Organisation du transport et de la distribution

Université catholique de Louvain

Transport d’énergie électrique Transport d’énergie électrique

H. BUYSE H. BUYSE

ELEC2753: Transport d ’énergie électrique

2 2004 Université catholique de Louvain

Plan du chapitre Plan du chapitre

l Transport d ’énergie électrique

n

Organisation du transport et de la distribution

n

Réseau THT et HT, types de lignes

n

Capacité de transport d ’une ligne

l Augmentation de la capacité de transport du réseau

n

Lignes aériennes

n

Câbles isolés

n

Flexible AC Transmission Systems (FACTS)

3 2004 Université catholique de Louvain

Pertes par effet Joule Pertes par effet Joule

cos P = E I ϕ

2 2 2

cos

2

cos

2

j 2 2

2 2 2

= RI = R P

P E

L P

= S E

ϕ

ρ

ϕ

2

cos

j

2 2

P L P

K = =

P S E

ρ

ϕ

L

E P

R = ρ L/S

L

P

R = ρ L/S

Ligne monophasée

Ligne triphasée

3 2

cos

cos

2

j 2 2

2 2 2

= RI = R P

P E

L P

= S E

ϕ

ρ

ϕ cos

j

2 2

P L P

K = =

P S E

ρ

ϕ cos

P = 3 E I

ϕ

4 2004 Université catholique de Louvain

centrale électrique centrale électrique

réseau réseau transport HT transport HT 220 kV … 36 kV 220 kV … 36 kV sortie centrale

sortie centrale

… 20 kV

… 20 kV

réseau réseau

distribution MT distribution MT 10 kV … 15 kV 10 kV … 15 kV

réseau réseau distribution BT distribution BT 400 V … 230 V 400 V … 230 V transformateur

transformateur HT/MT HT/MT

industrie industrie

transformateur transformateur client industriel client industriel

industrie industrie client client

distribution distribution

industrie industrie client direct client direct

client client résidentiel résidentiel

transformateur transformateur cabine de distribution cabine de distribution

Doc. Electrabel

Organisation du transport et de la distribution Organisation du transport et de la distribution

d ’énergie électrique

d ’énergie électrique

5 2004 Université catholique de Louvain

Organisation du transport et de la distribution Organisation du transport et de la distribution

d ’énergie électrique d ’énergie électrique

380kV 380kV

Production Production

Production Production

Transport THT Transport THT

Distribution HT

Distribution HT Distribution BTDistribution BT

6 2004 Université catholique de Louvain

Réseau belge à THT (380 kV)

Réseau belge à THT (380 kV)

centrale

poste 380 kV en service à l’étude

Courcelles

Meerhout

Avelgem

Gramme Mercator

Chièvres

Avernas

Doc. Electrabel

7 2004 Université catholique de Louvain

Réseau belge à THT

Réseau belge à THT

8 2004 Université catholique de Louvain

Insertion dans le réseau européen

Insertion dans le réseau européen

9 2004 Université catholique de Louvain

Euro Euro p p e: e: p p uissances uissances interconnectées

interconnectées ^{( MW)}

F

P E I

CH A

B NL

D

YU

GR L

CH D GR

NL SLO/HR JUEL-EKC

15 557 104 738 8 444 14 590 5 624 10 590 16 028

13 997 1 332 8 134 46 653 109 622 68 836 A

B L P E F I

Doc. Electrabel

10 2004 Université catholique de Louvain

Tension kV

Câbles HT km

Lignes HT km

Proportion câbles par rapport aux lignes:

Proportion câbles par rapport aux lignes:

Proportion câbles par rapport aux lignes:

26% des liaisons (36 à 220kV) sont souterraines 26% des liaisons (36 à 220kV) sont souterraines 26% des liaisons (36 à 220kV) sont souterraines

380 220 150 70 30 total

883 267 2 005 2 464 3 5 622

0 192 201 1 845 207 2 445

Organisation du transport en Belgique

Organisation du transport en Belgique ^{(1999) (1999)}

Doc. Electrabel

11 2004 Université catholique de Louvain

Paramètres d ’une ligne Paramètres d ’une ligne

Ligne aérienne

D r

Câble isolé

Inductance

Capacité

r R

écran

(1 cond.)

(2 cond.)

0 ln D

l = (1 + 4 ) H/m 8 r

µ π

ln D ^-1

l = (1 + 4 ) r 10 mH/km

ln

c = F/m

D - r r ε π

ln

c 1 F/km 36 D

r µ

≅

ln

c = 2 F/m R

r π ε

ln

c = r F/km 18 R

r

ε µ

12 2004 Université catholique de Louvain

Distances des lignes aériennes aux obstacles Distances des lignes aériennes aux obstacles

Distances des lignes aux obstacles

Distances en mètres Tension

70 kV 150 kV 220 kV 380 kV Au-dessus du sol

Le long d'une route Traversée d'une route

Croisement d'une ligne B.T., H.T., télécomm.

Surplomb d'une maison - horizontalement - verticalement

Surplomb d'une antenne - horizontalement - verticalement

Surplomb de chemin de fer électrifié Au-dessus d'un cours d'eau navigeable

6.20 7.20 8.20 2.20 2.45 3.70 3.20 11 à 13

40

7.0 8.0 9.0 3.0 3.25 4.50 4.0 11 à 13

40

7.70 8.70 9.70 3.70 3.95 5.20 4.70 11 à 13

40

9.30 10.30 11.30 5.30 5.55 6.80 6.30 11 à 13

40

Tableau 2.2.

13 2004 Université catholique de Louvain

Supports de lignes aériennes THT Supports de lignes aériennes THT

2 ternes 380 kV

1 terne 150 kV

14 2004 Université catholique de Louvain

Câbles isolés Câbles isolés

Câble unipolaire Câble multipolaire

C : conducteur I : isolant B : bourrage A : armure Pb: étanchéité J : protection anti-corrosion

C

I

B J Pb

15 2004 Université catholique de Louvain

Puissance transmise par une ligne

Puissance transmise par une ligne résistive résistive

E_S E_R

I

C R

P = E I⋅ E - E^{S R} I = R

R S R

C E (E - E ) P =

R

S2 CM E P =

4R

Puissance transmise à la charge Puissance transmise à la charge

Puissance maximale Puissance maximale

16 2004 Université catholique de Louvain

Puissance transmise par une ligne inductive Puissance transmise par une ligne inductive

E_S

E_R jXI

φ

I

S R

E - E I = j X

2 2 2 2

S R

E = E + X I

2 2

R S - E E I = X

2 2

R S R

C E E - E P =

X

2

2

CM ES

P = X

C R S cos

P = E I = E I ⋅ ϕ Puissance transmise à la Puissance transmise à la charge

charge

17 2004 Université catholique de Louvain

Puissance transmise par une ligne inductive Puissance transmise par une ligne inductive

avec correction du facteur de puissance en bout de ligne avec correction du facteur de puissance en bout de ligne

jXI E_S

E_R I_R

I_C

I

2φ φ

2 / 2 / 2

S C

E X = XI

S2 CM E

P = X

Condition d ’égalité des Condition d ’égalité des tensions : E

tensions : E_{S S} = E= E_RR

Puissance maximale Puissance maximale

18 2004 Université catholique de Louvain

Puissance transmise par une ligne inductive Puissance transmise par une ligne inductive

entre deux sources de tension entre deux sources de tension

E_S

E_R

jXI φ I

φ θ

XI cos φ = E_R sin θ S cos

P E I=

ϕ

R S sin P E E

X θ

=

Puissance transmisetransmise

19 2004 Université catholique de Louvain

Puissance transférée par ligne inductive entre Puissance transférée par ligne inductive entre

deux sources de tensions égales deux sources de tensions égales

2 sin P = E

X θ

20 2004 Université catholique de Louvain

Comparaison des puissance transmissibles Comparaison des puissance transmissibles

E_R

E_S 1.00

0.75

0.50

0.25

0

0 0.25 0.50 0.75 1.00

P. Z E ²

0.8

1 Ligne résistive (charge R) 2 Ligne inductive (charge R)

3 Ligne inductive (charge compensée) 4 Ligne inductive (sources égales) 5 Ligne L-R (charge compensée)

Lignes d ’impédances Z égales Lignes d ’impédances Z égales

21 2004 Université catholique de Louvain

l La puissance maximale qu ’une ligne peut transporter est proportionnelle au carré de la tension de ligne .

l La puissance maximale qu ’une ligne peut transporter est inversement proportionnelle à son impédance, donc à sa longueur.

l La chute de tension dans une ligne inductive peut être compensée par la connexion de condensateurs.

l Dans le cas d ’une ligne inductive (modèle applicable aux lignes aériennes de longueur

modérée), la puissance transportée est proportionnelle au sinus de l ’angle de déphasage entre les tensions aux extrémités de la ligne . Ce déphasage ne peut s ’approcher de ππππ/2, sous

peine d ’instabilité.

l Les pertes par effet Joule entraînées par la circulation du courant dans la résistance des lignes doivent être limitées en raison :

n du coût de l ’énergie perdue,

n de l ’élévation de température des conducteurs due à la dissipation de chaleur.

Capacité de transport d ’une ligne

Capacité de transport d ’une ligne

22 2004 Université catholique de Louvain

Topologies du réseau à haute tension Topologies du réseau à haute tension

Réseau

Réseau en arbre Réseau bouclé

Réseau en arbre

+ facilité de gestion et de protection - manque de fiabilité de l ’alimentation

Réseau bouclé

+ fiabilité de l ’alimentation

- difficulté de gestion et de protection

23 2004 Université catholique de Louvain

Augmentation de la capacité de transport du réseau Augmentation de la capacité de transport du réseau

l

I. Lignes aériennes

n

amélioration de leur disponibilité

n

augmentation de la capacité de transport

u T_max = 75°C (RGIE) +1°C- augmentation de flèche de

l 1.5 cm pour Cuivre

l 3.5 cm pour Al-acier

l 5 cm pour AMS (Almelec)

u Utilisation de conducteurs à faible résistivité et coefficient de dilatation en vue de relever la température maximale : T_max = 90°C (Japon: 160 - 230°C)

l nouveaux alliages d ’aluminium

l câbles aluminium-invar

l câbles aluminium-fibres de carbone

u Utilisation de la capacité de surcharge transitoire

l constante de temps thermique faible pour les conducteurs aériens (qq. minutes)

l monitoring en temps réel

u Peu d’action sur la réactance des lignes

24 2004 Université catholique de Louvain

Pro Pro p p riétés des matériaux constituant les riétés des matériaux constituant les conducteurs de li

conducteurs de li g g nes aériennes nes aériennes

Caractéristique

Matériaux

Cuivre Alu AMS Acier

Résistivité à 10-C ,

Masse volumique Module d'élasticité

E

Contrainte de rupture .^r

10^-95.m 10³ kgm^-3 10⁹ Pa 10⁶ Pa

17.6 8.9 105 300

28.2 2.7 57 120

32.7 2.7 57 240

150 7.8 175 1000

25 2004 Université catholique de Louvain

Augmentation de la capacité de transport du réseau Augmentation de la capacité de transport du réseau

l

II. Câbles isolés

n Nature de l ’isolant

u PVC jusqu ’à 6kV

u PRC ou XPLE remplace l ’huile fluide en HT et THT

n Importance du courant capacitif , longueur critique pour un rendement de 95% :

u 150kV (XPLE ou PRC) - 70km

u 380kV (XPLE ou PRC) - 30 à 40km

n Caractère critique de la température maximale (XPLE)

u service : 90°C

u court-circuit : 250°C

n Constante de temps thermique τ τ τ τ élevée : qq 10 h

n Pertes ohmiques réduites (faible densité de courant), réactance réduite

n Coût de construction environ 10x celui d ’une ligne aérienne

n Solutions prospectives

K Lignes à isolation gazeuse (LIG) N₂ / SF₆

K Supraconducteurs

26 2004 Université catholique de Louvain

Augmentation de la capacité de transport du réseau Augmentation de la capacité de transport du réseau

l

III. FACTS : Flexible AC Transmission Systems

n

Facts à thyristors

u Compensateurs en parallèle :

l TCR Thyristor Controlled Reactor

l TSC Thyristor Switched Capacitor u Compensateurs en série :

l TSSC Thyristor Switched Series capacitor

l TCSC Thyristor Controlled Series Compensator (circuit L-C)

u Transfo. déphaseur commandé par thyristors: TCPAR Thyristor Controlled Phase angle Regulator n

Facts à GTO ou IGBT commandés en Modulation de Largeur d ’Impulsions

onduleurs de tension ou de courant et régulés en tension ou en courant

u Compensation parallèle par source de courant: STATCOM synchronous STATic COMpensator u Compensation série par source de tension : SSSC Static Synchronous Series Compensator

u Compensation série et parallèle : UPFC Unified Power Flow Controller n

Filtres actifs

27 2004 Université catholique de Louvain

Quelques défis supplémentaires Quelques défis supplémentaires

l

Influence des groupes de production décentralisés

n

sur la stabilité du réseau (sources fluctuantes: éoliennes)

n

sur la sécurité du réseau

n

sur la qualité de la tension

l

Maintien et amélioration de la qualité de la tension

n

compte tenu des sources nouvelles

n

compte tenu des charges nouvelles