Qualité et distribution de l'énergie dans le réseau électrique

Partie 1 : Distribution de l'énergie - Le « réseau autoroutier » de l'électricité

La distribution d'électricité est la dernière étape de l'acheminement de l'électricité de la centrale de production jusqu'au consommateur final (particuliers, entreprises, industries). On peut la comparer au réseau routier local et régional qui transporte les marchandises d'un entrepôt central jusqu'à votre domicile.

Composantes clés d'un système de distribution :

1. Postes de distribution : Ils reçoivent l'énergie à haute tension des lignes de transmission et utilisent des transformateurs pour abaisser la tension à des niveaux inférieurs (par exemple, de 138 kV à 13 kV ou 4 kV).

2. Aliments primaires : Les circuits principaux (généralement sur poteaux en bois ou souterrains) qui transportent cette énergie moyenne tension à travers une zone de service.

3. Transformateurs de distribution : Les boîtiers gris classiques sur les poteaux ou les boîtes vertes au sol servent à abaisser la tension jusqu'au niveau d'utilisation final (par exemple, 120/240 V pour les habitations, 480 V pour les usines).

4. Lignes de distribution secondaires : Les lignes basse tension qui relient le transformateur de distribution au compteur du client.

5. Interrupteurs, fusibles et disjoncteurs : Dispositifs de protection qui isolent les sections défectueuses afin d'éviter les pannes généralisées.

Objectif de la distribution d'énergie : Fournir une énergie électrique fiable et efficace à chaque client, avec un minimum d'interruptions et au niveau de tension standard.

Partie 2 : Qualité de l'énergie - La « santé » de l'électricité

Qualité de l'énergie Il s'agit d'une mesure de la conformité de l'alimentation électrique aux caractéristiques idéales. L'alimentation idéale est une onde sinusoïdale parfaite de constante :

• Magnitude de la tension (par exemple, 120 V)

• Fréquence (60 Hz en Amérique du Nord, 50 Hz dans de nombreux autres endroits)

• Forme d'onde lisse et sans distorsion

Lorsque l'alimentation électrique réelle s'écarte de cet idéal, on parle de problème de « qualité de l'énergie ».

Problèmes courants de qualité de l'énergie électrique :

1. Baisse de tension (creux) :

   • Qu'est-ce que c'est : Une réduction de tension à court terme (cycles à une minute).

   • Causes : Démarrage de gros moteurs (par exemple, ascenseurs, unités de climatisation), défauts sur les lignes adjacentes.

   • Effets : Les équipements sensibles tels que les PC, les automates programmables et les variateurs de vitesse peuvent se réinitialiser ou mal fonctionner.

2. Surtensions :

   • Qu'est-ce que c'est : Une augmentation de tension à court terme.

   • Causes : Coupure de courant soudaine, foudroiement.

   • Effets : Peut endommager l'isolation et réduire la durée de vie de l'équipement.

3. Harmoniques :

   • Qu'est-ce que c'est : Distorsions de l'onde sinusoïdale fondamentale, causées par des multiples entiers de la fréquence fondamentale.

   • Causes : Les charges non linéaires qui consomment du courant par impulsions plutôt que de manière continue (par exemple, les ordinateurs, les lampes LED, les variateurs de fréquence, les systèmes UPS).

   • Effets : Surchauffe des transformateurs et des conducteurs neutres, dysfonctionnement des équipements électroniques, défaillances des batteries de condensateurs.

4. Phénomènes transitoires (pics et surtensions) :

   • Qu'est-ce que c'est : Des décharges électriques très brèves et de haute énergie.

   • Causes : Foudre, opérations de commutation du réseau électrique, décharges électrostatiques.

   • Effets : Dommages immédiats et catastrophiques aux composants électroniques.

5. Interruptions (pannes) :

   • Qu'est-ce que c'est : Une perte totale de tension.

   • Causes : Défauts (par exemple, un arbre tombant sur une ligne), panne d'équipement.

   • Effets : Arrêt du processus, perte de données, désagréments.

6. Vaciller:

   • Qu'est-ce que c'est : Changements rapides et visibles de l'intensité lumineuse.

   • Causes : Charges cycliques avec variations rapides (ex. fours à arc, grandes soudeuses).

   • Effets : Fatigue oculaire, gêne ; peut s'avérer problématique pour les procédés de fabrication sensibles.

Le lien essentiel : comment la distribution et la qualité de l'énergie interagissent

La relation est symbiotique et souvent conflictuelle. Le système de distribution est à la fois le source de et le solution trop de problèmes de qualité de l'énergie.

1. Le système de distribution comme source de problèmes :

• Défauts sur le réseau : Un court-circuit survenant à plusieurs kilomètres de distance sur une ligne de distribution peut provoquer une chute de tension qui affecte tous les clients raccordés à cette ligne.

• Opérations de commutation : Lorsque le fournisseur d'électricité reconfigure le réseau pour isoler un défaut ou effectuer des travaux de maintenance, cela peut provoquer des surtensions transitoires ou de brèves interruptions.

• Interactions de chargement : L'exploitation d'un gros client industriel (comme une usine équipée de gros moteurs) peut créer des creux de tension et des harmoniques qui se propagent à travers le réseau de distribution et affectent les clients voisins.

2. Le système de distribution, victime de problèmes :

• Harmoniques générées par le client : La multiplication des charges non linéaires (comme les appareils électroniques modernes) dans les habitations et les entreprises réinjecte des harmoniques dans le réseau de distribution. Cela peut entraîner une surchauffe et une défaillance prématurée des équipements du réseau, tels que les transformateurs et les condensateurs.

• Facteur de puissance faible : Les charges industrielles telles que les moteurs à induction peuvent provoquer un facteur de puissance inductif, obligeant le fournisseur d'électricité à générer et à transmettre plus de courant que nécessaire, ce qui entraîne une inefficacité et des chutes de tension dans le réseau de distribution.

3. Le système de distribution comme solution :
Les entreprises de services publics et les ingénieurs améliorent constamment le réseau de distribution afin d'optimiser la qualité de l'électricité.

• Régulateurs de tension : Ajustement automatique du niveau de tension le long des lignes d'alimentation pour le maintenir dans les limites acceptables.

• Bancs de condensateurs : Installés sur les poteaux ou dans les sous-stations pour corriger le facteur de puissance, ce qui améliore la régulation de la tension et réduit les pertes.

• Limiteurs de courant de défaut et réenclencheurs avancés : Dispositifs capables d'isoler rapidement les pannes avec un impact minimal sur le reste du réseau.

• Surveillance de la qualité de l'énergie électrique : Installation de capteurs sur l'ensemble du réseau pour identifier, localiser et diagnostiquer la source des problèmes de qualité de l'énergie.

Le contexte moderne : une rue à double sens

Traditionnellement, l'électricité circulait dans un seul sens : du fournisseur d'électricité au consommateur. Aujourd'hui, avec l'essor de Ressources énergétiques distribuées (RED) À l’instar des installations solaires photovoltaïques, éoliennes et de stockage par batteries installées sur les toits, le réseau de distribution est devenu un système complexe et bidirectionnel. Cela engendre de nouveaux défis en matière de qualité de l’énergie :

• Augmentation de la tension : Lorsqu'une maison équipée de panneaux solaires produit plus d'électricité qu'elle n'en consomme, elle renvoie de la tension sur le réseau local, ce qui peut potentiellement provoquer une surtension pour les maisons voisines.

• Harmoniques induites par l'onduleur : Les onduleurs utilisés par les panneaux solaires et les batteries peuvent être une source d'harmoniques s'ils ne sont pas correctement conçus et filtrés.

Donc,

• Distribution d'énergie Il s'agit de l'infrastructure physique conçue pour une livraison fiable.

• Qualité de l'énergie il s'agit de la mesure de la « propreté » et de la stabilité de l'énergie fournie.

On ne peut concevoir un système électrique fiable sans prendre en compte à la fois la qualité et la fiabilité de l'énergie. Un réseau de distribution robuste est essentiel à une bonne qualité d'énergie, tandis qu'une mauvaise qualité d'énergie peut fragiliser et endommager l'infrastructure de distribution. Dans notre monde moderne, numérique et alimenté par les énergies renouvelables, la gestion de leur interaction est plus cruciale que jamais.