Trajet de l’électricité

Residential installations are supplied with low voltage (230 V). However, the transmission grid consists of very high voltage lines, between 380 and 150 kV in Belgium (*).

Pourquoi?

La haute tension permet de diminuer les pertes de puissance en ligne, principalement dues à l’effet joule.

Prenons un exemple :
Ce qui compte pour les utilisateurs que nous sommes, c’est la quantité de puissance qui alimente nos appareils électriques (exemple de courbes de puissance en temps réel : Charge du réseau Elia en Belgique). Pour garantir le transport le plus efficace possible de la puissance sur de longues distances, le gestionnaire du réseau électrique doit rendre les pertes aussi faibles que possible.

Les pertes de puissance en lignes dépendent principalement de deux paramètres : la résistance et le courant.

Les pertes peuvent donc être limitées en diminuant le courant et en optimisant la résistance des matériaux composant les lignes électriques.

Nous avons vu que la puissance dépend de la tension et du courant. L’utilisation de la haute tension permet à puissance transportée équivalente de diminuer le courant.

We also recall from the module ‘Basic electricity’ that the power calculation for alternating current is slightly different: the phase angle, also known as the power factor, must be taken into account, since, depending on the connected equipment (for example a motor), voltage and current are not necessarily at their maximum simultaneously. The formula thus becomes:

The resistance can be reduced by optimising the physical and electrical characteristics of the material used for the cables and by increasing their cross section.

The high (and medium) voltage power grid in Belgium consists of more than 8000 kilometres of lines, 5561 km of which are overhead lines and 2809 km which are underground cables.

(Source: Elia, 2014)

Dans certains pays, on trouve également des lignes de 725 kV (Canada), et même des tensions plus élevées comme en Chine (1100 kV), au Japon (projet 1100 kV), en Inde (projet 1200 kV),  et en Russie où des essais de transport ont été effectués en 1500 kV.

Remarque :
Plus la tension est élevée, plus le risque d’arc électrique augmente.

Un arc électrique étant susceptible d’endommager les équipements et d’entraîner des coupures de courant, la haute tension nécessite de prendre des précautions d’isolation entre les conducteurs et entre un conducteur et le  pylône :

• l’isolation entre les conducteurs est assurée par le dimensionnement des pylônes,
• l’isolation entre un conducteur et le pylône est assurée par des isolateurs (voir en annexe).

Quand la nécessité de transporter l’électricité s’est imposée, les industriels du 19e siècle avaient le choix entre des lignes de transport en continu ou en alternatif. Ce choix a fait l’objet de nombreuses controverses : les partisans du transport en continu étaient opposés à ceux en alternatif.  Ce sont ces derniers qui l’ont remporté, malgré le fait que la haute tension continue se justifiait au niveau du transport au même titre que la tension alternative.

En effet, s’il est vite apparu qu’il était nécessaire d’augmenter la tension afin de permettre de transporter efficacement l’électricité sur de grandes distances, il fallait également la réduire pour la rendre utilisable au niveau domestique.  A l’époque, ce n’était ni économiquement, ni même techniquement envisageable qu’en alternatif, les transformateurs ne fonctionnant pas en continu.

La haute tension alternative présente toutefois des contraintes d’utilisation :

• l’existence de la puissance réactive (voir les moteurs dans “Usages de l’électricité”),
• la création d’un effet de peau qui concentre le courant à la périphérie des câbles électriques, augmentant ainsi leur résistance et les pertes par effet joule (*).

La haute tension continue présente l’avantage de limiter ces phénomènes.

Actuellement, les avancées techniques permettent assez aisément le passage de l’alternatif en continu et inversement:

• Des redresseurs convertissent la tension alternative, produite au niveau des centrales, en tension continue, forme sous laquelle l’électricité est alors transportée. Cela évite les phénomènes de transmissions capacitives et inductives (puissance réactive).
• Des onduleurs reconvertissent la tension continue en alternative juste avant la distribution aux utilisateurs.

Il en résulte que la très haute tension continue est utilisée pour des transports sur de très longues distances, sous la mer, pour interconnecter des réseaux de fréquences différentes (par exemple, au Japon où le 50 et le 60 Hz coexistent).

Un petit peu d’histoire

Au début de l’ère électrique, à la fin du 19e siècle, les réseaux de production étaient isolés, si bien que chacun d’eux utilisaient des fréquences choisies plus ou moins arbitrairement en fonction des caractéristiques des machines de production. De nombreuses fréquences coexistaient.

Avec la généralisation des appareils électriques, il a été nécessaire de standardiser la fréquence du réseau afin d’assurer leur fonctionnement. La standardisation a également permis l’interconnexion entre les différents réseaux de production.

Le choix du 50 Hz en Europe (ou 60 Hz aux USA – (*)) résulte d’une part d’un compromis entre les coûts et l’encombrement des machines de production et, d’autre part, d’impératifs au niveau de l’usage de l’électricité : une fréquence trop faible entraînerait par exemple des clignotements des lampes à incandescence.

The frequency is determined by the speed of rotation of the alternators: they produce a sinusoidal voltage alternating at 50 Hz.

Remarque : le graphique ci-dessus montre la sinusoïde fondamentale à 50 Hz.  En pratique, cette sinusoïde n’est pas aussi régulière car elle comporte des harmoniques, c’est à dire des fréquences multiples de la fréquence 50 Hz (100 Hz, 150 Hz, 200 Hz…).  Ces harmoniques sont générées par certains appareils électriques et électroniques.

Depuis la libéralisation du marché de l’électricité, on a défini en Europe des « zones de réglage » qui assurent la qualité de l’interconnexion des réseaux. Tout déséquilibre entre la production et la consommation entraîne une variation de la vitesse de rotation des alternateurs et donc de la fréquence (*). La fréquence doit être maintenue dans une plage de 50 +/- 1 Hz.

La Belgique est reliée au réseau ENTSO-E (European Network of Transmission System Operators for Electricity). Les variations de fréquence sont très faibles  au sein de ce réseau synchrone européen en régime normal de fonctionnement.

Remarque :
Dans le domaine de l’aéronautique, on utilise du courant à 400 Hz.  L’augmentation de la fréquence permet de réduire la masse des circuits magnétiques des machines et des transformateurs. Cette fréquence ne permet cependant pas actuellement de transporter du courant à longue distance ce qui limite son emploi sur des réseaux courts comme dans les circuits des avions de ligne.

The production and transmission of electricity uses a 3-phase system.

Quel est l’intérêt du triphasé ?

Pour le gestionnaire du réseau, le triphasé présente l’avantage d’une meilleure rentabilité :

• au niveau de la production, les alternateurs triphasés comportent trois enroulements qui délivrent chacun une tension alternative. Au cours d’une rotation de l’alternateur, trois courants sont produits, déphasés de 120° (pour plus d’informations, voir le module “Electromagnétisme”),
• au niveau du transport, l’utilisation du triphasé rend inutile le câble de neutre, pour autant que la charge soit répartie équitablement entre les utilisateurs (*). Le neutre est recréé dans le transformateur “basse tension”.

Le triphasé nécessite des équipements adaptés, et notamment des transformateurs comportant trois enroulements (voir plus d’informations en annexe).

Pour les utilisateurs, le triphasé permet également d’alimenter des moteurs très puissants afin, par exemple, de  répondre aux besoins de l’industrie.

Le transport de l’électricité se fait en triphasé jusqu’au réseau de moyenne tension, mais nos habitations sont généralement alimentées en monophasé (une phase et le neutre).

Le réseau de moyenne tension (15 kv dans l’illustration) comporte un troisième câble, le neutre, recréé dans le transformateur.

Création du neutre dans le transformateur

Les enroulements primaires du transformateur sont en triangle (comme nous l’avons vu précédemment dans l’illustration du fonctionnement d’un transformateur triphasé) et les enroulements secondaires sont en étoile, ce qui permet de recréé le neutre au centre de l’étoile.

Pourquoi en monophasé ?

Nous venons de voir que le triphasé nécessite de répartir la charge sur les trois phases.

En distribuant l’électricité en monophasé, le gestionnaire du réseau s’assure que les trois phases sont réparties équitablement entre les utilisateurs et évite ainsi les problèmes de surcharge d’une phase par rapport à l’autre, ce qui entraînerait des coupures dans l’alimentation électrique.

La phase et le neutre sont directement raccordés à notre compteur électrique. Ils passent alors par le tableau électrique, puis sont distribués vers les prises et les circuits d’éclairage.

La tension disponible à une prise est la différence de potentiel entre les deux fils principaux de la prise : l’un étant relié à une phase du réseau d’alimentation, l’autre au neutre, nous avons 230 V entre les deux fils (110/120 V aux Etats-Unis). Le troisième fil des prises est le fil de terre.

Il existe différentes configurations possibles pour effectuer la mise à la terre  d’une installation : TT, TN (C ou S) et IT.  Ces lettres désignent le régime de neutre.

La première lettre identifie la situation du neutre du côté du fournisseur d’électricité :

• T : liaison directe du neutre à la terre
• I : absence de liaison du neutre à la terre, neutre isolé ou liaison par l’intermédiaire d’une impédance.

La deuxième lettre désigne la situation des masses du côté de l’utilisateur :

• T : connexion directe des masses à la terre,
• N : connexion des masses au neutre.

Dans le cas d’un schéma TN, une troisième lettre est nécessaire :

• TN-C : le neutre et le conducteur de protection sont confondus. Afin de le différencier des noms usuels, ce conducteur “neutre N/protection PE” porte le nom PEN,
• TN-S : le neutre et le conducteur de protection sont séparés.

Chaque schéma présente des avantages et des inconvénients. Le choix du régime de neutre dépendra des caractéristiques du bâtiment et du type de protection recherchée (*).

Les installations électriques domestiques (ou alimentées par le réseau basse tension) en Belgique, en France, en Hollande sont majoritairement configurées en régime TT. Le schéma TN-C est principalement utilisé aux USA et dans les pays anglo-saxons.

Une différence fondamentale entre les schémas TT et TN-C est liée au possible passage fréquent de courant dans les canalisations qui seront donc systématiquement portées à des potentiels parasites (de valeur inférieure aux normes de sécurité actuelles mais qui favorise le passage de courant de contact plus élevé que dans les schémas TT). L’intérêt du TN-C est plutôt économique.

In Belgium and neighbouring countries, the TT configuration is prevalent. Thus the neutral conductor under the responsibility of the power supplier and the local “earth” are separate. The mains cannot be connected to the same earth for this protection. The earth conductor is the protective earth conductor (green and yellow).

Le but de la prise de terre est d’écouler les courants de fuite vers la terre afin d’éviter des montées en potentiel qui pourraient être dangereuses pour les personnes. Chaque appareil (bâti de lessiveuse, four électrique, …) doit être relié au conducteur de protection PE par l’intermédiaire du conducteur vert et jaune (en Europe). En cas de défaut interne aux appareils, cette “prise de terre” permet de maintenir les structures métalliques (dans notre exemple le bâti de la lessiveuse ou le four électrique) des appareils à un potentiel très faible par rapport au sol local, sans danger pour une personne qui toucherait le bâti d’une main et le sol de ses pieds.

La résistance de la prise de terre doit être la plus faible possible (inférieure à 30 ohms). La liaison à la terre peut se faire soit à l’aide de piquets conducteurs enfoncés dans la terre ou, pour les constructions neuves, par une boucle sous les fondations.

Le compteur électrique est l’élément du circuit de notre habitation qui est directement raccordé au réseau de distribution de l’électricité.

Il est composé du compteur d’énergie proprement dit (ici bi-horaire) et d’un disjoncteur.

Le compteur électrique est conçu pour mesurer l’énergie consommée au cours du temps. C’est un wattheuremètre.  En parcourant les bobinages du compteur, le courant fait tourner une roue par induction magnétique.  La vitesse de rotation de la roue est proportionnelle à la puissance consommée.

Le disjoncteur est un dispositif qui protège notre installation électrique domestique des courants trop importants.

En raccordant notre habitation au réseau électrique, nous demandons à notre fournisseur d’électricité une certaine quantité de puissance, appelée puissance souscrite. C’est la puissance maximale fournie par le réseau.

Pour une puissance souscrite de 9 kW, on aura un courant maximum de 40 A. Si trop d’appareils électriques sont branchés simultanément sur le réseau, le disjoncteur général déclenchera afin d’éviter des surchauffes dans notre circuit électrique domestique, ce dernier n’étant pas prévu pour supporter des courants trop importants.

The electrical panel is the nerve centre of our installation. The various circuits within the residence all start from it. It also contains major protection elements, for both people and equipment, such as circuit breakers, fuses and RCDs.

RCDs are designed to detect differences in the forward current (on one phase) and the return current (on the neutral). If the leakage current exceeds a predetermined value (which could be hazardous to people), the RCD will trip. Leakage currents are normally drained via the installation’s earth connector.

Les différentiels protègent des risques d’électrisation et d’électrocution en coupant le circuit en défaut  dans un temps compatible avec la sécurité des personnes.

Attention:

Si nous sommes isolés du sol (semelle isolante, revêtement isolant), et que nous touchons les deux fils conducteurs, nous serons traversés par un courant qui peut être mortel, sans que le différentiel ne coupe le circuit! Le différentiel déclenche lorsque le défaut est associé à un courant dévié vers la terre.

Les règles élémentaires de prudence s’imposent, même en présence des protections différentielles ad hoc!

Les fusibles et les disjoncteurs sont les gardiens des surintensités.  Si la charge d’un circuit dépasse les limites de courant qu’ils acceptent, ils coupent le circuit en défaut.

Leur intensité nominale doit être adaptée à la puissance prévue d’un circuit (et notamment à la section des conducteurs), car la surcharge d’une installation peut entraîner des risques d’incendie.

La section des conducteurs et l’intensité nominale (*) des disjoncteurs doivent être adaptées à la puissance prévue d’un circuit.  Par exemple, pour :

• un circuit d’éclairage, la norme préconise une section de 1,5 mm² et une intensité nominale de 16 A
• un circuit de prises susceptibles d’alimenter des appareils chauffants, tels que des appareils à raclette par exemple, la section sera de 2,5 mm² et l’intensité nominale de 20 A
• les plaques électriques et autres gros électroménagers chauffants, la norme impose l’utilisation de câbles de 6 mm² et de disjoncteurs d’intensité nominale de 32 A.

Les valeurs sont différentes pour les fusibles :

• une section de 1,5 mm² est associée à une intensité nominale de 10 A
• une section de 2,5 mm² est associée à une intensité nominale de 16 A.

Les circuits qui présentent un risque de surcharge (par exemple le circuit d’une cuisine comprenant différents appareils électriques demandant beaucoup de puissance comme un four, des plaques de cuisson ou intégrant un moteur) doivent être dimensionnés pour éviter que des courants un peu plus grands que le courant nominal ne puisse parcourir la ligne de façon prolongée.

Ils diffèrent par leur mode de fonctionnement : les fusibles déclenchent par fusion (*) et les disjoncteurs soit par déclenchement thermique (surcharge), soit par déclenchement magnétique ultra rapide (en cas de court-circuit).

The size of fuses and of circuit breakers as well as the conductor’s cross section are specified by standards which in Belgium are promulgated by the Règlement Général sur les Installations Electriques (RGIE).

L’isolation entre les conducteurs est assurée par le dimensionnement des pylônes : un pylône supportant une tension de 380 kV est beaucoup plus grand qu’un autre supportant du 75 kV, ce qui permet de mieux espacer les conducteurs du pylône 380 kV.

L’isolation entre les conducteurs et les pylônes est assurée par des isolateurs. Ceux-ci sont réalisés en verre, en céramique, ou en matériau synthétique. Plus la tension de la ligne est élevée, plus le nombre d’isolateurs dans la chaîne est important. On peut estimer la tension des lignes en multipliant le nombre d’isolateurs par environ 15 kV (selon le degré de pollution, la forme des isolateurs …). Ceci donne une idée de la tension de la ligne.

Il faut également savoir par ailleurs que seuls quelques niveaux de tension existent, ils sont normalisés. Par exemple, en Belgique, on trouve les tensions suivantes : 70 kV (de 4 à 7 isolateurs), 150 kV (de 9 à 11 isolateurs), 220 kV (de 13 à 16 isolateurs), 380 kV (de 19 à 23 isolateurs).

If you would like to ask a question regarding a high voltage power line to BBEMG, don’t forget to mention the voltage. This will allow us to respond more precisely.

A 3-phase transformer consists of a triple core on which the primary and secondary windings are installed.