Réseaux Électriques

Introduction : Le Réseau Électrique

Le réseau électrique transporte l'électricité des centrales de production jusqu'aux consommateurs. En France, il s'étend sur plus de 1,4 million de kmde lignes et dessert 37 millions de clients.

// Architecture du réseau

Production → Transport (HTB) → Distribution (HTA/BT) → Consommation

RTE : Transport (400/225/90/63 kV)

Enedis : Distribution (20 kV / 400 V)

Le réseau fonctionne en courant alternatif triphasé 50 Hz. La tension est élevée pour le transport (réduire les pertes), puis abaissée pour la distribution.

1. Niveaux de Tension

Le réseau est organisé en plusieurs niveaux de tension, chacun ayant un rôle spécifique.

1.1 Classification des tensions

Domaine	Tension (AC)	Usage	Gestionnaire
HTB (Très Haute)	63-400 kV	Transport national	RTE
HTA (Haute)	1-50 kV	Distribution régionale	Enedis
BTB	500-1000 V	Industrie	Enedis
BTA	50-500 V	Domestique (230/400 V)	Enedis

1.2 Schéma du réseau

┌─────────────┐     ┌─────────────┐     ┌─────────────┐     ┌─────────────┐
│  CENTRALE   │     │ TRANSPORT   │     │DISTRIBUTION │     │CONSOMMATEUR │
│             │     │   (RTE)     │     │  (Enedis)   │     │             │
│ 20 kV       │────→│ 400/225 kV  │────→│ 20 kV       │────→│ 230/400 V   │
│             │     │ (90/63 kV)  │     │             │     │             │
└─────────────┘     └─────────────┘     └─────────────┘     └─────────────┘
      ↑                   ↑                   ↑                   ↑
 Alternateur        Ligne HT           Ligne MT            Ligne BT
 + Transfo        (aérien/souterrain) (souterrain ville)   (230V mono)
  élévateur                                                (400V tri)

Pourquoi des tensions élevées ? Les pertes en ligne sont proportionnelles à I². Pour une même puissance P = U × I, augmenter U permet de réduire I et donc les pertes.

2. Transformateurs

Le transformateur permet de modifier le niveau de tension alternative tout en conservant la fréquence. Il est basé sur l'induction électromagnétique.

2.1 Principe et rapport de transformation

// Rapport de transformation

m = U₂/U₁ = N₂/N₁

U₁, U₂ : tensions primaire et secondaire (V)

N₁, N₂ : nombres de spires

// Conservation de la puissance (transfo parfait)

P₁ = P₂ → U₁ × I₁ = U₂ × I₂

I₂/I₁ = N₁/N₂ = 1/m

// Si m > 1 : élévateur (centrale → ligne HT)

// Si m < 1 : abaisseur (ligne → consommateur)

2.2 Exemple de calcul

Problème : Transfo 20 kV / 400 V, puissance 630 kVA

Rapport : m = 400/20000 = 0.02 (abaisseur)

Courant primaire : I₁ = S/(√3 × U₁) = 630000/(√3 × 20000) = 18.2 A

Courant secondaire : I₂ = S/(√3 × U₂) = 630000/(√3 × 400) = 909 A

2.3 Rendement du transformateur

// Pertes dans un transformateur

Pertes fer : P_fer = constantes (hystérésis + Foucault)

Pertes cuivre : P_cu = R × I² (effet Joule)

// Rendement

η = P₂ / P₁ = P₂ / (P₂ + P_fer + P_cu)

Rendement typique : 95-99% selon la taille

Transfo HT/MT : η ≈ 99.5%

Transfo MT/BT : η ≈ 98%

Type	Puissance	Rendement	Pertes à pleine charge
Poste source (225/63 kV)	100-300 MVA	99.7%	300-900 kW
Distribution (20 kV/400 V)	250-1000 kVA	98.5%	4-15 kW
Domestique (mono 230 V)	5-50 VA	85-95%	0.5-5 W

3. Pertes en Ligne

Le transport de l'électricité engendre des pertes principalement dues à l'effet Jouledans les conducteurs. Ces pertes représentent environ 6% de l'électricité produite en France.

3.1 Calcul des pertes Joule

// Pertes par effet Joule (ligne monophasée)

P_pertes = R × I² = ρ × L/S × I²

R = résistance de la ligne (Ω)

ρ = résistivité (Ω.m) : Cu = 1.7×10⁻⁸, Al = 2.8×10⁻⁸

L = longueur (m), S = section (m²)

// En triphasé

P_pertes = 3 × R × I² (3 conducteurs)

// Chute de tension

ΔU = R × I + X × I × sin(φ) ≈ R × I (si cos(φ) ≈ 1)

3.2 Intérêt des hautes tensions

Exemple : Transport de P = 100 MW sur 200 km

Option 1 - 20 kV :

I = P/(√3 × U) = 100×10⁶/(√3 × 20000) = 2887 A

Pertes = 3 × R × I² avec R = 0.03 Ω/km × 200 = 6 Ω

P_pertes = 3 × 6 × 2887² = 150 MW ! (impossible)

Option 2 - 400 kV :

I = 100×10⁶/(√3 × 400000) = 144 A

P_pertes = 3 × 6 × 144² = 0.37 MW (0.4%)

3.3 Bilan des pertes réseau

Niveau	Longueur	Pertes	% du total
HTB (Transport)	105 000 km	11 TWh/an	2.2%
HTA (Distribution)	600 000 km	8 TWh/an	1.6%
BT (Distribution)	700 000 km	12 TWh/an	2.4%
TOTAL France		31 TWh/an	6.2%

4. Équilibre Production-Consommation

L'électricité ne se stocke pas facilement : la production doit en permanenceégaler la consommation. Tout déséquilibre se traduit par une variation de la fréquence.

4.1 La fréquence comme indicateur

// Relation fréquence - équilibre

Production > Consommation → f augmente

Production < Consommation → f diminue

// Fréquence nominale

f = 50 Hz ± 0.05 Hz (fonctionnement normal)

Seuils critiques :

f < 49.0 Hz : délestage automatique (coupure charges)

f < 47.5 Hz : découplage centrales (protection)

f > 51.5 Hz : arrêt production (survitesse)

4.2 Réglage de la fréquence

Réglage primaire

Automatique : 15-30 s

Groupes : ± 5% Pn

Stabilise la fréquence

Réglage secondaire

Centralisé : 2-15 min

Ramène f à 50 Hz

Rétablit les échanges

Réglage tertiaire

Manuel : 15 min - 1 h

Optimisation économique

Reconstitue les réserves

4.3 Protection et sélectivité

Principe de sélectivité : En cas de défaut (court-circuit), seule la protection la plus proche du défaut doit déclencher, isolant la partie défectueuse tout en préservant le reste du réseau.

Dispositifs : disjoncteurs HT (SF6), fusibles, relais de protection (différentiels, à maximum de courant).

Hiérarchie de protection (temps de déclenchement)

                    ┌─────────────────┐
Centrale ──────────│ Disjoncteur HT  │── 0.1 s (instantané)
                   └─────────────────┘
                           │
                    ┌─────────────────┐
Poste source ──────│  Relais 63 kV   │── 0.3 s (temporisé)
                   └─────────────────┘
                           │
                    ┌─────────────────┐
Transfo HTA/BT ────│ Fusible/Disj MT │── 0.5 s
                   └─────────────────┘
                           │
                    ┌─────────────────┐
Installation ──────│ Disjoncteur BT  │── 0.7 s (magnéto-therm)
                   └─────────────────┘

Résumé

1Niveaux de tension : HTB (63-400 kV) transport, HTA (1-50 kV) distribution, BT (230-400 V) consommation.
2Transformateur : m = U₂/U₁ = N₂/N₁. Rendement 98-99.5%.
3Pertes Joule : P = R × I². Réduites par les hautes tensions (6% du total).
4Fréquence 50 Hz : Indicateur de l'équilibre production-consommation.

Mini-Quiz

1. Un transformateur 20 kV/400 V a 1000 spires au primaire. Combien au secondaire ?

→ m = U₂/U₁ = N₂/N₁ → N₂ = 1000 × 400/20000 = 20 spires

2. Une ligne de 50 km, section 100 mm² (alu), transporte 500 A. Quelles sont les pertes ?

→ R = ρL/S = 2.8×10⁻⁸ × 50000 / 100×10⁻⁶ = 14 Ω. P = 3×14×500² = 10.5 MW

3. Que se passe-t-il si la consommation dépasse soudainement la production ?

→ La fréquence diminue. Le réglage primaire augmente la production automatiquement.

Objectifs du cours