Régime stationnaire court-circuit coupure des circuits et protections : les réseaux d'énergie électrique 2

Valentin Crastan

Description

Les réseaux d'énergie électrique présente des systèmes techniques complexes dont le comportement peut être prédit de façon fiable par des processus de simulation.
Ces derniers sont aujourd'hui implémentés dans de courts délais grâce aux progrès des méthodes par ordinateur. L'ouvrage présente une modélisation rigoureuse de la dynamique de toutes les parties de l'installation.
La libéralisation du marché de l'énergie électrique et la forte concurrence qui l'accompagne conduisent les entreprises à exploiter les réseaux jusqu'à leurs limites.
Réseaux d'énergie électrique, Volume 2, étudie le calcul et le comportement du réseau en régime permanent symétrique et dissymétrique et les phénomènes et contraintes de court-circuit. L'étude est complétée par l'analyse des problèmes concernant la coupure des circuits et les systèmes de protection.
Partie I - Comportement en régime permanent des réseaux équilibrés, déséquilibrés et dissymétriques et leur calcul. 1. Réseaux symétriques et équilibrés. Formes de réseaux. Court-circuit tripolaire. Procédé général pour les calculs de réseaux. Calcul des réseaux non maillés. Comportement de la ligne électrique en régime permanent. Flux des puissances dans le réseau maillé. 2. Réseaux déséquilibrés et dissymétriques. Méthode des composantes symétriques. Schéma équivalent d'un élément symétrique. Mesure des impédances longitudinales et transversales. Modèles des lignes. Modèles du transformateur. Modèle de la machine synchrone. Calcul de réseaux avec dissymétries ponctuelles. Composantes symétriques et harmoniques. Partie II - Calcul des éléments du réseau - Contraintes de court-circuit - Coupure et protection des circuits. 3. Calcul des éléments du réseau. Transformateurs et bobines. Machines synchrones. Lignes. Condensateurs. 4. Effets du courant de court-circuit. Paramètres du courant de court-circuit momentané. Résistance thermique au court-circuit. Résistance mécanique au court-circuit. 5. Disjoncteurs, coupure des circuits. Théorie de l'arc électrique. Coupure du courant continu. Coupure du courant alternatif. Appareils de coupure. Surtensions internes. 6. Technique des protections. Traitement du point neutre. Protection des lignes. Protection des générateurs. Protection des transformateurs. Protection des jeux de barres. Protection contre les surtensions. Protection des êtres vivants (R. Haldi). Annexes. Valeurs techniques pour les conducteurs des lignes électriques. Solutions des exercices. Bibliographie. Glossaire. Index.

Sujets

• Environnement
• Électricité
• Électronique
• Pollution
• EAU
• Énergie

Informations

• Publié par: Hermès - Editions Lavoisier
• Date de parution: 09 février 2007
• Nombre de lectures: 545
• EAN13: 9782746229242
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 14 Mo

Extrait

Les réseaux d’énergie électrique 2

Edition actualisée, traduite de l’allemand par l’auteur. Titre original : Elektrische Energieversorgung 1. © Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2000. ISBN de l’édition allemande 3-540-64193-0

© LAVOISIER, 2007 LAVOISIER 11, rue Lavoisier 75008 Paris www.hermes-science.com www.lavoisier.fr ISBN 978-2-7462-1374-6 Le Code de la propriété intellectuelle n'autorisant, aux termes de l'article L. 122-5, d'une part, que les "copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective" et, d'autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d'exemple et d'illustration, "toute représentation ou reproduction intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite" (article L. 122-4). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles L. 335-2 et suivants du Code de la propriété intellectuelle. Tous les noms de sociétés ou de produits cités dans cet ouvrage sont utilisés à des fins d’identification et sont des marques de leurs détenteurs respectifs. Printed and bound in England by Antony Rowe Ltd, Chippenham, February 2007.

Les réseaux d’énergie électrique 2 régime stationnaire, court-circuit, coupure des circuits et protections Valentin Crastan

C OLLECTION DIRIGEE PAR J EAN -C LAUDE S ABONNADIÈRE

Chaigne Claudeet al.– Commande vectorielle sans capteur des machines asynchrones, 2005

Crastan Valentin – Les réseaux d'énergie électrique 1, 2005

Prévé Christophe – Les réseaux électriques industriels volume 1 et 2, 2005

Préface

Ce second tome de l’ouvrageLes réseaux d’énergie électriquecomplète les bases générales et celles qui concernent la modélisation des éléments du réseau données au premier tome. Il correspond à la deuxième partie (améliorée et actualisée) du premier volume de l’édition allemande. Il comprend les chapitres 9 à 14 de l’édition originale qui concernent : - le comportement du réseau en régime permanent symétrique et dissymétrique et les calculs de court-circuit, - le dimensionnement des éléments du réseau, - les contraintes thermiques et mécaniques de court-circuit, - la coupure des circuits et la protection du système. L’objet des deux tomes qui suivent sera, sommairement : - les problèmes énergétiques et ceux inhérents à la libéralisation, les centrales classiques et la production par les énergies renouvelables, - la dynamique de l’ensemble du système, en particulier le réglage et la stabilité, les problèmes liés à la planification et à l’exploitation du réseau. Je remercie Jean Biollay pour le lectorat, mon ancien assistant Rudolf Haldi pour l’actualisation de la section 6.7 et l’éditeur Hermès Science Publishing pour l’agréable et efficace collaboration.

Valentin CRASTAN

Bienne, octobre 2006

VI Les réseaux d’énergie électrique 2

Préface au premier volume de l’édition allemande

Ce livre est issu des cours de Haute Tension, de Réseaux de transport et de distribution d’énergie, de Technique de l’énergie et d’Économie énergétique professés par l’auteur à la division d’électrotechnique de la Haute École Technique de Bienne. Le premier tome traite de la structure et du comportement des réseaux de transport et de distribution d’énergie électrique, de la modélisation et du calcul des parties de l’installation ou de l’ensemble du réseau. Dans un deuxième tome, les problèmes traités sont ceux de la conversion de l’énergie, en particulier la technique des centrales, et des aspects de l’économie énergétique. Les thèmes qui se rapportent à la dynamique et à la stabilité du système ainsi qu’à sa planification et son exploitation font l’objet d’un exposé approfondi. La libéralisation dans le domaine des réseaux d’énergie électrique et la dure concurrence qui l’accompagne, obligeront les entreprises à utiliser les installations jusqu’à leurs limites. Il me semblait donc opportun d’actualiser les connaissances sur le sujet et de présenter la matière de façon approfondie. On a donné plus de poids aux connaissances de base, puisque, par expérience, le savoir technologique vieillit assez rapidement. Les réseaux d’énergie électrique représentent des systèmes techniques complexes dont le comportement peut être prédit de façon fiable par simulation. Les logiciels correspondants peuvent aujourd’hui (et encore plus à l’avenir) être implémentés à court terme grâce aux progrès des méthodes informatiques. C’est pourquoi j’ai attaché de l’importance à une modélisation rigoureuse de la dynamique des parties de l’installation, en cherchant à bien justifier par la physique, et en tenant compte des restrictions imposées par la technique des mesures, les paramètres importants pour l’identification du système. Je suis convaincu de donner ainsi, non seulement un instrument d’apprentissage aux étudiants et aux autodidactes, mais aussi un outil précieux à l’ingénieur qui doit faire face aux problèmes de la pratique. L’exposé de la théorie est accompagné, à titre d’illustration, de nombreux exemples, tirés en bonne partie de la pratique. L’expérience didactique montre qu’il est certainement utile de partir des idéalisations habituelles qui favorisent la clarté des idées et facilitent la compréhension physique ; pour les applications pratiques il est toutefois nécessaire d’aug- menter progressivement la rigueur de l’exposé et les exigences quant aux outils mathémati- ques. Compte tenu de la diversité de la matière, le degré de difficulté est différent d’un chapitre à l’autre. Les paragraphes plus difficiles peuvent être laissés de côté sans pour cela compromettre la compréhension des parties qui suivent. Une structure linéaire n’est de toute façon pas possible, vue la complexité de la matière. Une compréhension globale ne peut se former que comme grandit une mosaïque ; les nombreuses références collatérales y contri- buent. Les bases élémentaires de l’électrotechnique et des mathématiques (y compris la transformation de Laplace) sont supposées connues ou sont partiellement résumées dans des chapitres introductifs. Je remercie tous les interlocuteurs pour leurs suggestions, observations et informations, de même que les entreprises qui m’ont mis des documents à disposition. Je remercie en particulier, pour l’examen de certaines parties du manuscrit ou pour des remarques particuliè- rement utiles : D. Reichelt de NOK, Baden, J. Bertsch, A. Kara, H. Haldenmann et M. Canay de ABB Suisse ainsi que le professeur émérite W. Zaengl de l’EPFZ. Un grand merci va aussi à mon assistant R. Haldi pour la rédaction du paragraphe 14.7, à mon épouse pour son appui et pour le lectorat, à l’éditeur Springer pour l’agréable collaboration.

Valentin CRASTAN

Bienne, mai 1999

Table des matières

Partie I

Comportement en régime permanent des réseaux équilibrés, déséquilibrés et dissymétriques et leur calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

Chapitre 1. Réseaux symétriques et équilibrés3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Formes de réseaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.1 Réseau radial ou en antenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2 Réseau bouclé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.3 Réseau maillé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.4 Critères pour le choix du type de réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2 Court-circuit tripolaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.1 Valeur efficace du courant de court-circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2.2 La puissance de court-circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2.3 Calcul du courant initial subtransitoire de court-circuit . . . . . . . . 12 1.2.3.1 Méthode directe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.3.2 Méthode de la source équivalente (ou de superposition) 13 1.2.4 Limitation de la puissance de court-circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.3 Procédé général pour les calculs de réseaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.1 Bases théoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.2 Application au problème de court-circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.3.2.1 Méthode directe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.3.2.2 Méthode par superposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.3.3 Réduction de la matrice des admittances nodales . . . . . . . . . . . . . 30 1.4 Calcul des réseaux non maillés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.4.1 Ligne alimentée d’un seul côté sans ramification . . . . . . . . . . . . . 31 1.4.2 Ligne alimentée d’un seul côté avec ramifications . . . . . . . . . . . . 33 1.4.3 Ligne alimentée des deux côtés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.5 Comportement de la ligne électrique en régime permanent . . . . . . . . . . 35 1.5.1 Comportement de la tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.5.1.1 Ligne sans perte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.5.1.2 Ligne avec pertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.5.1.3 Ligne électriquement courte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.5.2 Comportement de la puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 1.5.2.1 Puissance naturelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 1.5.2.2 Pertes de la ligne et bilan de la puissance réactive . . . . . 44

VIII Les réseaux d’énergie électrique 2

1.5.3 Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.3.1 Ligne électriquement longue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.3.2 Calcul exact de la ligne compensée . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.3.3 Ligne électriquement courte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.4 Capacité de transport des lignes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.4.1 Importance de la puissance naturelle . . . . . . . . . . . . . . 1.5.4.2 Charge thermique admissible et puissance naturelle . . . 1.5.4.3 Puissance limite et longueur limite des lignes aériennes 1.5.4.4 Longueurs limites des câbles souterrains . . . . . . . . . . . . 1.6 Flux des puissances dans le réseau maillé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.1 Équations du réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.2 Solution du problème du flux des puissances . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.3 Limitations des variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.4 Calcul découplé du flux des puissances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.5 Contrôle et optimisation du flux des puissances . . . . . . . . . . . . .

47 48 49 50 54 54 55 57 59

61 61 63 68 69 70

Chapitre 2. Réseaux déséquilibrés et dissymétriques73. . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Méthode des composantes symétriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 2.1.1 Symétrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 2.1.2 Bisymétrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 2.1.3 Tension et courant homopolaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.1.4 Composantes symétriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 2.2 Schéma équivalent d’un élément symétrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 2.2.1 Impédance longitudinale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 2.2.2 Admittance transversale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 2.2.3 Schéma équivalent résultant en composantes symétriques . . . . . 86 2.3 Mesure des impédances longitudinales et transversales . . . . . . . . . . . . 87 2.4 Modèles des lignes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 2.4.1 Lignes à structure symétrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 2.4.2 Résistances du neutre et des prises de terre . . . . . . . . . . . . . . . . 90 2.4.3 Lignes à structure dissymétrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 2.4.4 Inductance homopolaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 2.4.5 Schéma équivalent dans le domaine originel triphasé . . . . . . . . 95 2.4.6 Influence des fils de garde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 2.4.7 Modèles avec paramètres dépendants de la fréquence . . . . . . . . 98 2.5 Modèles du transformateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 2.5.1 Inductance principale L h0 100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Inductance de fuite L F0 101. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . 2.5.3 Schémas homopolaires des couplages principaux . . . . . . . . . . 101 2.5.4 Déphasage des systèmes inverse et homopolaire . . . . . . . . . . . 102 2.6 Modèle de la machine synchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104