TRAITEMENT DE L`ENERGIE ELECTRIQUE

TRAITEMENT DE L'ENERGIE ELECTRIQUE
5ème année
Responsable de Cours : Hugo Descoubes
[email protected] - 02 31 45 27 61 - 06 22 07 21 51
2015-2016
Traitement de l’Énergie Électrique
SOMMAIRE
RAPPELS DE PHYSIQUE APPLIQUEE
1. INTRODUCTION
2. PRODUCTION
2.1. Nucléaire
2.2. Fossile
2.3. Hydraulique
2.4. Éolien
2.5. Renouvelable
3. TRANSPORT
3.1. Transport et Répartition
3.2. Distribution
4. PROTECTION
4.1. Protection des biens
4.2. Protection des personnes
5. CONVERSION
5.1. Machines électriques
5.2. Transformateur
5.3. Électronique de puissance
6. UTILISATION
Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
• Orateur : Hugo Descoubes
• Grade : Professeur Agrégé de classe Normale, responsable des
enseignements de Systèmes Embarqués à l’ENSICAEN en France
Basse Normandie
• Contact : [email protected] , 02 31 45 27 61, Bureau
en salle 203 au 2ième étage du bâtiment A (bâtiment principal)
• Droits : Licence Creative Commons
Traitement de l’Energie Electrique
1
2
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Objectif opérationnel :
L’Electrotechnique ou génie électrique rassemble les
grands domaines traitant l’électricité en tant qu’énergie :
L’objectif de cet enseignement introductif est de comprendre
le cheminement de l’énergie électrique, de la production à
l’utilisation. Cet enseignement à une vocation opérationnelle et doit
permettre à l’étudiant de comprendre les problématiques de futurs
partenaires du domaine dans un cadre professionnel.
Production
Transport
Protection
Conversion
Utilisation
Nous nous efforcerons d’assimiler au mieux les rôles des
principales infrastructures présentes sur le réseau et souvent visibles
de tous, ainsi que de comprendre les rôles des principaux acteurs du
domaine, notamment en France.
3
4
-1-
Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
production électrique
La production électrique est un secteur industriel visant à
assurer un service d’approvisionnement d’énergie électrique le
plus régulier, stable et sécurisé possible :
Production
5
6
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
La production électrique est basé sur l’exploitation de
ressources renouvelables et non-renouvelables. Actuellement, la
plus grande partie de la production mondiale est basée sur
l’exploitation de ressources non-renouvelables et donc
l’appauvrissement jusqu’à épuisement des ressources primaires
de la planète :
En 2014, la production Electrique mondiale répartie par
combustible était la suivante. A titre indicatif, elle représente près de
10000TWh par année. Hormis la France (politique pro-nucléaire), ce
découpage représente approximativement les grandes sources
primaires utilisées pour la production électrique dans chaque pays du
monde :
4%
16%
12%
Nucléaire
Fossile
68%
(~40% Charbon)
http://www.cnrs.fr
Hydroélectrique
Géo./Eolien/Solaire/…
7
8
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Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Détaillons les précédents chiffres :
La France à elle seule produisit environ 550 TWh en 2014
pour une consommation métropolitaine d’environ 460TWh :
550 (TWh) = 8760 (h/an) x 63 (GW puissance instantanée)
Pour information, RTE (Réseau de Transport d’Electricité)
propose une application Android permettant d’observer la
production et la consommation en temps réel d’énergie électrique
en France :
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10
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
En 2015, EDF (Electricité De France) est le premier producteur
et fournisseur d’électricité en France et l’un des premier dans le
monde (Actionnaire principal, Etat Français ~85%). Malgré les très
nombreuses polémiques autour du nucléaire (néanmoins justifiées),
95% de la production d’électricité Française ne génère aucune
émission de gaz à effet de serre.
En 2015, la France est largement plus exportatrice
qu’importatrice d’énergie électrique (Principalement Angleterre,
Belgique, Suisse et Italie). Ce n’était pas le cas il y a 40 ans. En France,
près de 75-80% de l’énergie produite vient du nucléaire :
11
12
-3-
Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Les chiffres précédemment avancés sont des moyennes et
ne reflètent pas forcément la répartition de la production
instantanée d’électricité (soirée, saison …). Prenons un exemple :
Observons le parc Français d’EDF en 2014-15 :
• 19 centrales nucléaires (58 tranches nucléaires)
• 29 centrales thermiques à flamme (pétrole, charbon, fioul)
• 10 centrales au gaz naturel
• 570 centrales hydrauliques
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www.rte-france.com
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Observons jusqu’en 2014 la consommation électrique
Française classée par grands secteurs :
Cette problématique exige une hétérogénéité des centres
et sources de production en fonction de la réactivité des centrales
(thermique, hydraulique … en appoint) :
www.rte-france.com
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15
16
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Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Observons l’évolution de la production d’électricité par
source en France depuis 1970 ainsi que l’émergence de la
politique tournée vers le nucléaire :
Production
Nucléaire
17
18
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
La France est au deuxième rang mondial dans le domaine
de la production d’énergie électrique à partir du nucléaire :
En 2015, la France compte 58 tranches nucléaires contre
436 de part le monde en 2012 (61 en construction). Chacune de
ces tranches peut produire environ 1GW (1,65GW pour l’EPR).
• n°1 : USA (798,7 TWh en 2009 soit ~20% de l’énergie
totale produite)
• n°2 : France (391,7 TWh en 2009 soit ~75% de l’énergie
totale produite)
• n°3 : Japon (263,1 TWh en 2009 soit ~29% de l’énergie
totale produite)
19
20
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Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
La production d’énergie électrique est assurée par un turboalternateur (turbine à vapeur + alternateur). Dans le cadre de cet
enseignement nous découvrirons plus particulièrement l’alternateur
et la partie transport puis distribution de l’énergie.
Alternateur
Voici par exemple à gauche l’une des salles des machines de
la centrale de Flamanville. Vous pouvez observer à droite 3 turbines
et à gauche l’alternateur :
Transformateur
21
22
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
• Rendement relativement faible (~33%). EDF garantit un
rendement proche de 35% avec ses prochains réacteurs EPR
• Coût de construction et d’exploitation faible mais
démantèlement coûteux sur un processus long. Seuls les coût
internes sont retenus (CEA) :
• Dépendance et épuisement de la ressource (uranium,
plutonium …)
60
Combustible
50
• Risques d’accidents et d’expositions aux radiations
40
• Retraitement et stockage des déchets
7,6
20
7,4
10
0
•Puissance unitaire de production élevée pour une centrale.
Stockage de la source relativement simple.
• Peu sensible au prix de la matière première
5,3
30
13,8
1,5
13
40,1
Fonctionnement et maintenance
8,2
30,5
7,2
3
17,1
Nucléaire
Charbon
18,4
10
Gaz
Bois
Eolien
Coût du capital
• Coûts externes faibles car peu de rejet de CO2
23
-6-
24
Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
En 2015, AREVA est l'un des leaders mondiaux du
nucléaire, notamment au niveau de l’extraction minière. Le
groupe propose aux électriciens une offre qui couvre toutes les
étapes du cycle du combustible, la conception et la construction
de réacteurs nucléaires ainsi que les services pour leur
exploitation.
En 2015, la branche Alstom Power du groupe Alstom (90% du
CA à l’étranger) était notamment leader mondial dans les domaines de
l’énergie cités ci-dessous. 2015 signe également le rachat d’Alstom par
la société Américaine General Electric. 2016 voit la suppression de
6500 emplois en Europe et prise en main par un groupe Américain de
la maintenance des centrales nucléaires Françaises :
• Centrales électriques clés en mains
• Turbines et alternateurs en hydroélectricité. Une partie des
générateurs électriques du barrage des trois gorges ont été
26
installés par Alstom
25
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Avec près de 60% de la production mondiale d’électricité, les
combustibles fossiles sont actuellement les plus utilisés pour la
production d’électricité de part le monde :
• Le charbon, de loin la ressource primaire la plus
disponible sur terre, mais la plus polluante !
• Le gaz naturel
Production
Fossile
• Le pétrole
• Le Fioul (dérivé du pétrole), la biomasse, les déchets
municipaux …
27
28
-7-
Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Il existe deux grandes familles de centrale, les thermiques à
flammes et à turbine à gaz. Comme pour les centrales nucléaires,
les centrales thermiques à flammes utilisent des turbines à vapeur
afin d’entraîner le rotor de l’alternateur :
En 2015, Engie (anciennement GDF Suez) est le 3ième plus
gros groupe mondial en matière d’énergie hors pétrole
(actionnaire principale, état Français ~33%).
• 1er Européen dans le transport, la distribution et le stockage du
gaz naturel.
29
• 1er producteur mondial indépendant d’électricité et possédant
l’une des parcs les plus diversifiés au monde (nucléaire,
charbon, géothermie …)
30
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
En 2015, Total SA, première entreprise Française au CAC40,
fait parti des supermajors (6 plus grandes compagnies pétrolières
mondiales). Ses activités couvrent l’ensemble de la chaîne de
l’extraction à l’exploitation en passant par le raffinage.
Ces types de centrales ont notamment pour avantage d’être
beaucoup plus réactives qu’une centrale nucléaire. Avec ses 4
générateurs de 600MW, la centrale à fioul de Porcheville à par
exemple pour rôle de faire face aux pointes de consommation du
pays afin d’assurer la sécurité du réseau de la région parisienne :
Turbine à combustion
Thermique à flammes
Rotor d’une turbine,
centrale de Porcheville
31
Stator d’un alternateur,
centrale de Porcheville
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Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Observons la répartition des infrastructures pour la
production électrique de pointe en France. En effet, les énergies
fossiles et hydroélectriques servent le plus souvent d’appoint au
nucléaire, d’où la répartition géographique des sites :
• Pollution à l’exploitation
• Dépendance et épuisement de la ressource (charbon, gaz,
pétrole …)
• Démarrage rapide
• Rendement relativement bon pour les centrales à chaudière
récentes (> 45%)
• Puissance unitaire élevée et cogénération possible
• Stockage de la ressource relativement simple et coût de
fabrication de la centrale peu élevé
33
34
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
En 2015, l’énergie hydraulique (~18%) est une source de
production d’électricité renouvelable qui fait quasiment part égale
avec le nucléaire (~22%) à l’échelle de la planète. Observons
l’hydroélectricité en France en quelques chiffres :
• EDF est le premier producteur hydraulicien de l’Union
Européenne en 2015. Le leader mondial étant chinois.
• 70% du potentiel hydroélectrique Français est déjà exploité
Production
Hydraulique
• 570 centrales hydroélectrique pour le parc Français
35
36
-9-
Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
En 2015, observons en France la part de l’hydraulique dans la
production autour d’énergies renouvelables :
Les centrales hydroélectriques (lac, chute, canaux,
marémotrice …) utilisent des turbines à eau. La plus puissante
installation Française (Grand maison en Isère) peut fournir 1,8GW
en deux minutes :
Centrale de
Grand’maison - EDF
37
38
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Energie renouvelable ne veut pas forcément dire énergie
propre. Par exemple avec la centrale de St Chamas, l’apport
considérable d’eau douce et de limons a eu de graves
conséquences hydrologiques et écologiques pour l’étang de Berre,
la Durance, la Camargue et les nappes phréatiques associées :
Le plus grand générateur d’électricité est une centrale
hydroélectrique et se situe en Chine. Il s’agit du barrage des trois
gorges qui a été mise en production par étapes de 2006 à 2009. Les
26 générateurs assurent une production instantanée de 18,2 GW,
soit plus de 12 tranches de centrales nucléaires :
Etang de Berre
en Provence
Canal artificiel,
détournement
de la Durance
Centrale hydraulique
des trois gorges en Chine
Centrale EDF Hydroélectrique
de St Chamas
39
40
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Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Les éoliennes ou aérogénérateurs utilisent la force motrice
du vent afin de générer de l’électricité. Il s’agit d’une source de
production renouvelable :
Production
Eolien
41
42
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
En 2015, les principaux pays producteurs d’électricité à
partir de l’éolien sont respectivement les USA, l’Allemagne, la
chine et l’Espagne. La France se place au 4ième rang Européen en
2015. Observons le parc éolien Français :
En 2016, la France compte une puissance installée de près
de 11GW. Observons la répartition du parc éolien ainsi que le
potentiel éolien Français (en W/m2 à 50m du sol) :
43
44
- 11 -
Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
De quoi est constitué une éolienne :
Raccordement au réseau électrique d’éoliennes offshores.
Observons les projet en cours pour la France en 2015 :
45
46
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
En 2016, les plus grandes éoliennes actuellement en
services possèdent un diamètre de 164m pour une puissance
développée de 8MW (éolienne offshore Vestas, Danemark). La
filiale Areva Wind du groupe du même nom développe
actuellement des éoliennes offshore de 8MW :
En 2015, observons les principaux acteurs français :
• Alstom Wind : création en 2007 après le rachat de la société
Espagnole Ecotecnia
• Areva Wind : création en 2007 suite au rachat de la société
Allemande Multibrid. Création de 4 usines au Havres générant
6000 emplois directs et indirects
• Vergnet : éoliennes de petites et moyennes puissances
Eoliennes Repower (anciennement Areva)
• Francéole : création en 2013 et spécialisation dans la création
de mâts terrestres
48
Relation diamétre/puissance d’une éolienne
47
- 12 -
Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
En 2014, la répartition du marché mondial des
principaux fabricants d’éoliennes étaient le suivant :
Etre prudent quant aux chiffres avancés. Une éolienne
idéalement positionnée ne fonctionne en moyenne que 2000h par
an, une année comptant 8600 heures. Une éolienne moyenne de
2MW ne produira alors que ~600KW en moyenne sur une année.
De plus, un réseau électrique basé uniquement sur l’éolien
entraînerait une forte instabilité et des coupures intempestives :
~ 5000
éoliennes
=
49
1 centrale
nucléaire
50
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
De même, sans subvention, le coût de fabrication, de
démantèlement et de gestion d’une éolienne rapporté au MWh
reste relativement élevé :
60
Combustible
50
40
5,3
30
7,6
20
7,4
10
0
13,8
1,5
13
40,1
Fonctionnement et maintenance
8,2
30,5
7,2
3
17,1
Nucléaire
Charbon
18,4
Production
Renouvelable
10
Gaz
Bois
Eolien
Coût du capital
51
52
- 13 -
Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Des sources renouvelables pour la production d’énergie
électrique hors éolien, l’utilisation de biomasses et de déchets
renouvelables restent les solutions les plus usitées. Observons le
parc thermique renouvelable Français :
Il existe d’autres solutions de production électrique
renouvelables. Ces techniques de production ne représentent
qu’une faible part de la production électrique mondiale mais
néanmoins des solutions délocalisées intéressantes :
• Solaire : 7GW pour le photovoltaïque
de part le monde en 2012
• Géothermie : 8GW de part le monde en 2012
• Force des vagues
• Hydroliennes (SeaFlow et SeaGen en UK)
53
54
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Observons jusqu’en 2008 l’évolution de la production
d’électricité en France à partir de sources d’énergies
renouvelables (hors hydroélectricité) :
Parts dans la production mondiale d’électricité d’origine
renouvelable en 2014, soit moins de 20% de la production
mondiale :
55
56
- 14 -
Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Le réseau électrique représente l’ensemble des
infrastructures (transport, répartition, distribution et protection)
visant à acheminer l’énergie électrique des centres de production
vers les consommateurs:
Transport
Transport et Répartition
57
58
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Les réseaux électriques peuvent-être divisés en trois
familles de sous réseaux :
Les réseaux de Transport et de répartition sont
principalement gérés par RTE (filiale de EDF et opérateur leader
Européen en 2015). Observons où se positionne RTE entre les
centres de production et les utilisateurs :
• Réseaux de transport : réseaux HTB (maillés) de transport des
gros centres de production vers les régions consommatrices
(400KV et 225KV en France)
• Réseaux de répartition : réseaux HTB (bouclés) assurant la
desserte à l’échelle régionale (90KV et 63KV en France).
• Réseaux de distribution : réseaux HTA et BT inférieurs à 50KW
(en arbre), assurant l’alimentation de la clientèle (sauf gros
clients)
59
60
- 15 -
Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Observons les réseaux de transport d’électricité Français.
Les transports d’énergie électrique en très hautes tensions se font
de façon général en triphasé :
Ces différents réseaux et installations sont repérés par
leurs niveaux de tension transportés :
Niveaux de tension normalisés en vigueur en France
(UTE C18-510)
HTB
HTA
BTB
BTA
TBT
Un > 50KV
1KV < Un ≤ 50KV
500V < Un ≤ 1KV
50V < Un ≤ 500V
Un ≤ 50V
Anciennes appellations encore couramment rencontrées !
THT
HT
MT
BT
Un > 200KV
35KV < Un ≤ 200KV
1KV < Un ≤ 35KV
Un < 1KV
Niveaux les plus couramment rencontrés en France
400KV
225KV
90KV
63KV
20KV
15KV
Réseaux de transport
et de répartition
400V
230V
Réseaux de
distribution
61
62
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Pour des raisons historiques et technologiques (machines
électriques et génératrices), le transport de l’énergie électrique
se fait le plus couramment en alternatif. Les tensions imposées
sur les réseaux Français sont triphasées sinusoïdales. Quel que
soit le réseau électrique, toutes les grandeurs travaillent à 50Hz :
Les tensions de production sont différentes des tensions
de transport. Sur des distance supérieures à quelques kilomètres,
il y a nécessité d’élever les niveaux de tension avant de
transporter l’énergie électrique :
V1(t)
V2(t)
• Réduction des chutes de tension en ligne (diminution du
niveau de tension)
V3(t)
V1(t) V2(t) V3(t)
2 π/3
4 π/3 2π
0
• Limitation des pertes par effet Joule (échauffement des
lignes)
ωt (rad/s)
t (s)
T = 20ms
F = 50Hz
F = 1/T
• Amélioration de la stabilité des réseaux (plus faible
sensibilité aux perturbations)
Ligne moyenne tension
63
64
- 16 -
Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Observons une ligne 400KV du réseau RTE. Par exemple
celle présente au sud de Caen et arrivant de Flamanville :
Les pertes par effet Joule (échauffement des conducteurs)
représentent chaque année près de ~2,5% de la consommation
globale du pays, soit ~15TWh perdues l’année passée.
Câble de garde
relié à la terre
(paratonnerre)
A puissance transportée donnée, en élevant la tension nous
limitons les pertes par effet Joule. Exemple pour un système
triphasé équilibré de courants :
Faisceau de 3 conducteurs
(entre 2 et 4 en général)
Isolateur
(~20KV par assiette)
Les conducteurs sont nus et de façon
général en alliage d’aluminium
(cuivre trop lourd et trop coûteux)
2
PJ
R I
2
R
P
2
3U
Pylône relié
à la terre
L’ensemble de 3 phases électriques
représente un terme
65
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
66
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
La très grande majorité du transport en forte puissance se fait
en courant alternatif triphasé (HVAC). Néanmoins, certaines
solutions actuelles se font en courant continu (HVDC). Au delà d’une
certaine distance (~50-100km sous marin et ~500-1000km en
aérien), il devient moins coûteux de transporter de l’énergie en
continu :
Exemples de transport d’électricité par HVDC :
• Liaison France-Angleterre, IFA 2000 (Interconnexion France
Angleterre 2000 MW).
Rouge : en service (en 2010)
Vert : projet approuvé (en 2010)
Bleu : en étude (en 2010)
• 2 conducteurs (voire 1) au lieu de 3
• Interconnexion entre pays (fréquences et tensions
différentes)
• Barrage des Trois-Gorges. Ligne de 1400km construite par
Siemens pour une capacité de 5000MW
• Pas de compensation de puissance réactive
67
- 17 -
68
Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Les réseaux de distribution sont de façon général basés sur
une structure en arborescence. Voici les 4 niveaux de tension les
plus rencontrés en France (20KV, 15KV, 400V et 230V – 50Hz) :
Transport
Distribution
• Topologie plus simple et donc moins coûteuse
• Topologie moins robuste. Un défaut sur une ligne
moyenne tension, entraînera forcément la coupure des
clients alimentés par celle-ci.
69
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Observons un poste de transformation 20KV/230V
sur poteau (HTA/BT) :
Avec 95% des réseaux publiques de distribution, le principal
gestionnaire des réseaux de distribution en France est ERDF (premier
distributeur d’électricité en Europe en 2015, filiale de EDF). Ses
principaux concurrents Français en 2015 sont Direct Energie et Engie.
Isolateurs
Arrivée HTA
aérienne
(20KV)
Transformateur
20KV/230V
70
parafoudre
Support
Transformateur
Protection BT
(disjoncteur)
Départ BTA
souterrain
(230V)
Commande
Manuelle
71
72
- 18 -
Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Observons les solutions en niveaux de fréquence et
tension en services pour la basse tension de part le monde :
Pour information, la France étant l’une des principales
puissances mondiales autour de l’énergie, le coût de l’énergie
électrique reste relativement faible par rapport au reste de l’Europe :
73
74
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Intéressons-nous à la protection électrique des biens
(lignes, transformateurs, appareillages domestiques …) et des
personnes. A titre indicatif, chaque année le réseau 400KV subi en
moyenne 2,5 défauts chaque 100Km de ligne et près de 150 sous
20KV :
Protection
75
76
- 19 -
Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Concernant la protection des personnes, il faut savoir que
même à notre époque, les installations électriques tuent toujours
(en 2008, 9 décès et 771 accidents avec arrêts de travail). D’ailleurs,
ne pas confondre électrisation et électrocution. L’électrisation
correspond au passage de courant dans le corps humain. Si il y a
décès, on parle d’électrocution.
La protection des biens, connectés aux réseaux (machine
à laver, appareils électronique …) ou présents sur les réseaux
(transformateurs, générateurs …), passe notamment par l’ajout
de matériel de protection non-intrusifs sur les réseaux :
Poste électrique de distribution
haute tension
Coffret électrique
domestique
77
78
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
En cas d’erreur humaine ou matérielle, la protection des
biens et des personnes est principalement assurée deux grands
choix technologiques :
• Appareillages de protection (disjoncteur, différentiel,
sectionneur …)
• Régimes de neutre (TT chez les particuliers, TN moins
coûteux, IT milieux critiques …). Non vu dans cette
introduction
Protection
Protection des biens
• Habilitation électrique (B0, B0V, B1, B1V …). Formation
au respect des normes, procédures de sécurité, distances
de sécurité, maitrise des risques …
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80
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Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Observons le rôle d’un poste électrique haute tension :
transformation, aiguillage, protection , isolement, supervision
La protection des biens intervient aussi bien sur les réseaux
HTB que les réseaux BTA. Les principaux éléments de protection ou
d’isolement d’appareillages sont :
• Disjoncteur (pouvoir de coupure)
• Sectionneur (pas de pouvoir de coupure)
Transformateur
Supervision et contrôle
à distance
• Interrupteur (pouvoir de coupure)
Parasurtenseur
ou Parafoudre
Sectionneurs
et Jeux de barres
• Contacteur (pouvoir de coupure)
• Fusible (pouvoir de coupure)
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Disjoncteur
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
En 2010, Alstom Grid et Schneider Electric ont fait
l’acquisition de Areva T&D (~30% de Areva en 2008), le leader
mondial dans les domaines de la transmission et de la distribution
d’électricité (~1800 Salariés):
Prenons l’exemple de l’un des principaux éléments de
protection d’appareillages, le disjoncteur :
Disjoncteur 400KV
Disjoncteur 230V
(In = courant nominal = 16A)
Usine de Villerbanne
fabrication de disjoncteurs
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Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Prenons l’exemple d’un disjoncteur travaillant en basse
tension, typiquement installé chez des particuliers. Observons les
informations écrites dessus :
Un disjoncteur est un dispositif électromécanique
permettant d’interrompre la circulation du courant électrique en cas
d’incident. Contrairement au fusible, il est réarmable. En basse
tension, il est capable d’interrompre deux types de défauts :
• Surcharge (déclencheur thermique - bilame)
• Court-circuit (déclencheur magnétique - solénoïde)
Courbe de déclenchement
(norme NFC 61-410)
Déclenchement
thermique
Pour information, en 2015 Legrand est le leader mondial
sur les marchés des interrupteurs, prises et produits de
cheminement de câbles.
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Courbe C
Courbe B
Déclenchement
magnétique
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Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Que trouve-t-on dans un disjoncteur en milieu domestique :
En 2015, la société Française Schneider Electric figure
parmi les premiers fabricants mondiaux d’équipements de
distribution électrique basse et moyenne tension, d’automatismes
industriels et d’équipements de protection électrique.
Bobine ou solénoïde
(protection magnétique - CC)
Chambre de
coupure de l’arc
Contacts
Vis de calibration
(bilame)
Réarmenent et
coupure manuelle
Connecteurs
Bilame
(protection thermique - surcharge)
Mécanisme de séparation ou de
rapprochement des contacts
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Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Observons les différentes gammes de courants alternatifs
pouvant être dangereuses pour un être humain. Les valeurs cidessous sont légèrement plus élevées pour des grandeurs
continues.
Intensité
Protection
Protection des personnes
Effets
Durée du contact
~0,5–1mA
Seuil de perception
~8mA
Choc au toucher
~10mA
Contractions musculaires
~30mA
Paralysie ventriculaire
~30s
~40mA
Fibrillation ventriculaire
~3s
~75mA
Fibrillation ventriculaire
~1s
~300mA
Paralysie et fibrillation ventriculaire
~110ms
~4m30s
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Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Prenons un exemple du quotidien et observons les
sécurités déployées dans un milieu domestique afin d’assurer la
sécurité des personnes :
Prenons un exemple du quotidien et observons les
sécurités déployées dans un milieu domestique afin d’assurer la
sécurité des personnes :
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Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Le corps humain étant essentiellement constitué d’eau
(~60%), il faut savoir que la résistance au passage du courant du
corps humain dépend essentiellement de notre peau (~95%).
Observons les principaux facteurs :
Il existe donc un réel danger pour l’homme à travailler
sans protection sur les réseaux BTB (230V 50Hz). Le principal
organe de protection à votre domicile en cas d’incident est le
disjoncteur différentiel. Son rôle est d’assurer une coupure du
courant s’il détecte une différence de courant entre phase et
neutre supérieure à 30mA :
• Epaisseur de la peau (dépend du métier de l’individu)
Disjoncteur 30mA
Legrand
• Humidité (salle de bain, cuisine …)
Symbole électrique
• Surface et pression de contact
La résistance du corps humain avoisine les 1KΩ. Néanmoins cette
valeur peut être très différente d’un individu à l’autre
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Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Prenons quelques exemples de protection d’opérateurs en
services sur des lignes en hautes et moyennes tensions :
Prenons l’exemple d’une installation électrique domestique
:
Compteur générel scellé et installé
par EDF (protection des biens)
• Mise à la terre et distances de sécurité
Dijoncteur différentiel 30mA
(protection des personnes)
Disjoncteur 16A
(protection des biens)
Mise à la terre (hors tension)
• Intervention au potentiel (HTB)
Travail au potentiel
(sous tension)
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Distances de sécurité
(sous tension)
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Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
L’habilitation électrique (B0, B0V, B1, BC …) est la
reconnaissance de la capacité d’une personne à opérer en toute
sécurité sur différents réseaux électriques (B=TBT-BT, H=HT). Cette
habitation est accompagnée d’une formation aux risques
électriques effectuée par une entreprise spécialisée et est délivrée
par son employeur :
Un autre organe de protection des biens et à la fois des
personnes est le sectionneur. Il a un rôle d’isolement et ne possède
aucun pouvoir de coupure. Prenons l’exemple de sectionneurs
hautes tensions qui doivent assurer une coupure visible :
Jeux de barres
Sectionneurs
à double
rotation
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Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
L’étude de la conversion de l’énergie électrique en une autre
source (électrique ou mécanique) peut-être découpée en grandes
parties :
• Machines électriques tournantes en fonctionnement
moteur ou alternateur/générateur (conversions
Electromécaniques)
Conversion
• Electronique de puissance et transformateurs (conversions
électriques)
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Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Le fonctionnement d’une machine électrique tournante est
entièrement réversible, moteur ou alternateur/générateur. Dans les
applications en forte puissance, deux technologies triphasées
alternatives se détachent :
• Machines Synchrones (MS) : production électrique, transport …
• Machines Asynchrones (MAS) : industrie, moteur vitesse fixe …
Stators identiques
(grandeurs triphasées)
Conversion
Machines Electriques
Stator
Rotor
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Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Machine
synchrone
Machine
asynchrone
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Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Prenons quelques exemples d’applications des machines
électriques :
AGV Alstom
(MS à aimants)
A380 Airbus
(MS – générateurs à
fréquences variables VFG)
En 2015, la branche Alstom Transport du groupe Alstom était
notamment leader mondial dans les domaines du transport cités cidessous. :
Ligne de montage Peugeot
(MS/MAS)
Eoliennes 5M RePower
(MAS – fonctionnement MADA)
• Trains à très grande vitesse (AGV), grande vitesse (TGV) et
trains pendulaires
PRIUS Toyota
(MS à aimants)
• Trains de banlieues et régionaux (X 72500/X 73500/X 73900)
• Tramways (Citadis) et véhicules légers sur rail
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Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Dans la grande majorité des cas, les machines électriques
tournantes sont utilisées en fonctionnement moteur, prenons
quelques exemples :
Nouvelles rames de métro (MAS )
Chaîne d’embouteillage
Qingdao
Barrage des trois gorges
(alternateurs MS – Alstom et Audritz)
Machine à laver
(MAS )
TGV Duplex (MAS )
Chaîne de montage
Chrysler Camaro
Pour la production d’électricité, les machines électriques
les plus répandues restent les machines synchrones :
PRIUS
(MS à aimants)
5M RePower
(MAS – fonctionnement MADA)
A380 de chez Airbus
(MS – générateurs à
fréquences variables VFG 360-800Hz)
Frégate furtive Courbet
(système hybride pour la
propulsion et la génération électrique)
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Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Si l’électronique de commande et le réseau en amont le
permettent, un moteur peut dans certains cas devenir générateur.
Prenons les exemples d’un train, d’une voiture hybride ou
électrique durant les phases de freinage (magnétique) :
Prenons un exemple d’application dans le domaine du
maritime. Pour le Queen Mary 2, les machines électriques utilisés
pour la propulsion sont déportés dans les POD (Propulsors
Outboard Drives). Impossible avec des moteurs thermiques :
4 POD du Queen Mary 2
(MS à rotors bobinés)
Queen Mary 2
(Le paquebot au plus fort tonnage au monde
lors de sa sortie en 2004 – fabriqué à St Nazaire)
Yaris Hybride Toyota
(Hibrid Synergy Drive,
MS à aimants)
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Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Un transformateur assure une conversion électrique sans
modification de la fréquence des grandeurs, Seuls les amplitudes
des courants et tensions sont impactées. Un transformateur est
réversible. Utilisation principale sur les réseaux électriques pour
de l’élévation ou abaissement de niveaux de tension avant
transport, répartition ou distribution :
Conversion
Transformateur
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Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Observons des autotransformateurs 400KV Alstom
présents sur les réseaux de transport (RTE) :
Observons la structure interne d’un transformateur :
Noyau magnétique
(isolation Galvanique)
Bornier
primaire/secondaire
Bobine
basse tension
Transformateur
monophasé
Isolant
Galvanique
(électrique)
Noyau magnétique
et enroulements
Transformateur en test
Transformateur en service
Transformateur
monophasé
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Bobine
haute tension
Transformateur
triphasé
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Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
L’Electronique de Puissance est un domaine récent de
l’ingénierie (1950) au regard de l’âge de l’Electrotechnique (1869). Ce
domaine est basé sur l’utilisation du transistor, utilisé sous forme
d’interrupteur statique (non mobile). Les structures de l’électronique
de puissance sont d’ailleurs souvent historiquement nommée
convertisseurs statiques. Observons les principaux composants :
• Transistor : interrupteur commandé à l’ouverture et à la
fermeture mais non réversible en courant
Conversion
Electronique de puissance
• Thyristor : interrupteur non réversible en courant commandé
à l’ouverture seulement
• Diode : interrupteur non commandé non réversible en
courant
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Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
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Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
La structure électronique présentée ci-dessous est
universelle et se nomme hacheur quatre quadrants (ou pont en H).
En fonction des applications visées, des structures moins riches en
transistors existent (buck, boost, flyback, forward …) :
Les structures de l’électronique de puissance sont aptes à
réaliser tous types de conversions électriques vers électriques :
• Continu vers Alternatif : Onduleurs (structure hacheur)
• Alternatif vers Continu : Redresseurs
Charge
(à alimenter)
Interrupteurs
Statiques
(transistors, diodes,
thyristors)
• Continu vers Continu : Hacheurs
• Alternatif vers Alternatif (fréquence variable): Redresseurs et
Onduleurs
Source
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Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
En fonction des gammes de courants, tensions et fréquences
rencontrées durant le développement d’une application, différentes
technologies sont alors accessibles :
Prenons quelques exemples d’applications :
Alimentation d’ordinateur
portable
Alimentation Xbox One
Thyristor GTO
(4500V, 3000A, ~1KHz)
Transistor IGBT
(600V, 150A, 25KHz)
Alimentation d’ordinateur
fixe
Alimentation terminaux
mobiles
Véhicules hybrides et
électriques
Ferroviaire
Transistor MOSFET
(100V, 10A, 1MHz)
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Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Cette dernière partie traite de domaines étroitement liés à
celui du traitement de l’énergie électrique, les usages et
applications :
• Eclairage : domestique, publique, industrie …
• Chauffage : domestique, publique, industrie …
• Moteurs : industrie , domestique …
Utilisation
• Stockage : électrochimie (batterie, pile …)
• Automatisme : Automatisation de processus (automates
programmables) …
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Traitement de l’Energie Electrique
Introduction – Production – Transport – Protection – Conversion – Utilisation
Observons par exemple à notre époque les principales
sources de consommation dans le domicile des particuliers :
Moteur
Compresseur
Eclairage
Chauffage
Merci pour votre attention !
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Traitement de l’Énergie Électrique
Traitement de l’Énergie Électrique
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