaux électriques (les modes de production d’énergie électriques, constitution des réseaux électriques, types des réseaux électriques, qualité d’énergie et stabilité des réseaux électriques. Le deuxième chapitre donnera une analyse des différentes architectures des réseaux avec un accent particulier sur le design des postes qui est un facteur déterminant dans l’exploitation des réseaux électriques (fiabilité, protection, maintenance . . . etc). Le troisième chapitre se focalisera essentiellement sur les lignes électriques, leurs types, leurs composants ainsi le calcul des caractéristiques longitudinales (Résistance, inductance), et aussi le calcul des caractéristiques transversales (Capacité, conductance) des lignes électriques Le quatrième chapitre sera consacré au différents modèles des lignes de transport d’énergie électrique (modèle de ligne courte, modèle de ligne moyenne, modèle de ligne longue), ligne sans pertes et limites de stabilité. Le cinquième chapitre présentera le système des grandeurs réduites, qui permet à l'ingénieur électricien d'avoir constamment à l'esprit des ordres de grandeurs relatifs de certains paramètres indépendamment des niveaux de tension et de puissance. Le sixième chapitre consistera à la méthode des composantes symétriques qui apparaît admirablement destinée pour l’analyse des systèmes dissymétriques. Le dernier chapitre de ce cours traitera le calcul des courants de défaut de court-circuit. Connaissances requise Analyse des circuits AC, Calcul complexe, notions sur l’appareillage de protection, méthode numériques. Table des Matières Table des matières Chapitre I I. Introduction ......................................................................................................................... 1 II. Définition......................................................................................................................... 1 III. Production de l’énergie électrique ................................................................................... 2 III.1. Les centrales à combustion fossile ................................................................................ 3 III.2. Les centrales à fission nucléaire .................................................................................... 4 III.3. Les centrales hydrauliques............................................................................................. 5 III.4. Les centrales à énergie renouvelable ............................................................................ 5 III.4.1. Les Centrales photovoltaiques .................................................................................... 6 III.4.2. Les centrales Eoliennes............................................................................................... 6 IV. Les différents types de réseaux........................................................................................ 6 IV.1. Réseaux d’interconnexion et de transport ..................................................................... 7 IV.2. Réseaux de répartition ................................................................................................... 7 VI.3. Réseaux de distribution ................................................................................................. 7 V. Matériels utilisés dans les réseaux électriques .................................................................... 7 V.1. Matériels de puissance ................................................................................................... 7 V.2. Matériels de surveillance et de commande ................................................................... 10 VI. Qualité de l’énergie électrique....................................................................................... 11 VII. Stabilité et réglage des réseaux électriques ................................................................... 12 Chapitre II I. Introduction ....................................................................................................................... 13 II. Hiérarchisation du réseau électrique .................................................................................... 13 II.1 Production ...................................................................................................................... 14 II.2 Transport ........................................................................................................................ 14 II.3. Répartition..................................................................................................................... 14 II.4. Distribution ................................................................................................................... 14 III. Niveaux de tension ............................................................................................................. 15 IV. Topologies des réseaux électriques .................................................................................... 15 IV.1. Réseau maillé............................................................................................................... 16 IV.2. Réseau bouclé .............................................................................................................. 16 IV.3.Réseau radial ................................................................................................................ 16 IV.4. Réseau arborescent ...................................................................................................... 17 V. Équipements des postes..................................................................................................... 17 VI.Architectures des postes ...................................................................................................... 17 VI.1. Schémas des postes à couplage de barres .................................................................... 18 VI.2. Schémas des postes à couplage de disjoncteurs .......................................................... 20 VII. Architectures des réseaux de distribution urbains et ruraux ............................................ 23 VII.1. Architectures des réseaux en milieu urbains .............................................................. 24 VII.2. Architectures des réseaux en milieu rural .................................................................. 26 Chapitre III I. Introduction ....................................................................................................................... 28 II.Types de lignes ..................................................................................................................... 28 III.Composants d'une ligne aérienne ........................................................................................ 29 III.1. Conducteurs ................................................................................................................ 29 III.3. Isolateurs ..................................................................................................................... 30 V. Détermination des caractéristiques longitudinales (Résistance, inductance) ...................... 34 V.1. Résistance d’une ligne .................................................................................................. 34 V.2. calcul de l’inductance ................................................................................................... 34 V.2.1. Conducteur seul ...................................................................................................... 35 V.2.2.Inductance de lignes de phase simple...................................................................... 37 V.2.3. Inductance d’une ligne triphasé.............................................................................. 40 V.3.Détermination des caractéristiques transversales (Capacité, conductance) ................... 46 V.3.1. Capacitance d’une ligne ......................................................................................... 46 V.3.2.Effet de la terre sur la capacitance, méthode des images ........................................ 53 Chapitre IV I. Introduction ........................................................................................................................... 56 II. Modèle de lignes courtes ..................................................................................................... 56 III. Modèle de lignes moyennes ............................................................................................... 57 III.1. Le modèle nominal en ........................................................................................ 57 III.2.Le modèle nominal en T ............................................................................................... 59 IV. Modèle de ligne longue ...................................................................................................... 60 V. Ligne sans pertes ................................................................................................................. 65 VI. Limite de stabilité statique ................................................................................................. 69 Chapitre V I.Introduction ............................................................................................................................ 71 II.Définition .............................................................................................................................. 71 III.Calcul avec les grandeurs réduites ...................................................................................... 72 IV. Choix des valeurs de base dans un réseau .......................................................................... 73 V. Changement de base ............................................................................................................ 74 Chapitre VI I.Introduction ............................................................................................................................ 77 I.Le système direct.................................................................................................................... 77 II.Système inverse .................................................................................................................... 77 III.Système homopolaire .......................................................................................................... 78 IV.Décomposition d’un système triphasé en ses composantes symétriques ............................ 78 Chapitre VII I.Introduction ............................................................................................................................ 82 II.Définition .............................................................................................................................. 82 III.Origines des court-circuits................................................................................................... 82 IV. Types de court-circuits ....................................................................................................... 82 V. Étude des courts-circuits...................................................................................................... 84 V.1. Défaut ligne-terre .......................................................................................................... 84 V.2. Défaut ligne-ligne ......................................................................................................... 85 V.3. Défaut 2 lignes – terre................................................................................................... 87 Références Bibliographiques Références Bibliographiques .................................................................................................... 90 Chapitre I Généralités sur les réseaux électriques 1 Centre Universitaire Nour Bachir El Bayadh I. Introduction L’exploitation du réseau électrique consiste à produire, transporter et distribuer l’énergie demandée par les charges installées. Cette énergie doit être fournie sous tension et fréquence dans de limites acceptables afin de garantir un bon fonctionnement des charges et des équipements du réseau. Pour la tension, en général une variation de 5% autours de la valeur nominale (parfois 10%) est tolérée. Par ailleurs, la fréquence ne doit pas excéder 0.5% de la fréquence nominale. En plus du contrôle permanent de la tension et de la fréquence, Dans ce chapitre, nous allons voir les moyens de production d’énergie électrique, les différents types de réseaux électriques ainsi que les matériels utilisés dans les réseaux électriques puis nous allons entamer la qualité d’énergie électrique, la stabilité et le réglage des réseaux électriques. II. Définition Les réseaux électriques sont constitués par l’ensemble des appareils destinés à la production, au transport, à la distribution et à l’utilisation de l’électricité depuis la centrale de génération jusqu’aux clients les plus éloignés. Les réseaux électriques ont pour fonction d'interconnecter les centres de production tels que les centrales hydrauliques, thermiques... avec les centres de consommation (villes, usines...). L'énergie électrique est transportée en haute tension, voire très haute tension pour limiter les pertes joules (les pertes étant proportionnelles au carré de l'intensité) puis progressivement abaissées au niveau de la tension de l'utilisateur final. Une distribution électrique, importante et complète comprend les diverses parties suivantes : Les usines de production de l’énergie électrique ou centrales électriques; Un réseau de lignes de transport à (très) haute tension ; Des postes de transformation, d’interconnexion, de répartition ; Des réseaux de lignes de distribution en moyenne tension ; Des postes de transformation (cabines), associés à des lignes d’utilisation à basse tension. Chapitre I Généralités sur les réseaux électriques 2 Centre Universitaire Nour Bachir El Bayadh Fig I.1. Schéma simplifié d’un réseau électrique. III. Production de l’énergie électrique La production consiste à utiliser des énergies diverses de manière à entrainer des alternateurs qui souvent, produisent des tensions et des courants électriques. Deux éléments de base qui constituent la majorité des centrales électriques sont :  Turbine C'est un moyen qui convertit l’énergie d’un courant d’eau, de vapeur ou de gaz en énergie mécanique. Dans le domaine de la production on peut donner à titre d’exemple : Fig I.2. Turbine pelton et Turbine à vapeur.  Alternateur C’est l’organe qui transforme l’énergie de la rotation en une énergie électrique : l'alternateur fournit une ligne trifilaire (signal triphasé) dont les tensions sont des sinusoïdes déphasées de 120° et dont la valeur efficace est de 20kV. La fréquence des tensions est de 50Hz. Cette fréquence (f) est fixée par la vitesse de rotation de la turbine (n) et le nombre de pôles (P) de l’alternateur selon la relation : Chapitre I Généralités sur les réseaux électriques 3 Centre Universitaire Nour Bachir El Bayadh Avec : f en Hz (Hertz) n en trs/s (tours/seconde) Fig I.3. Alternateur Les différentes centrales électriques sont: Les centrales à combustion fossile; Les centrales à fission nucléaire; Les centrales hydrauliques; Les centrales à énergie renouvelables; III.1. Les centrales à combustion fossile Dans ce type de centrale, la chaleur est produite par la combustion d’un combustible (pétrole, charbon, gaz), Pétrole: une chaudière, à base de fioul, permet de porter à l’ébullition l’eau se trouvant dans un circuit fermé créant ainsi une pression élevée. Cette pression permet d’entraîner, en rotation, une turbine solidaire d’un alternateur, source d’énergie électrique. Chapitre I Généralités sur les réseaux électriques 4 Centre Universitaire Nour Bachir El Bayadh Fig I.4. Centrale à combustible fossile. Gaz naturel: il est utilisé comme combustible. Les éléments de conversion d’énergie de la centrale restent les mêmes. On parle souvent de centrales à cycle combiné, il s’agit d’une récupération du gaz d’échappement de la première turbine pour entraîner une deuxième turbine. C’est un gain en énergie. Fig I.5. Centrale à cycle combiné. III.2. Les centrales à fission nucléaire Dans les centrales à fission nucléaire, c’est l’énergie thermique dégagée par la réaction nucléaire au niveau du réacteur qui sert à produire de la pression par ébullition d’eau. Cette pression entraîne la turbine, donc l’alternateur, en rotation, d’où production d’électricité. uploads/Ingenierie_Lourd/ polycopie-reseaux-electriques-corr-1.pdf