MERLIN GERIN réseau électrique Manuel utilisateur

n°155
les réseaux de
distribution
publique MT
dans le monde
Christian Puret
Ingénieur diplômé de l’E.N.S.E.R.G.
(Institut National Polytechnique de
Grenoble) et de l’I.A.E. de Paris, il
entre dans la société Merlin Gerin
en 1977.
Ses premiers emplois le spécialisent
dans le domaine des automates
industriels.
Puis il est responsable de la
formation des clients du Groupe
Merlin Gerin.
En 1986, il rejoint la Division
Moyenne Tension dans laquelle il
occupe maintenant un poste de
délégué au marketing stratégique.
Il a en charge la prise en compte des
évolutions de la protection et du
contrôle-commande dans les
matériels Moyenne Tension, et plus
particulièrement ceux destinés aux
réseaux de distribution publique.
CT 155 édition septembre1991
lexique
Configuration : opération qui consiste,
en protection et contrôle-commande à
dédier, par construction ou par
chargement d’un logiciel, un matériel
standard à une application particulière.
Cette dernière opération,
le chargement d’un logiciel, se fait à
partir d’un outil : le configurateur,
généralement un micro ordinateur PC.
Il permet par exemple de :
■ définir les fonctions que réalisera le
matériel,
■ établir les connexions avec son
environnement,
■ créer les images synoptiques
et libeller les alarmes pour l’exploitation.
Débrochable (partie d’un ensemble),
(CEI 50 - chapitre 441, NF C 01-441) :
partie amovible d’un ensemble qui, tout
en demeurant mécaniquement reliée à
l’ensemble, peut être déplacée jusqu’à
la ou l’une des positions établissant
une distance de sectionnement ou un
cloisonnement métallique entre
contacts ouverts. Cette distance de
sectionnement ou ce cloisonnement
métallique concerne toujours le circuit
principal. Elle peut concerner ou non
les circuits auxiliaires ou de
commande.
Fixe (appareil fixe),
(dictionnaire CEI de l’électricité) :
appareil conçu pour être monté sur un
support et destiné à être relié à un ou
des circuits extérieurs au moyen de
conducteurs électriques installés à
demeure.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.2
Fusible de type cut-out : fusible MT à
percuteur, qui remplit les fonctions de
protection et de sectionnement. Le
sectionnement est obtenu lors de la
fusion par l’expulsion du percuteur qui
provoque le basculement automatique
de la cartouche fusible.
Indicateur de localisation de défaut :
dispositif installé sur les réseaux MT
qui signale, localement ou à distance,
le passage des courants de défaut.
Pour améliorer la qualité de service,
l’exploitant s’efforce de limiter
l’interruption d’alimentation à la seule
partie défectueuse du réseau. Pour
cela il a besoin de connaître la portion
du réseau affectée par le défaut. A
cette fin, l’exploitant installe des
indicateurs de localisation de défaut.
Une analyse de ces informations
permet de cerner la partie défectueuse,
puis de reconfigurer le réseau
(application typique de la téléconduite).
La prédictique : une nouvelle science
ayant pour objectif la prévision des
événements, elle est fondée sur le
raisonnement et l’induction scientifique.
Recloser : disjoncteur MT équipé d’un
automatisme de réenclenchements
multiples, il est installé sur un départ
MT aérien et coordonné avec les
protections (fusibles) placées sur ce
départ (en amont et en aval).
Il est utilisé dans les réseaux de type
Nord-Américain.
Sectionaliser : interrupteur MT équipé
d’un automatisme de comptage, il est
installé en aval d’un départ MT aérien
protégé par un recloser. Son
automatisme compte les passages d’un
courant de défaut (qui correspond au
nombre de réenclenchements du
recloser), et pour un nombre préfixé il
commande l’ouverture de l’interrupteur.
Une sélectivité peut donc être réalisée
en installant plusieurs sectionalisers en
série sur un départ MT, le dernier
sectionaliser (le plus éloigné du
recloser) s’ouvrant au deuxième
passage du courant de défaut, le
sectionaliser précédent s’ouvrant au
troisième passage et ainsi de suite.
Cet appareil est utilisé dans les
réseaux de type Nord-Américain.
les réseaux de distribution publique MT
dans le monde
Dans un pays, le Transport et la
Distribution Publique assurent le transit
de l’énergie électrique entre les points
de production et les points de
consommation.
Les points de production sont les
centrales qui génèrent l’énergie
électrique à partir de différentes
énergies primaires (nucléaire,
hydraulique, charbon,…).
sommaire
1. Les différents réseaux électriques
2. Le distributeur
3. Les topologies de réseaux
4. La distribution publique MT
5. Protection et contrôle-commande
des réseaux MT
Le réseau de transport et
d’interconnexion
Le réseau de répartition
Le réseau de distribution MT
Le réseau de distribution BT
La nature du courant électrique
La planification des réseaux
Sa raison d’être
Son métier
Son évolution
Les critères de choix d’une
topologie
Les éléments dépendants de
la topologie choisie
Les différents schémas de
réseaux MT
Les schémas des liaisons à
la terre du neutre
Le plan de protection
Le plan de contrôle-commande
Les postes sur les réseaux MT
Autres ouvrages MT
L’appareillage MT
Un schéma français et un
schéma nord-américain
Les technologies des unités de
protection MT
La compatibilité électromagnétique
Les applications du
contrôle-commande en MT
Les architectures de
contrôle-commande en MT
Les réseaux de communication
6. Conclusion
Annexe 1 : quelques normes pour des produits MT
Annexe 2 : les différentes techniques de sélectivité
Annexe 3 : architecture EDF et matériels Merlin Gerin
Annexe 4 : bibliographie
p. 4
p. 5
p. 5
p. 6
p. 6
p. 6
p. 7
p. 7
p. 8
p. 10
p. 10
p. 10
Les points de consommation,
en MT - Moyenne Tension -, sont des
postes ou des ouvrages, à partir
desquels l’énergie est livrée aux clients
(abonnés), ceci par l’intermédiaire de la
«distribution MT». C’est cette dernière
qui fait l’objet du présent Cahier
Technique.
Dans ce Cahier Technique, après une
description des différents types de
réseaux et du métier de distributeur, le
lecteur non familiarisé avec la MT
trouvera une présentation :
■ des topologies des réseaux MT,
■ des postes,
■ des dispositifs de protection et
contrôle-commande.
Note : Dans ce Cahier Technique, le
terme MT désigne toute tension
comprise entre quelques kV et 40 kV.
p. 12
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Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.3
1. les différents réseaux électriques
Il ne suffit pas de produire le courant
électrique dans les centrales, il faut
aussi l’amener jusqu’à l’utilisateur final.
Ainsi pour atteindre l’adéquation entre
la production et la consommation, qui
se traduit in fine par la performance
économique, la structure électrique
d’un pays est généralement
décomposée en plusieurs niveaux
correspondant à différents réseaux
électriques (cf. fig. 1).
Il est à noter qu’il n’existe aucune
structure unique à travers le monde, et
que le découpage en plusieurs réseaux
avec les niveaux de tension associés
peut être différent selon les pays. Mais
en général, le nombre de niveaux de
tensions est limité à trois ; d’ailleurs en
1983 la publication CEI 38 a formulé
des recommandations pour les niveaux
de tension des réseaux 50 et 60 Hz.
Cependant, afin de mieux comprendre
les intérêts de ce découpage, les
paragraphes suivants présentent
chaque réseau avec :
■ sa finalité,
■ son niveau de tension,
■ sa structure.
le réseau de transport et
d’interconnexion
La dispersion géographique entre les
lieux de production et les centres de
consommation, l’irrégularité de cette
consommation et l’impossibilité de
stocker l’énergie électrique nécessitent
un réseau électrique capable de la
transporter sur de grandes distances et
de la diriger.
Ses lignes atteignent des milliers de
kilomètres, par exemple 20 000 km
pour le réseau 400 kV français.
La finalité de ce réseau est triple :
■ une fonction de “transport” dont le but
est d’acheminer l’électricité des
centrales de production aux grandes
zones de consommation ;
fig. 1 : le schéma illustré d’un réseau électrique montrant que l’électricité est produite, transportée et distribuée à des niveaux de tensions
différents.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.4
une fonction “d’interconnexion
nationale” qui gère la répartition de
l’offre en orientant la production en
fonction de la répartition géographique
et temporelle de la demande ;
■ une fonction “d’interconnexion
internationale” pour gérer des flux
d’énergie entre les pays en fonction
d’échanges programmés ou à titre de
secours.
■
En général, seuls quelques abonnés à
très forte consommation sont raccordés
sur ces réseaux.
La structure de ces réseaux est
essentiellement de type aérien.
Les tensions sont généralement
comprises entre 225 et 400 kV,
quelques fois 800 kV (ex : 765 kV en
Afrique du sud). L’utilisation de ces
tensions élevées est liée à un objectif
économique. En effet pour une
puissance donnée, les pertes en ligne
par effet Joule sont inversement
proportionnelles au carré de la tension :
p = k /U2, avec
U = tension du réseau,
k = une constante fonction de la ligne.
De plus les puissances transportées
sont telles, que l’utilisation d’une
tension basse entraînerait des sections
de câble tout à fait inadmissibles.
L’usage des tensions élevées se trouve
donc imposé malgré les contraintes
d’isolement qui se traduisent par des
coûts de matériel plus importants, la
solution la plus facile étant l’utilisation
de lignes aériennes.
Dans tous les cas, le choix d’une
tension de transport est avant tout un
compromis technico-économique,
fonction des puissances à transporter
et des distances à parcourir.
L’aspect sûreté est fondamental sur
ces réseaux. En effet toute défaillance
à ce niveau entraîne d’importants
défauts d’alimentation pour l’ensemble
des points de consommation. Ainsi en
1965, 30 millions de personnes ont été
privées d’électricité pendant 12 heures
aux Etats-Unis.
Les protections de ces réseaux doivent
donc être très performantes. Quant à
leur exploitation, elle est assurée au
niveau national par un centre de
conduite ou dispatching à partir duquel
l’énergie électrique est surveillée et
gérée en permanence.
le réseau de répartition
La finalité de ce réseau est avant tout
d’acheminer l’électricité du réseau de
transport vers les grands centres de
consommation.
Ces centres de consommation sont :
■ soit du domaine public avec l’accès
au réseau de distribution MT,
■ soit du domaine privé avec l’accès
aux abonnés à grande consommation
(supérieure à ≈ 10 MVA) livrés
directement en HT. Dans un pays le
nombre de ces abonnés est très faible
(ex: 600 en France). Il s’agit
essentiellement d’industriels tels la
sidérurgie, la cimenterie, la chimie, le
transport ferroviaire,...
La structure de ces réseaux est
généralement de type aérien (parfois
souterrain à proximité de sites urbains).
Dans ce domaine, les politiques de
respect de l’environnement et de
protection des sites (zones protégées)
s’opposent souvent à la construction
des lignes. En conséquence, la
pénétration du réseau de répartition
jusque dans les zones à forte densité
de population est de plus en plus
difficile et coûteuse.
Les tensions sur ces réseaux sont
comprises entre 25 kV et 275 kV.
Les protections sont de même nature
que celles utilisées sur les réseaux de
transport, les centres de conduite étant
régionaux.
% 100
5
2
le réseau de
distribution MT
Ce niveau dans la structure électrique
d’un pays sera plus détaillé dans les
chapitres suivants. Aussi seuls
quelques éléments simples
d’identification sont indiqués ici.
La finalité de ce réseau est
d’acheminer l’électricité du réseau de
répartition aux points de moyenne
consommation (supérieure à 250 KVA
en France).
Ces points de consommation sont :
■ soit du domaine public, avec accès aux
postes de distribution publique MT/BT,
■ soit du domaine privé, avec accès aux
postes de livraison aux abonnés à
moyenne consommation. Le nombre de
ces abonnés (ex : 160 000 en France)
ne représente qu’un faible pourcentage
du nombre total des consommateurs
livrés directement en BT. Ils sont
essentiellement du secteur tertiaire, tels
les hôpitaux, les bâtiments
administratifs, les petites industries, ...
La structure est de type aérien ou
souterrain.
Les tensions sur ces réseaux sont
comprises entre quelques kilovolts et
40 kV (cf. fig. 2).
Les protections sont moins
sophistiquées que dans le cas des
réseaux précédents.
5
5
90
80
70
60
60
70
50
80
95
95
40
30
20
35
25
Belgique
3
France
10
10
< 12 kV
12 < U < 17 kV
10
Grande
Bretagne
Italie
17 < U < 24 kV
Japon
> 24 kV
fig. 2 : répartition des réseaux MT nationaux selon leurs différents niveaux de tension, en
fonction des longueurs de lignes.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.5
En ce qui concerne l’exploitation de ces
réseaux, elle peut être assurée
manuellement ou de plus en plus, par
télécommande à partir de centres de
conduite fixes et/ou embarqués dans
des véhicules. Mais pour tenir compte
des besoins spécifiques à la conduite
des réseaux de distribution MT, ces
centres de conduite sont différents de
ceux utilisés sur les réseaux de
transport et de répartition. La
multiplicité et la dispersion
géographique des points de
téléconduite, la gestion de plusieurs
centres de conduite simultanés, le
nombre et la qualification des
exploitants nécessitent des solutions
adaptées : ergonomie et convivialité
des postes de travail, outils d’aide à la
conduite, outils de configuration des
centres de conduite, et gestion des
différents supports de transmission
utilisés.
le réseau de distribution BT
La finalité de ce réseau est
d’acheminer l’électricité du réseau de
distribution MT aux points de faible
consommation (inférieure à 250 KVA
en France) dans le domaine public
avec l’accès aux abonnés BT. Il
représente le dernier niveau dans une
structure électrique.
Ce réseau permet d’alimenter un
nombre très élevé de consommateurs
(26 millions en France) correspondant
au domaine domestique.
Sa structure, de type aérien ou
souterrain, est souvent influencée par
l’environnement.
Les tensions sur ces réseaux sont
comprises entre 100 et 440 V.
Ces réseaux sont le plus souvent
exploités manuellement.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.6
la nature du courant
électrique
Les transferts d’énergie sur ces
différents réseaux sont réalisés via le
courant électrique.
Les liaisons par courant continu ou
HVDC (high voltage direct current) sont
utilisées pour les échanges entre pays
uniquement au niveau des réseaux de
transport. Le choix de cette technique
permet d’optimiser l’utilisation des
câbles d’énergie, en particulier en
supprimant les effets de «peau». De
telles liaisons intercontinentales voir
continentales existent, par exemple une
liaison (300 MW/200 kV) relie l’Italie à
la Sardaigne via la Corse.
Dans les autres cas, en particulier les
réseaux MT de distribution publique,
les liaisons sont réalisées par courant
alternatif. En effet, sur ces réseaux,
l’utilisation du courant continu ne serait
pas rentable :
■ pertes réduites sur des réseaux
courts (inférieurs à 100 km),
■ installations rendues plus coûteuses
(nécessité de nombreux convertisseurs
continu / alternatif).
De plus, le courant alternatif est très
bien adapté aux nombreux
changements de tension
(transformateurs) durant le
cheminement de l’énergie électrique.
A quelques exceptions près (Arabie
Saoudite), et en dehors du continent
américain où est généralisée
l’utilisation du 60 hertzs, la fréquence
du courant est 50 hertzs.
A noter le cas du Japon où la moitié du
pays est en 60 hertzs, et l’autre moitié
en 50 hertzs.
la planification des réseaux
La mise en place et l’évolution de la
structure d’un réseau d’alimentation
électrique d’un pays correspond aux
opérations de planification.
Pour les réseaux de transport et de
répartition, ces opérations sont
généralement centralisées, car :
■ les décisions menant à une
modification de la structure de tels
réseaux, par exemple l’introduction
d’un nouveau poste HT/MT, imposent
la prise en compte de nombreux
paramètres, techniques et
économiques ;
■ le nombre de ces paramètres avec
leurs interactions éventuelles
nécessitent l’assistance d’outils
informatiques, l’utilisation de base de
données et de systèmes experts.
Pour les réseaux de distribution MT et
BT, la planification est par contre
souvent décentralisée.
2. le distributeur
sa raison d’être :
fournir de l’électricité
La raison d’être des distributeurs
d’énergie électrique est de fournir de
l’énergie électrique aux
consommateurs en tenant compte de
plusieurs objectifs tels que :
■ continuité et qualité de service,
■ sécurité des biens et des personnes,
■ souplesse et confort d’exploitation,
■ compétitivité commerciale.
le métier
Si la fourniture d’électricité est
satisfaisante dans les pays
industrialisés, le taux d’électrification
demeure encore variable dans certains
pays.
Des objectifs différents selon les
niveaux d’électrification…
Pour les pays non électrifiés à 100 %,
l’objectif prioritaire reste l’amélioration
de ce taux d’électrification. Pour cela, la
majorité des investissements est
consacrée à la construction de réseaux
et d’ouvrages (cf. fig. 3).
Cependant les capacités de financement,
quelques fois réduites, peuvent amener
des solutions axées sur la simplification
de la structure des réseaux au détriment
de la performance. De même, une
disponibilité et une compétence du
personnel quelque fois limitées peuvent
conduire à une exploitation simplifiée.
Des situations variables dans les
pays industrialisés
Dans les pays électrifiés à 100%, les
utilisations de l’énergie électrique sont
très dissemblables :
■ les consommations nationales d’énergie
électrique sont très différenciées (cf. fig.
4). Ces différences sont dues à la taille
du pays, à sa croissance économique
(PNB) et au poids du secteur industriel
(exemple 40% de la consommation
française).
■ les consommations par habitant
peuvent varier dans un rapport 10 entre
certains pays (cf. fig. 4). Ces écarts sont
dus principalement à la politique tarifaire
des distributeurs, mais aussi aux
conditions climatiques.
chargé de la production, du transport et
de la distribution ; il gère environ 80%
de l’électricité distribuée en Italie.
■ en France la situation est similaire
avec l’ E.D.F.
Le métier de distributeur MT n’est pas
uniforme : il est souvent étendu à la
distribution BT -Basse Tension- et dans
certains cas il est aussi responsable de
la production et du transport, par
exemple :
■ au Japon, neuf compagnies
régionales privées assurent chacune
pour sa zone les activités de
production, transport et distribution.
■ en Allemagne environ mille
entreprises opèrent dans le domaine de
la distribution d’électricité. A peu près
1/3 possèdent leurs propres
installations de production.
■ en Grande-Bretagne la production est
à la charge de deux compagnies
(NP - National Power- et PG -Power
Gen-). Le transport est assuré par la
société NGC -National Grid Cie- , et la
distribution par environ douze Regional
Electricities Cie. Cette organisation est
issue de la loi de privatisation des
distributeurs anglais votée en 1990.
■ en Italie une loi a fondé l’ E.N.E.L. en
1962. Il s’agit d’un service public
transformateurs
= 5%
appareillage MT
= 5%
lignes
+ poteaux
+ installation totale
= 90%
fig. 3 : décomposition des coûts d’une ligne
aérienne MT.
Consommation nette / pays
TWh
Consommation nette / habitant
KWh
3000
30000
2355
11760
1000
10000
595
5320
5200
3190
300
4900
3000
294
2790
183
1860
108
100
1000
27
30
300
19
Portugal Danemark Espagne
Italie
France
Japon
Etats-Unis
fig. 4 : consommations nettes par pays et par habitant.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.7
Ainsi il apparait au travers de ces
quelques exemples, que le nombre
d’intervenants, en particulier dans la
distribution MT peut être très variable
selon les pays (cf. fig. 5).
Dans le cas de la distribution MT, le
distributeur a, en général, la
responsabilité complète du réseau,
depuis le poste HT/MT jusqu’au poste
de transformation MT/BT. De plus le
métier de distributeur intègre
maintenant une offre commerciale avec
la vente du «produit électricité», sous
forme de kWh. Il doit donc améliorer
sans cesse la qualité de ce produit pour
répondre aux exigences de ses
différentes clientèles, et rester
compétitif vis-à-vis des autres sources
d’énergie. Cet objectif conduit les
distributeurs à envisager plusieurs
niveaux de prix liés à différents niveaux
de qualité du kWh vendu.
Par ailleurs, le réseau de distribution
électrique constitue lui-même un capital
important pour le distributeur. Il doit
rentabiliser au maximum cet
investissement, et c’est pourquoi les
besoins des distributeurs intègrent de
plus en plus, les notions de gestion
d’énergie.
Enfin le distributeur a un rôle social et
politique important, rôle qui peut
infléchir ses choix, ou du moins leurs
priorités, en voici deux exemples :
■ l’alimentation de nouveaux clients
peut nécessiter une extension du
réseau,
■ le coût du kWh peut être limité pour
intégrer une politique économique
gouvernementale.
pays
son évolution :
fournir une énergie de
qualité
De plus en plus, le distributeur
d’énergie est conduit à fournir un produit
électricité de qualité. Pour cela il doit :
■ réduire les coupures d’alimentation
en nombre et en durée vis-à-vis de ses
abonnés,
■ en minimiser les conséquences,
■ éviter les perturbations, telles que
fluctuations de tension et de fréquence
(cf. fig. 6).
paramètres
Fréquence
Tension MT
Tension BT
aérien
souterrain
tolérances
± 1Hz
± 7%
± 10%
± 5%
fig. 6 : exemple des contraintes ”qualité”
d’un distributeur (EDF - France).
La nature des défauts dépend du
type de réseau
Pour les abonnés, les conséquences
de ces phénomènes dépendent avant
tout de la nature du défaut.
Un défaut peut être :
■ selon sa durée, fugitif ou permanent ;
■ selon la nature de l'incident,
monophasé ou triphasé.
Un défaut fugitif se traduit souvent par
une coupure brève de l’ordre de
quelques 100 ms, essentiellement liée
nombre de distributeurs
total
valeurs
nominales
(50 Hz)
(12 à 24 kV)
(230 ou 400V)
le plus important
distribuant 80%
de la consommation
nationale
Allemagne
600
20
R . W . E.
Arabie Saoudite
5
5
S.C.E.C.O.
Espagne
200
6
Hydro Electrica
France
200
1
E.D.F.
Grande Bretagne
15
10
Regional Electricities Cie
Italie
150
1
E.N.E.L.
Japon
9
9
Tokyo Electric Power Co
fig. 5 : les distributeurs d’énergie électrique dans quelques pays.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.8
au temps de fonctionnement d’un
réenclencheur.
Un défaut permanent implique une
coupure longue de quelques minutes à
quelques heures ; il nécessite une
intervention humaine.
Les réseaux aériens naturellement
beaucoup plus exposés que les
réseaux souterrains nécessitent des
solutions spécifiques aux problèmes
rencontrés tels que :
■ branches d’arbre tombant sur une
ligne aérienne ;
■ oiseaux se posant sur la ligne ou ses
supports ;
■ défauts dûs à la foudre, au vent, au
gel, à la neige ;
■ vandalisme.
Par suite, la nature des défauts est
différente sur les réseaux aériens et
souterrains :
■ sur les réseaux aériens, les défauts
sont majoritairement fugitifs (80 à
90 %) et monophasés (75 %) car
souvent liés aux orages, à un fil tombé
au sol, ou au contournement d’un
isolateur par exemple.
■ sur les réseaux souterrains, les
défauts sont majoritairement
permanents (100 %) et polyphasés
(90 %) car souvent consécutifs au
sectionnement d’un câble.
Un besoin d’informations
L’importance de la compréhension des
incidents en réseau justifie de plus en
plus un besoin d’informations que les
distributeurs satisfont par des études
statistiques.
Ces travaux d’analyse ont pour but de :
■ classifier et codifier les incidents,
■ déterminer leurs origines et causes,
■ traiter statistiquement les fréquences
d’occurence,
■ rechercher les corrélations,
■ étudier comparativement la
performance de différentes topologies,
■ analyser les résultats selon les
matériels installés et les méthodes
d’exploitation utilisées.
Ces statistiques sont un outil d’aide aux
distributeurs pour la conception,
l’exploitation et la maintenance des
réseaux de distribution publique.
De plus afin de pouvoir décider des
meilleures solutions, la qualité de
service doit pouvoir être quantifiée et
mesurée, et non plus approchée de
manière subjective. Pour cela de
nouveaux outils (à base de modèles
mathématiques) sont créés, avec en
particulier la notion «d'énergie non
distribuée». E.D.F utilise notamment
pour la mesure du coût de la non
qualité en distribution aérienne MT la
formule :
A*N*N*P + B*N*P*T, avec
N = nombre de coupures permanentes
par départ,
P = puissance moyenne par départ en
KW,
T = temps moyen d’interruption par
défaut,
A et B = coefficients de valorisation
économique
(en 1990, pour EDF en France
A = 6 FF / kW et B = 13.5 FF / kWh).
Mais la mesure de la qualité de service
peut nécessiter la prise en compte de
paramètres plus nombreux. La
complexité des formules de calcul et
les simulations à effectuer, justifient
alors le développement d’outils logiciels
de plus en plus performants pour aider
à la décision.
Pour mesurer la fiabilité de la fourniture
d’énergie au client résidentiel BT, les
distributeurs préfèrent utiliser le critère
de «degré d’indisponibilité» : il s’agit du
temps cumulé annuel durant lequel un
client moyen est privé d’électricité en
raison d’un défaut sur le réseau
électrique (HT, MT ou BT).
Enfin, il est important de noter que de
nombreux incidents chez un abonné BT
sont dûs au réseau MT (60 % selon une
étude de l’EDF) (cf. fig. 7).
Les réseaux, les matériels et les
hommes évoluent.
Cependant il ne faut pas oublier que la
performance d’un réseau dépend avant
tout de sa topologie. Or dans le monde,
les réseaux actuels résultent d’un
empilement historique de structures au
fur et à mesure de la croissance des
besoins. De plus un réseau vieillit et
nécessite en permanence des efforts
de maintenance comme de rénovation
pour conserver ses performances et
éviter des incidents, sources «d'énergie
non distribuée».
Pour répondre à ces besoins, les
constructeurs proposent donc des
matériels «sans entretien» ou à
maintenance réduite ; matériels pour
lesquels les opérations d’entretien, de
modification, d’adjonction, ne nuisent
pas à la continuité de service.
De plus les distributeurs d’énergie sont
contraints d’engager des actions de
maintenance préventive, en particulier
l’auscultation des ouvrages par
enregistrement et analyse des incidents
survenus sur les réseaux (utilisation
d’oscilloperturbographes et
d’horodateurs).
Pour cela, les évolutions des matériels
de protection et de contrôle-commande
avec la technologie numérique
(microprocesseur) et l’essor des
réseaux de communication, offrent des
perspectives de solutions innovantes
dans la prédictique (cf. lexique).
Enfin, la pratique des travaux sous
tension comme la conduite à distance
des réseaux (téléconduite) sont aussi
des éléments favorables à
l’amélioration de la qualité de service,
en réduisant le nombre de coupures et
leur durée.
Bien entendu, tous ces
développements nécessitent une
rapide adaptation des personnels, à
l’exemple du changement de travail
actuel dans les centres de conduite :
■ il existe encore des centres de
conduite dans lesquels :
■ les différents états des réseaux sont
affichés par déplacement manuel de
symboles sur de grands synoptiques de
plusieurs mètres carrés,
■ et les instructions relatives aux
manœuvres sont écrites à la main sur
des journaux ;
■ dans les nouveaux centres tous ces
travaux se font sur des consoles
informatiques, avec :
■ toutes les informations disponibles en
temps réel sur des écrans (schémas
des réseaux, descriptif géographique),
■ l’historique des événements
enregistré automatiquement
(consignations des états).
%
nombre de
clients BT
1986
1995
60
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
>5
heure
temps de coupure
fig. 7 : degré d’indisponibilité de l’énergie électrique sur un réseau BT (EDF - France).
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.9
3. les topologies des réseaux électriques MT
Par topologie d’un réseau électrique il
faut comprendre l’ensemble des
principes (schéma, protection, mode
d’exploitation) utilisés pour véhiculer
l’énergie électrique en distribution
publique.
Dans la pratique, pour un distributeur,
définir une topologie revient à fixer un
certain nombre d’éléments physiques en
tenant compte de critères liés à des
objectifs visés et/ou à des contraintes
techniques. Ces éléments étant
fortement corrélés entre eux, le choix
d’une topologie est toujours le résultat de
compromis technico-économiques.
La traduction graphique d’une topologie
sera ici un schéma de type unifilaire
simplifié.
les critères de choix d’une
topologie
Le choix d’une topologie répond à des
objectifs :
■ assurer la sécurité des personnes et
des biens,
■ obtenir un niveau de qualité de service
fixé,
■ assurer le résultat économique
souhaité.
Mais il doit aussi se soumettre à des
impératifs :
■ être en adéquation avec la densité
d’habitat et/ou de consommation, aussi
appelée densité de charge qui joue un rôle
de plus en plus prépondérant.
Exprimée en MVA/km2, cette densité permet
d’appréhender les différentes zones
géographiques de consommation en terme
de concentration de charge. Une des
segmentations utilisées par certains
distributeurs consiste à définir deux types
de zone de consommation :
■ zone à faible densité de charge :
< 1 MVA/km2,
■ zone à forte densité de charge :
> 5 MVA/km2.
■ tenir compte de l’étendue géographique,
du relief et des difficultés de construction,
■ satisfaire
aux
contraintes
d’environnement, en particulier climatiques
(températures minimale et maximale,
fréquence des orages, neige, vent, etc.) et
respect du milieu.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.10
éléments dépendants de la
topologie choisie
Le choix d’une topologie fixe les
principaux éléments de conception d’une
distribution, à savoir :
■ les puissances appelées et la valeur
maximale des courants de défaut à la
terre, ex. : en MT, l’ EDF limite la valeur
de ces courants à 300 A sous 20 kV en
aérien et à 1000 A en souterrain ;
■ la (ou les) tension de service, ex. : en
MT le Japon distribue en 6,6 kV, la
Grande-Bretagne en 11 et 33 kV et la
France majoritairement en 20 kV ;
■ la tenue aux surtensions et la
coordination des isolements, ainsi que
les protections contre les surtensions
d’origine atmosphérique,
■ le (ou les) schéma des liaisons à la
terre, ainsi que le nombre de fils
distribués,
■ la longueur maximale des départs
(quelques dizaines de kilomètres en
MT),
■ le type de distribution : aérien ou
souterrain (cf. fig. 8),
■ le type d’exploitation : manuelle,
automatique, téléconduite.
Il est important de remarquer que :
■ le choix du courant de court-circuit a
des répercussions sur la tenue des
matériels utilisés sur le réseau,
■ le choix de la (ou des) valeur (s) de
tension est toujours le résultat d’un
compromis entre les coûts de réalisation
et d’exploitation du réseau,
0
25
le choix du niveau d’isolement des
matériels obéit généralement à des
normes internationales et/ou nationales,
■ le choix d’une distribution en aérien ou
en souterrain influe beaucoup sur le
coût d’installation et la qualité de service
(ex: coûts d’une tranchée / sensibilité
aux défauts fugitifs...). En MT, dans les
pays industrialisés, ce choix peut être
synthétisé en trois cas :
■ milieu urbain à forte densité avec une
distribution souterraine,
■ milieu suburbain à forte densité avec
une distribution souterraine ou aérosouterraine,
■ milieu rural à faible densité avec une
distribution aérienne.
Cependant il est à noter
qu’historiquement, pour des raisons de
coûts d’installation, de nombreux milieux
urbains sont en distribution aérienne,
c’est le cas au Japon et aux Etats-Unis.
■
les différents schémas de
réseaux MT
Le choix des schémas est important pour
un pays : en particulier pour les réseaux
MT car ils sont très longs. Ainsi par
exemple, l’ensemble de la structure MT
en France est d’environ 570 000 km, celle
de l’Italie de 300 000 km et celle de la
Belgique aux alentours de 55 000 km.
Plusieurs topologies existent :
■ topologie boucle fermée, de type
maillé,
50
75
100%
Allemagne
Canada
Etats-Unis
Danemark
Grande Bretagne
Pays-Bas
souterrain
aérien
fig. 8 : répartition, pour quelques pays, des longueurs des réseaux MT en souterrain (câbles)
et en aérien (lignes).
■ topologie boucle ouverte, de type
maillé simplifié,
■ topologie boucle ouverte,
■ topologie radiale.
D’autres topologies sont aussi
appliquées, par exemple la double
dérivation sur les réseaux MT français.
Bien qu’aucune ne soit «normalisée»
en MT, les distributeurs s’appuient sur
deux topologies de base : radiale et
boucle ouverte.
Chacune de ces deux topologies
sera donc abordée plus en détail et
définie par :
■ son principe de fonctionnement,
■ son schéma unifilaire-type,
■ son application-type,
■ ses points forts et points faibles.
Schéma radial
Ce schéma est aussi appelé en antenne.
Son principe de fonctionnement est à une
seule voie d’alimentation. Ceci signifie
que tout point de consommation sur une
telle structure ne peut être alimenté que
par un seul chemin
électrique possible. Il est de type
arborescent (cf. fig. 9).
Cette arborescence se déroule à partir
des points d’alimentation, qui sont
constitués par les postes de distribution
publique HT/MT ou MT/MT.
Ce schéma est particulièrement utilisé
pour la distribution de la MT en milieu
rural. En effet il permet facilement, et à
un moindre coût, d’accéder à des
points de consommation de faible
densité de charge (≈ 10 kVA) et
largement répartis géographiquement
(≈ 100 km2).
Très souvent un schéma radial est lié à
une distribution de type aérien.
Ses points forts et faibles sont résumés
dans le tableau de la figure 10.
Schéma boucle ouverte
Il est aussi appelé coupure d’artère.
Son principe de fonctionnement est à
deux voies d’alimentation. Ceci signifie
que tout point de consommation sur
cette structure peut être alimenté par
deux chemins électriques possibles,
sachant qu’en permanence seul un de
ces deux chemins est effectif, le
technologie
points forts
points faibles
radiale
■
simplicité.
■ exploitation.
■ coûts d'installation.
■
boucle ouverte
■
simplicité.
qualité de service
■
■
qualité de service.
exploitation avec les manœuvres
plus nombreuses.
■ coûts d'installation.
fig. 10 : tableau comparatif des deux schémas de base de réseaux MT.
poste HT/MT
transformateurs HT/MT
schéma radial
schéma en boucle ouverte
chemin d'alimentation de tous les postes sauf le n°1
transformateur
MT/BT
chemin
d'alimentation
du poste n°1
transformateurs
MT/BT
poste n°1
transformateur
MT/BT
point d'ouverture
de boucle
transformateur
MT/BT
fig. 9 : les deux schémas de base d’un réseau de distribution MT, radial (ou en antenne) et en boucle ouverte (ou coupure d’artère).
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.11
secours étant réalisé par cette
possibilité de bouclage. Dans un tel
schéma , il y a toujours un point
d’ouverture dans la boucle (d’ou le nom
de boucle ouverte aussi utilisé pour
cette solution), ce qui revient à un
fonctionnement équivalent à deux
antennes.
Le schéma unifilaire-type est
évidemment une boucle sur laquelle
sont connectés les points de
consommation (cf. fig. 9) qui peuvent
être des postes de distribution publique
MT/BT, et/ou des postes de livraison
pour un abonné en MT. Chaque point
(entre 15 et 25 points par boucle) est
raccordé sur la boucle par deux
interrupteurs MT. Tous ces
interrupteurs sont fermés, excepté l’un
d’eux qui constitue le point d’ouverture
de la boucle et définit le chemin
d’alimentation pour chaque point de
consommation. Ce point d'ouverture
peut être déplacé dans la boucle, en
particulier lors des manœuvres de
reconfiguration de réseau faisant suite à
un défaut.
Très souvent ce schéma est associé à
une distribution de type souterrain.
Il est typiquement utilisé en milieu
urbain à forte densité, avec les points
forts et faibles décrits dans le tableau
de la figure 10.
Schéma double dérivation
Ce schéma peu utilisé est
essentiellement exploité dans la région
parisienne par EDF, il est présenté par
la figure 11.
Le principe mis en œuvre est le
suivant :
■ le réseau MT est dédoublé, il comporte
deux circuits A et B normalement en
permanence sous tension,
■ tout poste MT/BT
■ est raccordé sur les deux câbles MT
(«A» et «B»), mais n’est effectivement
connecté qu’à un seul câble
(interrupteur MT fermé sur le câble
«A»),
■ est équipé d’un automatisme local
simple,
■ en cas de défaut sur le câble «A»,
l’automatisme détecte l’absence de
tension sur ce câble, vérifie la présence
d’une tension sur le câble «B» et donne
alors des ordres d’ouverture pour un
interrupteur MT puis de fermeture pour
l’autre interrupteur MT.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.12
les schémas des liaisons à
la terre du neutre
Le choix du schéma des liaisons à la
terre du neutre (ou régime du neutre
MT) définit entre autres les valeurs des
surtensions et des courants de défaut
qui pourront exister sur un réseau dans
le cas de défaut à la terre. Il faut
remarquer que ces deux paramètres
sont antinomiques, à savoir que
l’obtention d’une faible valeur de
courant entraîne le risque d’une
surtension élevée, et réciproquement.
Ces valeurs imposeront alors les
contraintes électriques que devront
tenir les matériels électrotechniques.
Mais par ce choix du schéma de
liaison, simultanément, sont
sélectionnées les solutions possibles
pour la protection du réseau électrique,
et influencées les méthodes
d’exploitation.
Les cinq schémas utilisés dans le
monde en MT
Là encore, il n’existe pas un schéma
type des liaisons à la terre du neutre.
Cependant, il est possible de
rassembler, selon cinq écoles, tous les
cas rencontrés à travers le monde
(cf. fig. 12) :
■ neutre direct à la terre et distribué,
■ neutre direct à la terre et non
distribué,
■ neutre mis à la terre via une
impédance,
■ neutre mis à la terre via un circuit
accordé,
■ neutre isolé de la terre.
Comme il a déjà été dit, aucune de ces
écoles ne s’impose dans le monde :
certaines solutions sont spécifiques à
des pays, et différentes écoles peuvent
exister dans un même pays, voire
même au sein d’un même distributeur
d’électricité.
poste
HT/MT
poste
HT/MT
circuit "A"
circuit "B"
U
arrivée
"A"
1
arrivée
"B"
1
réseau
alimenté
par...
1
0
0
tf
tf
0
A
t f = 5 ou 25 s
fig. 11 : schéma de distribution en double dérivation, utilisé par EDF - France.
Dans l’encadré, séquence de l’automatisme d’un permutateur Merlin Gerin,
conforme aux spécifications EDF - France.
B
A
t
Mais in fine, le choix d’un schéma de
liaisons à la terre du neutre en MT est
toujours le résultat d’un compromis
entre les coûts d’installation et
d’exploitation.
La différenciation entre ces cinq
écoles
Il a été dit précédemment que le choix
du schéma des liaisons à la terre du
neutre influence la performance du
réseau et la conception de son plan de
protection. En effet les principales
différences des cinq écoles sont dans
le comportement du réseau en situation
de défaut à la terre.
Ces différences se traduisent
concrètement au niveau :
■ de la facilité de détection de ces
défauts,
■ du degré de sécurité atteint pour les
personnes,
■ de l’impact sur la tenue des matériels
électrotechniques.
A distinguer cependant, le schéma à
neutre distribué qui permet une
distribution en monophasé. Cette
possibilité peut se justifier dans certains
pays pour un objectif de coût
d’installation moindre. Cependant les
dispositifs de protection plus complexes
imposent une maintenance plus
contraignante.
Indépendamment de ce cas particulier,
le tableau de la figure 13, synthèse des
points forts et faibles de ces écoles,
explicite pourquoi aucune de ces
écoles ne s’impose dans le monde.
le plan de protection
La structure électrique d’un pays
correspond à un ensemble de réseaux
électriques.
Un réseau électrique peut lui-même
être décomposé en zones.
Chacune de ces zones est
généralement protégée par un
disjoncteur en association avec des
dispositifs de détection (capteur de
mesure : transformateur de courant, de
potentiel,..), de protection et de
contrôle-commande (relais de
protection), et de déclenchement
(actionneurs).
L’ensemble de ces éléments constitue
une chaîne de protection (cf. fig. 14)
qui assure l’élimination de la partie
défaillante du réseau en cas de défaut.
école
pays
Australie
Canada
Espagne
France
Japon
Allemagne
neutre distribué
et mis à la terre
en de nombreux
points
neutre mis
directement
à la terre et
non distribué
neutre mis
à la terre
via une
impédance
neutre mis à
la terre via un
circuit accordé
neutre isolé
de la terre
■
■
■
■
■
■
■
■
■
fig. 12 : les différents schémas de liaison à la terre du neutre en MT , et leur
application dans le monde.
écoles du neutre MT
points forts
points faibles
direct à la terre et
distribué
autorise la distribution
en monophasé ou
triphasé
■ nécessite de nombreuses prises
de terre de bonne qualité (sécurité)
■ impose un plan de protection
complexe
■ provoque des courants
élevés de défaut à la terre
direct à la terre et
non distribué
facilite la détection
des défauts à la terre
provoque des courants élevés
de défaut à la terre
isolé
limite les courants
des défauts à la terre
crée des surtensions
accordé
favorise l’auto-extinction
du courant des défauts
à la terre
nécessite des
protections complexes
limite les courants
des défauts à la terre
nécessite des protections plus
complexes
réduit les surtensions
provoque des courants de défaut
à la terre plus élevés
impédant
(comparé au neutre
direct à la terre)
(comparé au neutre
isolé de la terre)
fig. 13 : une synthèse des points forts et faibles des cinq écoles de liaisons à la terre du
neutre en MT.
capteur
de
mesure
unité
de
protection
actionneur
organe
de
coupure
réseau électrique
fig. 14 : la chaîne de protection MT,
et la photographie d’un SF Set (Merlin Gerin), un exemple d’intégration complète.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.13
Son rôle est d’assurer la sécurité en
protégeant contre les défauts
d’isolement entre phases ou entre
phase-terre, et contre les surcharges
prolongées. En particulier, la chaîne de
protection doit réduire les
conséquences d’un défaut de courtcircuit, à savoir les risques d’incendie,
d’explosion, de détérioration
mécanique, ...
Le plan de protection d’un réseau est
l’ensemble de ces chaînes de
protection, intégrant les matériels mis
en œuvre, mais aussi l’organisation du
fonctionnement entre eux. Cette
organisation du plan de protection, y
compris les temps de déclenchement
des disjoncteurs associés, définit la
durée maximale de passage des
courants de défaut aux différents points
du réseau électrique.
L’efficacité d’un plan de protection
dépend de plusieurs critères : la
fiabilité, la sélectivité, la rapidité, la
sensibilité, l’évolutivité.
La fiabilité
Ce critère situe le niveau de qualité en
ce qui concerne la sécurité des
personnes et des biens, en particulier
face aux dangers d’électrocution par
élévation du potentiel des masses. De
fait, bien qu’une unité de protection soit
rarement sollicitée, lors d’un défaut elle
doit agir efficacement, et ce durant de
nombreuses années. Ce critère affecte
directement la performance du réseau,
ainsi par exemple toute interruption de
la distribution doit être “justifiée” car elle
provoque une perte d’exploitation pour
les abonnés… et pour le distributeur.
La sensibilité
Ce critère a également une signification
en terme de sécurité et d’économie : il
traduit la facilité de détecter de faibles
courants de défauts sans être sensible
aux phénomènes transitoires dûs au
réseau (manœuvres) ou aux effets
électromagnétiques environnants, donc
avant l’existence d’un risque pour les
personnes et les biens, et cela sans
déclenchement intempestif.
La sélectivité
Ce critère est surtout pris en compte
sur le plan économie d’exploitation,
puisqu’il indique dans quelle mesure il
est possible de maintenir en service le
maximum du réseau lorsqu’un de ses
éléments est affecté d’un
fonctionnement anormal.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.14
Dans la pratique il conduit à éliminer
cet élément défectueux et seulement
celui-ci (cf. annexe 2 : les différentes
techniques de sélectivité).
La rapidité
Ce critère a, comme le précédent, une
incidence économique : il permet de
limiter les dégâts dûs aux arcs
électriques et aux courants de courtcircuit, en particulier il réduit les risques
d’incendie et les coûts de réparation.
L’évolutivité
Ce critère qui intéresse essentiellement
le distributeur indique le niveau prévu
d’évolutions (possibilités et facilités)
pour le plan de protection en fonction
des modifications de la topologie du
réseau.
Parmi tous ces critères, la sélectivité
est celui qui conduit à des solutions
techniques plus particulières selon les
pays. Elles dépendent de deux choix
initiaux des distributeurs d’énergie :
■ celui du schéma de liaison du neutre
à la terre, à partir duquel sont
notamment définies les protections
contre les défauts à la terre
(cf. § précédent) ;
■ et celui du principe de sélectivité dont
le plus usité, appelé sélectivité ampèrechronométrique, repose sur une
association de la valeur du courant de
défaut (sélectivité ampèremétrique) à
une valeur du temps de déclenchement
(sélectivité chronométrique). Mais sur
un même réseau plusieurs techniques
peuvent coexister, en Afrique du Sud
par exemple l’E.S.C.O.M. utilise sur un
même réseau de la sélectivité ampèrechronométrique, de la différentielle de
ligne entre les postes HT/MT et les
postes MT/MT et de la différentielle
pour les transformateurs HT/MT. Enfin,
la technique de sélectivité de distance
est principalement utilisée par les
distributeurs allemands.
le plan de
contrôle-commande
Sous le terme de contrôle-commande
sont regroupés tous les éléments liés à
l’exploitation des réseaux.
Un plan de contrôle-commande définit
l’ensemble de ces éléments et
l’organisation de leur fonctionnement
relatif. En cela le plan de contrôlecommande d’un réseau doit permettre
à l’exploitant (le distributeur) de tenir
compte des trois situations :
■ en exploitation normale,
■ en situation de défaut,
■ en maintenance (hors et sous
tension).
Enfin les outils d’exploitation mis en
œuvre dans ce plan vont fortement
contribuer à la qualité de service
obtenue. Ces outils vont du bouton
poussoir de commande d’un appareil
MT jusqu’au centre de conduite du
réseau MT, de l’ampèremètre sur une
cellule MT au relevé automatique de
courbe de charge à distance d’un
départ MT, etc...
4. la distribution publique MT
Ce chapitre est un rappel des principaux
postes installés sur les réseaux MT, et des
principales technologies utilisées au niveau
des matériels MT. Il se termine par deux
schémas illustrant plus concrètement leurs
applications.
Le poste MT/BT en distribution
publique
Localisé entre le réseau de distribution MT
et le réseau de distribution BT, cet ouvrage
assure le passage de la MT (≈ 10 kV) à la
BT (≈ 100 V).
Le schéma type de ce poste (cf. fig. 15)
est évidemment beaucoup plus simple
poste HT/MT
arrivées HT
les postes sur les réseaux MT
Un poste ou ouvrage est une entité
physique définie par sa localisation et ses
fonctionnalités dans les réseaux
électriques.
La vocation d’un poste est avant tout
d’assurer la transition entre deux niveaux
de tension et/ou d’alimenter l’utilisateur
final.
Le poste HT/MT en distribution publique
Cet ouvrage est présent dans toute
structure électrique d’un pays ; il est situé
entre le réseau de répartition et le réseau
de distribution MT.
Sa fonction est d’assurer le passage de la
HT (≈ 100 kV) à la MT (≈ 10 kV).
Son schéma type (cf. fig. 15) comporte
deux arrivées HT, deux transformateurs
HT/MT, et de 10 à 20 départs MT. Ces
départs alimentent des lignes en aérien et/
ou des câbles en souterrain.
transformateurs HT/MT
disjoncteur de
couplage MT
départs MT aériens et/ou souterrains
poste MT/MT
arrivées MT
Le poste MT/MT en distribution
publique
Cet ouvrage peut réaliser deux fonctions :
■ assurer la démultiplication des départs
MT en aval des postes HT/MT (cf.
fig. 15) . Dans ce cas, le poste ne
comporte aucun transformateur. Il est
constitué de deux arrivées MT et de 8 à 12
départs MT. Ce type de poste est présent
dans quelques pays, comme l’Espagne, la
Belgique, l’Afrique du sud.
■ assurer le passage entre deux niveaux
MT. De tels postes MT/MT intègrent des
transformateurs. Ils sont nécessaires dans
certains pays qui utilisent deux niveaux
successifs de tension sur leur réseau MT,
c’est le cas par exemple de la GrandeBretagne où le réseau MT est décomposé
en deux niveaux avec le 11 kV et le 33 kV.
Leur schéma type s’apparente à celui du
poste HT/MT.
départs MT aériens et/ou souterrains
poste MT/BT
arrivées MT
protection du
transformateur MT/BT
départs BT
poste de
livraison pour
un abonné MT
arrivées
MT
protection générale
et comptage MT
départs privés :
MT
BT
fig. 15 : différents types de schéma de postes utilisés sur les réseaux de distribution publique.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.15
que celui des ouvrages précédents. En
particulier, l’appareil de base MT utilisé
est l’interrupteur et non plus le disjoncteur.
Ces postes sont constitués de quatre
parties :
■ l’équipement MT pour le
raccordement au réseau amont,
■ le transformateur de distribution
MT/BT,
■ le tableau des départs BT comme
points de raccordement du réseau aval
de distribution (en BT),
■ et de plus en plus souvent une
enveloppe extérieure préfabriquée
(métallique ou de plus en plus souvent
en béton) qui contient les éléments
précédents.
Le poste de livraison à un abonné
HT ou MT
Ces ouvrages assurent le passage de
la distribution publique à la distribution
privée. Ils permettent le raccordement
■ au réseau de répartition HT d’un
abonné à grande consommation
(≈ MVA) via un poste HT/MT,
■ au réseau de distribution MT d’un
abonné à moyenne consommation
(≈ 100 KVA) via un poste MT/BT.
Le choix de la tension de raccordement
au réseau de distribution publique pour
un abonné dépend essentiellement de :
■ la qualité du réseau BT, en particulier
de sa limite en puissance (tenues
électriques) ;
■ la politique du distributeur, en
particulier de la tarification qu’il
propose, car pour l’abonné elle définit
l’intérêt économique de l’énergie
électrique, en concurrence avec les
autres sources d’énergie : fuel, gaz, ...
Dans la pratique, c’est la puissance
souscrite par l’abonné qui définit le
raccordement en BT ou en MT, avec
des valeurs fort différentes selon les
pays. Ainsi en France un abonné est
alimenté en MT à partir de 250 kVA,
alors qu’en Italie ce seuil est plus
proche de quelques dizaines de kVA.
A l’inverse, il est élevé aux Etats-Unis où
appareil MT sectionneur
fonction
sectionnement
■
commande
protection
un client peut être alimenté en BT jusqu’à
2 500 kVA.
Dans le cas des abonnés livrés en HT, le
schéma du poste est conçu
spécifiquement. Mais si l’abonné est
alimenté en MT, un schéma type peut
être proposé (cf. fig. 15). Cependant,
l’installation d’un tel poste est évidemment
liée à un accord du distributeur qui peut
avoir des spécificités propres (comptage,
conditions d’exploitation, ...).
autres ouvrages MT
En dehors des postes déjà cités, il
existe d’autres ouvrages MT situés
principalement sur les réseaux aériens.
Souvent monofonction, ils sont destinés
:
■ soit à la protection, c’est le cas des
fusibles et des reclosers (cf. lexique).
■ soit à l’exploitation, c’est le cas des
interrupteurs télécommandés.
L’interrupteur MT télécommandé entre
dans le cadre de la téléconduite des
réseaux. Il permet les opérations de
reconfiguration rapides sans
déplacement de l’exploitant.
l’appareillage MT (cf. annexe 1)
L’appareillage MT permet de réaliser
les trois fonctions de base suivantes :
■ le sectionnement qui consiste à isoler
une partie d’un réseau pour y travailler
en toute sécurité,
■ la commande qui consiste à ouvrir ou
fermer un circuit dans ses conditions
normales d’exploitation,
■ la protection qui consiste à isoler une
partie d’un réseau en situation
anormale.
Il se présente essentiellement sous
trois formes :
■ d’appareils en séparé (cf. fig. 16)
(fixés directement sur un mur et
protégés d’accès par une porte
grillagée),
■ d’enveloppes métalliques (ou
cellules MT) contenant ces appareils,
interrupteur
■
disjoncteur
■
■
interrupteursectionneur
■ de tableaux MT qui sont des
associations de plusieurs cellules.
L’utilisation des appareils en séparé est
de plus en plus rare ; seuls quelques
pays, tels la Turquie ou la Belgique,
utilisent encore cette technologie.
Parmi tous les appareils existants, deux
sont plus particulièrement utilisés dans
l’appareillage MT, il s’agit du
disjoncteur et de l’interrupteur. Ils sont
presque toujours complétés par
d’autres appareils (unités de protection
et contrôle-commande, capteurs de
mesure,…) qui composent leur
équipement associé.
■ disjoncteur MT
Cet appareil, dont la fonction principale
est la protection, assure également la
fonction commande, et suivant son type
d’installation le sectionnement
(débrochable, cf. lexique).
Les disjoncteurs MT sont presque
toujours montés dans une cellule MT.
■ interrupteur MT
Cet appareil, dont la fonction principale
est la commande, assure aussi souvent
la fonction sectionnement. De plus, il
est complété de fusibles MT pour
assurer la protection des
transformateurs MT/BT (30% des
utilisations des interrupteurs MT).
En ce qui concerne les cellules MT,
leurs enveloppes métalliques sont
spécifiées par la publication CEI 298
qui distingue quatre types
d’appareillage, chaque type
correspondant à un niveau de
protection contre la propagation d’un
défaut dans la cellule.
Cette protection réalisée par un
cloisonnement de la cellule prévoit trois
compartiments de base (cf. fig. 17) :
■ le compartiment appareillage
contenant l’appareil (disjoncteur MT,
interrupteur MT,…),
■ le compartiment jeu de barres MT
pour les liaisons électriques entre
plusieurs cellules MT regroupées en
tableaux,
disjoncteur
débrochable
■
■
■
■
■
fusible
■
fig. 16 : les différentes fonctions des appareils MT utilisés en distribution publique (les contacteurs sont essentiellement utilisés dans l’industrie).
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.16
raccordement et mesure
transformateur de mesure
contrôle
appareillage
disjoncteur
Le tableau de la figure 18 situe les
appareillages les plus fréquemment
utilisés en fonction des types de poste,
alors que le tableau de la figure 19
montre la situation actuelle et les
différentes tendances des techniques
utilisées pour la coupure en MT
Cette technologie est également
employée pour les interrupteurs sous la
forme de RMU (Ring Main Unit). Elle
permet d’assurer les trois fonctions
type d’un poste MT/BT raccordé sur un
réseau en coupure d’artère (deux
interrupteurs de raccordement au
réseau plus un interrupteur-fusible ou
un disjoncteur en protection du
transformateur MT/BT).
arrivée
départ
jeu de
barres
fig. 17 : les différents compartiments d’une
cellule MT, sous enveloppe métallique, et
leurs principaux éléments.
le compartiment raccordements aux
câbles MT, souvent prévu pour recevoir
les capteurs de mesure.
Souvent un quatrième compartiment
complète cet ensemble, il s’agit du
compartiment contrôle
(ou caisson BT) qui contient les unités
de protection et de contrôlecommande.
En plus de cette classification il y a lieu
de noter la distinction entre Fixe et
Débrochable (cf. lexique) qui s’applique
à l’appareil et à la cellule MT. Cette
distinction liée à la facilité d’exploitation
(fonction du temps d’intervention pour
changer un appareil), n’intervient
qu’indirectement dans la notion de
sécurité du réseau.
Pour réaliser les cellules MT les quatre
types d’appareillage définis par la
CEI 298 sont :
■ l’appareillage BLOC avec des
compartiments plus ou moins distincts ;
■ l’appareillage COMPARTIMENTE
dont seule l’enveloppe extérieure est
obligatoirement métallique, a les trois
compartiments réalisés par des
cloisons métalliques ou isolantes ;
■ l’appareillage BLINDE a aussi les
compartiments distincts mais avec des
cloisons obligatoirement métalliques ;
■ l’appareillage GIS (Gas Insulated
Switchgear) qui est hermétiquement
clos et dans lequel les compartiments
n’ont plus un rôle prépondérant de
sécurité. Le GIS incorpore
essentiellement des disjoncteurs.
■
poste HT/MT
public
MT/MT
public
appareillage
MT/BT
public
grillagé
(appareil séparé)
HT/MT
abonné
I
MT/BT
abonné
I
bloc
D ou I
I
D
I ou D
compartimenté
D ou I
I
D
I ou D
blindé
D
GIS
D
D
D
D
RMU
I
I = avec interrupteur
I
D = avec disjoncteur
fig. 18 : les principales applications des appareillages MT.
air
interrupteur MT
disjoncteur MT
huile
■
■
SF6
vide
■
■
■
■
■
■
■
■
■
fig. 19 : les techniques de coupure des appareils MT, leur importance relative et l’évolution de
leur emploi.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.17
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.18
Pour obtenir un degré de sécurité des
personnes satisfaisant, il est
nécessaire d’inclure de nombreux
appareils MT (Fusibles, Reclosers,
Sectionalisers, cf. lexique). Cependant,
dans certains cas, l’appareillage de
protection est réduit à des fusibles de
type cut-out (cf. lexique),
l’investissement financier est alors
poste HT/MT
transformateur
HT/MT
disjoncteur triphasé
à réenclenchement
automatique
distribution aérienne MT
trois phases, neutre non distribué
n
tio
dériva
IACM : interrupteur
triphasé aérien à
commande manuelle
IACM
IACM
MT/BT
IACM
IAT : interrupteur
triphasé
aérien télécommandé
nci
pa
le
IAT
pri
MT/BT
re
Le schéma unifilaire aérien de l’EDF
(France) (cf. fig. 20)
Ce schéma met en application les
principes suivants :
■ au poste HT/MT, mise à la terre du
point neutre par une impédance limitant
le courant de défaut phase-terre à
300 A sous 20 kV,
■ lignes MT triphasées, neutre non
distribué,
■ schéma radial (en antenne).
Un tel concept permet de détecter au
niveau des départs MT, dans le poste
HT/MT, tous les défauts à la terre, et
cela sans aucun autre organe de
protection MT en aval de ce poste.
Il en découle un plan de protection et
contrôle-commande facile à concevoir,
à exploiter et à faire évoluer.
La sécurité des personnes est assurée
au mieux.
Cependant la qualité de service
obtenue est moyenne par le fait que
chaque départ MT, au niveau du poste
HT/MT, est assujetti à une seule
protection : en cas de déclenchement
de cette protection, tout le réseau situé
en aval de ce départ MT est mis hors
tension.
Des solutions existent pour pallier ce
point faible. Elles reposent sur
l’utilisation de matériels
complémentaires tels les interrupteurs
télécommandés aujourd’hui, et les
disjoncteurs réenclencheurs en réseau
demain.
Le schéma unifilaire aérien NordAméricain. (cf. fig. 21)
Cette conception est quelquefois
présente dans des pays sous influence
Nord-américaine
(ex : Tunisie).
Elle repose sur les principes suivants :
■ distribution maximale en MT, en
limitant la longueur des départs BT
pour réduire les pertes ;
■ distribution du neutre MT avec une
mise à la terre régulière (ex : tous les
300 mètres) ;
atu
Ces deux exemples typiques sont
proposés pour illustrer concrètement
les éléments présentés dans ce
chapitre et mettre en évidence la
diversité des solutions à travers le
monde. Et bien sûr, d’autres schémas
existent, même dans ces deux pays.
■ lignes MT triphasées sur l’ossature
principale, avec dérivations en triphasé,
biphasé ou monophasé pour les
branchements MT/BT.
Un tel concept réduit les coûts des
lignes, les pertes et les surtensions
dues aux défauts. Mais il nécessite une
grande qualité des mises à la terre du
neutre.
IACM
oss
un schéma français, et un
schéma nord-américain
MT/BT
MT/BT
IAT
fig. 20 : schéma de distribution aérienne MT (EDF - France).
transformateur
MT/BT
limité, mais au détriment de la
performance et de la sécurité (risque
d’incendie).
La conception du plan de protection et
contrôle-commande est complexe au
niveau de la sélectivité entre les
différents organes de protection.
De même, l’exploitation et la
maintenance de tels réseaux sont plus
contraignantes que pour les réseaux
réalisés selon le schéma de l’EDF :
■ un personnel très qualifié (entretien
de l’appareillage, réglage des
protections,...) est nécessaire,
■ des stocks importants en rechanges
(différents calibres de fusibles,...)
doivent être prévus.
Cette solution se justifie surtout dans
des pays de très grande superficie et
d’une densité de charge faible (ex :
Etats-Unis et Canada en milieu rural).
poste HT/MT
transformateur HT/MT
disjoncteur
(3 monophasés indépendants
ou 1 triphasé)
conducteur de neutre
distribution aérienne MT
ossature principale : trois phases et neutre,
dérivation : mono, bi, ou triphasée, avec neutre
deux fusibles en protection de
dérivation (2 phases + neutre)
recloser : disjoncteur aérien
(3 monophasés ou 1 triphasé)
à réenclenchements multiples
tion
dériva
transformateur MT/BT (voir
encadré ci-dessous)
Nb
MT/BT
sectionaliser
MT/BT
poste de transformation
nord-américain MT/BT
Nb
MT
os
sa
tur
ep
rin
cip
a
le
MT/BT
Nb
MT/BT
BT
BT
fig. 21 : schéma (détaillé par phase) de distribution MT aérienne nord-américaine.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.19
5.protection et contrôle-commande des réseaux MT
L’avènement des technologies
numériques à base de
microprocesseurs a considérablement
modifié les solutions utilisées pour la
conception des plans de protection et
contrôle-commande. Ce chapitre
présente les dernières évolutions et
envisage quelques perspectives
d’avenir de ces fonctions de plus en
plus complexes exploitées sur les
réseaux MT. Il montre aussi
l’importance de la nouvelle discipline
qu’est la compatibilité
électromagnétique (CEM).
les technologies des unités
de protection MT
Une unité de protection, ou relais MT
(cf. annexe 1), a pour mission :
■ de surveiller en permanence les
divers paramètres d’une partie d’un
réseau (ligne, câble ou transformateur),
■ d’agir en situation anormale,
■ et de plus en plus de transmettre des
informations pour l’exploitation du
réseau.
Enfin dans les années 80, la
technologie numérique a permis grâce
à la puissance de traitement des
microprocesseurs, de réaliser des
unités de traitement de l’information
(cf. fig. 22) qui peuvent :
■ assurer globalement les diverses
protections,
■ remplacer le relayage (automatisme)
de la cellule,
■ fournir à l’exploitant la mesure des
paramètres électriques.
Ces unités à vocation étendue sont :
■ flexibles (le choix des protections se
fait par une simple programmation),
■ paramétrables (choix de réglages
étendu),
■ fiables (elles sont équipées d’autosurveillance ou chien de garde et
d’auto-test),
■ économiques (leur câblage et leur
temps de mise en œuvre sont réduits).
Elles permettent en outre de réaliser,
grâce à des algorithmes performants et
à leurs communications numériques,
des fonctions supplémentaires telles
que la sélectivité logique.
Pour cela elle analyse les valeurs des
grandeurs électriques qui lui sont
fournies par les capteurs de mesure, et
donne les ordres de fonctionnement
aux circuits de déclenchement.
Profitant de cette capacité à
communiquer, une véritable conduite
de réseau (similaire à la gestion
technique d’une installation industrielle)
est maintenant réalisable.
Longtemps limitées à la technologie
électromécanique, les unités de
protection MT connaissent aujourd’hui
une évolution fondamentale avec
l’utilisation des microprocesseurs.
Dans le domaine des capteurs, et
particulièrement de courant, la
tendance à employer des capteurs à
large bande de mesure à la place des
transformateurs d’intensité (1 ou 5 A)
s’affirme. De tels capteurs conçus par
l’application du principe de Rogowski
(capteur amagnétique) sont
commercialisés. Il apportent aux
distributeurs des solutions optimisées
(réduction des variantes et facilité de
choix) et largement plus performantes
(meilleure linéarité de la courbe de
réponse) que les transformateurs
traditionnels.
Ainsi les matériels disponibles à ce jour
reposent sur les trois technologies :
électromécanique, analogique et
numérique. La plus ancienne est la
technologie électromécanique, les
relais sont simples et spécialisés
(contrôle du courant, de la tension, de
la fréquence,…) mais d’une faible
précision, leurs réglages sont
susceptibles de dérive dans le temps.
La technologie électronique analogique
(transistor) plus récente a apporté la
précision et la fidélité.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.20
fig. 22 : SEPAM, une unité de protection et
contrôle-commande et ses trois capteurs
amagnétiques (Merlin Gerin).
la compatibilité
électromagnétique
les applications du
contrôle-commande en MT
La CEM se définit comme la capacité
d’un dispositif, équipement ou système,
à fonctionner de manière satisfaisante
dans son environnement
électromagnétique sans influencer cet
environnement ; cet environnement
pouvant inclure d’autres dispositifs plus
ou moins sensibles.
Avec le développement des techniques
numériques et la nécessaire
cohabitation des matériels MT (tension
et intensité de valeurs élevées tout
particulièrement lors de leurs
manœuvres) et des dispositifs de
protection et contrôle-commande à
base d’électronique (faible niveau de
tension et forte sensibilité aux
radiations électromagnétiques),
Merlin Gerin a dû, pour développer ses
nouveaux produits, approfondir puis
mettre en application cette discipline
qu’est la CEM. De plus, pour satisfaire
les exigences des distributeurs (sûreté
de fonctionnement), il a été nécessaire
de réaliser des tests plus contraignants
que ceux définis par les récentes
normes actuellement en vigueur
(cf. annexe 1) qui précisent les limites
de perturbations acceptables :
■ Ainsi pour les appareils de mesure, la
norme CEI 801-3 préconise des essais
sur la bande de fréquences
27 MHz - 500 MHz et trois niveaux de
sévérité (1, 3, 10 V/m) alors que les
conditions de test dans les laboratoires
Merlin Gerin sont bien plus sévères : la
gamme de fréquences couvertes
s’étend de 10 kHz à 1 GHz ; de plus,
de 27 MHz à 1 GHz les appareils
peuvent y être testés à des champs
atteignant 30 V/m. (voir aussi le Cahier
Technique Merlin Gerin n°149)
■ Et pour les matériels MT, certains
tests sont réalisés sur des tableaux
complets (appareillage MT et unité de
protection) en situation réelle
d’exploitation.
Mais bien que la CEM soit prise en
compte dans toutes les phases de
développement et de fabrication des
appareils, pour réaliser un équipement
parfaitement opérationnel, elle doit
aussi être appliquée dans les phases
d’installation et de câblage sur site.
Vers une exploitation centralisée
La téléconduite est le regroupement en
un ou quelques points de tout ce qui
est nécessaire au contrôle-commande
à distance d’un réseau MT (cf. fig. 23).
Ces points de regroupement sont des
postes de conduite fixe ou mobile
(embarqués dans un véhicule). Ils sont
aussi appelés, selon les distributeurs,
centre de conduite, dispatching ou
SCADA (supervisory control and data
acquisition).
Pour tenir compte des besoins
spécifiques à la conduite des réseaux
de distribution MT, ces centres de
poste mobile
de conduite
conduite sont différents de ceux utilisés
sur les réseaux de transport et de
répartition. La multiplicité et la
dispersion géographique des points de
téléconduite, la gestion de plusieurs
centres de conduite simultanés, le
nombre et la qualification des
exploitants nécessitent des solutions
adaptées :
■ ergonomie et convivialité des postes
de travail,
■ outils d’aide à la conduite,
■ outils de configuration (cf. lexique)
des centres de conduite,
■ gestion des différents supports de
transmission utilisés.
Dans la pratique le terme téléconduite
englobe les fonctions de
ondes radio
réseau téléphonique commuté
centre fixe
de conduite
ondes
radio
réseau téléphonique
(ligne spécialisée)
réseau
téléphonique
commuté
poste HT/MT
poste MT/BT
appareil aérien MT
fig. 23 : exemple de téléconduite d’un réseau MT, avec les différentes liaisons nécessaires aux
échanges d’informations.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.21
télésignalisation, télésurveillance,
télémesure, et télécommande. Ces
fonctions peuvent se répartir en deux
groupes liés au sens de transmission
entre l’exploitant et le réseau :
■ télésurveillance, des appareils vers
l’exploitant (cf. fig. 24)
■ télécommande, de l’exploitant vers
les appareils.
La télésurveillance
Pour sa part, elle
regroupe les
signalisations de position des différents
appareils MT, leur déclenchement
éventuel sur défaut, la mesure des
consommations instantanées ou
pondérées dans les différentes parties
du réseau électrique, et toute autre
information permettant de connaître
l’état, à jour, du réseau. Elle permet par
exemple, d’imprimer automatiquement
(consignation) et en continu (au fil de
l’eau), sur occurrence ou
temporellement, tous les événements
nécessaires pour conduire le réseau en
temps réel, ou pour en effectuer une
analyse ultérieurement.
Toutes ces informations avec leur
mode de restitution, sont définies lors
de la conception du plan de contrôlecommande. En particulier les images
synoptiques sont créées en fonction de
l’installation réelle et des besoins de
l’exploitant. De plus, elles sont animées
en temps réel. Ainsi l’exploitant peut
visualiser :
■ les schémas d’exploitation (réseau
électrique, poste, cellule MT) ;
■ les états de l’installation (positions
des appareils MT, ...) ;
■ les valeurs des grandeurs
d’exploitation (courants, tensions,
puissances, ...) ;
■ les valeurs de réglage des
protections MT ;
■ le contenu détaillé des alarmes, avec
leur chronologie d’apparition ;
■…
téléconduite
=
télésurveillance
(transit d'informations)
télécommande
(transit d'ordres)
+
■
■
télésignalisation,
télémesure.
■ commande à distance
des appareils MT du réseaux,
■ changement à distance
des réglages.
fig. 24 : plusieurs fonctions, ici regroupées selon le sens de leurs transmissions entre
l’exploitant et le réseau, sont nécessaires pour réaliser la téléconduite.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.22
La télécommande
La commande à
distance de l’ouverture
et de la fermeture des appareils de
puissance est l’exemple élémentaire de
la télécommande. L’application pratique
en est les interrupteurs et disjoncteurs
MT télécommandés. D’autres actions
peuvent être télécommandées :
réglages, automatisme,…
Les ordres de télécommande doivent
être exécutés avec le maximum de
sûreté. Ce qui est obtenu par
l’utilisation d’un réseau de
communication performant permettant
de disposer des informations
nécessaires en temps réel. Ainsi un
ordre de manœuvre d’un appareil MT
est transmis via une télécommande
double (TCD), et confirmé par le retour
d’une télésignalisation double (TSD).
Les procédures de télécommande
intègrent également des demandes de
validation et de confirmation avant
l’exécution d’un ordre de manœuvre.
La téléconduite
Dans la distribution MT elle est une
source d’économies au niveau de
l’exploitation du réseau. En effet, sans
avoir à se déplacer, l’exploitant peut en
permanence contrôler et intervenir sur
le fonctionnement de son réseau. Un
exemple : suite à un défaut il est
possible de changer rapidement le
schéma d’exploitation du réseau afin de
rendre minimale la partie de réseau
non alimentée, et cela en consultant à
distance les indicateurs de localisation
de défaut (cf. lexique) installés en
différents endroits sur le réseau MT,
puis en agissant sur les interrupteurs
MT télécommandés. Il en résulte une
forte réduction de l’énergie non
distribuée, mais aussi une optimisation
de ce réseau avec les possibilités de
gérer au mieux la répartition des
charges.
La charge du réseau peut aussi faire
l’objet d’analyses.
En particulier à partir de la consignation
de la courbe de charge elles permettent
de vérifier et d’optimiser les
consommations d’énergie.
Enfin, pour une meilleure efficacité,
l’opérateur peut disposer rapidement
de l’information la plus pertinente par
un pré-traitement automatique tel une
opération de tri, de mise en forme
graphique, de calcul,...
Gestion automatique des sources
d’énergie
Cette gestion, dont l’objectif est
d’améliorer la qualité de service par la
continuité d’alimentation sur le réseau,
a pour principale application la
permutation entre les différentes
sources d’énergie électrique. Cette
application à base d’automatismes est
réalisée par les unités de
contrôle-commande.
La topologie en double dérivation
exploitée par l’EDF sur certains de ses
réseaux souterrains en est un exemple.
Les architectures de
contrôle-commande en MT
L’avènement des technologies
numériques a considérablement modifié
les solutions utilisées pour le contrôlecommande MT. En particulier, la facilité
de disposer d’unités de protection et
contrôle-commande numériques de
faible volume et d’un coût raisonnable
permet, avec une conduite
d’exploitation centralisée, d’utiliser
aujourd’hui des intelligences locales.
Cette évolution offre les avantages
suivants :
■ elle pallie les inconvénients d’une
intelligence concentrée en un seul point.
En effet une défaillance en ce point serait
catastrophique pour l’ensemble de
l’exploitation du réseau électrique.
■ elle offre l’avantage d’une meilleure
maintenabilité et d’une souplesse de
fonctionnement accrue.
Les réseaux électriques, quelque soit
leur schéma, se prêtent tout à fait à
cette évolution. Aussi, malgré la
diversité des méthodes d’exploitation,
est-il logique de voir se développer une
hiérarchisation des fonctions du
contrôle-commande MT.
Dans ce but, un plan de
contrôle-commande MT définit :
■ les fonctions à réaliser,
■ leur localisation hiérarchique,
■ et leur localisation géographique.
Il peut toujours être étudié selon quatre
niveaux (cf. fig. 25) :
■ niveau 0 : appareils MT et capteurs,
■ niveau 1 : protection et contrôlecommande d’une cellule MT,
■ niveau 2 : conduite locale d’un
ouvrage ou poste,
■ niveau 3 : téléconduite d’un
réseau MT.
(cf. application EDF en annexe 3).
nduite
rique
téléco seau élect
é
r
d’un
ale
ite loc
condu vrage
u
d’un o
ande
-comm
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io
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prote ellule MT
c
d’une
rs
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T et c
eils M
appar
fig. 25 : les différents niveaux hiérarchiques des fonctions du contrôle-commande MT.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.23
L'ensemble constitue une architecture
de contrôle-commande MT, dont le
fonctionnement repose sur de
nombreux échanges d’informations
entre les différents niveaux
hiérarchiques. Ces informations sont
essentiellement :
■ des télésignalisations,
■ des télémesures,
■ des télécommandes.
Leurs échanges peuvent avoir lieu en
permanence ou sur événement
(incident en réseau, ordre de
manœuvre,...) ; ils nécessitent des
réseaux de communication
performants.
les réseaux de
communication
Tous ces échanges sont regroupés
dans la fonction télétransmission
définie par les paramètres suivants :
■ son organisation,
■ ses supports matériels,
■ son protocole de communication.
L’ensemble de ces paramètres devant
permettre de garantir que tout message
émis est reçu correctement
(sans erreur).
L’organisation des
télétransmissions
La solution la plus simple est de faire
communiquer deux émetteursrécepteurs. Ce système est vite limité
dans ses applications car seuls deux
points sont reliés. Lorsque plusieurs
unités participent au contrôlecommande, la liaison point à point
devient insuffisante, d’où la notion de
multi-point. Dans ce cas, deux
organisations sont possibles :
■ maître-maître
Toutes les unités placées dans cette
organisation peuvent prendre l’initiative
de communiquer.
■ maître-esclave
L’unité de contrôle-commande de
niveau le plus élevé dans la hiérarchie
de l’architecture est généralement le
maître. Il est chargé de gérer toutes les
transmissions, pour cela il interroge
tous les esclaves à tour de rôle de
façon continue ou suite à un
événement. Les esclaves répondent
aux interrogations et exécutent les
instructions fournies par le maître.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.24
En ce qui concerne le
contrôle-commande des réseaux
électriques, l’organisation la plus
souvent utilisée et la plus sûre est celle
de type maître-esclave.
Quant à la transmission des données,
elle est de type série. Ceci signifie que
les informations codées en binaire (0/1)
sont envoyées les unes après les
autres sur un même support. Les
avantages de cette transmission sont
avant tout un câblage très simple et
une bonne immunité aux perturbations
extérieures.
Les supports matériels de
transmission
La transmission des informations
nécessite aussi de disposer d’un ou de
plusieurs supports matériels.
Dans le cas du contrôle-commande des
réseaux électriques, les supports
utilisés sont :
■ la paire filaire, le câble coaxial
(liaisons téléphoniques spécialisées ou
réseau téléphonique commuté national),
■ l’onde radio (faisceaux hertziens),
■ le câble d’énergie (cas des courants
porteurs sur ligne).
La fibre optique est encore en phase
expérimentale car, malgré son grand
avantage d’être insensible aux
perturbations de nature électrique, son
coût de mise en œuvre reste un frein
important. Quant aux liaisons par
courant porteur, elles ne sont utilisées
à ce jour qu’en gestion de charge des
réseaux, par exemple pour l’envoi des
signaux de changement tarifaire par
l’EDF et l’envoi d’ordres de délestage
aux Etats-Unis. Mais elles sont en
phase expérimentale pour d’autres
applications, par exemple le télérelevé
des compteurs d’énergie ou la
reconfiguration du réseau après un
défaut.
En fait, aucun support ne s’impose
aujourd’hui ; son choix dépend de
différents critères :
■ nombre d’informations à véhiculer,
■ fréquence (nombre et périodicité) des
échanges,
■ vitesse requise pour les échanges,
■ nature des informations,
■ distance de transmission,
■ relief du terrain (exemple : zone
montagneuse),
■ coût de l’information échangée.
En pratique un distributeur d’énergie
électrique utilise toujours différents
supports :
■ les lignes spécialisées (paire filaire)
pour le contrôle-commande des
ouvrages importants (poste HT / MT,
poste MT / MT ),
■ les liaisons radioélectriques ou
téléphoniques pour le contrôlecommande des ouvrages secondaires
(poste MT / BT et interrupteur MT
aérien télécommandés).
Les protocoles de transmission
Le protocole est le langage utilisé pour
échanger des informations entre les
différentes unités de protection et
contrôle-commande dans une
architecture. Il définit la structure des
messages échangés, tant pour la
demande d’information que pour les
messages de réponse. Ces protocoles
peuvent être propres à un constructeur
de matériels (ou à plusieurs
constructeurs) ou standardisés et
normalisés. En ce qui concerne la
distribution publique, dans le concept
d’architecture précédemment présenté
et qui se généralise, les distributeurs
s’efforcent de normaliser les protocoles
entre les niveaux 2 et 3. Par contre, les
transmissions internes aux
appareillages restent à l’initiative de
leurs constructeurs.
Dialoguer selon le protocole choisi
dans une architecture est une condition
sine qua non pour qu’un matériel
puisse s’intégrer à cette architecture.
6. conclusion
Le fait marquant résultant des
situations actuelles, reste la diversité
selon les pays :
■ diversité des schémas électriques et
de leur protection,
■ diversité des choix techniques de
base,
■ diversité des modes d’exploitation.
Cependant deux évolutions majeures à
long terme sont avancées par
l’ensemble des distributeurs :
l’évolution vers un système MT et
l’évolution vers la conduite automatique
des réseaux MT.
L’évolution vers un système MT
Comme il l’a été vu dans les pages
précédentes un réseau de distribution
électrique MT, est réalisé par
l’imbrication de deux réseaux :
■ le réseau d’énergie, dont l’objectif est
de véhiculer l’électricité vers les points
utilisateurs. Il est concrétisé par le
schéma unifilaire, et est constitué
d’appareils électrotechniques, de
transformateurs, de câbles,....
■ le réseau d’informations, dont
l’objectif est de traiter les données pour
obtenir la meilleure sécurité et
disponibilité globale de ce réseau
d’énergie. Concrétisé par les plans de
protection et contrôle-commande, ce
réseau est constitué d’unités de
protection et contrôle-commande, qui
associées entre elles par un réseau de
communication performant sont
réparties :
■ au niveau des appareils MT,
■ au niveau des ouvrages ou postes,
■ au niveau du réseau électrique
lui-même.
C’est ainsi que, de la conception à
l’exploitation d’un réseau électrique,
«l'Homme Moyenne Tension» devient
un «Homme Système».
l’objet d’expériences par des
distributeurs, par exemple TEPCO au
Japon.
Mais un frein à cette évolution future
est l’état des réseaux existants. En
effet, ceux-ci n’ont pas été conçus dans
une optique d’exploitation automatisée :
leurs schémas complexes et non
répétitifs ne facilitent pas une analyse
rationnelle.
Les distributeurs ont bien perçu cet
obstacle. Ainsi, dans leurs orientations
à long terme, la simplification et la
rationalisation des schémas des
réseaux apparaissent comme de
nouveaux objectifs, nécessitant des
investissements longs et coûteux.
Sans attendre cette future étape, ils
expérimentent en permanence des
solutions adaptées aux schémas
actuels de leurs réseaux MT.
De même, les constructeurs utilisent
les plus récentes technologies pour en
faire bénéficier les distributeurs.
Bien sûr, l’Homme devra toujours
garder la maîtrise de tels Systèmes. Et
alors que les traitements de
l’information nés de l’informatique
apportent déjà aux distributeurs
d’énergie un meilleur savoir et une
meilleure compréhension de leurs
réseaux électriques, les années futures
apporteront des solutions innovantes
qui contribueront à l’atteinte de l’objectif
principal : satisfaire les besoins des
consommateurs d’énergie électrique
avec une qualité de service optimale.
L’évolution vers la conduite
automatique des réseaux MT
Après les révolutions agricole et
industrielle, celle de la communication
crée de nouveaux besoins et de
nouvelles solutions et ce, de façon
irréversible. L’étape suivante sera
l’utilisation de systèmes experts pour
analyser et exploiter automatiquement
les réseaux. Cette évolution fait déjà
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.25
annexe 1 : quelques normes pour des produits MT
La diversité des matériels cités dans ce
Cahier Technique, ne permet pas
d’indiquer toutes les normes
internationales et/ou nationales qui les
concernent.
A titre d’exemple, voici quelques
normes :
■ relatives aux appareils de
coupure MT
CEI 56 et 694,
CEI 470 pour les contacteurs
UTE C 64-100 et C 64-101,
VDE 0670,
BS 5311,
ANSI C37-06 pour les disjoncteurs.
■ relatives aux Ring Main Unit
CEI 129, 265, 298, et 420,
UTE C 64-130, C 64-131, et C 64-400,
VDE 0670,
BS 5227,
■ relatives aux unités de protection
CEI 68,
CEI 255,
CEI 655,
NF C 20-455,
NF C 63-850.
relatives à la compatibilité
électromagnétique
■ concernant la susceptibilité aux
perturbations
CEI 801 - chapitres 1 à 4,
NF C 46-020 à 023 ;
■ concernant l’émission de
perturbations
EN 55 022,
NF C 91-022.
■
annexe 2 : les différentes techniques de sélectivité
rappel
les différentes techniques
Lorsqu’un défaut apparait sur un réseau
électrique, plusieurs organes de
protection situés dans différentes zones
peuvent détecter simultanément cette
anomalie.
La sélectivité du plan de protection
permet de faire fonctionner en priorité
l’organe qui est situé le plus près en
amont du défaut. Ainsi la coupure
d’alimentation est limitée à une zone
minimale du réseau.
Cependant, un plan de protection intègre
des redondances. Ainsi, dès la
conception de ce plan, il est prévu que si
un organe de protection n’agit pas
correctement, un autre organe placé en
amont de celui-ci devra réagir à son tour
pour limiter les conséquences du défaut.
Chacun de ces organes de protection
montés en cascade sur le réseau
constitue un étage de sélectivité.
Dans un réseau MT le nombre d’étages
de sélectivité entre les transformateurs
HT/MT et MT/BT est généralement limité
de 3 à 5 selon les pays. En effet, au
delà, la sécurité ne peut plus être
assurée car les temps de réaction et les
valeurs des courants de défaut
deviennent très dangereux.
Pour assurer cette sélectivité dans un
plan de protection MT cinq principes
techniques peuvent être utilisés :
ampèremétrique, chronométrique,
différentielle, de distance, et logique.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.26
La sélectivité ampèremétrique
Elle est assurée par les réglages en
valeur de courant des seuils de
déclenchement.
La sélectivité chronométrique
Elle est assurée par les réglages en
valeur de temps des seuils de
déclenchement.
La sélectivité différentielle
Elle est assurée par un découpage du
réseau en zones indépendantes, et la
détection dans chacune de ces zones
d’une différence entre la somme des
courants entrant et la somme des
courants sortant. Cette technique
nécessite une filerie entre les unités de
protection situées aux différentes
extrémités de la zone surveillée.
La sélectivité de distance
Elle est assurée par un découpage du
réseau en zones, et les unités de
protection par calcul de l’impédance
“aval”, peuvent localiser dans quelle
zone est situé le défaut.
La sélectivité logique
Cette sélectivité est assurée par un
ordre «d’attente logique» d’une durée
limitée, émis par la première unité de
protection située juste en amont du
défaut et devant couper le circuit, vers
les autres unités de protection situées
plus en amont. Elle permet d’augmenter
le nombre d’étages de sélectivité sans
allonger les temps de déclenchement en
amont. Des fils pilotes sont nécessaires
entre les unités de protection.
Cette technique mise au point et
brevetée par Merlin Gerin est détaillée
dans le Cahier Technique n° 2.
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annexe 3 : architecture EDF et matériels Merlin Gerin
3
Point de regroupement
et de référence
PRR : point de regroupement
et de référence
Interfaces de conduite :
d'intérieur
d'intérieur
d'extérieur
2
TCL11MS
calculateur
de poste
1
Isis 2000 :
consignateur
d'états
synoptique
Vigi PA
unité de protection et
de contrôle-commande
0
tableau SM6 :
cellule modulaire
interrupteur
Poste source HT/MT
tableau F24G
équipement débrochable
tableau RM6 :
appareillage
Ring Main Unit
Postes MT/BT télécommandés
réseau aérien et/ou souterrain
M2S : interrupteur
aérien
télécommandé
niveau 3 : téléconduite d'un réseau
niveau 2 : conduite locale d'un ouvrage
niveau 1 : protection et contrôle commande d'une cellule MT
niveau 0 : appareils MT et capteurs
Les réseaux de communication :
télétransmissions par lignes téléphoniques spécialisées
télétransmissions par radio et/ou réseau téléphoniques commuté
réseau interne à l'appareillage (fil à fil aujourd'hui)
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.27
annexe 4 : bibliographie
Cahiers Techniques Merlin Gerin
■ Protection des réseaux par le
Système de Sélectivité Logique
Cahier Technique n° 2 (F. Sautriau)
■ la CEM : la compatibilité
électromagnétique
Cahier Technique n° 149 (F. Vaillant)
Publications diverses
Les documents traitant les thèmes
évoqués dans ce Cahier Technique
sont très nombreux. Et, bien que des
articles présentant l’ensemble de ces
sujets soient d’un nombre plus réduit,
nous avons jugé plus intéressant
d’orienter le lecteur intéressé vers
des organismes diffusant les rapports
techniques issus de différents
congrès :
■ journées d’étude technique S.E.E.
■ qualité et économie de
l’alimentation électrique,
■ réseaux ruraux à Moyenne
Tension : évolution et perspective.
Adresse :
Société des Electriciens et des
Electroniciens
48 Rue de la Procession
75724 PARIS Cedex 15
■ C.I.R.E.D.
Congrès International des Réseaux
Electriques de Distribution.
Adresse :
Institution of Electrical Engineers,
Savoy Place, LONDON WC2R 0BL
Royaume-Uni.
■ UNIPEDE
Union Internationale des Producteurs
et Distributeurs d’Electricité.
Adresse :
39 avenue de Friedland
75008 PARIS
Cahier Technique Merlin Gerin n° 155 / p.28
Réal. : ERI - Lyon - Photo. : IPV
Responsable édition : G. Satre-Duplessis
IPV - 09-91 - 3500 - Imprimeur : Léostic
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