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Principes physiques de l'intégration du PV en basse tension

Principes généraux

Le réseau a été conçu historiquement pour distribuer l’électricité produite de la haute vers la basse tension...

Le réseau électrique tel qu’on le connaît aujourd’hui a été conçu pour alimenter des consommateurs majoritairement raccordés en basse tension (400 V) par des centrales de production raccordées en haute ou très haute tension — de 20kV pour les petites centrales hydrauliques, à 400kV pour les centrales nucléaires.

Pour en savoir plus sur la genèse des réseaux, lire l’article Histoire de la gestion des réseaux.

... mais peut techniquement fonctionner dans un sens comme dans l’autre

Ce n’est que depuis une dizaine d’années que des installations de production se raccordent en nombre sur les réseaux basse tension. Ces installations injectent de l’électricité dans les infrastructures  existantes. En effet, câbles et transformateurs fonctionnent indistinctement dans un sens ou dans l’autre. La production décentralisée peut néanmoins modifier certains paramètres : par exemple, en fonction des caractéristiques de l’installation et du réseau auquel elle se raccorde, une inversion des flux par rapport à la cascade descendante (de la haute à la basse tension) peut avoir lieu et générer une élévation de tension.

Ce n’est pas pour autant que le raccordement de l’installation de production nécessitera des modifications par travaux: une étude des contraintes de courant et de tension permettra d’évaluer la possibilité de se raccorder sans travaux.

Le présent article décrit les modifications physiques induites par le raccordement de producteurs sur le réseau : inversion des flux, élévation de tension, influence du réseau moyenne tension et déséquilibre entre phases. Les règles de dimensionnement du gestionnaire de réseau de distribution sont quant à elles décrites dans l’article Règles d'études et de dimensionnement.

Comportement en tension

La tension reflète l’équilibre entre production et consommation sur le réseau de distribution

Tension et courant, les deux grandeurs électriques majeures du réseau électrique, sont expliquées dans l’article Grandeurs électriques. Le réseau de distribution a été conçu historiquement de manière déséquilibrée : la consommation y est beaucoup plus forte que ne l’est la production. La tension reflète l’équilibre entre production et consommation : la tension diminue lorsque la consommation des utilisateurs est plus importante que la production sur ce même réseau, et inversement la tension augmente lorsque la production excède la consommation.

Les sections suivantes expliquent le phénomène de la variation de tension suite au raccordement d’un ou plusieurs producteurs, le principe de la contrainte de tension, l’impact du réglage du transformateur HTA/BT et du comportement de la moyenne tension et l’impact qu’ont les producteurs les uns sur les autres.

 

Tension en sortie du transformateur

Le rapport de transformation du poste HTA/BT permet de compenser des chutes de tension trop fortes sans renforcer les câbles

Bien que théoriquement la marge d’élévation de tension soit de 10%, en pratique, le « plan de tension » est rarement centré à la tension nominale. En effet, la tension de sortie du transformateur HTA/BT (« au secondaire ») « à vide », c’est-à-dire hors charge, est souvent fixée par le gestionnaire de réseau de distribution à une valeur supérieure à la tension nominale.

Cette stratégie permet de compenser des chutes de tension trop fortes sans changer les câbles : en effet, la variation de tension reste la même, mais le point de référence est plus haut. Deux phénomènes liés génèrent des chutes de tension en basse tension :

  1. la tension HTA à l’arrivée au poste HTA/BT (« au primaire ») peut être relativement basse selon la position du poste HTA/BT sur le départ HTA, la charge des autres postes HTA/BT sur le même départ et les charges directement raccordées sur le départ HTA,
  2. les caractéristiques du réseau BT : charges, nature et section des câbles qui peuvent être plus ou moins résistifs.

Ces deux phénomènes et leurs conséquences sont expliqués dans cette page.

Déséquilibre entre phases

Le réseau basse tension est composé de trois phases et est naturellement déséquilibré

Les réseaux basse tension sont composés de quatre fils : 3 phases et 1 neutre. Les clients consommateurs sont raccordés sur une seule phase (en « monophasé) pour une puissance d’abonnement en dessous ou égale à 18kVA (cette puissance limite est définie par l’article 4 de l’Arrêté du 23 avril 2008). Il s’agit de la majeure partie des 35 millions de ménages en France métropolitaine.

Réseau BT fil nu.pngRéseau basse tension composé d’une partie torsadée à gauche du poteau et d’une partie nue à droite du poteau. Le neutre et les 3 phases sont visibles (Source : HESPUL)

Dans un réseau urbain, un départ d’un poste HTA/BT alimente autour de 25 à 50 clients : sur un tel panel de clients, la loi des grands nombres permet d’assurer par un raccordement aléatoire sur chaque phase que les phases seront chargées de manière équivalente.
A l’inverse, dans un réseau rural où un poste HTA/BT alimente un seul départ qui lui-même dessert 3 clients, il est fort probable que les 3 phases soient inégalement chargées, entraînant des écarts de chutes de tension entre phases : on appelle ce phénomène « déséquilibre ». En conséquence, deux phénomènes ont lieu simultanément :

  • Sur la phase la plus chargée, les utilisateurs risquent d’être mal alimentés, c’est-à-dire d’avoir des chutes de tension trop importantes pour un fonctionnement normal des équipements.
  • Sur les phases les moins chargées, la tension augmente et peut mettre en risque les appareils, les tensions supérieures à 253V (Un + 10%) pouvant détruire certains appareils.

 

A un instant t, en chaque nœud ou tronçon du réseau, le courant ne peut circuler que dans un seul sens  

Câbles et transformateurs sont des équipements qui fonctionnent indifféremment dans les deux sens que peut prendre le courant. Néanmoins, à un instant t, en chaque nœud ou tronçon du réseau, le courant ne peut circuler que dans un seul sens : de l’amont vers l’aval, ou de l’aval vers l’amont.

Par convention, l’ « amont » désigne les ouvrages situés avant l’ouvrage en question dans le sens de l’écoulement classique du courant, c’est-à-dire des ouvrages de plus haute tension vers les ouvrages de plus basse tension, ou de la source au bout de ligne. Par exemple, lorsque l’on dit « aux bornes aval du disjoncteur » pour parler de la limite entre le domaine public et l’installation privée chez un client particulier, on indique les bornes situées du côté maison.

Ainsi, il n’y a pas deux réseaux parallèles : un qui alimenterait les charges avec la production issue des plus hauts niveaux de tension, et un autre qui collecterait la production. Le réseau est unique : il alimente les charges et collecte la production simultanément, et c’est la puissance de ces différentes installations qui détermine le sens du courant.

Une production excédentaire en un point du réseau alimente les charges au point le plus proche dans le sens de l’écoulement de la charge

La loi des nœuds, selon laquelle la somme des intensités entrant en un nœud du réseau est égale à la somme des intensités sortantes de ce point (conservation de la charge électrique), permet de déterminer le sens et la valeur des intensités de chaque tronçon.

La figure à gauche illustre un cas simple d’un réseau basse tension sur lequel sont raccordées uniquement des charges. Les flux de puissance sont représentés en gris, la flèche indiquant le sens. Les valeurs sont exprimées en puissance (kW) plutôt qu’en intensité (A) pour simplifier l’exemple.

Schéma_rsx_5_charges_soutirage.pngCirculation du courant en soutirage pur (Source : HESPUL)
Schéma_rsx_5_charges_prod-conso.pngCirculation du courant sur un départ avec soutirage et production (Source : HESPUL)

L’établissement des transits de puissance par tronçon de réseau permet d’étudier les contraintes

Schéma-rsx-flux-inversés.pngExemple de réseau basse tension où les flux sont inversés mais ne sont pas supérieurs en magnitude à ce que transitaient initialement les tronçons, c’est-à-dire avant le raccordement de la production décentralisée. Dans cet exemple, il n’y a pas de contrainte de courant. Par contre, des puissances installées plus importantes que celles indiquées peuvent induire une contrainte. Source : Hespul.

Une fois que les flux sont établis, il est possible de réaliser une étude des contraintes de courant et de tension. Tension et courant sont expliquées dans l’article Grandeurs électriques.

L’étude de la contrainte de courant permet d’établir si les flux de puissance modifiés par le raccordement d’une installation de production ne dépassent pas les seuils d’intensité admissible pour les technologies de réseaux en place, en particulier les câbles : les seuils permettent de protéger les câbles contre l’échauffement qui accélère leur vieillissement, voire peut provoquer un accident. Les transformateurs eux sont plus tolérants à un dépassement de leur puissance nominale : ils peuvent fonctionner jusqu’à 120% de leur puissance nominale sur des durées limitées.

Si les flux de puissance ne dépassent pas les valeurs qu’ils avaient avant le raccordement d’un producteur, il n’y aura pas de contrainte de courant.

L’étude de la contrainte de tension permet d’établir la variation de tension résultante des flux de puissance en chaque nœud du réseau en tenant compte de l’ensemble des points de connexion. La tension doit se trouver entre 207 et 253V en monophasé, ou 360 et 440V en triphasé, ce qui correspond à une marge de 10% autour de la tension nominale du réseau basse tension. Cette plage est fixée au niveau réglementaire pour garantir la qualité de l’électricité (arrêté du 24 décembre 2007). On dit qu’il y a « contrainte de tension » lorsqu’un ou plusieurs nœuds du réseau ont des tensions associées qui sortent de cette plage.

La page suivante explique plus en détails le comportement du réseau en tension.

En pratique, la marge de variation de tension en élévation est plus faible que 10% de la tension nominale

En pratique, cette marge peut être réduite en élévation de tension lorsque la tension de sortie du poste de transformation est au-dessus de la tension nominale. Cette situation est très fréquente puisque les réseaux ont été conçus dans un contexte où la production décentralisée était inexistante et que la contrainte majeure était la chute de tension. Pour limiter ce phénomène, une solution a été massifiée au moment du développement des réseaux basse tension : rehausser la tension en sortie de poste de transformation pour limiter la tension basse en valeur absolue. Le résultat est une marge réduite en élévation de tension par rapport à la chute de tension.
Ceci permet d’expliquer pourquoi, sur un même réseau, si on peut raccorder 30kVA en consommation en un point du réseau sans problème, le raccordement de 30kVA de production peut générer une contrainte de tension en ce même point (pas de contrainte de courant dans ce cas). Ce phénomène est expliqué plus en détails dans la page suivante.

Pour en savoir plus sur les règles techniques du gestionnaire de réseau, lire l’article Règles d'études et de dimensionnement.

Dernière Mise à jour : 06/03/2020

La chute de tension augmente quand on s’éloigne de la source

Chute de tension - Schéma électrique.pngLa chute de tension est proportionnelle au courant (I) et à l’impédance (Z). Source : Hespul

La tension diminue dans le sens de l’écoulement du courant, à l’image de la pression qui diminuerait dans un tuyau au fur et à mesure qu’on s’éloigne de la source. La variation de tension est directement proportionnelle au courant transité (donc à la puissance transitée), à la longueur entre la source et le nœud de réseau, et à l’impédance linéique (par mètre) des câbles, autrement dit l’opposition d’un câble au passage du courant.

Pour un même type de câble, la variation de tension est proportionnelle à la longueur et à la puissance transitée. L’impédance linéique dépend de la nature et de la section du câble.

Formule - Chute de tension.png

La chute de tension augmente avec la puissance transitée

Les images ci-contre illustrent le phénomène de la chute et de l’élévation de tension dans un réseau simplifié : la section du câble est la même de bout en bout et les charges en consommation sont toutes les mêmes (1 kilowatt par point). Les phénomènes pertes Joule, de transits de puissance réactive et de déséquilibre entre phases ne sont pas pris en compte (voir sections suivantes).

Schéma-départ-soutirage-pur.pngDépart en soutirage pur (Source : HESPUL)
Schéma-départ-soutirage-et-prod.pngDépart avec soutirage et injection (Source : HESPUL)

 

Une élévation de tension en un point par rapport à un nœud en amont a lieu lorsque l’écoulement du courant se fait en sens « inverse », c’est-à-dire de l’aval vers l’amont

Schéma annulation des flux.pngAnnulation des flux (Source : HESPUL)
Schéma inversion des flux.pngInversion des flux (Source : HESPUL)

Les variations de tension sont des chutes ou des élévations de tension en fonction des puissances transitées et des résistances des lignes

Annulation des flux sur l'ensemble du départ.pngAnnulation des flux sur l'ensemble du départ (Source : HESPUL)
Injection au milieu du départ.pngInjection au milieu du départ (Source : HESPUL)

 

Production supérieure à consommation.pngProduction supérieure à la consommation sur l'ensemble du départ

Le cumul des variations de tension de chaque tronçon permet d’obtenir le plan de tension global du réseau

En résumé, un écoulement de courant dans le sens traditionnel, c’est-à-dire de la haute à la basse tension, ou du poste vers le bout de ligne, se traduit par une chute de tension. A l’inverse, un écoulement du courant en sens inverse se traduit par une élévation de tension dans le tronçon en question. C’est le cumul des variations de tension qui permet d’obtenir le plan de tension global.

Le tableau ci-dessous résume le plan de tension du départ simplifié, présenté sous forme de graphique dans les figures ci-dessus : par convention, le signe positif signifie une chute de tension, tandis que le signe négatif signifie une élévation de tension, toujours par rapport à la tension en sortie de poste de transformation situé en début de départ. Les valeurs absolues n’ont pas d’importance : il s’agit plutôt d’observer les différences relatives.

 

Plan de tension sans production

Plan de tension (en % de chute de tension par rapport à la tension en sortie du poste de transformation) avec production PV en différents points

 

1.

 

2.

0,5kW en E

3.

1kW en E

4.

2kW en E

5.

1kW en tout point

6.

2kW en B

7.

2kW en tout point

P-A

0,08%

0,07%

0,06%

0,05%

0,00%

0,05%

-0,08%

A-B

0,14%

0,13%

0,11%

0,08%

0,00%

0,08%

-0,14%

B-C

0,19%

0,17%

0,14%

0,10%

0,00%

0,13%

-0,19%

C-D

0,23%

0,19%

0,16%

0,10%

0,00%

0,16%

-0,23%

D-E

0,24%

0,20%

0,16%

0,08%

0,00%

0,18%

-0,24%

Le raccordement d’un producteur a un impact non seulement sur la tension en son point de raccordement mais sur la tension de tous les nœuds du réseau

Dans l’exemple donné, on peut observer que le raccordement d’un producteur en un point n’influe pas uniquement sur la variation de tension en ce point, mais également sur tous les points du départ. En effet, suivant la loi des nœuds, l’injection modifie le transit de puissance dans tous les tronçons. De plus, à puissance égale, plus l’installation de production est raccordée loin du poste, plus elle aura une incidence forte sur le plan de tension.

Ainsi, sur un même départ, le raccordement d’un producteur réhausse les tensions en tous les points du réseau par rapport à une situation sans production. L’arrivée d’un second producteur dans ce réseau devra donc tenir compte de ces modifications. L’élévation de tension étant limitée au niveau réglementaire, plus la tension de départ est haute, moins il reste de la « place » pour de nouveaux producteurs.  

Ce phénomène et sa conséquence sur les capacités d’accueil du réseau en production est expliqué plus en détails dans l’article Capacités d’accueil en production.

Tronçons concernés

Plan de tension ( ΔU (% de Un))

1.

sans

production

4. avec production

2kW en E

(Bout de ligne)

Différence absolue de variation de tension par rapport à la situation initiale

Δ(ΔU4-ΔU1)

6. avec production

2kW en B

(Milieu du départ)

Différence absolue de variation de tension par rapport à la situation initiale

Δ(ΔU6-ΔU1)

P-A

0,08%

0,05%

-0,03%

0,05%

-0,03%

A-B

0,14%

0,08%

-0,06%

0,08%

-0,05%

B-C

0,19%

0,10%

-0,09%

0,13%

-0,06%

C-D

0,23%

0,10%

-0,13%

0,16%

-0,07%

D-E

0,24%

0,08%

-0,16%

0,18%

-0,06%

Dernière Mise à jour : 06/03/2020
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Les réseaux HTA et BT ont une interaction forte : une tension basse en HTA se reporte sur le réseau BT

Le réseau basse tension est connecté au réseau moyenne tension par un poste dont le rapport de transformation est fixe. Les variations de tension sur le réseau HTA se font donc ressentir sur le poste HTA/BT. Par exemple, si la tension sur le réseau HTA est de 19 000 V au primaire du poste HTA/BT et que le rapport de transformation du poste est fixe à 50, la tension du réseau basse tension en sortie de poste est de 380 V à vide.

Suivant le principe de la variation de tension (expliqué dans la page "Comportement en tension"), plus un poste HTA/BT est éloigné du poste source (HTB/HTA) qui l’alimente, plus la tension HTA au primaire de ce poste sera basse, dans le cas où le poste HTA/BT est consommateur d’électricité et à technologie de câble constant.

Influence de la tension HTA sur la tension BT.pngIllustration schématique de l’influence de la tension HTA sur la tension BT à vide : les variations de tension sur le réseau moyenne tension ne peuvent pas être compensées en charge par le poste HTA/BT à l’image de ce qui se passe au poste source. Source : Hespul.
Réglage de la prise à vide.pngExemple de réglage de la prise à vide en fonction de la chute de tension sur le réseau HTA : la position haute correspond à un rapport de transformation plus bas que la position milieu. La baisse du rapport de transformation est une mesure de compensation de la chute de tension HTA au primaire du poste HTA/BT. Source : Hespul.

La prise à vide permet d’éviter des chutes de tension trop importantes

Rapport de transformation HTA-BT.pngRapport de transformation entre la moyenne et la basse tension en fonction de la position de la prise à vide (Source : HESPUL)

Pour éviter des valeurs de tension trop basses liées soit à une tension HTA trop basse (comme ci-dessus) ou à des charges importantes sur le réseau BT en question, les gestionnaires de réseaux de distribution ont historiquement fait le choix de fixer la tension de sortie des transformateurs HTA/BT plus haute que la tension nominale 230 V / 400 V en modifiant le rapport de transformation à la baisse.

Prise à vide.pngPrise à vide, nommée « prise de réglage », dans un transformateur HTA/BT (Source : HESPUL)

La modification du rapport de transformation se fait grâce un équipement appelée « prise à vide » ou changeur de prise hors charge. Cet équipement peut uniquement être manœuvré « hors charge », comme son nom l’indique, lors de la mise en service ou après une coupure préalable du réseau BT alimenté. Il s’agit d’une poignée positionnée à l’extérieur du transformateur et qui a trois positions possibles. L’ancienne génération de transformateurs (posés avant 1985) a comme position -2,5% / 0% / +2,5% de la tension nominale, alors que la nouvelle génération a comme positions 0% / +2,5% / +5%.

Ces prises sont manœuvrées de manière exceptionnelle, par décision d’Enedis, par exemple pour rétablir la qualité de tension pour des usagers en bout de ligne dont la tension est trop haute (utilisation des prises +2,5% ou 0%) ou trop basse (utilisation des prises +2,5% ou +5%).

La marge d’élévation de tension est réduite si la tension de sortie du transformateur est supérieure à la tension nominale

En conséquence, la tension en sortie de poste HTA/BT est généralement supérieure à la tension nominale (230 V / 400 V). Les variations de tension n’en sont pas modifiées, par contre, le point de référence étant déplacé vers le haut, tout le plan de tension l’est également, laissant une marge plus importante à la chute qu’à l’élévation de tension. En somme, à puissance égale, une installation de soutirage et une installation d’injection ne génèreront pas les mêmes valeurs absolues de tension sur le départ contrairement au cas numéro 7 représenté dans la section « comportement en tension ».

Plan de tension fonction des saisons.pngPlan de tension d’un réseau basse tension alimentant des consommateurs et sur lequel un producteur est raccordé en bout de ligne : le graphique du dessus montre un plan de tension centré autour de la tension nominale (cas théorique), alors que le graphique du dessous montre un plan de tension dont avec une tension en début de départ supérieure à la tension nominale (cas fréquemment rencontré avec prise à vide à +2,5% ou à +5% de la tension nominale). Source : Hespul.

 

Dernière Mise à jour : 06/03/2020
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Le déséquilibre entre phases provoque des hausses de tension sur les phases les moins chargées

Ce second point n’est pas intuitif. Pour le comprendre, il faut connaître la fonction du neutre sur les réseaux basse tension. Dans un circuit équilibré, le courant dans le neutre est nul. Le neutre permet d’évacuer le courant de fuite à la terre sur les réseaux. Il a une autre fonction majeure, celle de détecter un défaut sur les installations des particuliers. Le courant de fuite sur le réseau est généré par le déséquilibre de courant transité dans chaque phase et circule dans le neutre, provoquant un déplacement du neutre.  Le diagramme de Fresnel permet de représenter ce phénomène :

Diagramme de Fesnel - désquilibre phases.pngIllustration de l’influence du déséquilibre entre phases sur les tensions simples (entre phase et neutre) : une charge de 10kW sur la phase 1 entraîne une chute tension de 17% sur cette phase et une hausse de 8% sur les deux autres phases. On observe aussi le courant non nul dans le neutre du au déséquilibre des phases. Source : CME transformateur (http://cmetransformateur.com/equi8/).

 

La phase de raccordement des consommateurs n’est généralement pas connue

Le raccordement des installations photovoltaïques en basse tension se fait dans ce contexte. En théorie, pour limiter l’élévation de tension liée au raccordement d’un producteur, ce dernier devrait se faire sur la phase la plus chargée au moment du pic de production.

En pratique, en l’absence d’informations précises sur le raccordement des consommateurs sur chaque phase, le gestionnaire de réseau réalise les études de raccordement producteur en considérant un réseau parfaitement équilibré. Ceci peut avoir une incidence en exploitation.

L’identification de la phase de raccordement des clients est l’une des utilisations prévisionnelles du compteur Linky grâce à l’impulsion électrique envoyée par le compteur.

Les petites installations de production aggravent le déséquilibre pré-existant du réseau

Concernant la production, les règles techniques du gestionnaire de réseau imposent un raccordement en triphasé pour une puissance de raccordement demandée supérieure à 6kVA pour limiter l’élévation de tension sur l’une des phases. Pour les installations de puissance égale ou inférieure à 6kVA, le raccordement des installations photovoltaïques se fait en monophasé. Or, même pour un réseau équilibré, le raccordement d’un producteur de 6kVA sur une seule phase n’est pas équivalent au raccordement de ce même producteur en triphasé puisque dans ce dernier cas, il injectera 2kVA par phase.

Cette différence de transit de puissance dans les différentes phases conduit à des tensions hautes dans les phases peu chargées/productrices et basses dans les phases plus chargées.

Raccordement producteur monophasé ou triphasé.pngIllustration des transits de puissance résultant à gauche du raccordement triphasé d’une installation de 6kVA et à droite en monophasé (Source : HESPUL)
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Principes physiques de l'intégration du PV en basse tension

Principes généraux

Le réseau a été conçu historiquement pour distribuer l’électricité produite de la haute vers la basse tension...

Le réseau électrique tel qu’on le connaît aujourd’hui a été conçu pour alimenter des consommateurs majoritairement raccordés en basse tension (400 V) par des centrales de production raccordées en haute ou très haute tension — de 20kV pour les petites centrales hydrauliques, à 400kV pour les centrales nucléaires.

Pour en savoir plus sur la genèse des réseaux, lire l’article Histoire de la gestion des réseaux.

... mais peut techniquement fonctionner dans un sens comme dans l’autre

Ce n’est que depuis une dizaine d’années que des installations de production se raccordent en nombre sur les réseaux basse tension. Ces installations injectent de l’électricité dans les infrastructures  existantes. En effet, câbles et transformateurs fonctionnent indistinctement dans un sens ou dans l’autre. La production décentralisée peut néanmoins modifier certains paramètres : par exemple, en fonction des caractéristiques de l’installation et du réseau auquel elle se raccorde, une inversion des flux par rapport à la cascade descendante (de la haute à la basse tension) peut avoir lieu et générer une élévation de tension.

Ce n’est pas pour autant que le raccordement de l’installation de production nécessitera des modifications par travaux: une étude des contraintes de courant et de tension permettra d’évaluer la possibilité de se raccorder sans travaux.

Le présent article décrit les modifications physiques induites par le raccordement de producteurs sur le réseau : inversion des flux, élévation de tension, influence du réseau moyenne tension et déséquilibre entre phases. Les règles de dimensionnement du gestionnaire de réseau de distribution sont quant à elles décrites dans l’article Règles d'études et de dimensionnement.

A un instant t, en chaque nœud ou tronçon du réseau, le courant ne peut circuler que dans un seul sens  

Câbles et transformateurs sont des équipements qui fonctionnent indifféremment dans les deux sens que peut prendre le courant. Néanmoins, à un instant t, en chaque nœud ou tronçon du réseau, le courant ne peut circuler que dans un seul sens : de l’amont vers l’aval, ou de l’aval vers l’amont.

Par convention, l’ « amont » désigne les ouvrages situés avant l’ouvrage en question dans le sens de l’écoulement classique du courant, c’est-à-dire des ouvrages de plus haute tension vers les ouvrages de plus basse tension, ou de la source au bout de ligne. Par exemple, lorsque l’on dit « aux bornes aval du disjoncteur » pour parler de la limite entre le domaine public et l’installation privée chez un client particulier, on indique les bornes situées du côté maison.

Ainsi, il n’y a pas deux réseaux parallèles : un qui alimenterait les charges avec la production issue des plus hauts niveaux de tension, et un autre qui collecterait la production. Le réseau est unique : il alimente les charges et collecte la production simultanément, et c’est la puissance de ces différentes installations qui détermine le sens du courant.

Une production excédentaire en un point du réseau alimente les charges au point le plus proche dans le sens de l’écoulement de la charge

La loi des nœuds, selon laquelle la somme des intensités entrant en un nœud du réseau est égale à la somme des intensités sortantes de ce point (conservation de la charge électrique), permet de déterminer le sens et la valeur des intensités de chaque tronçon.

La figure à gauche illustre un cas simple d’un réseau basse tension sur lequel sont raccordées uniquement des charges. Les flux de puissance sont représentés en gris, la flèche indiquant le sens. Les valeurs sont exprimées en puissance (kW) plutôt qu’en intensité (A) pour simplifier l’exemple.

Schéma_rsx_5_charges_soutirage.pngCirculation du courant en soutirage pur (Source : HESPUL)
Schéma_rsx_5_charges_prod-conso.pngCirculation du courant sur un départ avec soutirage et production (Source : HESPUL)

L’établissement des transits de puissance par tronçon de réseau permet d’étudier les contraintes

Schéma-rsx-flux-inversés.pngExemple de réseau basse tension où les flux sont inversés mais ne sont pas supérieurs en magnitude à ce que transitaient initialement les tronçons, c’est-à-dire avant le raccordement de la production décentralisée. Dans cet exemple, il n’y a pas de contrainte de courant. Par contre, des puissances installées plus importantes que celles indiquées peuvent induire une contrainte. Source : Hespul.

Une fois que les flux sont établis, il est possible de réaliser une étude des contraintes de courant et de tension. Tension et courant sont expliquées dans l’article Grandeurs électriques.

L’étude de la contrainte de courant permet d’établir si les flux de puissance modifiés par le raccordement d’une installation de production ne dépassent pas les seuils d’intensité admissible pour les technologies de réseaux en place, en particulier les câbles : les seuils permettent de protéger les câbles contre l’échauffement qui accélère leur vieillissement, voire peut provoquer un accident. Les transformateurs eux sont plus tolérants à un dépassement de leur puissance nominale : ils peuvent fonctionner jusqu’à 120% de leur puissance nominale sur des durées limitées.

Si les flux de puissance ne dépassent pas les valeurs qu’ils avaient avant le raccordement d’un producteur, il n’y aura pas de contrainte de courant.

L’étude de la contrainte de tension permet d’établir la variation de tension résultante des flux de puissance en chaque nœud du réseau en tenant compte de l’ensemble des points de connexion. La tension doit se trouver entre 207 et 253V en monophasé, ou 360 et 440V en triphasé, ce qui correspond à une marge de 10% autour de la tension nominale du réseau basse tension. Cette plage est fixée au niveau réglementaire pour garantir la qualité de l’électricité (arrêté du 24 décembre 2007). On dit qu’il y a « contrainte de tension » lorsqu’un ou plusieurs nœuds du réseau ont des tensions associées qui sortent de cette plage.

La page suivante explique plus en détails le comportement du réseau en tension.

En pratique, la marge de variation de tension en élévation est plus faible que 10% de la tension nominale

En pratique, cette marge peut être réduite en élévation de tension lorsque la tension de sortie du poste de transformation est au-dessus de la tension nominale. Cette situation est très fréquente puisque les réseaux ont été conçus dans un contexte où la production décentralisée était inexistante et que la contrainte majeure était la chute de tension. Pour limiter ce phénomène, une solution a été massifiée au moment du développement des réseaux basse tension : rehausser la tension en sortie de poste de transformation pour limiter la tension basse en valeur absolue. Le résultat est une marge réduite en élévation de tension par rapport à la chute de tension.
Ceci permet d’expliquer pourquoi, sur un même réseau, si on peut raccorder 30kVA en consommation en un point du réseau sans problème, le raccordement de 30kVA de production peut générer une contrainte de tension en ce même point (pas de contrainte de courant dans ce cas). Ce phénomène est expliqué plus en détails dans la page suivante.

Pour en savoir plus sur les règles techniques du gestionnaire de réseau, lire l’article Règles d'études et de dimensionnement.

Comportement en tension

La tension reflète l’équilibre entre production et consommation sur le réseau de distribution

Tension et courant, les deux grandeurs électriques majeures du réseau électrique, sont expliquées dans l’article Grandeurs électriques. Le réseau de distribution a été conçu historiquement de manière déséquilibrée : la consommation y est beaucoup plus forte que ne l’est la production. La tension reflète l’équilibre entre production et consommation : la tension diminue lorsque la consommation des utilisateurs est plus importante que la production sur ce même réseau, et inversement la tension augmente lorsque la production excède la consommation.

Les sections suivantes expliquent le phénomène de la variation de tension suite au raccordement d’un ou plusieurs producteurs, le principe de la contrainte de tension, l’impact du réglage du transformateur HTA/BT et du comportement de la moyenne tension et l’impact qu’ont les producteurs les uns sur les autres.

 

La chute de tension augmente quand on s’éloigne de la source

Chute de tension - Schéma électrique.pngLa chute de tension est proportionnelle au courant (I) et à l’impédance (Z). Source : Hespul

La tension diminue dans le sens de l’écoulement du courant, à l’image de la pression qui diminuerait dans un tuyau au fur et à mesure qu’on s’éloigne de la source. La variation de tension est directement proportionnelle au courant transité (donc à la puissance transitée), à la longueur entre la source et le nœud de réseau, et à l’impédance linéique (par mètre) des câbles, autrement dit l’opposition d’un câble au passage du courant.

Pour un même type de câble, la variation de tension est proportionnelle à la longueur et à la puissance transitée. L’impédance linéique dépend de la nature et de la section du câble.

Formule - Chute de tension.png

La chute de tension augmente avec la puissance transitée

Les images ci-contre illustrent le phénomène de la chute et de l’élévation de tension dans un réseau simplifié : la section du câble est la même de bout en bout et les charges en consommation sont toutes les mêmes (1 kilowatt par point). Les phénomènes pertes Joule, de transits de puissance réactive et de déséquilibre entre phases ne sont pas pris en compte (voir sections suivantes).

Schéma-départ-soutirage-pur.pngDépart en soutirage pur (Source : HESPUL)
Schéma-départ-soutirage-et-prod.pngDépart avec soutirage et injection (Source : HESPUL)

 

Une élévation de tension en un point par rapport à un nœud en amont a lieu lorsque l’écoulement du courant se fait en sens « inverse », c’est-à-dire de l’aval vers l’amont

Schéma annulation des flux.pngAnnulation des flux (Source : HESPUL)
Schéma inversion des flux.pngInversion des flux (Source : HESPUL)

Les variations de tension sont des chutes ou des élévations de tension en fonction des puissances transitées et des résistances des lignes

Annulation des flux sur l'ensemble du départ.pngAnnulation des flux sur l'ensemble du départ (Source : HESPUL)
Injection au milieu du départ.pngInjection au milieu du départ (Source : HESPUL)

 

Production supérieure à consommation.pngProduction supérieure à la consommation sur l'ensemble du départ

Le cumul des variations de tension de chaque tronçon permet d’obtenir le plan de tension global du réseau

En résumé, un écoulement de courant dans le sens traditionnel, c’est-à-dire de la haute à la basse tension, ou du poste vers le bout de ligne, se traduit par une chute de tension. A l’inverse, un écoulement du courant en sens inverse se traduit par une élévation de tension dans le tronçon en question. C’est le cumul des variations de tension qui permet d’obtenir le plan de tension global.

Le tableau ci-dessous résume le plan de tension du départ simplifié, présenté sous forme de graphique dans les figures ci-dessus : par convention, le signe positif signifie une chute de tension, tandis que le signe négatif signifie une élévation de tension, toujours par rapport à la tension en sortie de poste de transformation situé en début de départ. Les valeurs absolues n’ont pas d’importance : il s’agit plutôt d’observer les différences relatives.

 

Plan de tension sans production

Plan de tension (en % de chute de tension par rapport à la tension en sortie du poste de transformation) avec production PV en différents points

 

1.

 

2.

0,5kW en E

3.

1kW en E

4.

2kW en E

5.

1kW en tout point

6.

2kW en B

7.

2kW en tout point

P-A

0,08%

0,07%

0,06%

0,05%

0,00%

0,05%

-0,08%

A-B

0,14%

0,13%

0,11%

0,08%

0,00%

0,08%

-0,14%

B-C

0,19%

0,17%

0,14%

0,10%

0,00%

0,13%

-0,19%

C-D

0,23%

0,19%

0,16%

0,10%

0,00%

0,16%

-0,23%

D-E

0,24%

0,20%

0,16%

0,08%

0,00%

0,18%

-0,24%

Le raccordement d’un producteur a un impact non seulement sur la tension en son point de raccordement mais sur la tension de tous les nœuds du réseau

Dans l’exemple donné, on peut observer que le raccordement d’un producteur en un point n’influe pas uniquement sur la variation de tension en ce point, mais également sur tous les points du départ. En effet, suivant la loi des nœuds, l’injection modifie le transit de puissance dans tous les tronçons. De plus, à puissance égale, plus l’installation de production est raccordée loin du poste, plus elle aura une incidence forte sur le plan de tension.

Ainsi, sur un même départ, le raccordement d’un producteur réhausse les tensions en tous les points du réseau par rapport à une situation sans production. L’arrivée d’un second producteur dans ce réseau devra donc tenir compte de ces modifications. L’élévation de tension étant limitée au niveau réglementaire, plus la tension de départ est haute, moins il reste de la « place » pour de nouveaux producteurs.  

Ce phénomène et sa conséquence sur les capacités d’accueil du réseau en production est expliqué plus en détails dans l’article Capacités d’accueil en production.

Tronçons concernés

Plan de tension ( ΔU (% de Un))

1.

sans

production

4. avec production

2kW en E

(Bout de ligne)

Différence absolue de variation de tension par rapport à la situation initiale

Δ(ΔU4-ΔU1)

6. avec production

2kW en B

(Milieu du départ)

Différence absolue de variation de tension par rapport à la situation initiale

Δ(ΔU6-ΔU1)

P-A

0,08%

0,05%

-0,03%

0,05%

-0,03%

A-B

0,14%

0,08%

-0,06%

0,08%

-0,05%

B-C

0,19%

0,10%

-0,09%

0,13%

-0,06%

C-D

0,23%

0,10%

-0,13%

0,16%

-0,07%

D-E

0,24%

0,08%

-0,16%

0,18%

-0,06%

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Tension en sortie du transformateur

Le rapport de transformation du poste HTA/BT permet de compenser des chutes de tension trop fortes sans renforcer les câbles

Bien que théoriquement la marge d’élévation de tension soit de 10%, en pratique, le « plan de tension » est rarement centré à la tension nominale. En effet, la tension de sortie du transformateur HTA/BT (« au secondaire ») « à vide », c’est-à-dire hors charge, est souvent fixée par le gestionnaire de réseau de distribution à une valeur supérieure à la tension nominale.

Cette stratégie permet de compenser des chutes de tension trop fortes sans changer les câbles : en effet, la variation de tension reste la même, mais le point de référence est plus haut. Deux phénomènes liés génèrent des chutes de tension en basse tension :

  1. la tension HTA à l’arrivée au poste HTA/BT (« au primaire ») peut être relativement basse selon la position du poste HTA/BT sur le départ HTA, la charge des autres postes HTA/BT sur le même départ et les charges directement raccordées sur le départ HTA,
  2. les caractéristiques du réseau BT : charges, nature et section des câbles qui peuvent être plus ou moins résistifs.

Ces deux phénomènes et leurs conséquences sont expliqués dans cette page.

Les réseaux HTA et BT ont une interaction forte : une tension basse en HTA se reporte sur le réseau BT

Le réseau basse tension est connecté au réseau moyenne tension par un poste dont le rapport de transformation est fixe. Les variations de tension sur le réseau HTA se font donc ressentir sur le poste HTA/BT. Par exemple, si la tension sur le réseau HTA est de 19 000 V au primaire du poste HTA/BT et que le rapport de transformation du poste est fixe à 50, la tension du réseau basse tension en sortie de poste est de 380 V à vide.

Suivant le principe de la variation de tension (expliqué dans la page "Comportement en tension"), plus un poste HTA/BT est éloigné du poste source (HTB/HTA) qui l’alimente, plus la tension HTA au primaire de ce poste sera basse, dans le cas où le poste HTA/BT est consommateur d’électricité et à technologie de câble constant.

Influence de la tension HTA sur la tension BT.pngIllustration schématique de l’influence de la tension HTA sur la tension BT à vide : les variations de tension sur le réseau moyenne tension ne peuvent pas être compensées en charge par le poste HTA/BT à l’image de ce qui se passe au poste source. Source : Hespul.
Réglage de la prise à vide.pngExemple de réglage de la prise à vide en fonction de la chute de tension sur le réseau HTA : la position haute correspond à un rapport de transformation plus bas que la position milieu. La baisse du rapport de transformation est une mesure de compensation de la chute de tension HTA au primaire du poste HTA/BT. Source : Hespul.

La prise à vide permet d’éviter des chutes de tension trop importantes

Rapport de transformation HTA-BT.pngRapport de transformation entre la moyenne et la basse tension en fonction de la position de la prise à vide (Source : HESPUL)

Pour éviter des valeurs de tension trop basses liées soit à une tension HTA trop basse (comme ci-dessus) ou à des charges importantes sur le réseau BT en question, les gestionnaires de réseaux de distribution ont historiquement fait le choix de fixer la tension de sortie des transformateurs HTA/BT plus haute que la tension nominale 230 V / 400 V en modifiant le rapport de transformation à la baisse.

Prise à vide.pngPrise à vide, nommée « prise de réglage », dans un transformateur HTA/BT (Source : HESPUL)

La modification du rapport de transformation se fait grâce un équipement appelée « prise à vide » ou changeur de prise hors charge. Cet équipement peut uniquement être manœuvré « hors charge », comme son nom l’indique, lors de la mise en service ou après une coupure préalable du réseau BT alimenté. Il s’agit d’une poignée positionnée à l’extérieur du transformateur et qui a trois positions possibles. L’ancienne génération de transformateurs (posés avant 1985) a comme position -2,5% / 0% / +2,5% de la tension nominale, alors que la nouvelle génération a comme positions 0% / +2,5% / +5%.

Ces prises sont manœuvrées de manière exceptionnelle, par décision d’Enedis, par exemple pour rétablir la qualité de tension pour des usagers en bout de ligne dont la tension est trop haute (utilisation des prises +2,5% ou 0%) ou trop basse (utilisation des prises +2,5% ou +5%).

La marge d’élévation de tension est réduite si la tension de sortie du transformateur est supérieure à la tension nominale

En conséquence, la tension en sortie de poste HTA/BT est généralement supérieure à la tension nominale (230 V / 400 V). Les variations de tension n’en sont pas modifiées, par contre, le point de référence étant déplacé vers le haut, tout le plan de tension l’est également, laissant une marge plus importante à la chute qu’à l’élévation de tension. En somme, à puissance égale, une installation de soutirage et une installation d’injection ne génèreront pas les mêmes valeurs absolues de tension sur le départ contrairement au cas numéro 7 représenté dans la section « comportement en tension ».

Plan de tension fonction des saisons.pngPlan de tension d’un réseau basse tension alimentant des consommateurs et sur lequel un producteur est raccordé en bout de ligne : le graphique du dessus montre un plan de tension centré autour de la tension nominale (cas théorique), alors que le graphique du dessous montre un plan de tension dont avec une tension en début de départ supérieure à la tension nominale (cas fréquemment rencontré avec prise à vide à +2,5% ou à +5% de la tension nominale). Source : Hespul.

 

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Déséquilibre entre phases

Le réseau basse tension est composé de trois phases et est naturellement déséquilibré

Les réseaux basse tension sont composés de quatre fils : 3 phases et 1 neutre. Les clients consommateurs sont raccordés sur une seule phase (en « monophasé) pour une puissance d’abonnement en dessous ou égale à 18kVA (cette puissance limite est définie par l’article 4 de l’Arrêté du 23 avril 2008). Il s’agit de la majeure partie des 35 millions de ménages en France métropolitaine.

Réseau BT fil nu.pngRéseau basse tension composé d’une partie torsadée à gauche du poteau et d’une partie nue à droite du poteau. Le neutre et les 3 phases sont visibles (Source : HESPUL)

Dans un réseau urbain, un départ d’un poste HTA/BT alimente autour de 25 à 50 clients : sur un tel panel de clients, la loi des grands nombres permet d’assurer par un raccordement aléatoire sur chaque phase que les phases seront chargées de manière équivalente.
A l’inverse, dans un réseau rural où un poste HTA/BT alimente un seul départ qui lui-même dessert 3 clients, il est fort probable que les 3 phases soient inégalement chargées, entraînant des écarts de chutes de tension entre phases : on appelle ce phénomène « déséquilibre ». En conséquence, deux phénomènes ont lieu simultanément :

  • Sur la phase la plus chargée, les utilisateurs risquent d’être mal alimentés, c’est-à-dire d’avoir des chutes de tension trop importantes pour un fonctionnement normal des équipements.
  • Sur les phases les moins chargées, la tension augmente et peut mettre en risque les appareils, les tensions supérieures à 253V (Un + 10%) pouvant détruire certains appareils.

 

Le déséquilibre entre phases provoque des hausses de tension sur les phases les moins chargées

Ce second point n’est pas intuitif. Pour le comprendre, il faut connaître la fonction du neutre sur les réseaux basse tension. Dans un circuit équilibré, le courant dans le neutre est nul. Le neutre permet d’évacuer le courant de fuite à la terre sur les réseaux. Il a une autre fonction majeure, celle de détecter un défaut sur les installations des particuliers. Le courant de fuite sur le réseau est généré par le déséquilibre de courant transité dans chaque phase et circule dans le neutre, provoquant un déplacement du neutre.  Le diagramme de Fresnel permet de représenter ce phénomène :

Diagramme de Fesnel - désquilibre phases.pngIllustration de l’influence du déséquilibre entre phases sur les tensions simples (entre phase et neutre) : une charge de 10kW sur la phase 1 entraîne une chute tension de 17% sur cette phase et une hausse de 8% sur les deux autres phases. On observe aussi le courant non nul dans le neutre du au déséquilibre des phases. Source : CME transformateur (http://cmetransformateur.com/equi8/).

 

La phase de raccordement des consommateurs n’est généralement pas connue

Le raccordement des installations photovoltaïques en basse tension se fait dans ce contexte. En théorie, pour limiter l’élévation de tension liée au raccordement d’un producteur, ce dernier devrait se faire sur la phase la plus chargée au moment du pic de production.

En pratique, en l’absence d’informations précises sur le raccordement des consommateurs sur chaque phase, le gestionnaire de réseau réalise les études de raccordement producteur en considérant un réseau parfaitement équilibré. Ceci peut avoir une incidence en exploitation.

L’identification de la phase de raccordement des clients est l’une des utilisations prévisionnelles du compteur Linky grâce à l’impulsion électrique envoyée par le compteur.

Les petites installations de production aggravent le déséquilibre pré-existant du réseau

Concernant la production, les règles techniques du gestionnaire de réseau imposent un raccordement en triphasé pour une puissance de raccordement demandée supérieure à 6kVA pour limiter l’élévation de tension sur l’une des phases. Pour les installations de puissance égale ou inférieure à 6kVA, le raccordement des installations photovoltaïques se fait en monophasé. Or, même pour un réseau équilibré, le raccordement d’un producteur de 6kVA sur une seule phase n’est pas équivalent au raccordement de ce même producteur en triphasé puisque dans ce dernier cas, il injectera 2kVA par phase.

Cette différence de transit de puissance dans les différentes phases conduit à des tensions hautes dans les phases peu chargées/productrices et basses dans les phases plus chargées.

Raccordement producteur monophasé ou triphasé.pngIllustration des transits de puissance résultant à gauche du raccordement triphasé d’une installation de 6kVA et à droite en monophasé (Source : HESPUL)
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Dernière Mise à jour : 06/03/2020

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