Modélisation de l’interaction électromagnétique entre la foudre et un câble enterré dans un sol dispersif avec pertes

Scientifique

Université de JIJEL

Faculté des sciences et de la technologie Département d’Electrotechnique

Mémoire de Fin d’Etudes pour l’Obtention du Diplôme de

Master en Electrotechnique Option :

Réseaux Electriques Thème :

Année universitaire: 2019/2020

Dirigé par Dr. B. Khelifi

Réalisé par :

Mlle. Boussayoud Loubna

Modélisation de l’interaction électromagnétique entre la foudre

et un cable enterré dans un sol

dispersif avec pertes

Remerciement

Je tiens tout d’abord à remercier Dieu le tout puissant et miséricordieux, qui ma donnée la force et la patience d’accomplir ce Modeste travail.

En seconde lieu je voudrais présenter mes remerciements à mon encadreur

«Dr. Khelifi Bochra » Je voudrais également lui témoigner ma gratitude pour sa patience et son soutien qui m’a été précieux afin de mener mon travail à bon port.

Mes vifs remerciements vont également à tous les enseignons de l’option réseau électrique à l’université de jijel.

A mes parents bien sûr, mes frères pour leur réconfort et soutient durant tout mon parcours.

Je tiens également à remercier ma copine et mon âme sœur Meroua.

Et enfin Je ne savais pas comment exprimer ma gratitude à Monsieur B.Nekhoul, pour son aide, son soutien et ses conseils tout au long de mon travail.

« Une personne qui n’a jamais commis d’erreur

… …n’a jamais tenté d’innover » Albert Einstein

A mes chers parents À mes ceux et celles qui M’éprouvent de la véritable

amitié…

sommaire

Introduction générale ……… 1

Chapitre I : Généralités Introduction……….. ⁴

I. L’industrie de l’énergie………... ⁵

I.1 Plus d’énergie électrique……… 5

II. les réseaux électriques : du réseau classique au réseau intelligent ….... 6

II.1 Introduction……… 6

II.2. organisation classique des réseaux électriques………. 7

II.3. Le nouveau modèle du système d’énergie électrique………. 10

II.4. Les réseaux électriques intelligents……… 13

II.4.1 Les moteurs de la mise en œuvre des réseaux électriques intelligents…………. 14

II.4.2. Les bénéfices attendus des réseaux électriques intelligents ……… 14

II.4.3 les fonctions intégrées des réseaux électriques intelligents………. 15

II.5 la transmission des données pour le smart grids………. 17

III. compatibilité électromagnétique ……….. ¹⁸

III.1 Définition………. 18

III.2 perturbations électromagnétiques ……… 19

III.2.1 sources de rayonnements électromagnétiques ……….. 19

III.2.1.1 La foudre comme source de rayonnement électromagnétique………. 20

III.2.1.2 phénomène de foudre ………. 20

III.2.1.3 déclenchement artificiel de la foudre ……….. 21

III.2.1.4 modélisation de la foudre……….. 22

IV. Interaction électromagnétique Foudre – réseaux conducteurs filaires……… 28 IV.1 les effets directs ……… 28

IV.2 les effets indirects ……… 29

V. notre problématique………. ²⁹

V.1 Transitoire électromagnétique……….. 29

sommaire

V.2 calcul des perturbations induites par un impact indirect de foudre sur les câbles … 29

V.3. Analyse de l’efficacité du blindage des câbles……….. 31

V.4. Analyse de la sensibilité des différents paramètres de simulation………. 32

Conclusion……… 32

Références Bibliographiques………. ³³

CHAPITRE II : Modélisation réaliste avec effet de la fréquence de l’interaction EM foudre-câble enterré Introduction……… ³⁵

I. Equations de l’électromagnétique……….. ³⁶

II. Méthodes d’analyse d’un dispositif électromagnétique……… ³⁷

II.1 Introduction……….. 37

II.2 Schéma global pour l’analyse d’un dispositif électromagnétique………. 37

II.3 Approches de calcul en électromagnétisme……… 39

III. Modélisation de l’interaction Onde Electromagnétique-Câble………… ⁴¹

III.1 Interférences électromagnétiques : Problème de CEM………. 41

III.2 Domaine d’analyse………. 41

III.2.1 Les méthodes fréquentielles……….. 42

III.2.2 Les méthodes temporelles……… 42

III.3. Choix du modèle ………. 43

IV. Concept des lignes de transmission ………. ⁴⁵

IV.1. Équations des lignes couplées excitées par une onde électromagnétique ……….. 46

IV.2. Solutions générales des équations de couplages (modèle de Taylor)………. 49

V. Formalisme topologique pour l’étude du couplage entre une OEM et un réseau de ligne……… 50 V.1. Principe……… 51

V.1.1 Construction de la sous matrice [A1] ………. 52

V.1.2. Construction de la sous matrice [A2] ……… 53

V.1.3. Le vecteur [B]……….. 54

VI. Formalisme fréquentiel pour l’étude du couplage d’une onde électromagnétique avec un câble blindé aérien ou souterrain………. 54 VI.1. Introduction……… 54

VI.2. Théorie des lignes couplées pour un câble blindé……… 55

VI.3. Calcul des matrice impédance et admittance d’un Câble coaxial mono-âme blindé.. 56

Conclusion………... ⁶⁰

Références Bibliographiques……….. ⁶¹

CHAPITRE III : quantification par modélisation des tensions et des courants induits sur un câble enterré : analyse de sensibilité Introduction………... ⁶³

I .Validation……… ⁶⁴

I.1. Validation du calcul du champ électromagnétique ……… 64

I.2. Validation du formalisme de couplage électromagnétique……… 66

II. Applications………. ⁷²

II.1. Calcul du champ électromagnétique………. 73

II.2 Effet de la conductivité du sol et de la fréquence……….. 74

II.3 Effet sur les courants induits de la profondeur d’enfouissement du câble……… 76

II.3.1 Rappel (propagation d’une OEM dans un milieu conducteur)……… 76

II.3.2. Analyse de l’effet de la profondeur d’enfouissement ………. 77

II.4 Effet sur les courants induits de l’épaisseur du blindage……….. 78

II.5 Effets sur les courants induits des charges aux extrémités ……… 79

III. Solution CEM : électrode de mise à la terre souterraine………. ⁸¹

IV. Incertitudes en CEM : Application à l’analyse de sensibilité des câbles enterrés……… 87 IV.1.Introduction……….. 87

IV.2. Rappels……… 87

IV.3. Couplage Foudre-Câble : analyse probabiliste et de sensibilité………... 88

IV.3.1. Densité de Probabilité du courant induit……….. 88

IV.3.2. Analyse de sensibilité……… 89

Conclusion……… ⁹¹

Références bibliographiques………. ⁹³

Conclusion générale………. 94

Annexe A1 : Analyse modale ……… 97

Annexe A2 : Calcul de la matrice impédance d’un câble mono-âme coaxial blindé……… ¹⁰⁴ Annexe A3 : Quelques notions de probabilités……… 110

Introduction générale

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Introduction générale

ar perturbation électromagnétique, nous entendons tout phénomène électromagnétique susceptible de créer des troubles de fonctionnement d'un dispositif, d'un appareil, ou d'un système. Une perturbation électromagnétique peut être un bruit, un signal non désiré ou une modification du milieu de propagation lui-même.

Parmi les perturbateurs possibles nous nous intéressons à la foudre, qui par ses effets indirects ou directs, peut entrainer de nombreux dérangements et des destructions d’équipements au sein même du réseau électriques et du réseau de communications.

La problématique du foudroiement par impact indirect des câbles de distribution d’énergie et de transmission de données jouit d’un intérêt croissant avec le développement des sources de production décentralisées et la prolifération de nouveaux modes de communication. Ce sujet d’actualité intéresse en premier l’industriel qui a du mal à identifier les vrais risques liés à la pollution électromagnétique.

Beaucoup de travaux de recherches expérimentales approfondies et de modélisations ont été effectuées sur l'effet de la foudre indirecte sur les lignes aériennes ; mais à notre connaissance, même si pour les câbles enterrés, une telle caractérisation est disponible dans la littérature scientifique elle demeure incomplète au vu des nouveaux développements technologiques. Des exemples typiques sont les câbles collecteurs des parcs éoliens et les câbles de télécommunications enterrés qui comprennent des câbles d'alimentation de répéteur nécessaires à la télé-conduite du réseau électrique classique et à l’avenir indispensable à l’organisation des réseaux électriques intelligents (Smart Grids). L’épuisement des énergies fossiles et leur impact sur le climat, ont conduits les producteurs d’électricité vers les énergies renouvelables et l’intégration des sources de production décentralisées dans le réseau. L’insertion massive des énergies renouvelables (EnR) sur les réseaux électriques pose des problèmes d’ordre technique, notamment pour les gestionnaires de réseaux. Le premier concerne la localisation des installations de production. L’intégration de la production décentralisée conduit à un fonctionnement bidirectionnel des réseaux traditionnellement conçus pour n’acheminer l’énergie que dans un sens, faisant émerger des besoins de renforcement. Le second relève de la gestion des moyens de production intermittents (sources décentralisées) dans le système électrique.

Afin de faciliter l’intégration des EnR dans le système électrique, les réseaux devront être gérés de manière plus réactive, grâce aux technologies de Smart grids. Ces technologies

P

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regroupent de nombreux outils et systèmes pour la gestion des réseaux (comptage communicant, stockage de l’électricité, modèles de marché, onduleurs et charges contrôlables, etc.). Les nouvelles technologies de l’information et de la communication interviendront également afin d’optimiser les flux d’énergie et, notamment, d’assurer l’équilibre « offre/demande ». En développant l’observabilité, le pilotage et la flexibilité, les Smart grids permettront de mieux gérer l’intermittence des énergies renouvelables.

Développer l’observabilité, à partir d’instruments de mesure,permettra de surveiller l’état du réseau à tout moment (défaut, congestion, variation de la tension, etc.), d’anticiper les incidents et de faciliter la prise de décision pour optimiser le réseau et le rendre plus sûr.

La multiplication d’appareillages de mesure, des capteurs, tels que les compteurs communicants, permettra ainsi de mesurer précisément les flux d’énergie sur le réseau et de maintenir l’équilibre et la stabilité du système. Un grand nombre de données sont prises en compte : la topologie du réseau, les mesures de la tension, de la puissance sur le réseau, etc … Les objectifs de cette observation sont multiples : prendre en compte la production décentralisée pour la téléconduite et la supervision du réseau, surveiller la qualité de fourniture, gérer activement la demande, mieux prévoir le dimensionnement du réseau.

Malheureusement, la foudre est une décharge électrique de très forte intensité dont les cibles privilégiées sont le réseau de transport d’énergie et les réseaux de communication.

En plus de l’impact direct (coup au but qui est canalisé par divers moyens de protection), le canal ionisé de la foudre se comporte comme une antenne verticale qui rayonne un champ électromagnétique transitoire de très forte amplitude. Ce champ induit des surtensions et des courants parasites en mesure de provoquer une dégradation du matériel (claquage des isolants électriques) et un dysfonctionnement de l’appareillage de mesure, indispensable au contrôle du réseau et au smart grids , sachant que des composants électroniques sensibles sont de plus en plus utilisé dans les systèmes d'alimentation et de communication.

Le travail réalisé dans ce mémoire, Projet de Fin d’Etudes de master en Electrotechnique (option : réseaux électriques), se concentre plus particulièrement sur la quantification par le calcul des perturbations électriques induites par l’impact indirect de la foudre sur les câbles utilisés (câble collecteur et câble de transmission de données) dans le réseau électrique. L’objectif de notre travail est de faire une modélisation complète en mesure de tenir compte de l’effet de la fréquence sur les différents éléments qui interviennent dans ce problème de couplage électromagnétique. La permittivité électrique et la conductivité

[3]

électrique du sol sont des fonctions de la fréquence et nous permettent ainsi de tenir compte de son effet sur le calcul du champ électromagnétique, de l’impédance du câble et donc sur les grandeurs électriques induites dans ce dernier.

Ce mémoire est organisé en trois chapitres. Le premier est consacré l’introduction de notre sujet; dans ce chapitre nous donnons un bref aperçu sur l’organisation du réseau électrique, et nous proposons une introduction aux Smart Grids (rôle, organisation, ….), nous abordons ensuite la notion de perturbation électromagnétique avec une description et la modélisation comme source de rayonnement électromagnétique du phénomène foudre. Dans ce chapitre nous exposons aussi notre problématique pour définir l’objectif retenu dans notre travail

Le deuxième chapitre est consacré à la modélisation le plus souvent utilisée pour tra iter des problèmes d’électromagnétisme et particulièrement ceux des transitoires électromagnétiques dans le réseau électrique. Pour réaliser notre travail, nous avons utilisé le formalisme topologique en fréquentiel ; dans ce deuxième chapitre après un rappel sur la théorie du couplage électromagnétique par les lignes de transmission, nous présentons le formalisme théorique (ie. les équations) et les différentes étapes nécessaires pour son implémentation sous Matlab.

Pour juger la qualité de notre choix de modélisation, dans le troisième chapitre nous commençons par des validations pour confronter nos résultats de calcul à ceux déjà publiés ; nous proposons ensuite des applications pour mettre en évidence l’intérêt et les avantages de notre modélisation.

Nous terminons ce mémoire par une conclusion générale et des perspectives.

CHAPITRE I

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Introduction

e transport de l’énergie électrique depuis les centres de production jusqu’aux centres de consommation est assuré par un réseau complexe. Celui-ci interconnecte l’ensemble des centres de production et permet les échanges avec l’étranger. Grâce à ce réseau, on peut ajuster en permanence la production à la consommation, optimiser techniquement et économiquement l’utilisation du parc de production et garantir un acheminement satisfaisant de l’énergie. Cette importante opération résulte du mariage de l’intelligence énergétique et les Technologies Informatiques de Communications pour conduire vers des réseaux de plus en plus autonomes et même intelligents.

Malheureusement, malgré cette forte qualité le réseau n’est pas exempt de défaut. Au vu de ses importantes dimensions, occupant pratiquement l’ensemble du territoire d’un pays et même au-delà, le réseau est l’objet de perturbations électromagnétiques engendrées par la foudre. Les coups de foudre même par impact indirect sur les lignes aériennes et les câbles souterrains provoquent des surtensions et surintensités très importantes qui se propagent le long des lignes et des câbles et entrainent des dysfonctionnements voir même la destruction du matériel.

Ce premier chapitre que nous consacrons aux généralités va nous permettre de comprendre la structure générale d’un réseau électrique et d’introduire l’objectif ainsi que l’ensemble des éléments qui vont intervenir dans notre mémoire de fin d’études de master en électrotechnique (option : réseaux électriques). Nous le débutons par la place et l’importance qu’occupe l’énergie électrique dans les besoins industriels, suivra ensuite une description des réseaux électriques et particulièrement la fonction des réseaux intelligents (Smart Grid) qui s’imposent et deviennent une nécessité pour l’optimisation des ressources énergétiques et l’intégration des énergies renouvelables. Nous abordons ensuite la notion de perturbations électromagnétique et nous décrivons le phénomène de foudre comme source de rayonnement. Nous terminons ce chapitre par un aperçu sur notre problématique qui traite un sujet des transitoires électromagnétique engendré par l’impact indirect de la foudre sur les câbles (d’énergie et de transmissions de données) du réseau électrique.

L

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I. L’industriede l’énergie

L’industrie de l’énergie est une industrie importante et en pleine croissance qui regroupe toutes les industries impliquées dans la production et la vente d’énergie. Cela inclut fabrication, raffinage, extraction et distribution. Compte tenu du fait que la société moderne consomme une énorme quantité d’énergie l’industrie de l’énergie est très importante presque partout dans le monde, elle nous fournit de la lumière, de la mobilité, de la chaleur et elle nous rend la vie meilleure, elle nous permet de voyager, d’étudier le soir, d’utiliser les Smartphones et les PC, etc. Dans son ensemble, l’industrie de l’énergie contient : industrie de l’énergie électrique, industrie du gaz, industrie pétrolière, industrie houillère, industrie de l’énergie renouvelable, industrie houillère.

L’utilisation de l’énergie est une clé dans la société humaine pour se développer et s’adapter à l’environnement. La production et la consommation de ressources énergétiques sont l’un des principaux facteurs de l’économie mondiale. Le secteur de l’énergie est déterminé par l’offre et la demande d’énergie à l’échelle mondiale.

En raison du développement économique mondial et malgré la pression environnementale invitant à réduire notre consommation, la demande mondiale en énergie a augmenté de 2,3 % l’an dernier(2019), soit le rythme le plus rapide de la décennie, une performance singulière tirée par une économie mondiale “robuste” et des besoins accrus “en chauffage et climatisation” dans certaines régions a précisé l’Agence International de l’Energie.

I.1. Plus d’énergie électrique

D'ici 2040, d'après l'Agence Internationale de l'Energie (AIE), la demande en électricité aura augmenté de 30 % [I.1]. La croissance démographique explique en partie cette hausse, ainsi que l’accès à l’électricité de populations qui en sont aujourd’hui privées.

Cette croissance démographique induira une plus forte urbanisation : les villes accueilleront plus d’habitants et les classes moyennes seront plus importantes dans les pays en voie de développement. Ce phénomène concernera non pas les mégapoles actuelles, mais les centaines de nouvelles villes qui verront le jour dans les pays émergents et deviendront des métropoles au cours des 10 prochaines années. L'urbanisation impliquera la création d’un plus grand nombre d'infrastructures. Les nouveaux citadins auront besoin de logements, de lieux de travail, d'hôpitaux, d'écoles et de solutions de transport.

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Selon l'AIE, les énergies fossiles fourniront encore 40 % de notre énergie électrique en 2040 [I.2]. Les énergies renouvelables joueront un rôle essentiel au cours des prochaines années et contribueront à répondre à nos besoins énergétiques de façon durable.

Les sources d'énergie renouvelables sont prometteuses puisqu’elles peuvent fournir plus d’électricité que nous n’en consommons, mais elles ne sont pas sans soulever certaines difficultés. La production éolienne, maritime ou solaire n'est ni prévisible ni stable. Il est alors nécessaire d’intégrer au réseau des solutions de stockage, telles que des batteries, afin de conserver l'énergie lors des surplus de production et de la restituer en cas d’alimentation insuffisante.

Cette nouvelle situation de fourniture d’énergie à partir d’un système hybride (sources énergie fossile + sources énergie renouvelable) ont conduit depuis une décennie la mise en place du réseau électrique intelligent (Smart Grid).

II. Les réseaux électriques : du réseau classique au réseau intelligent

II.1 Introduction

Le réseau électrique se compose d’un ensemble d’ouvrages de production, de transport et de distribution de l’énergie électrique. La production de l'énergie électrique résulte de diverses transformations (centrale thermique, centrale nucléaire, centrale hydroélectrique,…). Par exemple, la production de l'énergie électrique d'origine mécanique est basée principalement sur la transformation de l'énergie primaire sous forme potentielle pour les turbines hydrauliques et calorifique pour les turbines à vapeur en une énergie électrique.

Figure I.1. Structure générale d’un réseau électrique.

A titre d’exemple pour une centrale thermique, la transformation de l’énergie primaire en énergie électrique comporte trois sous transformations fondamentales qui sont la transformation du combustible dans la chaudière en énergie calorifique, la

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transformation de l’énergie calorifique en énergie cinétique via la turbine et la transformation de l’énergie cinétique en énergie électrique dans l’alternateur. L’énergie obtenue à la sortie de l’alternateur aux pertes près est transmise aux consommateurs.

Selon la demande d’énergie, la production est contrôlé moyennant le réglage de l'énergie primaire et ce en actionnant les vannes d'admission principales de la turbine (figure I.2) [I.3].

Mais pour des raisons économiques (effet de taille...) ou techniques, les diverses unités de production (centrales électriques) sont souvent géographiquement très concentrées. Par contre, la consommation est beaucoup plus dispersée. Les réseaux électriques assurent la liaison entre les centres de production et les grandes zones de consommation. Ils permettent d’acheminer, là où elle est consommée, l’énergie la moins chère possible à un instant donné.

Figure I.2. Schéma fonctionnel de génération et contrôle de la turbine.

II.2. Organisation classique des réseaux électriques

Le réseau électrique peut se définir comme l’infrastructure permettant la mise en relation entre la production d’électricité (hydraulique, thermique et nucléaire) et les usages finaux. En réalisant cette interface, le réseau assure non seulement un lien physique permettant la circulation des flux d’énergie mais aussi une mise à disposition de services pour la collectivité qu’il irrigue [I.4-5]:

 il permet de tirer pleinement parti du foisonnement des usages ;

 il permet des économies d’échelle et l’optimisation des outils de production ;

 il accroît la sûreté d’alimentation grâce à la redondance et à la mutualisation des ressources.

Le réseau électrique assure les fonctions suivantes [I.4] (figure I.3) :

[8]

- le grand transport, c’est-à-dire la capacité à véhiculer l’énergie électrique depuis les sources de production vers les centres de consommation, sur des distances de plusieurs centaines de Kilomètres, les fonctions de grand transport et d’interconnexion sont généralement assurés par les niveaux de tension les plus élevés (400 kV et 225 kV) ; - l’interconnexion, c’est-à-dire la faculté de faire transiter l’énergie électrique par des voies différentes afin de pouvoir faire face à l’avarie de l’une d’elle. On admet d’ailleurs comme un principe de base que l’exploitation du réseau reste possible au niveau N –1, c’est-à-dire en cas de perte d’un ouvrage quel qu’il soit ;

- la transformation, c’est-à-dire la possibilité de passer d’un niveau de tension à un autre niveau de tension permettant progressivement d’abaisser la tension pour alimenter le client final ;

- la répartition, c’est-à-dire la capacité d’alimenter les postes sources du réseau de distribution à 15 ou 20 kV. La fonction de répartition est assurée par les niveaux de tension intermédiaire (225, 90 et 63 kV) ;

La fonction de transformation se réalise à tous les niveaux de tension puisque l’on passe, par une cascade régulière, du niveau de tension le plus élevé vers le niveau de tension le plus bas.

Les fonctions mises en évidence précédemment sont réalisées grâ ce à des lignes aériennes, des lignes souterraines et des transformateurs de puissance qui forment des réseaux de différentes tensions dont les nœuds et les points de transformation sont les postes (figure I.4) [I.4].

Figure I.3. Organisation du réseau électrique.

[9]

Figure I.4. Architecture du réseau électrique.

Les réseaux THT contribuent de façon déterminante au maintien de l’équilibre entre la demande et l’offre, ainsi qu’à la sécurité d’alimentation et à l’économie de l’exploitation.

Par ailleurs, la qualité du service est également un souci majeur de l’exploitant. Sur le plan pratique, cette qualité nécessite :

- de maintenir les caractéristiques du produit (tension, fréquence) dans les limites très précises du cahier des charges ;

- de limiter, autant que faire se peut, les interruptions de service.

Les réseaux THT jouent aussi un rôle très important pour respecter ces contraintes car :

- les références de tension qui vont conditionner l’ensemble du plan de tension dans le réseau sont fixées, pour l’essentiel, par les groupes de production raccordés aux réseaux THT;

- la fréquence est, de même, fixée par les groupes de production qui doivent rester synchrones en régime permanent ;

- la sécurité d’alimentation des grands centres de consommation dépend très fortement de la structure des réseaux de transport.

Mais il faut savoir que, compte tenu de l’inertie mécanique relativement faible de certains composants des systèmes électriques (groupes de production et moteurs) et de la grande vitesse de propagation des phénomènes, les réseaux THT créent un couplage dynamique très fort entre les moyens de production, d’une part, et les charges (consommation), d’autre part.

[10]

Au-delà de l’examen du problème de la répartition économique et en sécurité de la puissance, l’étude du fonctionnement de ces vastes systèmes interconnectés et fortement couplés est donc absolument nécessaire. Elle portera sur leur réglage e t leur stabilité.

Enfin, il va de soi qu’il est nécessaire de protéger les systèmes électriques qui peuvent être affectés par de nombreux types d’incidents. Il convient de distinguer la protection des ouvrages du réseau proprement dit (lignes...) et celle du système production-transport. La protection du système production-transport est essentielle, car certains incidents (pertes de ligne en cascade, pertes brutales de moyens de production importants...) peuvent induire des conséquences catastrophiques (effondrement du système électrique).

En définitive, l’étude du fonctionnement du système production-transport- consommation est dominée par quatre préoccupations [I.5]:

- maintenir en permanence les conditions nécessaires d’un équilibre entre la production décentralisée (hydraulique, thermique et nucléaire) et la consommation (problème de conduite) ;

- maintenir les caractéristiques de la tension et de la fréquence dans les plages contractuelles (problème de réglage) ;

- tenir compte du fort couplage dynamique entre production et consommation via le réseau (problème de stabilité) ;

- assurer l’intégrité des ouvrages (problèmes de protection) et du système électrique (problèmes de stabilité et de protection).

II.3. Le nouveau modèle du système d’énergie électrique

Différentes instances internationales de décision ont mis en place des incitations réglementaires en faveur des énergies renouvelables. Une partie de ces énergies est destinée à être raccordée aux réseaux de transport, comme les grandes fermes éoliennes, une autre est destinée aux réseaux de distribution et même au consommateur final. Dans ces derniers cas, on parle de production décentralisée.

Le développement de ces sources d’énergie a eu un impact fort sur le fonctionnement traditionnel des grands systèmes, tant au niveau des réseaux de transport que des réseaux de distribution. Alors que les réseaux de transport, de par leur rôle spécifique dans l’équilibre global production-consommation et les impératifs de sûreté de l’ensemble du système électrique, sont déjà bien instrumentés avec des technologies avancées de mesure, de surveillance, de protection et de contrôle-commande, les réseaux de distribution ont

[11]

relativement moins bénéficié de l’intégration des technologies de pointe. Ainsi, les réseaux de distribution ont été conçus différemment pour des raisons économiques de par leur nature très étendue et distribuée.

En effet, dans le cadre d’une organisation monopolistique, la fonction principale des réseaux de distribution était l’acheminement final de la ressource énergétique dans le sens descendant tout en veillant à la continuité de la fourniture et au respect des contraintes sur la tension et le courant malgré les incidents fortuits qui pouvaient survenir à son niveau (court-circuit, foudre, surtensions de manœuvre et autres). Leur structure et l’exploitation particulière qui en découle (radiale) répondent à ces objectifs dans les meilleures conditions économiques.

De fait, ces derniers n’ont pas été conçus à l’origine pour accueillir de manière massive des unités de production dites décentralisées ou distribuées (figure I.5). De plus, avec le développement de la production décentralisée, les consommateurs, peuvent, tout en étant consommateur, devenir producteurs ou se transformer en réservoir de stockage.

Le consommateur devient ainsi «actif» ou même «pro actif» lorsqu’il regroupe toutes les possibilités de «modulation de charge», de «production» ou de «stockage». De plus, ces dernières sont souvent de type intermittent (électricité photovoltaïque et éolienne, entre autres) ce qui implique une gestion spécifique si leur taux de pénétration devient important.

Figure I.5. Réseau électrique hybride.

[12]

Cette inconfortable situation a conduit au lancement par les Etats-Unis d’un plan dit:

réseaux intelligents (smart grids) [I.6-I.8]. Cette notion qui, depuis, a généré une prise de conscience générale, notamment dans les pays et continents en pleine croiss ance.

Les réseaux intelligents ou « smart grids » sont des réseaux d’électricité qui, grâce à des Technologies Informatiques, optimisent le coût de l’énergie, ajustent les flux d’électricité entre fournisseurs et consommateurs et garantissent une énergie de qualité en tenant compte du caractère hybride (production centralisée + production décentralisée).

En collectant des informations sur l’état du réseau en temps réel (figure I.6), les smart grids contribuent à une adéquation entre production, distribution et consommation.

Cette notion a ainsi pris une dimension planétaire où l’expression smart grids recouvre des dimensions différentes : certains y verront une solution numérique pour comptage intelligent et destinée majoritairement aux clients résidentiels alors que d’autres considèrent qu’il s’agit d’une vision systémique globale, transcendant la structure actuelle du marché énergétique pour générer des bénéfices économiques, environn ementaux et sociétaux pour tous.

Cette évolution qualitative des réseaux électriques est devenu possible grâce au développement récent des Technologies de Information et des Communications (TICs) qui offrent des solutions qu’il n’était pas possible d’imaginer il y a seulement quelques années [I.6]:

- le compteur communicant avec ses différentes variantes telles que la communication à large bande bidirectionnelle, avec ou sans logiciels de pilotage de la consommation et d’offre de service (intelligence), utilisant divers média de communication ;

Figure I.6. Structure du Smart Grids.

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- l’intelligence associée aux divers composants de consommation domestique, tertiaire ou industrielle en lien avec l’efficacité énergétique ou la sécurité du réseau lui-même ; l’exemple type est le délesteur intelligent associé aux appareils électroménagers en fonction de la variation de la fréquence ou de la tension ;

- l’observabilité, la supervision et le pilotage du réseau en lien avec la production et la consommation ce qui concerne les capteurs intelligents et leur gestion, la transmission et le traitement d’un volume d’information de plus en plus important et les logiciels d’aide à la conduite intégrant la sécurité en temps réel y compris au niveau des réseaux de distribution (télé-conduite avancée);

- l’intégration des sources décentralisées en tenant compte de leur caractère intermittent II.4. Les réseaux électriques intelligents

On peut trouver plusieurs définitions et visions du réseau intelligent. La plate -forme technologique européenne lancée en 2005 retient par exemple une définition très large englobant des solutions technologiques (électriques et technologies d’information et de communication), des questions de marché, la normalisation ainsi que la réglementation.

Se référant à cette plate-forme technologique européenne smart grids, le concept du réseau intelligent est défini comme un « réseau d’électricité, qui intègre intelligemment les actions des producteurs et des consommateurs qui y sont connectés, afin d’offrir un approvisionnement en électricité efficace, durable et économique en toute sécurité ».

Le département de l’énergie de l’administration américaine donne une définition plus détaillée du réseau intelligent. Il le définit comme « un réseau auto-cicatrisant, qui permet une participation active des consommateurs, qui est résilient aux attaques malicieuses et aux catastrophes naturelles, intègre toutes les sources de production et de stockage, accommode de nouveaux produits, services et marchés, optimise l’utilisation des infrastructures et fonctionne efficacement, fournit une qualité d’alimentation pour l’économie numérique »[I.7]

Aujourd’hui le concept de « réseau électrique intelligent » signifie que la flexibilité de la production, la distribution, le stockage et l’utilisation des énergies, avec une croissance des énergies renouvelables, sera fondé sur un système d’information très fin assurant l’équilibre du système électrique d’amont en aval et, réciproquement, de l’utilisation finale à la production (figure I.6)

[14]

II.4.1. Les moteurs de la mise en œuvre des réseaux électriques intelligents

Les différentes actions motrices qui ont conduit aux réseaux électriques intellige nts, peuvent se résumer comme suit [I.8] :

1. Ajouter de la stabilité aux réseaux électriques existants pour intégrer les nouvelles énergies et les nouvelles utilisations finales des énergies.

2. Augmenter la puissance électrique disponible et l’efficacité énergétique des réseaux pour couvrir les nouveaux besoins tels que le véhicule électrique et l’émergence des nouvelles économies.

3. Diminuer l’émission de CO² pour toutes les composantes de l’économie conventionnelle par l’intégration des énergies renouvelables et de l’efficacité énergétique dans les usages finaux.

II.4.2. Les bénéfices attendus des réseaux électriques intelligents

 Pour les transporteurs d’énergie [I.8]:

• Pilotage global du système de production (décentralisée et centralisée), de transport et de distribution ;

• Gestion par anticipation et modélisation des capacités disponibles de production d’énergies en fonction de la demande réelle et/ou spontanée.

• Le développement à grande échelle des énergies renouvelables comme le grand éolien qui est raccordé à ces réseaux (niveau de tension supérieur à 63 kV) et qui se développent à grande échelle

Les objectifs d’intelligence au niveau des réseaux de transport sont fortement liés à ces facteurs dans une perspective de maintien d’équilibre production-consommation.

 Pour les distributeurs d’électricité :

• Optimisation des réseaux et de leur gestion en fonction de la source de production d’électricité ;

• afin d’assurer et d’augmenter la sécurité et la qualité de fourniture

• rendre la gestion du système efficace face à la complexité croissante des informations

reçues.

 Pour les consommateurs :

[15]

• Accès à des solutions d’efficacité énergétique économiquement compétitives et déjà existantes ;

• le consommateur devenu actif dans la recherche d’équilibre entre l’offre et la demande au meilleur coût ; le consommateur final ne sera plus considéré comme passif mais plutôt pro-actif en étant aussi producteur et gestionnaire de sa conso mmation tout en participant à la résolution de certaines contraintes du réseau, la réduction des pointes de consommation ou offrir tout autre service nécessaire au système en fonction des conditions du marché en place, de la réglementation en vigueur ou de s technologies disponibles ;

• Modification volontaire des comportements dans le respect de la vie privée grâce à une standardisation et une législation spécifique de protection des données ;

 Pour l’Université et la recherche :

• Mobilisation des chercheurs et universitaires autour de plateforme applicative et grandeur réelle pour le croisement des technologies.

II.4.3. Les fonctions intégrées des réseaux électriques intelligents:

- Production d’énergies conventionnelles et renouvelables [I.8]

En amont des Systèmes Energétiques Intelligents, se situent les centrales de production, historiquement basées sur des moyens de production centralisés conventionnels – charbon, gaz nucléaire et hydro-électrique - et évoluant progressivement vers des moyens de production renouvelables décentralisés : éolien, solaire thermique et photovoltaïque, géothermie, énergies marines et piles à combustibles. La transition de ces moyens de production intégrant une part croissante de ressources renouvelables pose en particulier des difficultés vis-à-vis de :

a) l’intégration de ces ressources fortement distribuées, alors qu’historiquement l’équilibrage temps réel offre/demande était réalisé au travers de quelques centaines de points de production dans le réseau nécessitant une interaction et un réglage temps réel. La diffusion de ces ressources nécessite des interactions au niveau de dizaines de milliers de points de contrôle et d’équilibrage diffus dans les réseaux de distribution.

b) l’intermittence de l’énergie produite : certaines énergies renouvelables directement corrélées aux phénomènes météorologiques, typiquement l’éolien et le solaire, induisent une fluctuation temps réel de la capacité de production de ces ressources. Ceci nécessite

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d’une part l’intégration de nouvelles ressources flexibles capables d’équilibrer ces fluctuations, comme des ressources de stockage, d’autre part la mise à jour des systèmes de contrôle et de pilotage dans les centrales conventionnelles existantes pour permettre une réponse plus rapide de ces ressources. Ceci nécessite donc de mettre en œuvre de nouveaux systèmes de pilotage et de contrôle de ces moyens de production pour amener une flexibilité opérationnelle suffisante.

- Qualité et efficacité du transport de l’énergie électrique

Au même titre que les moyens de production intermittents perturbent l’équilibrage offre- demande, ces moyens impactent aussi la qualité de l’onde électrique impliquant en particulier de nouvelles contraintes de stabilité en cas de défaut dans le réseau du fait de leur très faible inertie.

Ceci nécessite d’une part la mise en œuvre de nouveaux systèmes d’électronique de puissance connectés dans le réseau pour compenser les défauts induits au niveau de la qualité de l’onde électrique en cas de défaut et d’optimiser les capacités des infrastructures de transport et de distribution selon la disponibilité temps réelle de l’énergie renouvelable.

De plus, ces contraintes impliquent la mise en œuvre de nouvelles technologies de conversion de puissance au niveau des installations, convertisseurs éoliens et onduleurs solaires, devant échanger des informations en temps réel avec les opérateurs de réseau pour être téléréglées selon les conditions de fonctionnement d’ensemble du réseau.

- Protection, automatisation et contrôle des réseaux électriques

Les réseaux électriques permettent un aiguillage des flux électriques entre la production en amont et la consommation en aval. Leur grande diffusion et leurs caractéristiques critiques de disponibilité nécessitent la mise en œuvre d’équipements de protection extrêmement rapides permettant d’une part d’isoler les sections de réseau en défaut et d’autre part de piloter à distance la reconfiguration de certaines branches de réseau selon les incidents encourus ou les campagnes de mise en retrait de certains équipements. Ceci nécessite la mise en œuvre d’équipements de protection, de contrôle et d’automatisme dans chacun des postes électriques des réseaux de transport et de distribution. Alors que ces technologies ont progressivement migré vers les technologies numériques dans les postes de transport critiques des réseaux, une part importante d’automatisation reste à réaliser au niveau des réseaux de distribution pour permettre une interaction bidirectionnelle avec les nouveaux consommateurs énergétiques incorporant

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de plus en plus de points de microproduction. Ceci requiert le déploiement de technologies ouvertes vers les technologies de contrôle commande employées au niveau des ressources de production et de consommation.

- Gestion et pilotage global des systèmes électriques

L’optimisation globale des systèmes énergétiques nécessite la mise en œuvre de technologies de « Centres de Contrôle » opérant en tant que « tour de contrôle » des flux énergétiques temps réels dans les réseaux de transport et de distribution. Ces centres de contrôle sont distribués à différents niveaux des réseaux (nationaux, régionaux et urbains) et opérés par les gestionnaires de réseau dans le cadre de leurs fonctions d’opérateurs systèmes.

- Gestion et informatique des données

L’intégration des consommateurs dans le réseau nécessite une modélisation plus fine de leur usage en particulier de la flexibilité énergétique potentiellement dérivée des nouveaux usages du « consom’acteur ». Ceci requiert d’intégrer plus étroitement les systèmes d’information requis pour la gestion de ces nouveaux profils de clients avec les centres de contrôle « agrégateurs » intégrant ces nouveaux usages.

II.5. La transmission des données pour le Smart grids

L’intelligence d’un réseau électrique se juge à sa capacité à traiter des flux de données considérables, afin d’optimiser, en temps réel et sur le court, moyen et long terme, la production et la consommation d’électricité[I.9].Ces flux devront être gérés et transportés, ce qui nécessitera un réseau de communication capable de les supporter tout en garantissant une sûreté et une fiabilité suffisante.

Le réseau de communication est réalisé à partir de capteurs; plus généralement différent appareillages de mesures, des capteurs et des câbles de mesure), ca r sans mesure pas de Smart Grids. Pour rendre un réseau électrique intelligent, il est nécessaire de déployer, en marge de l’infrastructure électrique, une technologie de mesure précise pour analyser, traiter, trier et distribuer les données. Trait d’union entre le monde physique et les systèmes intelligents, les capteurs de mesure des paramètres électriques (courant, tension, déphasage et fréquence) sont installés principalement dans les postes électriques et bien évidement chez le client.

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Le système de transmission des données entre les postes électriques asservis (PA) et les différents postes de commande (PC) est un maillon essentiel du système global du Smart Grids. Sa sûreté de fonctionnement doit être étudiée avec soin. Les supports de transmission du réseau sont généralement [I.5]:

- les liaisons téléphoniques louées - les courants porteurs sur ligne (CPL)

- les câbles de garde avec circuit de télécommunications - les faisceaux hertziens

- réseau de fibre optique

III. Compatibilité électromagnétique

III.1 Définition

La compatibilité électromagnétique est définie comme étant l’aptitude d’un dispositif, d’un appareil ou d’un système à fonctionner dans son environnement électromagnétique de façon satisfaisante et sans produire lui-même des perturbations électromagnétiques intolérables pour tout ce qui se trouve dans cet environnement elle revêt donc deux aspects:

- tout appareil fonctionne de façon satisfaisante dans son environnement électromagnétique. Cela signifie que chaque appareil «résiste» aux agressions que constituent les perturbations provenant du milieu, et donc qu’il est «immunisé» contre celles-ci : son niveau d’immunité est suffisamment élevé.

-aucun appareil ne doit produire lui-même des perturbations électromagnétiques intolérables pour tout ce qui se trouve dans son environnement. On comprend que son niveau d’émission de perturbations pour le dit environnement doit être suffisamment bas pour que tout ce qui figure dans cet environnement lui soit insensible [I.10].

Un problème de CEM peut être schématisé par la figure I.7

Figure I.7. Décomposition d’un problème d’interférence électromagnétique.

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III.2 Perturbations Electromagnétiques

On appelle par perturbation électromagnétique [I.11] toute source d’émission électromagnétique susceptible de dégrader les performances d’un dispositif, équipement ou système électrique.

Exemple : Les perturbations électromagnétiques ont provoqué par le passé de nombreux accidents. Parmi les plus spectaculaires, on peut citer la destruction du porte-avions Forrestal en 1967 lors de la guerre du Vietnam. Un radar de bord a éclairé l'un des chasseurs prêt à décoller, perturbant le système de mise à feu des roquettes accrochées sous l'avion, l'une d'elles a été mise à feu, percutant un deuxième avion qui, lors de son explosion, a embrasé tous les autres avions se trouvant sur le pont. Le feu s'est propa gé aux soutes à munitions et le porte-avions, ou plutôt ce qui en restait a été remorqué jusqu'aux États-Unis pour refonte complète.

III.2.1. Sources de rayonnements électromagnétiques

Les sources des émissions électromagnétiques peuvent être d’origine [I.11] :

 Naturelle: atmosphériques, galactiques, solaires, bruit thermique…

 Artificielle : résultant de l’activité humaine ; ce sont des sources de rayonnements non ionisants (jusqu’à 60GHz).

Les sources de champs électromagnétiques ou rayonnements non ionisa nts (RNI) sont très fréquentes dans l’industrie. Chaque situation de travail étant un cas particulier comme le montre le tableau I.1 ci-dessous.

Famille Applications Gamme de fréquence

Statique Électrolyse, aimant 0 Hz

ELF(extremely low frequency) Distribution électrique, soudage 50-60 Hz

Moyennes fréquences Induction 50 Hz- Quelques MHz

Hautes fréquences Effet diélectrique Quelques MHz

Hyperfréquences Micro-ondes 2,45GHz

Télécommunications Téléphonie, radiodiffusion, TV Très variable Tableau I.1. Familles d’applications des champs électromagnétiques.

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III.2.1.1. La foudre comme source de rayonnement électromagnétique

Comme indiqué dans l’introduction de ce chapitre, notre mémoire de fin d’études de master en électrotechnique (option : réseaux électriques) est consacré à la modélisation l’interaction électromagnétique entre la foudre est un câble, pour cet objectif nous donnons un aperçu sur la représentation mathématique de la foudre comme source de rayonnement.

III.2.1.2 Phénomène de foudre

Le phénomène de foudre (nuage – sol) se décompose en deux phases successives [I.12-14] :

- une prédécharge faiblement lumineuse (traceur) - l'amorçage d'un arc dans le canal de prédécharge

Suivant la nature de la décharge de foudre, les mécanismes de ces deux phases sont différents. On classe donc les décharges de foudre selon leur polarité et selon le sens de propagation de la prédécharge. On distingue ainsi les décharges de foudre négatives (base du nuage chargée négativement, ce qui correspond à 90% des cas dans les régions tempérées) ou positives (base du nuage chargée positivement) et les décharges de foudre descendantes prédécharge à partir du nuage vers le sol) ou ascendantes (prédécharge à partir du sol vers le nuage, ce qui ne se produit qu'à partir d'une proéminence du terrain).

Le coup de foudre est donc le plus souvent initié par un traceur descendant qui progresse du nuage vers le sol. Lorsque le traceur atteint le sol, une décharge appelée arc en retour, se produit. Cette décharge n'est rien d'autre qu'un courant électrique de forte intensité et très lumineux qui se propage entre le sol et le nuage d'orage (le cumulonimbus). Cette première décharge peut être suivie de décharges subséquentes. Un même éclair est donc constitué d'un ou plusieurs arcs en retour successifs. Le canal, dont la hauteur avoisine les 7,5 km, entre le nuage et le sol s'illumine plusieurs fois donnant à l'éclair un caractère scintillant. En raison de la persistance rétinienne, l'œil humain n'est cependant pas capable de bien distinguer les différents arcs en retour. La figure I.8 montre, de manière schématisée, les différentes sortes d’éclairs.

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Figure I.8. Présentation des différentes sortes de décharges électriques qui peuvent se produire lors d’un orage.

La mesure à bien montrée que chaque éclair émet un rayonnement électromagnétique dans une large gamme de fréquence allant de très basses fréquences (1 Hz) jusqu’à de très hautes fréquences (300 MHz) [I.13]

III.2.1.3 Déclenchement artificiel de la foudre

Dès les années 1970 [I.14] de manière à pouvoir étudier plus précisément les caractéristiques des décharges orageuses nuage sol, le déclenchement artificiel de la foudre a été utilisé afin de maitriser le point d'impact.

La méthode la plus couramment utilisée pour déclencher artificiellement la foudre s'appuie sur la technique fusée–fil. On utilise une fusée connectée à un filin totalement ou partiellement métallique. Cette méthode, facile à mettre en œuvre, présente également l’avantage d’avoir un coût relativement faible.

Le principe de fonctionnement de cette méthode est assez simple. Lors d’un épisode orageux, le champ électrique au niveau du sol augmente et peu de temps avant que ne se produise le premier arc en retour, on note une augmentation significative et rapide de ce champ. En se basant donc sur cette élévation locale du champ électrique, on lance alors une fusée connectée au sol par un filin métallique (figure I.9). De ce fait, on crée un effluve au niveau de la tête de la fusée et on favorise ainsi la création de l’arc en retour, en offrant par l’intermédiaire du filin un chemin de moindre résistivité. La connexion avec le traceur descendant entraine la fusion du filin et provoque un arc en retour dont les caractéristiques sont proches de celles d'un éclair naturel.

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Déchargedans le nuage -

Décharge entre nuages

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Décharge nuage - sol

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Sol