document Cours sur les Réseaux Électriques : Concepts, Calculs et Analyses

Les réseaux électriques constituent l’épine dorsale du transport et de la distribution de l’énergie électrique. Ce cours offre une introduction générale, une présentation des concepts fondamentaux, ainsi que des méthodologies pour le calcul et l’analyse des systèmes électriques complexes. Il aborde également des sujets avancés, tels que les circuits triphasés déséquilibrés, les composantes symétriques, les puissances, les harmoniques et les courants de court-circuit.

1. Généralités sur les Réseaux Électriques

Un réseau électrique est un ensemble d’infrastructures conçu pour acheminer l’énergie électrique des centrales de production vers les utilisateurs finaux. Il est divisé en trois niveaux principaux :

1. Production : Génération d’électricité dans des centrales thermiques, hydrauliques, nucléaires ou renouvelables.
2. Transport : Transmission de l’énergie sur de longues distances via des lignes haute tension (HT).
3. Distribution : Acheminement de l’électricité aux consommateurs via des réseaux moyenne tension (MT) et basse tension (BT).

Composants d’un Réseau Électrique :

• Lignes et câbles électriques : Transportent le courant électrique.
• Transformateurs : Adaptent la tension en fonction des besoins.
• Disjoncteurs et interrupteurs : Protègent et isolent les circuits.
• Charges : Appareils et systèmes qui consomment l’électricité.

2. Calcul des Réseaux Électriques et Modélisation des Lignes et Câbles

2.1 Modélisation des Lignes Électriques

La modélisation des lignes permet de représenter leurs comportements électriques en termes de résistance (RRR), inductance (LLL), capacité (CCC) et conductance (GGG).

Modèle à paramètres répartis :

Ce modèle considère que les paramètres RRR, LLL, CCC et GGG sont répartis uniformément le long de la ligne. Il est utilisé pour les lignes haute tension et longues distances.

Modèle équivalent simplifié :

• Pour les lignes courtes (moins de 80 km), seule la résistance et l’inductance sont prises en compte.
• Pour les lignes moyennes (80-250 km), la capacité est également incluse.

2.2 Calcul des Charges et des Flux

Le calcul de flux de puissance est essentiel pour optimiser le fonctionnement des réseaux. On utilise généralement la méthode Newton-Raphson ou la méthode de Gauss-Seidel.

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3. Circuits Triphasés Déséquilibrés

Dans un réseau triphasé équilibré, les trois phases ont des amplitudes égales et sont décalées de 120° en fréquence. Cependant, en pratique, des déséquilibres peuvent survenir à cause de charges non symétriques ou de défaillances.

Analyse des Circuits Déséquilibrés

Les équations des circuits déséquilibrés sont résolues en décomposant les courants et tensions en composantes symétriques (positive, négative et homopolaire).

Formule générale :

V=[A]⋅VsymV = [A] \cdot V_{\text{sym}}V=[A]⋅Vsym​

où VsymV_{\text{sym}}Vsym​ est le vecteur des tensions symétriques, et [A][A][A] est la matrice de transformation.

4. Les Composantes Symétriques

Les composantes symétriques sont une méthode d’analyse inventée par Fortescue pour simplifier les circuits triphasés déséquilibrés.

Types de Composantes :

1. Composante positive : Représente un système équilibré dans le sens normal.
2. Composante négative : Représente un système équilibré dans le sens inverse.
3. Composante homopolaire : Représente un système où toutes les phases sont identiques.

Application des Composantes Symétriques :

• Analyse des déséquilibres dans les réseaux.
• Étude des courants de défauts, tels que les courts-circuits asymétriques.

5. Puissances et Harmoniques

5.1 Puissance dans les Réseaux

Les réseaux électriques utilisent plusieurs formes de puissance pour décrire leur fonctionnement :

• Puissance active (PPP) : Énergie réellement consommée.
• Puissance réactive (QQQ) : Énergie utilisée pour maintenir les champs magnétiques et électriques.
• Puissance apparente (SSS) : Résultante vectorielle de PPP et QQQ.

Formule :

S=P2+Q2S = \sqrt{P^2 + Q^2}S=P2+Q2​

5.2 Harmoniques

Les harmoniques sont des distorsions de la forme d’onde causées par des charges non linéaires, telles que les variateurs de vitesse ou les convertisseurs électroniques.

Effets des Harmoniques :

• Surchauffe des équipements.
• Détérioration de la qualité de l’alimentation.

Solutions :

• Utilisation de filtres harmoniques.
• Conception de charges plus linéaires.

6. Courant de Court-Circuit dans les Lignes de Transport

Les courts-circuits sont des défaillances graves dans un réseau, provoquant des courants très élevés. Ces courants doivent être évalués pour dimensionner les équipements de protection.

Types de Défauts :

1. Défaut monophasé : Contact d’une seule phase avec la terre.
2. Défaut biphasé : Contact entre deux phases.
3. Défaut triphasé : Court-circuit entre les trois phases.

Calcul des Courants de Défaut :

Les composantes symétriques sont utilisées pour calculer les courants de court-circuit en fonction du type de défaut.

Formule simplifiée :

Icc=VsourceZreˊseauI_{\text{cc}} = \frac{V_{\text{source}}}{Z_{\text{réseau}}}Icc​=Zreˊseau​Vsource​​

où ZreˊseauZ_{\text{réseau}}Zreˊseau​ est l’impédance équivalente du réseau.

Protection Contre les Courts-Circuits :

• Relais de protection : Détection et isolation des défauts.
• Disjoncteurs HT : Interruption rapide du courant de défaut.

Conclusion

La compréhension des réseaux électriques, de leur modélisation et des calculs associés est indispensable pour garantir la stabilité et l’efficacité des systèmes de puissance. Les concepts abordés, tels que les circuits déséquilibrés, les composantes symétriques, les harmoniques et les courts-circuits, permettent de concevoir des infrastructures robustes et performantes.