These_MC

ARCHITECTURES DES RESEAUX DE

DISTRIBUTION DU FUTUR EN PRESENCE DE

PRODUCTION DECENTRALISEE

Marie-Cecile Alvarez-Herault

To cite this version:

Marie-Cecile Alvarez-Herault. ARCHITECTURES DES RESEAUX DE DISTRIBUTION DUFUTUR EN PRESENCE DE PRODUCTION DECENTRALISEE. Engineering Sciences. In-stitut National Polytechnique de Grenoble - INPG, 2009. French.

HAL Id: tel-00471172

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00471172v3

Submitted on 28 Apr 2010

HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.

Larchive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestinee au depot et a` la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publies ou non,emanant des etablissements denseignement et derecherche francais ou etrangers, des laboratoirespublics ou prives.

INSTITUT POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE

N attribu par la bibliothque |__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|

T H E S E

pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LInstitut polytechnique de Grenoble

Spcialit : Gnie lectrique

prpare au laboratoire de Gnie lectrique de Grenoble (G2Elab)

dans le cadre de lEcole Doctorale lectronique, lectrotechnique, Automatique et Traitement du Signal

prsente et soutenue publiquement

par

Marie-Ccile ALVAREZ-HRAULT Ingnieur ENSIEG

le 10 dcembre 2009

ARCHITECTURES DES RSEAUX DE DISTRIBUTION DU FUTUR EN PRSENCE DE PRODUCTION DCENTRALISE

DIRECTEUR DE THESE Nouredine HADJSAID

JURY

M. Mohamed El Hachemi Benbouzid , Prsident

Mme Zita Alameida Vale , Rapporteur M. Nouredine Hadjsad , Directeur de thse

M. Raphal Caire , Co-encadrant

M. Bertrand Raison , Co-encadrant M. Frdric Gorgette , Examinateur

Ddicace

3/195

A ma filleule, Eve

A mon mari, Jrmy

A mes frres et soeur

A mes parents

Le bonheur est votre foyer, ne le cherchez pas dans le jardin des trangers

D. Jerrold

Ddicace

4/195

Remerciements

5/195

Remerciements

En premier lieu je tiens remercier Monsieur Mohamed El Hachemi Benbouzid, Madame

Zita Alameida Vale et Monsieur Frdric Gorgette pour avoir accept de faire partie de mon

jury de thse. Je les remercie galement pour leurs prcieuses remarques et conseils mais

galement pour leurs questions pertinentes qui suscitent des perspectives intressantes ces

travaux de thse.

Je remercie galement mon directeur de thse, Monsieur Nouredine Hadjsad. Jadmire

son esprit de synthse, sa faon danalyser les problmes et de cibler rapidement les points

faibles. Il ma appris comment aborder une problmatique de thse et comment rester logique

lors dune dmarche scientifique.

Je tiens remercier particulirement mes co-encadrants de thse, Raphal Caire et

Bertrand Raison. Tout dabord, et en toute objectivit, ce sont les meilleurs encadrants de la

Terre. Ils sont disponibles, rigoureux, comprhensifs et toujours dun grand soutien. Ces

qualits sont ncessaires pour quun doctorant puisse spanouir lors de sa thse. Il y aurait

Remerciements

6/195

tellement de choses dire sur leur sujet quon pourrait justement en faire une thse ! Mais je

tiens quand mme remercier Raphal pour sa rapidit et sa concision lors des corrections.

Quel bonheur de pouvoir tre en sa compagnie jusqu 22h Quand Bertrand, je pense que

cest le meilleur ptissier du laboratoire et srement le meilleur en badminton en juger par le

volant quil ma offert et quil a gnreusement baptis MC Plus srieusement, ils ont su

me donner got la recherche. Initialement, jai effectu un Master 2 Recherche uniquement

pour ne pas me fermer de portes. Mais au fond de moi, il tait hors de question de faire une

thse par la suite et encore moins denvisager une carrire en tant quenseignant-chercheur.

Raphal et Bertrand mont transmis leur passion pour la recherche et je suis convaincue que si

javais eu dautres encadrants, je naurai pas eu envie de poursuivre dans le monde de la

recherche. Ils ont t des modles pour moi et le resteront tout au long de ma vie

professionnelle.

Un grand merci Wojciech, pour sa patience et sa disponibilit, parce que sans lui cette

thse n'aurait pas pu aboutir! Il a su prendre le temps de m'expliquer des choses qui ne sont

simples que pour les mathmaticiens. Il m'a fait dcouvrir le monde complexe des graphes et

de l'optimisation combinatoire. J'ai t trs heureuse de collaborer avec lui et j'espre pouvoir

renouveler cette collaboration par la suite. Lui qui pensait m'avoir fait peur avec ses matrodes

et ses problmes NP-difficile!

Je tiens remercier galement Monsieur Alain Malot (Schneider Electric) pour mavoir

fait partager sa culture des rseaux quil a pu acqurir lors de ses voyages travers le monde.

Merci galement Monsieur Alain Coiffier (ERDF), Monsieur Guillaume Roupioz (EDF -

R&D) et Monsieur Sbastien Grenard (EDF - R&D) pour leur aide prcieuse. Ils mont

consacr du temps et ont rpondu la moindre de mes interrogations.

Jarrive maintenant un point essentiel : les amis. La thse ma permis de rencontrer de

nombreuses personnes merveilleuses dont certaines resteront je pense mes amis jamais. Je

vais donc faire une petite ddicace pour quelques personnes qui me sont chres. Pour viter

les jalousies, je vais les citer par ordre alphabtique

Asma, tu es celle qui ma accueillie en premier dans ce labo et qui ma fait me sentir

laise. Cest grce toi que jai pu rencontrer Jrmie, Feu, Abdel et bien dautres ! On sest

soutenu mutuellement durant ses annes en faisant du shopping et en se goinfrant de chocolat.

Jespre sincrement que notre amiti se poursuivra par del les frontires, Asmita mia !

Remerciements

7/195

Bibou, la premire fois que je tai rencontr, tu ressemblais un petit nain chauve avec le

bras en charpe. Qui aurait cru quon se serait li damiti !! Plus srieusement, je noublierai

jamais tous les moments que nous avons passs ensemble : nos longues discussions propos

de tout et de rien, nos soires Disney, nos pauses Questions pour un Champion, mes semaines

clibataire Jespre que tout cela va continuer !

Carolina, pour moi incontestablement Miss G2Elab ! Siempre tienes chismecitos que

contarnos! Tu dinamismo y tu sonrisa eran como un rayo de sol al comenzar une semana

lluviosa de intenso trabajo. Te hecho de menos!

Diem, tu mas fait dcouvrir le Vit Nam. Nous avons pu partager notre vision du monde

et nos valeurs. Jai beaucoup appris avec toi. Jai hte de pouvoir venir te voir au Vit Nam !

Feu, qui pourrait croire que sous les traits de ce petit bout de femme se cache la personne

la plus forte, la plus dtermine et la plus gnreuse que je connaisse. Souvent dans mes

ractions un peu gamines, je me disais pense ce que Feu ferait ta place.. . Nous

partageons beaucoup de choses ensemble et mis part le physique, je pense sincrement

quon aurait pu tre jumelles.

Lina, tu es srement la plus folle de ce labo mais cest ce qui te rend si particulire ! Hay

no Lina, me imagino tu cara cuando ests leyendo esto! Pero, Lina ma, eres un ejemplo de

optimismo. Aunque la Tierra te cayera encima, seguiras siempre sonriendo! Tengo suerte

de compartir la oficina contigo y Fuego! No dudes de ti! Eres la mejor!

Jrmie, jai mis trois ans pour trouver comment te faire piquer une crise de nerf : en

mangeant ton goter !! Ne tinquite pas, je ne le tenterai jamais ! Cest merveilleux de tavoir

comme ami car on sait que lon peut toujours compter sur toi. Tu aides les autres sans jamais

les juger et cest une qualit qui est rare. Reste comme tu es !

Yann, sous tes airs de charmeur se cache quelquun dextrmement sensible et toujours

lcoute. Cest trs agrable de discuter avec toi car tu es trs ouvert et as plein de rves dans

la tte. Ne tinquite pas Yann, je suis sre quun jour tout le monde aura son panneau solaire

sur le toit de sa maison, se dplacera en vlo et mangera bio !

Je remercie galement tous les autres doctorants, notamment de lquipe Syrel pour tous

les bons moments passs dans la salle Sangate , des courses de chaises jusqu

lhlicoptre tlcommand en passant par les citations clbres et les trafics de PC. Merci

donc Benoit, Damien, Sczymon, Teu, Hieu.

Remerciements

8/195

Petit clin dil au D055, le fameux ! De super moments sy sont drouls : petits

djeuners, repas, pausettes et boulot par moment avec Abdel, Sylvain et tous les autres!

Je tiens galement remercier tous les autres membres du G2Elab. Cest vraiment trs

agrable de pouvoir travailler avec des gens qui sont toujours de bonne humeur, qui sont

toujours prts rendre service ! Un grand merci Sylvie et Mireille que jaurais vraiment fait

tourner en bourrique !

Je voudrais clore ces remerciements par le plus important : ma famille. Je remercie mes

parents parce quils mont toujours pousse et motive. Ils mont donn la chance de pouvoir

raliser mes rves. Je sais quils donneraient beaucoup pour tre ma place aujourdhui ! Je

remercie mon frre et ma belle-sur pour mavoir fait une aussi jolie filleule. Sa photo a pris

place sur mon bureau et a gay certaines journes de boulot difficiles. Merci mon petit

frre pour lintrt quil a port mon travail. Nos discussions mont parfois mme donn des

ides ! Je remercie galement mes beaux-parents pour leur soutien et leur attention depuis

quils mont accueillie au sein de leur famille. Merci au petit Antonio pour sa joie de vivre !

Et enfin je remercie mon mari, Jrmy, parce que sans lui je ne serais pas docteur

aujourdhui ! Il ma apport tout le soutien dont javais besoin. Il est mon autre moiti et cest

pour cela que je lai pous.

Mariage : c'est ainsi que je nomme la volont de crer deux l'unique qui est plus que

ceux qui l'ont cr.

F. Nietzsche

Table des matires

9/195

Table des matires

Chapitre 0 : Introduction gnrale : nouvelles architectures des rseaux de distribution

en prsence de productions dcentralises ........................................................................... 17

Chapitre I : Etat des lieux des rseaux de distribution en France et dans le monde ....... 23

I.1. Dfinitions gnrales ................................................................................................................ 25

I.1.1. Hirarchisation du rseau lectrique .................................................................................................. 25

I.1.2. Les diffrents niveaux de tension en France ...................................................................................... 25

I.1.3. Caractristiques des grandeurs dimensionnantes ............................................................................... 26

I.1.4. Le rseau de distribution HTA ........................................................................................................... 28

I.2. Modes de distribution des rseaux HTA de par le monde .................................................... 31

I.2.1. Historique .......................................................................................................................................... 31

I.2.2. Les rseaux ruraux ............................................................................................................................. 33

I.2.3. Les rseaux urbains : rseaux en double drivation simple ............................................................... 33

I.2.4. Les rseaux urbains : rseaux en drivation multiples ....................................................................... 34

I.2.5. Les rseaux urbains : Structures en coupure dartre ......................................................................... 35

I.2.6. Systme nord-amricain (E.U., Canada) ............................................................................................ 38

I.2.7. Systme sud europen ........................................................................................................................ 40

I.2.8. Quelques architectures particulires dtailles .................................................................................. 44

I.3. Principe de planification .......................................................................................................... 52

I.3.1. Dfinitions ......................................................................................................................................... 52

I.3.2. Calcul technico-conomique pour le choix final dune stratgie ....................................................... 59

I.3.3. Exemple dapplication : tude de raccordement dun client HTA ..................................................... 60

I.4. Conclusion ................................................................................................................................. 63

Chapitre II : Problmes poss par linsertion massive de GED dans le rseau de

distribution et solutions possibles ......................................................................................... 67

II.1. Production dcentralise : dfinition et contraintes de raccordement ............................... 68

II.1.1. Impact de linsertion de GED sur les grandeurs lectriques ............................................................. 68

II.1.2. Impact de linsertion de GED sur la planification et lexploitation .................................................. 73

II.2. Mthodes actuelles pour raccorder des GED sur le rseau de distribution ....................... 75

II.2.1. Procdure actuelle ERDF ................................................................................................................. 75

II.2.2. Mthode de renforcement ................................................................................................................. 77

II.2.3. Mthode du dpart ddi .................................................................................................................. 77

II.2.4. Limites et inconvnients des mthodes actuelles en cas dinsertion massive ................................... 78

Table des matires

10/195

II.3. Solution propose : bouclage des rseaux de distribution ................................................... 78

II.3.1. Evaluation de limpact du bouclage : effet sur le taux dinsertion.................................................... 79

II.3.2. Application de la mthode sur un rseau rel ................................................................................... 85

II.3.3. Comparaison entre renforcement et exploitation boucle du rseau................................................. 89

II.3.4. Proposition dune nouvelle architecture boucle : la structure hybride ............................................ 92

II.4. Conclusions .............................................................................................................................. 95

Chapitre III : Mthodes combinatoires appliques la planification ............................... 99

III.1. Formalisation pour la recherche darchitectures cibles ................................................... 100

III.1.1. Modlisation idale ....................................................................................................................... 100

III.1.2. Problmes poses ........................................................................................................................... 102

III.1.3. Mthodologie propose ................................................................................................................. 103

III.2. Outil de construction darchitecture .................................................................................. 105

III.2.1. Dfinitions gnrales de la thorie des graphes ............................................................................. 105

III.2.2. Les problmes de tournes ............................................................................................................ 108

III.2.3. Application la construction de rseau ......................................................................................... 110

III.3. Algorithmes retenus pour la rsolution du problme du voyageur de commerce .......... 111

III.3.1. Voyageur de commerce boucl ..................................................................................................... 111

III.3.2. Voyageur de commerce non boucl .............................................................................................. 114

III.4. Conclusion ............................................................................................................................. 117

Chapitre IV : Mise en uvre et valuation des solutions proposes : bouclables contre

boucles ................................................................................................................................. 121

IV.1. Dmarche adopte et donnes lectriques ......................................................................... 122

IV.1.1. Rappel des objectifs ...................................................................................................................... 122

IV.1.2. Donnes lectriques ...................................................................................................................... 122

IV.2. Partitionnement de donnes ................................................................................................ 123

IV.2.1. Etape 1 - Algorithme de flot de cot minimal ............................................................................... 124

IV.2.2. Etape 2 - Couplage des postes sources .......................................................................................... 129

IV.2.3. Etape 3 - Rpartition des points entre les couples ......................................................................... 130

IV.2.4. Rsultat final ................................................................................................................................. 131

IV.3. Outil automatique de construction dun rseau en coupure dartre ............................. 131

IV.3.1. Algorithme propos ....................................................................................................................... 131

IV.3.2. Exploitation des rsultats .............................................................................................................. 142

IV.3.3. Synthse ........................................................................................................................................ 149

IV.4. Outil automatique de construction de boucles hybrides .................................................. 150

IV.4.1. Algorithme propos ....................................................................................................................... 150

Table des matires

11/195

IV.4.2. Exploitation des rsultats .............................................................................................................. 155

IV.4.3. Synthse ........................................................................................................................................ 158

IV.5. Conclusion gnrale ............................................................................................................. 159

Chapitre V : Recherche de solutions complmentaires .................................................... 163

V.1. Transition vers les architectures cibles ............................................................................... 163

V.2. Problme combinatoire ........................................................................................................ 164

V.2.1. Algorithme des colonies de fourmis pour la recherche de chemins dinvestissements optimaux .. 166

V.2.2. Application sur un exemple simple ................................................................................................ 170

V.3. Conclusion ............................................................................................................................. 172

Chapitre VI : Conclusion gnrale et perspectives ........................................................... 177

Rfrences ............................................................................................................................. 181

Annexes ................................................................................................................................. 189

Annexe 1 : Mthode de calcul des intervalles de confiance .............................................. 191

Annexe 2 : Caractre contradictoire de PL et de L........................................................... 193

Annexe 3 : Diffrents cots du rseau ................................................................................ 194

Annexe 4 : Construction de 10 boucles ............................................................................... 195

Table des matires

12/195

Glossaire

13/195

Glossaire

SAIDI : System Average Interruption Duration Index. Il sagit dun indice de fiabilit qui

donne le temps moyen de coupure par an et par client en minutes.

SAIFI : System Average Frequency Duration Index. Il sagit dun indice de fiabilit qui

donne la frquence moyenne de coupure par an et par client.

END : Energie Non Distribue en kWh par an. Il sagit galement dun indice de fiabilit.

Produit PL : Produit de la puissance totale dune zone donne par la longueur totale de cette

zone. Lquilibrage du produit de PL de plusieurs zones permet davoir une puissance coupe

statistiquement identique dans ces zones.

GED : Gnrateur dnergie distribue

VC : Problme du Voyageur de Commerce. Ce problme est connu en anglais sous

lacronyme de TSP pour Travelling Salesman Problem.

VRP : Vehicle Routing Problem. Il sagit du problme de tourne de vhicules.

Loadflow : Il sagit dun calcul de rpartition des charges. Ce calcul permet de connatre

ltat du rseau en rgime permanent c'est--dire les transits de puissances active et ractive

ainsi que la valeur de la tension (module et phase) en chaque nud du rseau.

Glossaire

14/195

Chapitre 0 : Introduction gnrale

15/195

Chapitre 0

Une nouvelle manire de penser est ncessaire si l'humanit veut survivre.

A. Einstein

Chapitre 0 : Introduction gnrale

16/195

Chapitre 0 : Introduction

17/195

Chapitre 0

Introduction gnrale : nouvelles

architectures des rseaux de distribution en

prsence de productions dcentralises

De nos jours, lnergie lectrique est un bien de consommation part entire devenu

indispensable, non seulement pour la vie quotidienne de chacun mais, galement, pour

lconomie des pays. En effet, les moindres pannes lectriques ont des consquences

conomiques et socitales considrables. Par exemple, au nord est des Etats-Unis, la perte

financire due une panne gnralise a t estime entre sept et dix milliards de dollars [ICF

2003]. Ainsi la ncessit davoir des rseaux lectriques fiables et conomiques est un enjeu

de plus en plus important.

Dautres aspects comme louverture des marchs, la volont de prserver lenvironnement

et linquitude grandissante face la question de lpuisement des rserves dnergies fossiles


18/195

conduira, de plus en plus, envisager lutilisation accrue de productions dcentralises base

dnergies renouvelables (olien, photovoltaque, entre autres). Ces productions seront

intgres au rseau de distribution qui devra, de la mme faon que le rseau de transport,

assurer la disponibilit de divers services pour les gestionnaires de rseau. En dautres termes,

le rseau de distribution doit voluer vers un rseau flexible et intelligent qui intgre au mieux

les nergies locales et/ou renouvelables. Cette volution peut tre envisage en dveloppant

des systmes intelligents, capables de minimiser les impacts engendrs par linsertion de

productions dcentralises et/ou par la recherche de nouvelles architectures. Ces deux

solutions devraient permettre laugmentation du taux de production dcentralise dans le

rseau de distribution dans les meilleures conditions conomiques et de scurit.

Le rseau de distribution na pas t conu, lorigine, pour accueillir des units de

production mais pour acheminer, de manire unidirectionnelle, llectricit qui provient du

rseau de rpartition jusquaux consommateurs moyenne et basse tension. Lutilisation de

systmes intelligents rpartis, seuls, ne suffira pas enrayer tous les problmes auxquels le

rseau de distribution sera confront en cas de pntration importante de productions

dcentralises. Une modification darchitecture des rseaux de distribution semble tre un axe

de recherche.

Ainsi, le but de ces travaux est de rechercher des architectures cibles atteindre un

horizon de trente annes capables daccueillir une insertion massive de production

dcentralise tout en garantissant les contraintes de qualit, de continuit et dgalit de

fourniture moindre cot. Dans cette optique, le chapitre I prsentera le concept de

planification des rseaux de distribution en dtaillant les diffrentes structures utilises et les

diffrentes rgles adoptes. Le chapitre II se concentrera sur les impacts de la production

dcentralise sur le fonctionnement des rseaux de distribution actuels. Cette analyse conduira

la proposition dune nouvelle architecture, ne de lhybridation de structures existantes,

favorable linsertion de production dcentralise. Ensuite, le chapitre III sera consacr la

modlisation du problme de construction darchitectures cibles puis lanalyse et au choix

de mthodes pour construire ces architectures. Le chapitre IV de la thse prsentera lapport

dune architecture particulire sur lautomatisation des rseaux de distribution, un nouveau

pas ncessaire pour rendre les rseaux plus flexibles et exploiter, aux mieux, les capacits des

futurs rseaux intelligents (Smart Grids). Enfin, le chapitre V proposera une mthodologie de


19/195

planification des investissements pour la mutation optimale des rseaux actuels vers les

architectures cibles dfinies auparavant.


20/195

Chapitre I : Etat des lieux des rseaux de distribution en France et dans le monde

21/195

Chapitre I

Le serpent qui ne peut changer de peau, meurt. Il en va de mme des esprits

que l'on empche de changer d'opinion : ils cessent d'tre esprit.

F. Nietzsche


22/195


23/195

Chapitre I

Etat des lieux des rseaux de distribution

en France et dans le monde

Les rseaux lectriques se sont dvelopps ds le dbut du XXme

sicle, pousss par la

ncessit dinterconnexion tant lchelle nationale quinternationale. En effet, les premires

sources de production provenaient principalement de sources hydrauliques puis thermiques.

Comme toute la puissance produite ntait pas consomme localement et comme llectricit

se stocke difficilement, il tait alors souvent ncessaire de lui faire passer les frontires

politiques. Certaines zones, voire mme quelques pays, navaient pas de ressources

nergtiques propres et avaient donc besoin dacheter de llectricit leurs voisins

excdentaires. Dans divers cas particuliers, il pouvait tre plus intressant, financirement, de

consommer de llectricit dune centrale plus loigne que de produire localement.

Llectricit devenant un bien de consommation de plus en plus indispensable, la notion de

continuit de fourniture apparut. Tous les facteurs cits prcdemment ont contribu la

cration de rseaux lectriques interconnects lchelle nationale et mme internationale


24/195

[PER 1994]. Les avantages de linterconnexion, conduisant la cration de blocs synchrones

vastes taient donc :

- une meilleure utilisation des ressources hydrauliques et thermiques,

- une meilleure continuit de service (grce aux secours mutuels),

- une rduction du cot dinstallation (diminution des surquipements pour garantir la

scurit du systme).

Ces zones synchrones sont devenues aussi complexes et tendues que l Union for the

Coordination of the Transmission of Electricity (UCTE) qui partage depuis juillet 2009 ces

rgles de conduite avec dautres associations de transporteurs europens, nordiques, anglais,

irlandais et mme baltes. Ils forment l European Network of Transmission System

Operators for Electricity (ENTSOE) [ENT 2009].

Figure I-1 : Le rseau synchrone de lUCTE (source ENTSOE)

Ainsi avant daborder le concept de planification des rseaux lectriques de distribution, il

est ncessaire de dfinir la structure du rseau lectrique ainsi que les diffrents lments qui

la composent. La premire partie de ce chapitre sera donc consacre aux dfinitions gnrales

ncessaires la comprhension du fonctionnement des rseaux. Dans une seconde partie,

nous nous focaliserons plus particulirement sur le rseau de distribution. Et enfin, nous

dtaillerons le principe de planification et son rle majeur dans le dveloppement du rseau de

distribution.


25/195

I.1. Dfinitions gnrales

I.1.1. Hirarchisation du rseau lectrique

Le rseau lectrique franais est hirarchis en trois parties dont les fonctions actuelles

sont trs diffrentes. Tout dabord, le rseau de transport a pour rle de transporter lnergie

en trs haute tension depuis les centres de productions jusquau premires zones de

consommation. Le rseau de rpartition alimente directement les gros consommateurs

industriels puis achemine lnergie jusqu'aux rseaux de distribution chargs dapprovisionner

les consommateurs moyenne et basse tension.

Figure I-2 : Le rseau lectrique franais

La Figure I-2 illustre le dcoupage des diffrentes parties du rseau lectrique franais.

Ces trois niveaux de rseau sont dlimits grce des transformateurs. Ces transformateurs

permettent dacheminer lnergie diffrents niveaux de tension.

I.1.2. Les diffrents niveaux de tension en France

La norme franaise des rseaux lectriques, UTE C 18-510, dfinit, depuis 1989, les

diffrents niveaux de tensions. Ils sont indiqus dans la Figure I-3. Nous utiliserons par la

suite ces abrviations. Ainsi le rseau de transport et de rpartition se situe au niveau de la

HTB. Le gestionnaire du rseau de transport est responsable, lchelle nationale, de

lquilibre production/consommation et du respect des changes transfrontaliers. Le rseau de

distribution est au niveau de la HTA et de la BTA. Le rle du gestionnaire du rseau de

distribution est lentretien et la gestion de ce dernier et aussi lalimentation des clients de type


26/195

petites et moyennes entreprises et rsidentiels au travers du rseau moyenne tension (HTA) et

du rseau basse tension (BTA).

Figure I-3 : Les diffrents niveaux de tension en France, norme UTE C 18-510

I.1.3. Caractristiques des grandeurs dimensionnantes

Les conducteurs ariens et souterrains permettent de transporter lnergie lectrique.

Cependant, le cot de la matire premire et lencombrement du territoire font quil nest pas

possible dinvestir dans dimmenses plaques de conducteurs mtalliques. Ainsi, les tailles de

conducteurs limites crent des imperfections sur le rseau comme la chute de tension, les

puissances limites dans le rseau et enfin les pertes. Nous allons rappeler la dfinition de ces

imperfections dans les paragraphes qui suivent.

Chute de tension

Soit un conducteur lectrique triphas de longueur L alimentant une charge lectrique. Le

conducteur est caractris par sa rsistance kilomtrique r et sa ractance kilomtrique x. La

Figure I-4 reprsente le systme triphas considr ainsi que son schma quivalent

monophas. En effet, un systme triphas quilibr de tension compose U (entre phases) est

quivalent trois systmes indpendants triphass de tension V (phase - neutre).

U3=V

Figure I-4 : Systme triphas tudi

On peut alors dessiner le triangle de Kapp pour ce schma monophas comme prsent

dans la Figure I-5. On approxime gnralement la chute de tension entre la source et la charge

V , partie de la chute de tension relle colinaire Vcharge. Cela se traduit donc par


27/195

lexpression de la chute de tension suivante : )sin(ILx+)cos(ILr=V . Par

dfinition, on a :

S = VI (VA)

(I-1)

P = V x I x cos() (W)

do V

P=)cos(I

Q = V x I x sin() (VAr)

do V

Q=)sin(I

S = puissance apparente

P = puissance active de la charge monophase quivalente

Q = puissance ractive de la charge monophase quivalente

La chute de tension relative (en %) est donc :

V

)sin(ILx+)cos(ILr=

V

V

2V

QLx+PLr=

V

V

En triphas, nous dfinissons :

U2 = 3V

2

P3=)cos(IV3=Ptri

Q3=)sin(IV3=Qtri

2V3

QLx3+PLr3=

V

V

2

tritri

U

QLx+PLr=

U

U (I-2)

r xr x

ILrILx

ILr ILx

I

sourceVeargchV eargch

V

sourceV

I

V

Figure I-5 : Triangle de Kapp du schma monophas quivalent


28/195

Ainsi on peut voir que plus les conducteurs utiliss sont longs ou impdants, plus il y aura

de chute de tension.

Courant admissible dans un conducteur

Le courant admissible dun conducteur est le courant maximal en rgime permanent qui

peut circuler dans ce dernier sans dpasser ses contraintes thermiques. Au-del de ces

tempratures, lisolant et/ou le conducteur se dtriorent et cela peut causer des incendies.

Ainsi, il est ncessaire de dimensionner correctement les conducteurs utiliss pour alimenter

les charges afin que les courants qui circulent respectent lintensit admissible.

Pertes

Les pertes lectriques sont lies au caractre rsistif des conducteurs. Soit un conducteur

triphas de rsistance linique r (/km) et de longueur L (km) permettant dalimenter une

charge. Les pertes sexpriment par la formule suivante : 2ILr3=Pertes . Or on sait que

IU3=S eargch do ( )22

esargch

U3

SR3=Pertes . Lexpression des pertes est donc :

2

2

esargch

U

SR=Pertes (I-3)

Ainsi, lutilisation dune tension leve permet de diminuer les pertes. Par ailleurs,

222 Q+P=S do

)Q+P(U

R=Pertes 222 (I-4)

Ainsi, on peut galement constater que le transport de puissance active et ractive

augmente les pertes.

I.1.4. Le rseau de distribution HTA

Le rseau de distribution moyenne tension commence partir du poste source HTB/HTA

do partent plusieurs dparts HTA constitus dun ensemble de conducteurs et dappareils de

coupure qui alimentent les charges moyenne tension ou les postes de distribution publique

(HTA/BTA). Tous ces termes vont tre explicits dans les sections suivantes.

Postes source HTB/HTA

Les postes source HTB/HTA sont parfois aliments en antenne mais, le plus souvent, ils

sont aliments avec un jeu de barre recevant plusieurs arrives (ou lignes) HTB. Un ou


29/195

plusieurs transformateurs HTB/HTA sont raccords sur ces jeux de barre HTB simples ou

multiples. A laval de ces transformateurs, des dparts moyenne tension partent dun ou

plusieurs jeux de barres HTA. La Figure I-6 illustre les diffrents postes source HTB/HTA

usuels. Un dpart est la portion du rseau dont lextrmit amont est un poste source

HTB/HTA et lextrmit aval un organe de coupure normalement ouvert (si cest un dpart

boucl un autre) et le dernier poste de distribution publique HTA/BTA le cas chant.

NFNF

HTB

NF

NF

HTA

NF

NF

Simple antenne

NFNF NFNF

NONO

HTB

NF

NF

HTA

NF

NF

Double antenne simple jeu de barre

NO

NO NF

NF

NF

NO NF

NFNF

NO NF

NFNF

NO NF

NF

NF

HTB

HTA

Arrives HTB

Dparts HTA

Double antenne double jeu de barre

Figure I-6 : Postes source HTB/HTA


30/195

Les rseaux HTA

Les rseaux HTA sont, en France, et depuis les annes 1985 [CAR 1991], soit raliss

avec des cbles souterrains quasiment toujours bouclables mais exploits en radial (rseaux

urbains principalement), soit raliss avec des lignes ariennes, elles aussi le plus souvent

bouclables (rseaux ruraux). Il reste quelques structures ariennes en antenne sans secours

possible. Avant 1985, les rseaux taient en grande majorit construits avec des lignes

ariennes. Mais des contraintes lies lesthtique, la fiabilit et lencombrement ont

pouss au dveloppement des cbles souterrains. Par ailleurs, des techniques modernes de

pose mcanise des cbles souterrains ont rendu leur utilisation plus comptitive.

Le long des liaisons HTA, on trouve :

pour les cbles souterrains, des postes de transformation maonns HTA/BTA

raccords en coupure dartre ou en double drivation,

pour les lignes ariennes, des postes de transformation simplifis raccords par

des piquages en antenne alimentant, soit des transformateurs ariens sur

poteaux (dits H61), soit des transformateurs sous abris dits cabine ou bas de

poteau .

Nous dtaillerons les structures des postes de distribution publique HTA/BTA dans la partie

I.2. A laval de ces transformateurs HTA/BTA, on trouve principalement des rseaux BTA

non bouclables sauf quelques exceptions en rseaux urbains. Parfois, ces rseaux sont trs

courts comme, par exemple, dans les zones rurales dAmrique du Nord o le distributeur

alimente directement en biphas haute tension de quelques kilovolts des charges disperses

ponctuelles allant de 10 20 voire 30 kW. Les branchements trs courts en basse tension

viennent alors directement du transformateur moyenne tension (MV)/basse tension (LV). En

France, les longueurs de ces rseaux basse tension varient mais excdent rarement deux

kilomtres.

Milieu urbain, milieu rural

Dans le rseau de distribution franais, les principales contraintes dpendent de la

rpartition gographique des charges. Ainsi, un milieu rural se caractrise-t-il par une densit

de charge faible rpartie sur une grande zone. On a donc de grandes longueurs de

conducteurs, souvent ariens. Ainsi, les problmes qui peuvent intervenir dans les rseaux

ruraux sont principalement lis aux chutes de tension admissibles en bout de ligne.


31/195

Un milieu urbain, quant lui, est caractris par une densit de charge leve avec des

longueurs de conducteurs faibles. Ainsi, les puissances appeles sont importantes et les

problmes qui peuvent intervenir sont principalement lis aux courants admissibles dans les

conducteurs [CAR 1991].

I.2. Modes de distribution des rseaux HTA de par le monde

Larchitecture des rseaux de distribution ainsi que le placement des appareils de coupure

dpend de plusieurs paramtres technico-conomiques comme le type de zone (rurale ou

urbaine), la qualit de service dsire (temps moyen de coupure par client) et donc

linvestissement que lon est prt engager. Dans la suite de ce chapitre, nous allons dcrire

la structure gnrale des rseaux de distribution ainsi que les modes de distribution associs.

I.2.1. Historique

Les premiers systmes de distribution HTA au dbut du XXme

sicle taient constitus de

rseaux triphass courts et le plus souvent ariens. Le neutre du rseau tait souvent isol de

la terre. Les dfauts non permanents susceptibles de se produire taient en gnral auto-

extincteurs (qui disparaissent spontanment en un temps trs court, infrieur 100 ms, sans

provoquer le dclenchement des organes de protection du rseau) car la capacit du rseau

tait trs faible [GAI 1993].

Puis, le courant de dfaut se mit augmenter en raison de :

- laugmentation des niveaux de tension,

- lutilisation de cbles souterrains,

- la diminution des longueurs de rseaux issus dune mme source

- linterconnexion densembles initialement spars.

Il constitua alors un danger pour lhomme cause des lvations locales de potentiel quil

provoquait [CHA 2005].

Ds lors, deux grandes tendances apparurent : le systme nord-amricain et le systme

europen :

- en Amrique du Nord, le neutre fut directement reli la terre rgulirement pour avoir

de forts courants de court-circuit et ainsi pouvoir raliser une dtection et isolation des dfauts

reposant sur des logiques de protection de type fusibles,

- en Europe du Nord, le neutre fut mis la terre par une ractance accorde la capacit

du rseau pour compenser le courant de dfaut monophas et pour pouvoir, le cas chant,

continuer dalimenter les charges lors de dfauts monophass,


32/195

- en Europe du Sud, le neutre fut raccord par une impdance pour rduire la valeur du

courant de dfaut une valeur raisonnable,

- pour le reste du monde, lune de ces tendances prcdentes furent adoptes.

Le choix des modes de distribution de llectricit de par le monde dpend de deux

principaux critres : un critre gographique et humain (tendue du territoire, rpartition de la

population et les puissances desservir entre autres) et un critre historique (les savoirs faire

introduits pas les zones dinfluence ou colonies).

Lavantage du triphas est quil permet le transport de la mme quantit dnergie avec

une section conductrice totale plus petite quen monophas. Ainsi toutes les structures

rencontres dans le monde ont au moins leur ossature principale en triphase. Il peut

cependant savrer que lalimentation monophase soit conomiquement intressante dans le

cas, par exemple, de charges faibles et disperses.

Il existe deux principaux systmes de distribution de par le monde : le systme nord-

amricain et le systme europen. Dans un premier temps, nous allons dfinir les diffrentes

structures HTA rencontres en France, puis nous ferons un tour du monde des modes de

distribution puis nous dtaillerons quelques structures particulires. Nous verrons dans cette

section que la structure dun rseau de distribution est la fois image des contraintes

dexploitation, du matriel disponible et des pratiques dexploitation hrites de lhistoire du

pays.

La qualit de service est encore plus importante en milieu urbain notamment cause de

certaines infrastructures qui ne doivent pas tre dconnectes comme par exemple les

hpitaux. Le rseau est donc trs souvent enterr cause de ces contraintes dencombrement

et de qualit. La principale diffrence entre les rseaux ariens et souterrains provient du fait

que si le dfaut est moins frquent en souterrain, il est en revanche plus long rparer. Par

ailleurs, un nombre plus important de clients peut tre affect.

Lexploitation est gnralement en boucle ouverte. Cependant, on trouve une exploitation

maille lest de lAllemagne (ex RDA). On trouve deux classes de structures : les structures

une voie dalimentation ou encore appeles structures radiales ou en antenne (gnralement

dans les rseaux ariens) et les structures deux voies dalimentation ou en double drivation

[PER 1994], [CAR 1991], [FUL 2001], [PUR 2001].


33/195

I.2.2. Les rseaux ruraux

En milieu rural, on trouve des architectures arborescentes bouclables mais exploites en

radial. Les boucles peuvent se situer entre les postes HTB/HTA ou entre dparts voisins (du

mme poste source). La Figure I-7 illustre la structure radiale.

Figure I-7 : Rseau rural radial

I.2.3. Les rseaux urbains : rseaux en double drivation simple

Le rseau radial en antenne est doubl partir du jeu de barre du poste source HTB/HTA.

Ainsi chaque transformateur HTA/BTA est connect un cble normal et un cble de

secours par le biais de dispositifs inverseurs comme le montre la Figure I-8. Cest une

structure difficilement exploitable manuellement mais facilement automatisable malgr les

cots.

Figure I-8 : Rseau en double drivation


34/195

I.2.4. Les rseaux urbains : rseaux en drivation multiples

Figure I-9 : Double drivation multiple

On trouve cette structure Paris. Chaque poste source HTA/BTA ne dispose que de deux

voies dalimentation mais ces deux voies sont raccordes alternativement entre trois et six

cbles partant du poste source HTB/HTA. En cas de dfaut, la charge peut tre bascule soit

sur un cble secours, soit sur les autres cbles (secours intgr) comme le montre la Figure

I-9.

Dans tous les cas, on a intrt mettre un poste de coupure rparti tous les 10 15 postes

HTA/BTA de faon limiter les manuvres lors de llimination du dfaut. La Figure I-10

donne un exemple dun poste de coupure sur deux dparts dune structure en double

drivation multiple de la Figure I-9.

Figure I-10 : Poste de coupure

Dans le cas de fortes densits de charges ou quand une qualit de service accrue est

demande, cette structure peut tre envisage.


35/195

I.2.5. Les rseaux urbains : Structures en coupure dartre

Dans cette architecture, un cble part dun poste source HTB/HTA, passe successivement

par les postes HTA/BTA desservir avant de rejoindre soit un autre poste source HTB/HTA,

soit un dpart diffrent du mme poste source HTB/HTA, soit un cble secours.

Figure I-11 : Coupure dartre

Au niveau des postes HTA/BTA, des interrupteurs sont placs de part et dautre des postes

sources. Ils sont tous normalement ferms sauf un qui permet lexploitation radiale. Ainsi en

cas de dfaut sur un tronon de cble, on peut lisoler en ouvrant les deux interrupteurs qui

lencadrent. La fermeture de linterrupteur normalement ouvert permet la ralimentation du

reste des charges non touches par ce dfaut. Le Tableau I-1 rsume les avantages et

inconvnients de la coupure dartre.

Avantages Inconvnients

Plus conomique que la double

drivation

Exploitation manuelle : temps

dintervention denviron 1h

Automatisation coteuse et difficile mais qui

sera amene se dvelopper en raison de la

baisse des cots de transmission et des

systmes de gestion centralise.

Tableau I-1 : Avantages et inconvnients de la structure en coupure dartre

La coupure dartre prsente plusieurs variantes que nous allons dtailler ci-dessous.

Les rseaux urbains : le fuseau

Dans le cas du fuseau (Figure I-12), tous les cbles issus dun mme poste convergent

vers un mme point appel point de rflexion (PR sur la figure). Ce point pourrait constituer


36/195

le lieu privilgi pour la cration future dun poste source HTB/HTA. Lorsquil sagit dun

point de rflexion, alors il peut tre intressant de mettre un cble de secours. Dans ce cas, la

structure est alors dite secours spcialis (un cble secours pour, au maximum six cbles

travail ). Cette structure est simple et son exploitation facile. Par ailleurs, la qualit de

fourniture est bonne.

Figure I-12 : Le fuseau

Les rseaux urbains : lpi

Il sagit dune variante du fuseau o il y a plusieurs points de rflexion rpartis sur le

cble secours. Il ny a pas plus de six cbles travail pour un cble secours. Les cbles de

travail partent du poste source et rejoignent un cble de secours qui suit une certaine direction.

Le dveloppement autour dun mme poste est conomique et plus souple que le fuseau. En

effet, cette structure tient compte de la relle rpartition des charges. La longueur des cbles

de travail dpend de la rpartition des charges alors que pour le fuseau, il faut tirer chaque

fois un cble depuis le poste source jusquau point de rflexion. La longueur des cbles est

bien adapte la rpartition des charges. On peut pallier une double indisponibilit et enfin ce

rseau peut voluer vers le fuseau.

Figure I-13 : Lpi


37/195

Les rseaux urbains : la maille

Cette structure est compose de boucles alimentes directement par les sources HTB/HTA

ou via des postes ttes de boucle relis aux sources HTB/HTA par des conducteurs de section

importante appels cbles de structure. Les postes ttes de boucle ont la mme structure que

les postes source sauf quil ny a pas de transformateur HTB/HTA. Des liaisons inter-boucles

permettent le report de charge dune boucle sur lautre en cas de perte dun cble de structure.

NONO

NONO

NONO

NONO

NONO

NONO

NONONONO

NONO

NONO

NONO

Postes ttes de boucle

Cbles de structure

Figure I-14 : la maille

Les rseaux urbains : boucles ou ptales de marguerite

Cette structure est pratique lorsque le centre de gravit des charges est excentr par

rapport au poste source. Dans ce cas, on alimente un poste nomm poste tte de ptales par un

ou deux dparts issus du poste source HTB/HTA. Par ailleurs, la puissance des cbles est

limite la puissance maximale divise par deux pour que ceux-ci puissent tenir en cas de

dfaut. Contrairement la maille, il ny a plus de liaisons entre les boucles.

NONO

NONO

NONO

Poste tte de ptale

Figure I-15 : Boucles ou ptales de marguerite

Les rseaux urbains : structure maille

La structure maille est compose de conducteurs intra postes et inter postes. Les

conducteurs intra poste relient deux postes sources HTB/HTA. Les conducteurs inter poste


38/195

relient des conducteurs intra poste ente eux. Des organes de coupure normalement ouverts

sont rpartis dans la structure maille afin de permettre une exploitation radiale.

NONONONO

NONO

NONONONO

NONO

Figure I-16 : La grille

Des disjoncteurs repartis dans le rseau pourraient permettre un fonctionnement maill

mais cest rarement utilis. Cette structure permet une excellente qualit de service.

Cependant, cest une structure trs coteuse et dont le plan de protection est compliqu

raliser.

I.2.6. Systme nord-amricain (E.U., Canada)

Description

Figure I-17 : Systme de distribution de type nord-amricain

Cette architecture est compose de quatre conducteurs : trois conducteurs de phases et un

conducteur de neutre. Le neutre est mis la terre au niveau du poste source HTB/HTA puis

rgulirement (tous les 200 300 mtres) ainsi qu chaque transformateur ou branchement

de clients. A partir de cette ossature principale, des drivations de type arborescentes se

dveloppent. Celles-ci peuvent tre triphases, biphases ou monophases. La Figure I-17

illustre la distribution de type nord-amricaine.


39/195

Conditions dutilisation

Cette architecture permet une alimentation en biphas et monophas ce qui est intressant

tant donn que dans ces vastes rgions, il y a certaines zones gographiquement importantes

o la densit de population, et donc les puissances desservir, sont htrognes.

Exploitation

Cette architecture induit des courants de dfaut trs importants (jusqu plus de 10 000 A

[GAIN 1993]). Ils sont donc facilement dtectables. Plus leurs valeurs sont leves, plus ils

sont limins rapidement grce des protections adaptes et/ou des fusibles.

Le systme de mise la terre utilis impose un appareillage coordonn constitu de

fusibles (prs des transformateurs HTA/BTA ou en tte de petites drivations), de

sectionneurs automatiss (interrupteurs coupure automatique dans le creux de tension)

ailleurs et de reclosers (disjoncteurs renclencheurs qui tirent leur nergie de manuvre du

courant de dfaut) le plus souvent. Le rseau principal et les drivations importantes sont

aliments en triphas mais les drivations les moins importantes sont souvent ralises en

monophas (1 phase + neutre) ou biphas (deux phases).

Le cas du monophas un seul conducteur (la terre jouant le rle de neutre) est parfois

envisag pour son faible cot mais il existe certains risques. Il sagit du SWER (Single Wire

Earth Return). Si la terre a une rsistivit qui varie en fonction des saisons, elle peut alors tre

plus leve que celle dun conducteur retour et donc engendrer dimportantes montes en

potentiel. Une solution pour baisser la rsistivit du sol serait denterrer du cuivre mais cela

revient alors plus cher que de mettre un conducteur retour. Mais en gnral, distribuer en BTA

monophas dans les pays du tiers-monde est trop coteux car il faut alimenter de trs faibles

charges disperses. La rsistivit des pays africains est leve pendant toute la saison sche.

En Amrique du nord en revanche, le rseau basse tension est trs court (dparts ddis

infrieurs 300 m) et les charges domestiques sont directement relies aux transformateurs (4

6 particuliers par transformateur).

Avantages et inconvnients de ce type de distribution

Pour des charges disperses mais importantes rparties sur le territoire, ce systme est le

plus conomique. Il est utilis, par exemple, pour de grosses exploitations agricoles distantes

les unes des autres du fait mme de leur taille.


40/195

Mais la distribution du neutre implique une surveillance accrue de la continuit de ce

conducteur car toute rupture produirait alors un neutre flottant qui pourrait imposer une

tension compose au lieu dune tension simple aux consommateurs. Par ailleurs,

dimportantes surtensions pourraient apparatre aux niveaux des mises la terre dues au

courant circulant dans la terre. De plus, il faut galement surveiller ltat des systmes de

protections car ils sont soumis des courants de court-circuit importants. Le Tableau I-2

rsume les avantages et inconvnients du neutre reli directement la terre.

Avantages Inconvnients

Minimisation des

surtensions.

Elimination slective des

dfauts (fusibles).

Economique (possibilit de

drivations monophases).

Courants de dfaut importants.

Dclenchements frquents.

Contraintes sur les quipements de protection (car

courants de court-circuit levs).

Ncessit de surveiller le conducteur de neutre

(notamment une ventuelle rupture de celui-ci qui

entranerait de forts gradients de potentiels au niveau

des connexions de terre).

Tableau I-2 : Avantages et inconvnients du neutre reli directement la terre

I.2.7. Systme sud europen

Description

Cette architecture est compose, au niveau de la moyenne tension, de trois conducteurs

qui sont les trois conducteurs de phase. Le neutre est directement reli la terre par une

impdance au niveau du poste source HTA/HTB. Cette architecture prsente une ossature

principale de forte section (usuellement 148 mm en aluminium pour larien) de laquelle

partent des drivations plus conomiques (usuellement 54 mm pour larien) qui alimentent

des grappes de postes sources HTA/BTA. La Figure I-18 illustre la distribution de type

europenne.


41/195

Figure I-18 : Systme de distribution de type europen.

Systme de protection

Le poste source est protg par des disjoncteurs cycle de renclenchements rapides puis

lents [PHA 2005] pour liminer les dfauts fugitifs, auto-extincteurs et semi-permanents dans

le cas de rseaux ariens. Les lignes sont protges par des disjoncteurs automatiss disposs

sur lossature principale et en tte de drivation. Ces disjoncteurs permettent disoler une zone

en cas de dfaut permanent en continuant dalimenter le reste des clients raccords des

artres non touches par le dfaut.

Avantages et inconvnients de ce type de distribution

Le cot immdiat de ce type de distribution peut tre lev cause de lutilisation

systmatique de trois conducteurs et de transformateurs triphass. Cependant elle prsente une

grande capacit dvolution et dadaptation aux besoins dune clientle artisanale et de petites

industries.

Variante N1 : systme utilis en Grande-Bretagne ou en Irlande ( neutre non distribu)

Les architectures sont de type europenne mais permettent en plus une alimentation

biphase ou monophase en utilisant deux fils de phases. Cette solution, utilise pour

alimenter des zones habitats disperss, est conomiquement plus intressante quune

solution entirement triphase. La Figure I-19 illustre la premire et deuxime variante de la

distribution de type europen.


42/195

Figure I-19 : Variantes 1 et 2 de la distribution de type europenne.

Lavantage dune telle solution, lorsquelle est employe correctement, peut aller jusqu

conomiser 15 25% des cots du systme sud europen classique. En revanche, des taux de

dsquilibres importants peuvent apparatre.

Variante N2 : le systme australien

Cette architecture est de type europenne mais elle a la particularit davoir des

distributions monophases un seul conducteur avec retour par la terre (SWER : Single Wire

Earth Return). La Figure I-19 illustre le systme australien. La rsistivit du sol est faible et

les distances pour desservir les consommateurs sont normes donc cest conomiquement

intressant.

Avantages et inconvnients du neutre non distribu

Le Tableau I-3 rsume les avantages et inconvnients de chaque rgime de neutre non

distribu ainsi que les pays o ils sont utiliss.


43/195

Rgime de

neutre Pays Avantages Inconvnients

Neutre reli

la terre

par une

impdance

Belgique,

France, GB,

Irlande,

Japon, Sude

et Europe du

sud

Limitation des intensits

des courants de court-

circuit des dfauts phase-

terre.

Surtensions modres.

Courant de dfaut peu

lev donc pas besoin de

neutre

Dclenchement au premier

dfaut

Neutre reli

la terre

par bobines

de Petersen

Allemagne,

Finlande,

Norvge,

Europe du

nord

Courant de dfaut

monophas quasi nul

Bonne continuit de

service

A chaque changement de

configuration de rseau il

faut radapter la bobine

Surtensions (mais moins

leves que neutre isol)

Ncessit de personnel de

surveillance

Neutre

isol

Allemagne,

Belgique,

Italie, Japon,

Norvge

Bonne qualit de service

Evite dclenchement en

cas de dfaut phase-terre

Courants de dfauts trs

faibles

Surveillance attentive

Surtensions importantes

donc matriels surisols

Tableau I-3 : Synthse sur les rgimes de neutre non distribu

Rsum des solutions de desserte rurale partir dune ossature HTA existante

Charge prvue sur la

drivation Systme nord-amricain Systme europen

Forte 3 phases + Neutre 3 phases

Moyenne 2 phases + Neutre 3 ou 2 phases

Faible 1 phase + Neutre 2 phases

Trs faible 1 phase (retour par la terre) 1 phase (retour par la terre)

Tableau I-4 : Rsum sur les solutions de dessertes rurales [PER 1984]


44/195

I.2.8. Quelques architectures particulires dtailles

Dans cette partie, nous donnons quelques exemples darchitectures travers le monde plus

ou moins diffrentes de celles cites prcdemment. Nous illustrons ainsi le lien troit entre le

choix darchitectures, le choix dinvestissement et les diffrentes doctrines lectriques des

pays.

Rseau parisien

Le rseau de distribution parisien est un rare exemple dapplication de la drivation

multiple comme illustr sur la Figure I-20. Il se prsente sous la forme de trois couronnes de

20 kV.

Rseau 400 kV

Rseau 225 kV

Rseau 20 kV

Transformateurs 400/225 kV

Transformateurs 225/20 kV

Figure I-20 : Rseau lectrique parisien

Le rseau HTA parisien est constitu de 37 postes sources HTB/HTA et de 800 dparts

HTA (5300 km de cbles HTA) desservant 7000 postes HTA/BTA reprsentant un total de

1563000 compteurs et une consommation annuelle de 14000 GWh (Chiffre de 2001). Le

temps moyen de coupure par client BTA tait de 16,1 min en 2001.


45/195

Rseau de Tokyo (TEPCO)

Dans la ville de Tokyo, le rseau de distribution est un rseau 6 kV souterrain en coupure

dartre entirement automatis grce au DAS (Distribution Automation System) [KOI 2005].

Il sagit dun systme qui acquiert linformation sur le rseau de distribution (tension, courant

entre autres) grce des capteurs intgrs aux interrupteurs et qui transmet les donnes au

systme informatique des centres de contrle. Il y a des interconnexions entre postes sources

HTB/HTA. Ainsi, contrairement la simple coupure dartre o les postes sources ne sont

utiliss qu 50 % pour pallier un ventuel dfaut, la coupure dartre de Tokyo permet

daugmenter considrablement ce pourcentage en fonction du nombre dinterconnections. La

Figure I-21 illustre le fonctionnement de ce rseau en cas de dfaut au poste source PS1 par

exemple. Les charges alimentes par PS1 sont alors alimentes par les autres postes sources.

Poste source moyenne tension/basse tension

Organe de coupure normalement ouvert

Organe de coupure normalement ferm

Alimentation haute tension

Dfaut la terre

Figure I-21 : Rseau de Tokyo

Les avantages dun tel rseau sont :

- une amlioration de la fiabilit,

- la possibilit de transfert de charges entre les postes sources,

- lautomatisation et donc reprise rapide de service,

- laugmentation du niveau dexploitation.

Rgion autour de Stuttgart (EnBW : Energie Baden-Wrttemberg)

Dans cette rgion, 50 % du rseau est souterrain sauf Stuttgart o lon atteint 70 %. Le

rseau est exploit dfaut maintenu pendant la recherche de dfaut. En gnral, les

conducteurs sont reboucls au mme jeu de barre. Larchitecture utilise est la coupure

dartre avec 20 postes sources en urbain et 40 en rural.


46/195

La qualit de fourniture est excellente car :

- une partie importante des conducteurs sont enterrs,

- les dparts sont courts,

- il y a de multiples redondances au niveau des postes sources,

- la coupure dartre est systmatique.

La Figure I-22 montre quelques structures de postes sources rencontrs dans cette rgion.

NO

NO

110/30 kV

Exploitation boucle



NONO

110/30 kV

110/30 kV

NO

Figure I-22 : Structures de quelques postes sources de la rgion de Stuttgart

Rseau pseudo-maill

La Figure I-23 est une architecture pseudo-maille que lon trouve principalement en

Chine. On retrouve encore cette structure dans les vieux centres historiques (Madrid, Berlin

entre autres). Ce rseau a t cr par les anglais dans les annes 1970 - 1980. A cette poque,

les cbles taient de mauvaise qualit et donc le taux de dfaillance tait trs lev. Pour

rsoudre ce problme, les Anglais ont introduit de la redondance dans le rseau pour pouvoir

reconfigurer en cas de dfaut. Cependant, la conduite de ce type de rseau est trs complexe.

Par ailleurs, les cbles ayant t renouvels et tant maintenant de bonne qualit, les anglais

nutilisent plus ce type darchitecture. On en rencontre cependant encore en Chine, dans les

centres historiques o le rseau est vieux et les cbles de mauvaise qualit.

Les Chinois ont un rseau de distribution de 10 kV. Pour garantir un plan de tension

correct, ils ont donc un courant de dfaut important (i.e. une impdance de court-circuit

faible) et des cbles de forte section.


47/195

NONO

NONO

NONO

NONO

NONO

NONO

NONO

NONO NONO

NONO NONO

NONONONO

NONO NONO

NONO NONO

NONO NONO

NONO NONO

NONO NONO

NONO NONO

NONO NONO

NONO NONO

NONO NONO

NONONONO

Boucle principale exploite radiale



Sous-boucle exploite radiale

NONO

Postes source 110 kv/10 kV

NO NO

NO NO

NO NONO NONO

NONO NONO

NONO

Figure I-23 : Rseau pseudo-maill 10 kV

La ville de Shanghai est intressante car elle est constitue de plusieurs rseaux diffrents.

Il sagit dune ancienne concession anglaise dont une partie est maille. Les autorits veulent,

maintenant la dmailler car cest une structure trs complique exploiter. On trouve ce

rseau maill dans la zone de Pudong qui est un ple financier de Shanghai. Outre linfluence

anglaise due la colonisation, il apparat linfluence allemande car SIEMENS est bien

implant.

Vers la fin des annes 1990, dans le quartier des affaires de Hong Kong, une dfaillance

dun composant accompagne dune dfaillance humaine ont provoqu un blackout de

quelques heures. Le systme est complexe et mixte et le personnel tait mal form. Ainsi, le

rseau maill permet une excellente qualit de fourniture mais ncessite du personnel

comptent en raison de sa complexit.

Rseaux de Singapour et Hong Kong

Le rseau de la ville de Singapour et celui de Hong Kong fonctionnent en boucle ouverte

tlcommande. Tout le rseau est enterr et reprsente 2200 MVA avec un SAIDI de 30

secondes (System Average Interruption Duration Index, c'est--dire le temps moyen de

coupure par an et par client) qui sera dfini plus en dtail au paragraphe 2.1.3. Lexploitation

est homogne et la gestion de la production est simplifie. En 1965, Singapour est devenu

indpendante du Royaume Uni. Il en a rsult une cohabitation du rseau maill dorigine

avec un rseau en boucle ouverte construit partir de cette date. Entre 1970 et 1985, sous

linfluence du fabricant SIEMENS, le rseau a t compltement exploit en maill.


48/195

Le rseau de Singapour est constitu de 10 000 postes de distribution publique

disjoncteurs et protections diffrentielles fil pilote (influence anglaise) et 100 % tlconduit.

5000 postes sont 22 kV/BT et 5000 postes sont 6 kV/BT. Le neutre est direct la terre

(10 000 A de courant de dfaut). Le rseau est riche, homogne et cher. Mais en cas de

disfonctionnement, une exploitation maille peut avoir des consquences importantes. Par

exemple, un blackout de quelques heures sest produit dans le quartier central des affaires. Il y

a eu un disfonctionnement qui sest propag.

66 kV

6.6 kV

22 kV

NONO

NONO

415 V 6.6 ou 3.3 kV

Rseau 22 kV maill



NO

Rseau 6.6 kV en boucle ouverte

Rseau 22 kV maill



NONO

Rseau 6.6 kV en boucle ouverte

Figure I-24 : Exemple dune partie du rseau lectrique de Singapour

Hong Kong est un modle pour les chinois. En effet, une partie importante du rseau est

maille. En 2006, le SAIDI tait de 4 5 minutes dans le centre ville des affaires (Central

Business District).

Rseau indonsien

Dans les annes 1980-1990, EDF tait trs prsent Jakarta et on y retrouve une influence

franaise forte. Ainsi on a les mmes rsultats en matire de cot et de comptence. Le rseau

est en boucle ouverte. Le taux de dfauts des composants est important en raison de la

diffrence entre les normes indonsiennes et franaises. En effet, le schma directeur est tabli

par EDF en lien avec les normes franaises. Ce rseau est bon mais le matriel est choisi en

fonction des normes indonsiennes qui sont diffrentes des normes franaises do une forte

dfaillance du rseau.


49/195

Rseau Malais

Auparavant, la Malaise et Singapour ne formaient quun seul pays. Puis, il y a eu

sparation en 1965. Larrive de SIEMENS Singapour a termin denlever cette influence

anglaise qui est cependant reste dans le rseau de Malaisie.

On trouve du maill en Malaisie Putrajaya (Silicon Valley asiatique). Il y a un double

transformateur au niveau du poste source ce qui permet damliorer la qualit de service. Par

ailleurs, les gestionnaires de rseau disposent dune quipe spciale pour les rseaux maills

donc trs comptente. De mme qu Singapour, un rseau de qualit de service excellente est

souhait. Le problme est que la Malaisie a une production dlectricit mauvaise et un

transport mal protg. Le rseau ressemble Stuttgart avec un maillage ventuel entre les

sous boucles. Le schma est typiquement anglais avec des protections fils pilotes. Le

problme est de conserver cette architecture avec des disjoncteurs conomiques. En effet,

contrairement Singapour, la Malaisie accorde une importance au cot dinvestissement.

Le rseau malais a recours au spot-network (E. U.) comme les grandes villes amricaines.

La Figure I-25 illustre la structure du spot-network. Le spot-network est constitu dun poste

source ayant deux transformateurs abaisseurs connects deux rseaux amont HT diffrents.

La partie aval de chaque transformateur est connecte un bus commun grce des

disjoncteurs quips de relais qui sont rgls de faon dclencher le disjoncteur sur des flux

de puissance qui remontent vers les transformateurs et de refermer le disjoncteur lors de la

restauration de la bonne tension et de la phase des secondaires des transformateurs. Le bus

commun a un ou plusieurs dparts radiaux [IEE 1993].

33/11 kV 33/11 kV

Consommateur Consommateur Consommateur

Figure I-25 : Spot-network invent dans les annes 1920 New York

Cest un rseau spcial qui prsente des redondances. On retrouve ce rseau galement au

Japon (beaucoup de spot-networks Tokyo), en Indonsie et Taiwan, c'est--dire chaque


50/195

fois quil y a un investissement dorigine amricaine. En effet, comme les investisseurs

amricains le prfrent et pour garantir leur rseau lectrique, les planificateurs ont donc

recours au spot-network.

En conclusion, on trouve en Malaisie du maill et du spot-network pour les entreprises

malaisiennes avec comme envie de rattraper Singapour et attirer les investisseurs

(notamment amricains). Pour le reste, on trouve de la coupure dartre (Standard design).

Rseau urbain des Emirats Arabes Unis

Ce rseau ressemble au rseau en coupure dartre que lon rencontre dans les rseaux

urbains franais (voir Figure I-11). Nanmoins, toutes les artres principales sont relies une

station de commutation. Cette station de commutation permet en fait chaque dpart de

secourir un autre dpart condition quils soient dimensionns en consquence. Un cble de

secours permet aussi de reconfigurer le rseau. Dans la coupure dartre, un dpart ne peut

tre secouru que par un seul autre dpart. Les deux inconvnients majeurs de ce type de

structure sont dune part le cot et dautre part le fait que le cble de secours ne travaille pas.

Il faut donc penser lutiliser de temps en temps pour viter que lhumidit ne dgrade les

isolants. Ce rseau est une variante du rseau pseudo-maill. On en trouve encore dans

beaucoup de centres historiques, en Espagne et Djakarta. Dans ces pays, il y a une grande

influence anglaise (avec la notion de sous-station de commutation que lon peut voir sur la

Figure I-26).

Duba constituait une zone forte croissance conomique o Siemens et Schneider

Electric sont prsents. On trouve du rseau maill. Ce rseau est constitu de postes

disjoncteurs avec une notion de cbles secours. Cest un systme en boucle ferme avec des

sous-stations de commutation et des disjoncteurs.

En ce qui concerne le rsidentiel, on trouve de la boucle ouverte sinon partout ailleurs du

maill. Les Emirats Arabes Unis taient prts investir pour avoir le rseau du futur.


51/195

Figure I-26 : Rseau Emirats Arabes Unis

Closed loop aux Etats Unis

Le closed loop est une solution pour les investisseurs pour avoir un rseau de qualit.

Certains de ces rseaux privs, aux Etats-Unis, ont des disjoncteurs avec des protections

spcifiques ( fils pilotes ou fibre optique). La Figure I-27 montre la structure de ce type de

rseau.

Figure I-27 : Closed-loop network [S&C 2001]


52/195

Conclusion

Contrairement au cas europen, les rseaux trangers sont htrognes ce qui est parfois la

cause dincidents car les quipes de conduite ou de maintenance ne sont pas formes ces

diffrents modes dexploitation. Il est trs difficile dentretenir des rseaux avec des

technologies trs diffrentes. La structure de nombreux rseaux trangers est principalement

issue de linfluence coloniale. Lexprience montre que maintenir un systme historique est

possible avec des comptences et des moyens financiers. On trouve des cas darchitectures

mailles :

- dans des milieux o lon veut assurer une qualit de service excellente dans le cas

dintrts conomiques (alimenter une zone conomique importante, attirer des

investisseurs entre autres),

- dans le cas dhritage historique.

Regardons maintenant quels sont les lments prendre en compte lorsquil sagit de

construire un rseau de distribution. Cest ce que lon appelle la planification.

I.3. Principe de planification

I.3.1. Dfinitions

La planification permet de choisir une solution technique un problme pos grce des

tudes technico-conomiques. Les problmes techniques peuvent tre des problmes court

terme, dans lanne, (raccordement de producteurs, de charges, tude de renforcement) ou

long terme, dans un horizon de 30 - 40 ans, (construction de rseaux HTA ou encore mise en

place dun poste source HTB/HTA). Dans le cas de problmes court terme, des calculs

technico-conomiques simples permettent de trouver les solutions adaptes. Dans le cas de

problmes long terme, une tude plus approfondie est ncessaire ce qui introduit la notion

de schma directeur.

Schmas directeurs

La planification long terme consiste mettre en place des schmas directeurs de

dveloppement du rseau lectrique c'est--dire trouver son avenir le plus probable en se

fondant sur des hypothses ralistes afin de sadapter lvolution des contraintes (charges,

environnement, production). La mise en place de schmas directeurs permet dtudier les


53/195

rseaux existants, danalyser leur performance et leurs failles de faon tablir des stratgies

de dveloppement cot minimal. On peut citer deux exemples dapplication :

- La dcision doprations de maintenance sur le rseau. Celles-ci vont dpendre, entre autres,

du type de matriels (lignes ariennes, souterraines, organes de coupure entre autres), de leur

ge, de leur cot, du nombre de clients qui pourraient tre affects par une dfaillance du

matriel).

- La prvision des investissements raliser sur une priode donne. Les diffrents choix

possibles peuvent tre la construction et/ou le dmantlement de conducteurs, la modification

darchitectures par la cration de circuits de secours, entre autres.

Objectifs de la planification

Les objectifs de la planification sont de dvelopper un rseau lectrique plus fiable, plus

conomique et respectant au mieux lenvironnement. Pour cela, les diffrentes solutions

proposes doivent respecter un ensemble de critres que nous allons dfinir.

Indices de fiabilit et produit PL quivalent

Le SAIDI (System Average Interruption Duration Index) est le temps moyen de coupure

par an et par client. Le SAIFI (System Average Frequency Duration Index) est la frquence

moyenne de coupure par an et par client. Enfin, lEND est lEnergie Non Distribue par an.

Ces trois indices de fiabilit donnent une image de la qualit du rseau. Plus ces indices sont

petits et plus le rseau sera de bonne qualit. Pour chaque tronon i dlimit par deux organes

de coupure, si un dfaut se produit sur le tronon i, on dfinit :

(i)N

(i)N(i)N(i)T

tot

couclcou =)i(SAIDI (I-5)

(i)N

(i)N(i)N

tot

coucl=)i(SAIFI (I-6)

(i)N

(i)N(i)T(i)P

tot

coucoucou =)i(END (I-7)

Avec :

- Tcou(i) = Dure de la coupure du tronon i(min)

- Ncl(i) = Nombre de clients coups,

- Ncou(i) = Nombre de coupures,

- Ntot(i) = Nombre total de clients,

- Pcou(i) = Puissance coupe.


54/195

Pour calculer un indice de fiabilit IND total (IND reprsentant le SAIDI, SAIFI ou

END), on aura donc : n

1=ij

)i(IND=IND o n est le nombre de tronons du rseau. Les

formules (I-5), (I-6), et (I-7) sont gnrales. Le calcul de Tcou, Ncl, Ntot et Pcou dpendent des

organes de coupure utiliss et de leur emplacement ainsi que du mode dexploitation du

rseau.

Le produit PL pour une zone donne est le produit de la puissance totale consomme par

les clients de la zone par la longueur totale de la zone qui alimente les clients. En dautres

termes, si on tente dquilibrer cet indice, des clients qui consomment peu dnergie seront

aliments par une longueur de conducteur plus importante que des clients qui consomment

beaucoup dnergie. La probabilit de dfaut tant proportionnelle la longueur de

conducteur, on minimise ainsi la puissance coupe lors dun dfaut et donc on amliore la

qualit de service. Par ailleurs, lquilibrage de ce critre permet dassurer une quipartition

des risques de dfauts.

Ensemble des critres que doivent respecter les architectures proposes

Le Tableau I-5 rsume les diffrents critres (techniques, de fiabilit et

environnementaux) que doivent vrifier les solutions proposes.

Critres techniques Critres de qualit Critres environnementaux

- Courant admissible du

matriel

- Courant de court-circuit

admissible du matriel

Urbain

- Rduction de la pollution

- Diminution de la pollution

visuelle en enfouissant les

cbles

- SAIDI par dpart HTA de 15

min/an

- END par dpart HTA de 300

kWh/an

- Zones de produit PL quivalent

Chute de tension

+/- 5 % en mode normal

+/- 8 % en mode secours

Rural

Encombrement du territoire

- END par dpart HTA de 1250

kWh/an

- SAIDI par dpart HTA de 75

min/an

- Zones de produit PL quivalent

Tableau I-5 : Critres que doivent valider les solutions proposes [Source ERDF]


55/195

Exemple sur un rseau en coupure dartre

Nous allons dtailler les diffrents critres de qualit sur lexemple dun rseau de type

coupure dartre. On appelle artre principale lensemble des conducteurs reliant des

consommateurs dune source lautre. On appelle dpart lensemble des conducteurs reliant

les consommateurs dune source un organe de coupure normalement ouvert. Ainsi, une

artre est compose de deux dparts.

Tout dabord, les zones dont les produits PL doivent tre quivalents sont reprsentes sur

la Figure I-28. Toutes les artres principales doivent avoir un PL quivalent. De plus, les deux

dparts qui forment lartre principale doivent avoir un PL quivalent. Par ailleurs, les

organes de coupure tlcommands (OMT) de chaque artre doivent tre placs en respectant

des zones de PL quivalent. Nous allons dtailler les rgles de placement des OMT sur une

artre.

Pi = Puissance de la zone i

Li = Longueur de la zone i

Figure I-28 : Zones de PL quivalent pour la coupure dartre


56/195

La Figure I-29 reprsente une artre principale dun rseau en coupure dartre constitu

par deux postes sources HTB/HTA. Un organe de coupure tlcommand normalement

ouvert (OMT3) spare lartre principale en deux dparts aliments chacun par un poste

source tel que les PL des deux zones ainsi forms soient quivalents. Sur chaque dpart, deux

autres organes de coupure tlcommands sont placs de sorte que le produit PL des 3 zones

formes de chaque dpart soit quivalent. Les postes sources situs entre deux organes de

coupure tlcommands sont quips dorganes de coupures manuels. La Figure I-29 illustre

donc aussi lemplacement des diffrents organes de coupure sur une artre principale [Source

ERDF].

Figure I-29 : Deux dparts dun rseau en coupure dartre

La Figure I-30, quant elle, illustre la procdure de dtection et disolement du dfaut.

Lorsquun dfaut se produit entre lOMT1 et lOMT2, le disjoncteur de la cellule de dpart

dclenche et tous les clients du dpart sont coups. En quelques minutes, les conducteurs de

rseaux manuvrent les organes de coupure tlcommands de faon isoler la partie en

dfaut et ralimenter le plus de clients. Dans le cas de la Figure I-30, les OMT1 et OMT2

sont ouverts. Ensuite, le poste source PS1 ralimente les charges du ct amont du dfaut puis

lOMT3 normalement ouvert est ferm afin de ralimenter les charges du ct aval du dfaut.

Ltape 2 termine, une quipe part sur le terrain afin de manuvrer les organes de coupure

manuels des postes HTA/BTA de faon ralimenter des clients supplmentaires. Ils peuvent

ensuite effectuer la rparation sur le conducteur en dfaut. Cette dernire tape de

ralimentation prend entre 40 et 60 min.


57/195

Figure I-30 : Procdure de localisation et disolement dun dfaut

Chaque dpart dun rseau en coupure dartre est usuellement dcoup en 3 zones. Pour

chaque zone iZ , on dfinit :

)N+N+N

NiT+T(L=)i(SAIDI

321

mdi

)N+N+N

Ni(Li=)i(SAIFI

321

imdepartdi PTPTLiEND )(

(I-8)

- = Taux de dfaillance dun conducteur souterrain,

- Td = Temps de ltape 1 et 2,

- Tm = Temps de ltape 3,

- Ni = Nombre de clients de la zone iZ ,

- Li = Longueur de conducteur de la zone iZ ,

- =Pi Puissance totale de la zone iZ ,

- Pdepart = Puissance totale du dpart,

- Ldepart = Longueur totale du dpart,


58/195

Le SAIDI (respectivement SAIFI et lEND) pour un dpart est donc gale la somme des

SAIDI (respectivement SAIFI et END) des trois zones. On a donc :

3

1=j

j_dpart )i(SAIDI=SAIDI , 3

1=j

j_dpa

Documents

These_MC