Siatka jest zbiorem infrastruktury energetycznej bardziej lub mniej dostępne dla routingu energię elektryczną z ośrodków produkcji do odbiorców w energię elektryczną .
Składa się z linii elektrycznych pracujących na różnych poziomach napięcia , połączonych w podstacje . Podstacje umożliwiające dystrybucję energii elektrycznej i przechodzenie z jednego napięcia do drugiego poprzez transformatory .
Sieć elektroenergetyczna musi również zapewniać dynamiczne zarządzanie montażem produkcyjno – transportowo – konsumpcyjnym, wprowadzając korekty mające na celu zapewnienie stabilności montażu.
Uwaga: Podane napięcia są napięciami efektywnymi .
Sieć elektryczna składająca się z produkcji maszynowej i konsumpcji, a także konstrukcji (linie, transformatory) do podłączenia do sieci elektrycznej pojawiły się dopiero pod koniec XIX th wieku , gdy każdy element osiągnęła wystarczający poziom zaawansowania technologicznego.
Podczas pierwszej połowy XIX -go wieku, wynalazcy rozwijać wiele rodzajów maszyn elektrycznych prądu stałego , ale ich zastosowanie w przemyśle rozwija się dopiero po wynalezieniu prądnicy (generatora DC) przez Zénobe Gramme w 1869 roku (przedstawiona do Académie des Sciences , Paryż, w 1871 r. ), który szybko się poprawił.
Na Międzynarodowej Wystawie Energii Elektrycznej w Paryżu w 1881 roku Marcel Deprez zaprezentował po raz pierwszy instalację do dystrybucji energii elektrycznej zasilaną dwoma prądnicami. Jesienią 1882 roku pierwsze sieci elektryczne pojawiły się jednocześnie w Nowym Jorku i Bellegarde we Francji. Są bardzo lokalne i wykorzystują prąd stały .
Thomas Edison odegrał decydującą rolę w rozwoju elektryczności: w 1878 r. założył firmę Edison Electric Light Co (która w 1892 r. przekształciła się w General Electric ), złożył patent na żarówkę w 1879 r., a następnie stworzył sieć elektryczną z Nowego Jorku. Ta ostatnia, której głównym celem było oświetlenie, szybko się rozrosła: z 1200 żarówek w 1882 roku wzrosła do 10 000 żarówek w następnym roku. Sieć ta, która cierpi z powodu licznych niepowodzeń, składa się z małych elektrowni (30 kW ) oraz 110 V sieci dystrybucyjnej . Jest to jednak bardzo ograniczone, ponieważ przesył energii elektrycznej możliwy jest tylko na kilka kilometrów.
W tym czasie opracowano pierwsze eksperymenty z transportem energii elektrycznej, które przeprowadził w szczególności Marcel Deprez, wykorzystując prąd stały. Są to jednak względne porażki, ponieważ nie pozwalają na transport mocy przemysłowych (Deprezowi udało się w 1882 roku przetransportować 400 W na odległość 57 km , ale z ogólną wydajnością tylko 30%. Inżynierowie Lucien Gaulard i John Gibbs pracują nad im na prąd zmienny.Chociaż transformator jest znany od 1837 r., opracowują w 1884 r. transformator dużej mocy wykorzystujący prąd trójfazowy , co umożliwia łatwą zmianę poziomu napięcia.W tym samym roku wykazują zainteresowanie transformatora poprzez włączenie linii o długości 80 km zasilanej prądem przemiennym o napięciu 2000 V .
W 1884 roku w Turynie we Włoszech Lucien Gaulard uruchomił zapętlone łącze demonstracyjne (133 Hz ) zasilane prądem przemiennym poniżej 2000 woltów, z Turynu do Lanzo tam iz powrotem (80 km); inżynier Galileo Ferraris wynalazł silnik wielofazowy w 1885 roku, który zaprezentował dopiero w kwietniu 1888 roku. George Westinghouse , amerykański inżynier i przedsiębiorca, który stworzył własną firmę elektryczną, był zainteresowany technologią prądu przemiennego . Finansuje pierwszy kompletny system prądu przemiennego, opracowany w 1886 roku przez Williama Stanleya w Great Barrington w stanie Massachusetts. W 1887 roku CS Bradley zbudował pierwszy trójfazowy generator prądu przemiennego; F. Augus Haselwander zrobił to samo kilka miesięcy później w Europie. W 1888 r. Mikhalil Dolivo-Dobrovolski zbudował swój pierwszy generator trójfazowy w firmie AEG. George Westinghouse w 1887 kupuje patenty z transformatorem Gaulard i zatrudnianie Nikola Tesla , która prezentuje swój silnik trójfazowy w maju 1888 roku i zarejestrowany patent. W 1891 r. powstała pierwsza instalacja trójfazowa, zaprojektowana przez Michaiła Dolivo-Dobrovolskiego, pomiędzy Frankfurtem a elektrownią wodną w Lauffen ( Niemcy ), o linii 175 km .
W Stanach Zjednoczonych sieci prądu stałego nadal się rozwijają, ale mają ograniczony rozmiar: każda elektrownia może dostarczać energię elektryczną tylko do obszaru o średnicy około 5 km , co stanowi problem poza miastami. Jednocześnie powstają małe miejskie sieci prądu przemiennego. Ostra opozycja szalała w tym czasie w Stanach Zjednoczonych między Edisonem (zwolennikiem prądu stałego ) a Georgem Westinghousem z Teslą (zwolennikiem prądu zmiennego ). Edison podkreśla w szczególności ryzyko przemiennego prądu w wysokie napięcie dla żywych istot, aż do zorganizowania publicznych demonstracji, podczas których poraził prądem różne zwierzęta, aby udowodnić niebezpieczeństwo prądu przemiennego, i zamierza sfinansować makabryczny wynalazek krzesła elektrycznego . Po egzekucji Williama Kemmlera Edison powie: „On był Westinghousé” .
Decydująca bitwa między prądem stałym i zmiennym toczy się wokół projektu zaopatrywania przemysłu Buffalo w energię elektryczną z elektrowni wodnej o mocy 75 MW znajdującej się w oddalonym o 32 km wodospadzie Niagara . Podczas gdy Edison proponuje projekt DC , Tesla i Westinghouse proponują system AC. Kontrakt zostaje przekazany firmie Westinghouse. W 1896 roku oddanie do użytku pierwszej trójfazowej linii przemysłowej zakończyło się całkowitym sukcesem i przez co najmniej sto lat doprowadziło do powszechnego narzucenia trójfazowego prądu przemiennego jako środka transportu energii elektrycznej, lepiej wówczas nadającego się do transportu na duże odległości .
Niemniej jednak, w końcu XX th wieku, gdy międzyoperatorskich pan-Continental wagi rozwija, postęp techniczny przywrócić zainteresowanie wysokiego napięcia prądu stałego (HVDC) dla dalekobieżnego transportu tracić mniej energii z mniej strat liniowych . Jest to na przykład rozwiązanie przyjęte w projekcie Desertec , aby transportować energię słoneczną wytworzoną w tropikalnej Afryce do Europy Środkowej.
Galileo Ferraris , oryginalny konstruktor w 1885 roku wielofazowego silnika prądu przemiennego
William Stanley Junior stworzył pierwszy kompletny system AC w 1886 roku
Tesla, pierwszy posiadacz patentu na silnik prądu przemiennego, w 1888 r.
Połączenie elektryczne było stopniowe. Na koniec XIX TH i początku XX p wieku , zastosowania energii rośnie, zarówno domowe i przemysłowe (w tym elektryzacji tramwajów , metra i kolejowych ). W każdym dużym mieście są firmy energetyczne. Ci ostatni budują elektrownie i małe sieci lokalne, z których każda korzysta z różnych częstotliwości i poziomów napięcia . Operatorzy z opóźnieniem zdają sobie sprawę z wartości korzystania z jednej częstotliwości (niezbędnej do połączenia sieci), iw końcu widzimy dwa standardy częstotliwości : 60 Hz na większości kontynentu amerykańskiego i 50 Hz prawie na całym świecie.
W pierwszej połowie XX th wieku, kraje uprzemysłowione miejskich sieci rośnie w tym elektryzować wsi. Jednocześnie są one wzajemnie połączone na poziomie regionalnym, co pozwala na korzyści skali wynikające z wielkości zakładów produkcyjnych i lepszą wartość dla geograficznie zlokalizowanych zasobów energetycznych, takich jak produkcja hydrauliczna wytwarzana głównie w górach, z dala od głównych ośrodków konsumpcji. Tak zwane qu'augmentaient uprawnień i odległości linii międzysystemowych , linie napięcie operacyjne wzrosły również ( 1 st linii 220 kV zbudowany w 1923 roku w Stanach Zjednoczonych, 380 kV w 1930 roku w Niemczech). Pojawienie się w 1937 roku pierwszego turboalternatora chłodzonego wodorem o mocy 100 MW toruje drogę dla elektrowni o dużej mocy .
Dziedzictwo przeszłości ogranicza rozwój sieci elektroenergetycznych, ponieważ infrastruktura energetyczna jest zaprojektowana tak, aby przetrwać kilkadziesiąt lat. Elektryfikacja wsi, ze względu na brak wcześniejszej sieci, umożliwiła wdrożenie aktualnych standardów (w zakresie napięcia i częstotliwości ). Z drugiej strony na poziomie miejskim problem był złożony, ponieważ współistniało kilka niepołączalnych sieci, co prowadziło do rozprzestrzeniania się kabli. W ten sposób sieci prądu stałego istniały lokalnie przez bardzo długi czas: do 1965 w Paryżu i 2007 w Nowym Jorku !
W latach pięćdziesiątych europejskie firmy koordynowały standaryzację napięć sieci transportowych 400 kV .
W 1967 r. umożliwiło to pierwsze połączenie sieci francuskiej, niemieckiej i szwajcarskiej w Laufenbourg (Szwajcaria).
W drugiej połowie XX th wieku, połączenia wewnątrz krajowego wsparcia rozwoju transgranicznych połączeń międzysystemowych, głównie na zdolności budowania wzajemnej pomocy między operatorami oraz poprawić ogólną stabilność sieci elektrycznej, a czasami tworzyć zdolność wymiany długoterminowa energia.
Europa, charakteryzująca się dużą gęstością zaludnienia oraz wysokim poziomem rozwoju gospodarczego i przemysłowego, posiada gęstą i szczelną sieć elektryczną. Jego fizyczne połączenie wymagało wspólnych zasad bezpieczeństwa między operatorami różnych (często krajowych) systemów, aby zapobiec ryzyku incydentów na dużą skalę.
XXI th centuryObecnie koordynacją w Europie zajmuje się ENTSO-E , dawniej „Unia ds. koordynacji przesyłu energii elektrycznej”, „UCTE”. Tworząc coraz bardziej zintegrowany „wewnętrzny rynek energii elektrycznej”, Komisja Europejska zachęca do wzajemnych połączeń transgranicznych, aby zwiększyć potencjał handlu i komercyjnych wzajemnych połączeń rynków krajowych, co wymaga „więcej” przyjęcia jasnych i przejrzystych zasad dotyczących połączeń transgranicznych podział kosztów w celu przyspieszenia inwestycji w infrastrukturę transgraniczną” . W 2002 r. Europa zwróciła się do każdego państwa o dążenie do osiągnięcia poziomu połączeń elektrycznych co najmniej odpowiadającego 10% jego zainstalowanej zdolności produkcyjnej. W marcu 2010 r. Rada Europejska zaakceptowała nową strategię „Europa 2020” zaproponowaną przez Komisję. Promuje wzajemne połączenia na poziomie kontynentalnym. W komunikacie zatytułowanym „Priorytety infrastruktury energetycznej na rok 2020 i dalej – plan generalny zintegrowanej europejskiej sieci energetycznej” określono strategię. Rada Europejska z dnia 4 lutego 2011 r. podkreśliła potrzebę możliwości dostosowania i przekazania produkcji z odnawialnych źródeł energii w inteligentnej i odpornej sieci, zgodnie z dyrektywą 2009/28/WE, która promuje „odnawialne źródła” . Decyzja nr 1364/2006/WE Parlamentu i Rady określiła już wytyczne dla transeuropejskich sieci energetycznych (TEN-E) i zachęcała do współpracy transgranicznej w celu osiągnięcia 3x20 i dekarbonizacji systemu elektroenergetycznego. Dyrektywa z 13 lipca 2009 r. określa wspólne zasady dla wewnętrznego rynku energii elektrycznej, aw 2011 r. Europa zachęca do połączeń elektrycznych z krajami peryferyjnymi. Modernizacja sieci elektroenergetycznych i gazowych powinna kosztować około 200 mld euro w latach 2013-2020 i polegać na wzmocnieniu Agencji ds. Współpracy Organów Regulacji Energetyki. W obliczu opóźnień podejmowanych przez państwa w europejskim połączeniu międzysystemowym, w 2023 r. Europa zdecydowała się alternatywnie przejąć nad nim kontrolę, uchylając decyzję nr 1364/2006/CE i modyfikując rozporządzenie 713/2009, (CE ) nr 714/2009 i (WE) nr 715/2009.
Sieci z XXI -go wieku w obliczu nowych wyzwań:
W tych tematach prognostycy ogłosili inteligentną sieć ( Smart Grid ) bardziej elastyczną i zdolną do lepszej integracji czystych i bezpiecznych źródeł energii, ale rozproszonych i nieciągłych, takich jak wiatr i słońce .
Elektryfikacja terytorium Francji odbywa się w trakcie pierwszej połowy XX th wieku: w 7000 zelektryfikowanych miast w 1919 roku, byli 36,528 w roku 1938. Równolegle ścisłe sieci połączyć stopniowo: Paryż z sieci znajdują się w roku 1907 na poziomie 12 kV , w Pirenejach w 1923 r. przy napięciu 150 kV , wreszcie w 1938 r. prawie całe terytorium Francji jest połączone ze sobą przy napięciu 220 kV , ale duże regiony pozostają odizolowane.
W czasie II wojny światowej sieć przesyłowa energii elektrycznej rozrosła się o 30%, aw czasie Wyzwolenia była najgęstsza na świecie. W 1946 r. skumulowana liczba linii elektroenergetycznych powyżej 100 kV osiągnęła 12 400 km , podczas gdy w 1923 r. było to zaledwie 900 km .
8 kwietnia 1946, państwo nacjonalizuje zasadniczo prywatne przedsiębiorstwa energetyczne, skupiając te przedsiębiorstwa produkcyjne, dystrybucyjne i przesyłowe w jednym zakładzie: EDF (jednak we Francji pozostanie znaczna liczba lokalnych przedsiębiorstw zajmujących się dystrybucją energii elektrycznej i gazu ). Publiczne sieci dystrybucji energii elektrycznej niskiego i średniego napięcia od 1906 r. są własnością gmin, które często powierzają je resortowym związkom energetycznym . Większość francuskiej sieci dystrybucji jest obsługiwana przez koncesjonariusza EFRR pod kontrolą organów wydających zezwolenia. Do 1950 r. EDF musiała organizować przerwy w dostawie prądu w związku z brakiem zakładów produkcyjnych . Częstotliwość 50 Hz jest uogólnione w Francji (było na przykład 25 Hz na dużą część wybrzeża Morza Śródziemnego). Sieć 225 kV zastępuje sieci 110, 120 i 150 kV .
W 1956 roku zdecydowano się uogólnić do dystrybucji niskiego napięcia parę napięciową 220/380 V, aby zastąpić starą parę 127/220 V (w 1986 znormalizowanym napięciem będzie para 230/400 V ) . Sieć 400 kV , o której zadecydowano na szczeblu europejskim, rozwija się we Francji w koordynacji z planem elektroatomowym , w szczególności od lat 70. do 80. XX wieku.
Sieci należą do wspólnoty, są dobrami niezbywalnymi. Prawo15 czerwca 1906powierzył gminom odpowiedzialność za organizację usług publicznych w zakresie dystrybucji energii elektrycznej i gazu na poziomie lokalnym . Ten przywilej organizacyjny może być wykonywany bezpośrednio przez gminę lub też powierzony związkowi międzygminnemu, często, ale nie wyłącznie wydziałowemu.
Rzeczywiste zarządzanie siecią, obejmujące projektowanie, rozwój, utrzymanie, zarządzanie i eksploatację powierza się operatorowi sieci dystrybucyjnej . Może to mieć miejsce w kontekście bezpośredniego zarządzania pod kontrolą lub pośredniego w kontekście umowy koncesji. Operatorem sieci dystrybucyjnej może być wówczas spółka lokalna, zwykle przybierająca formę spółki o charakterze półpublicznym lub zbiorowego rolniczego przedsiębiorstwa energetycznego , lub też operator sieci, wyznaczony przez prawo, tj. Enedis w przypadku energii elektrycznej i GRDF w przypadku gazu.
Na obszarach wiejskich organizatorzy (gminy lub związki) mogą przejąć zarządzanie projektem części inwestycji w sieć elektroenergetyczną, zgodnie z warunkami umowy koncesji. Praca ta dotyczy najczęściej konstrukcji niskonapięciowych. W ten sposób te departamenty inwestorów lokalnych społeczności, niezależnie od operatora sieci, wydają miliard euro rocznie na podłączenie klientów, wzmocnienie sieci lub prace na wysypiskach.
Wreszcie, władze zrzekające są również odpowiedzialne za lokalną kontrolę wykonania umowy koncesji przez koncesjonariusza. W związku z tym nadzorują zarządzanie aktywami i pomagają monitorować jakość usług i dystrybuowanej energii, w szczególności częstotliwość i czas trwania przestojów. Jakość usług podlega również przepisom regulacyjnym, a także przepisom określonym przez Komisję Regulacji Energetyki .
Sieć elektryczna jest przede wszystkim definiowana przez rodzaj wykorzystywanego prądu elektrycznego. Raz ustalony, ten wybór angażuje przyszłość i jest brzemienny w konsekwencje, ponieważ modyfikacje są bardzo delikatne a posteriori. Następnie, podczas eksploatacji sieci, pewne wielkości elektryczne muszą być regularnie monitorowane, aby zapewnić przestrzeganie warunków pracy.
Obecne sieci elektryczne wykorzystują trójfazowy sinusoidalny prąd przemienny . Ten decydujący wybór wynika z szeregu powodów, które tutaj przedstawiamy.
Konieczność transportu energii elektrycznej pod wysokim napięciemOd wylotu elektrowni do licznika użytkownika końcowego, energia elektryczna musi przechodzić przez sieć elektryczną. Sieci te często mają taką samą strukturę z jednego kraju do drugiego, ponieważ transport dużej mocy na duże odległości wymaga minimalizacji efektu Joule'a .
Przewody napędowe strat na skutek efektu Joule'a, które są zależne od intensywności I , tym napięcie U i opór R w linii . Dla prądu trójfazowego otrzymujemy na fazę:
Dla tej samej mocy elektrycznej przesyłanej przez linię i przy równym oporze straty wynikające z efektu Joule'a zmniejszają się zatem jako kwadrat napięcia : są one dzielone przez cztery, gdy napięcie się podwaja. Zatem linia o długości około stu km z rezystancją 10 Ω na fazę, po której krąży 400 MW , powodowałaby około 40 MW strat Joule, gdyby działała przy 200 kV , ale tylko 10 MW, gdyby była eksploatowana przy 400 kV .
Wyzwaniem tych strat może być zmierzenie ilości energii bardzo ważnej, jak to przedstawia: we Francji około 509 TWh wyprodukowanych w 2005 r., około 12 TWh zostało utraconych w wyniku tych zjawisk (z powodu efektu Joule'a , efektu korony lub braku obciążenia). strat) lub około 2,5% francuskiej produkcji energii elektrycznej.
Koszty budowy linii do 400 kV , 20 kV czy 230 V są jednak bardzo różne. Dlatego konieczne jest znalezienie techniczno-ekonomicznego optimum pomiędzy różnymi poziomami napięcia , biorąc pod uwagę oczekiwany zysk (w stosunku do redukcji strat przez efekt Joule'a). W ten sposób dochodzimy do wielowarstwowej struktury sieci elektrycznych, przy czym sieci transportujące duże ilości energii pracują przy napięciu kilkuset kilowoltów, a napięcie maleje wraz ze spadkiem przewożonych mocy.
Prąd przemienny czy stały?Transport dużych mocy na duże odległości wymaga wysokich napięć. Transformatory są zatem potrzebne do przełączania z jednego napięcia na drugie; jednak transformatory pasywne działają tylko z prądem przemiennym . Zmiany napięcia w systemie DC nie są tak efektywne (więcej strat) jak w AC (transformator). Zyski podczas przesyłania energii elektrycznej liniami są kompensowane przez większe straty podczas faz wzrostu i spadku napięcia. Ponadto przerywanie prądów w wyłącznikach jest ułatwione przez powtarzalne przechodzenie do zera prądu przemiennego . Ta ostatnia wiąże się jednak z ograniczeniami użytkowania, w szczególności z dwoma następującymi:
AC zyskał prawie we wszystkich sieciach, ale dla poszczególnych projektów, DC staje się bardziej interesujące, mimo obowiązek używać stacje konwerterów drogie (np wzajemnych połączeń podwodnych lub tych bardzo długich dystansach, gdzie ogranicza straty internetowego ). Zwiększona wydajność i niższe koszty elementów energoelektronicznych wymaganych dla stacji przekształtnikowych sprawiają, że sieci lub połączenia wysokiego napięcia prądu stałego (HVDC, do co najmniej 800 kV ) są szczególnie atrakcyjne i opłacalne w niektórych obszarach. tylko dwa przewody, a nawet jeden, zmniejsza koszty związane z długością i/lub infrastrukturą nośną ( np. tunele).
Dlaczego napięcie sinusoidalne?Najwygodniejszym rozwiązaniem dla przemysłowej produkcji energii elektrycznej jest napęd alternatora przez maszynę wirującą, taką jak turbina , silnik spalinowy , turbina wiatrowa ... wszystko obracające się wokół niej. Instalacje te w naturalny sposób wytwarzają napięcia sinusoidalne .
W przeciwnym kierunku i tak samo naturalnie, te sinusoidalne napięcia umożliwiają regularny napęd silnika elektrycznego .
Ta łatwość użycia w produkcji i zastosowania w maszynach wirujących to dwie wielkie zalety napięcia sinusoidalnego.
System jednofazowy czy trójfazowy?Całkiem możliwe jest zrealizowanie sieci tylko w prądzie jednofazowym . Powodami, które doprowadziły do przyjęcia sieci trójfazowej są ważne zalety techniczne i ekonomiczne, jakie ona przedstawia:
Załóżmy, że alternator jednofazowy dostarcza 1000 A przy napięciu 1000 V i częstotliwości 50 Hz . Wyrażenie dostarczonej mocy ma postać:
Dostarczona moc czynna (pierwszy składnik sumy) wynosi od 0 do 1 MW (zależy to od współczynnika mocy obciążenia), ale moc zmienna (drugi składnik sumy) jest mocą sinusoidalną o częstotliwości 100 Hz i amplitudy koniecznie równej 1 MW . Turbina ze względu na swoją bezwładność obraca się z niemal stałą prędkością mechaniczną, dzięki czemu przez cały czas dostarcza identyczną moc. Te różnice w mocy nie spowodować oscylacje momentu obrotowego, które są, w większości, wchłaniane przez sprężystości części wału napędowego i kończy się powodując jej zniszczenie.
Aby stłumić tę fluktuację mocy, alternatory dużej mocy muszą zatem koniecznie wytwarzać wielofazowy system napięcia: konieczne jest wytworzenie n faz (n ≥ 2) odpowiednio przesuniętych fazowo w czasie.
Na przykład w dwóch fazach:
Zmienna moc została anulowana.
Wybór dokonany dla wszystkich sieci przemysłowych na świecie to n = 3, czyli dystrybucja trójfazowa.Wybór częstotliwości sieci ma decydujące znaczenie, ponieważ nie można się cofnąć, gdy sieć osiągnie określony rozmiar. Jednak postęp w energoelektronice pozostawia pewną swobodę w zakresie częstotliwości pomimo wzajemnych połączeń sieci.
Szczególnie interesująca dla transformatorów jest wysoka częstotliwość , dzięki czemu możliwe jest zmniejszenie ich rozmiarów. W żarówki są lepiej przystosowane do wysokich częstotliwości (występowanie błysków o niskich częstotliwości). Inne zastosowania, szczególnie te wykorzystujące cewki indukcyjne (typ silnika elektrycznego lub dalekobieżna linia przesyłowa), mają lepszą wydajność przy niskich częstotliwościach. To koniec XIX th wieku, że kwestia ta została podniesiona, ale mały rozmiar sieci dozwolony czas, aby dostosować częstotliwość w zależności od zastosowania, które mieliśmy zrobić i częstotliwości 16 Hz do 133 Hz współistniały.
To właśnie Westinghouse , prawdopodobnie za radą Tesli , stopniowo narzucił w Stanach Zjednoczonych 60 Hz . W Europie, po tym, jak AEG wybrało 50 Hz , częstotliwość ta stopniowo się rozprzestrzeniała. Ta historia jest zachowana do dziś, a obecne sieci działają z częstotliwością 50 Hz lub 60 Hz .
Przypadki specjalne Na statkach i samolotach ze względu na niewielkie odległości, ale znaczenie wagi, często stosowana jest częstotliwość 400 Hz , co pozwala na zastosowanie transformatorów o zmniejszonych rozmiarach i wadze.Duże sieci elektryczne wymagają stałego monitorowania określonych parametrów w celu utrzymania sieci oraz przyłączonych do niej obiektów produkcyjnych i odbiorczych w zamierzonych obszarach użytkowania. Głównymi wielkościami do monitorowania są częstotliwość , napięcie , prąd w konstrukcjach i moc zwarciowa .
Monitorowanie napięciaDuża sieć energetyczna ma wiele poziomów napięcia . Każdy poziom napięcia jest przeznaczony do bardzo specyficznego zakresu użytkowania. Nieco zbyt wysokie napięcia prowadzą do przedwczesnego zużycia sprzętu, to jeśli są po prostu zbyt wysokie, aby „ przebić ” izolację (w przypadku kabli podziemnych, domowych lub izolatorów linii elektrycznych). Bardzo wysokie przepięcia (na przykład spowodowane piorunami ) na „gołych” przewodach (czyli bez izolacji, co ma miejsce w przypadku linii energetycznych ) mogą prowadzić do wyładowań łukowych z pobliskimi obiektami, na przykład drzewami.
Z drugiej strony, napięcia, które są zbyt niskie w porównaniu z podanym zakresem, prowadzą do wadliwego działania wielu instalacji, czy to po stronie odbiorników (np. silników ), czy też w samej sieci (awaria zabezpieczeń ). Ponadto niskie napięcia w sieciach przesyłowych energii elektrycznej były przyczyną poważnych awarii, które spowodowały zamknięcie kilku milionów domów (np. awaria grecka 12 lipca 2004 r. czy 12 stycznia 1987 r. we Francji).
Chociaż zakresy użytkowania sprzętu określają margines od 5 do 10% w odniesieniu do napięcia nominalnego, obecnie operatorzy dużych sieci preferują pracę przy wysokim napięciu, ponieważ ogranicza to straty dżulów w sieci.
Problem z intensywnościąIntensywność jest szczególnie ważny parametr monitorować, ponieważ może to zniszczyć drogiego sprzętu (The transformatory i kable) lub zagrażających bezpieczeństwu osób i mienia (przypadku linii lotniczych). Dopuszczalny prąd stały jest maksymalną intensywność, z jaką struktura może być obsługiwany bez ograniczeń czasowych. Aby ułatwić eksploatację sieci elektrycznych, niektóre konstrukcje mogą być eksploatowane z intensywnością większą niż ten limit, ale tylko przez ograniczony czas. Aby umożliwić takie działanie, konstrukcje te są wyposażone w specjalne zabezpieczenia, które automatycznie zabezpieczają je, gdy natężenie przekroczy określoną wartość przez określony czas.
We Francji maksymalna intensywność, przy której konstrukcja może być eksploatowana bez ograniczeń czasowych, nazywa się IST (czasowe natężenie awaryjne). Nazywa się to tak ze względu na specyficzne zasady działania sieci francuskiej mające zastosowanie w przypadku sieci kratowej. Zasady te wymagają, aby struktury były eksploatowane w granicach ich intensywności tylko w przypadku problemów w sieci.
Problemem spowodowanym zbyt dużą intensywnością (to znaczy wysoką transmitowaną mocą) jest znaczne nagrzewanie się efektu Joule'a . Konsekwencja tego nagrzewania objawia się w różny sposób w zależności od rozważanych konstrukcji i między innymi dla:
podziemne kable elektryczne obecność powłoki izolacyjnej zmniejsza przenoszenie ciepła między kablem a otoczeniem. Ponadto, ponieważ kable często znajdują się pod ziemią, ciepło jest odprowadzane jeszcze gorzej: w przypadku zbyt dużej intensywności istnieje ryzyko fizycznego zniszczenia kabla przez przegrzanie; te procesory uzwojenia transformatorów są zazwyczaj zanurzone w kąpieli olejowej, która działa jako izolator elektryczny, ale także jako chłodziwo chłodzące powietrze . Jeśli intensywność jest zbyt wysoka, olej nie może już rozpraszać wystarczającej ilości ciepła, a uzwojenia mogą ulec pogorszeniu z powodu przegrzania; linie elektroenergetyczne (płaszcz ma izolującą) powietrza ponieważ przewodniki nagrzewają się na skutek efektu Joule'a , mogą się również wydłużać w wyniku zjawiska rozszerzalności cieplnej ; przewód elektryczny utrzymuje się na każdym końcu pylonu, tym wydłużenie zostaną zrealizowane przez obniżenie wysokości pomiędzy linią i ziemią, co wiąże się z ryzykiem, prowadzącej do zapłonu (łuku elektrycznym tworząc zwarcie) ze względu na wysokie napięcia używane w tych sieciach. Na szczęście na liniach zainstalowano zabezpieczenia zapobiegające takim zapłonom, które są oczywiście niezwykle niebezpieczne. Prąd zwarciaPrąd zwarcia (w skrócie ICC) jest wielkością teoretyczną, które odpowiada prądu , który może być mierzony w punkcie w sieci, jeśli punkt były podłączone bezpośrednio do ziemi . Jest równy prądowi płynącemu w konstrukcji podczas trójfazowego zwarcia do ziemi (to znaczy, który bezpośrednio łączy 3 fazy z ziemią). Isc jest dostarczany głównie przez grupy produkcyjne . Jest wysoki w węzłach sieci będących podstacjami (na europejskiej sieci 400 kV wartości są rzędu 30 do 50 kA). Isc staje się coraz słabszy wraz ze spadkiem poziomu napięcia i oddalaniem się od podstacji.
Sprzęt stosowany w stacjach jest zaprojektowany, aby wytrzymać maksymalną wartość ISC: poza tym, istnieje ryzyko pęknięcia sprzętu w przypadku zwarcia (spowodowane przez piorun , mróz , sprzętu ...) pęknięcia tego rodzaju są spowodowane w szczególności przez silne zjawiska elektrodynamiczne , które mają miejsce, gdy przewodniki są poddawane działaniu wyjątkowo silnych prądów .
Jednak w interesie sieci elektrycznej jest wysoki Isc. W istocie, pozwala to tłumienie od zakłóceń wytwarzanych przez duże przemyśle ( migotanie problemy ), a także zmniejszenie spadków napięcia podczas zwarcia w sieci. Dla konsumenta Isc odpowiada maksymalnemu prądowi, jaki może zapewnić sieć: wystarczająca wartość Isc jest zatem niezbędna do uruchamiania dużych silników elektrycznych . Ogólnie rzecz biorąc, wysoki Isc utrzymuje dobrą jakość fali elektrycznej dostarczanej klientom.
Sieci elektryczne można organizować według kilku typów struktur opisanych poniżej:
struktura siatki : podstacje są połączone licznymi liniami elektrycznymi, co zapewnia duże bezpieczeństwo dostaw.
struktura promieniowa lub pętlowa (czerwone pozycje reprezentują wkład energetyczny): bezpieczeństwo dostaw, chociaż niższe niż w przypadku struktury siatki, pozostaje wysokie.
struktura drzewiasta (czerwona podstacja reprezentuje pobór energii): bezpieczeństwo dostaw jest niskie, ponieważ awaria linii lub czerwonej podstacji odcina wszystkich dalszych odbiorców.
Każdy rodzaj konstrukcji ma bardzo odmienną specyfikę i metody działania. Duże sieci energetyczne wykorzystują wszystkie tego typu konstrukcje. W najwyższych poziomach napięcia stosowana jest struktura siatki: jest to sieć transportowa. Na niższych poziomach napięcia struktura pętlowa jest używana równolegle ze strukturą siatkową: jest to sieć dystrybucyjna. Wreszcie, dla najniższych poziomów napięcia, prawie wyłącznie wykorzystywana jest struktura drzewiasta: jest to sieć dystrybucyjna.
Sieci przesyłowe pracują pod wysokim napięciem (HTB) (od 50 kV do 400 kV ) i są przeznaczone do przesyłania energii z dużych ośrodków produkcyjnych do regionów zużywających energię elektryczną. Duże moce tranzytowe wymagają linii energetycznych o dużej przepustowości, a także struktury siatkowej (lub połączonej). Sieci kratowe gwarantują bardzo dobre bezpieczeństwo dostaw, ponieważ utrata jakiegokolwiek elementu (linii elektroenergetycznej, transformatora czy grupy wytwórczej) nie prowadzi do odcięcia zasilania, jeśli operator sieci przesyłowej zastosuje się do zasady zwanej „N-1”. (możliwość utraty dowolnego elementu sieci bez niedopuszczalnych konsekwencji dla konsumentów).
Ilustracja przeniesienia obciążeniaA) W sieci naprzeciwko energia elektryczna jest rozprowadzana przez linie energetyczne zgodnie z lokalizacją produkcji, zużycia i impedancji struktur (linii i transformatorów) zgodnie z prawami Kirchhoffa . Linie są mniej lub bardziej obciążone w zależności od liczby trójkątów:
W tym przykładzie linie są normalnie ładowane (kolor od zielonego do żółtego).
B) W sieci miał miejsce incydent: linia zadziałała; dlatego jest nieczynny. Dzięki siatkowej strukturze energia jest rozprowadzana na pozostałe linie zgodnie z ich impedancją, przy jednoczesnym zapewnieniu ciągłości zasilania elektrycznego. Z drugiej strony linia jest przeciążona: dlatego konieczne jest szybkie działanie, aby przywrócić jej intensywność do akceptowalnej wartości. C1) Jeśli w odpowiednim czasie nie zostaną podjęte żadne działania, przeciążona linia uruchomi się z kolei: energia zostanie ponownie rozprowadzona, aby zaspokoić zapotrzebowanie na energię. Przy coraz mniejszej liczbie linii energetycznych, które przenoszą tę samą moc, przeciążenia na pozostałych liniach stają się bardzo ważne, a czasy reakcji zostaną odpowiednio skrócone. W tej sytuacji linia jest bardzo przeciążona i bardzo szybko się wyłączy, odłączając w ten sposób 3 zasilane przez nią stacje.Sieć tego typu nazywana jest kaskadą przeciążenia i prawie zawsze jest zaangażowana w poważne awarie występujące na całym świecie. Pokazuje to, że począwszy od sytuacji w sieci, która jest a priori „normalna”, łagodne zdarzenie (na przykład uderzenie pioruna w linię) może szybko mieć niekontrolowane i dalekosiężne konsekwencje.
C2) Po wyłączeniu pierwszej linii elektrycznej dyspozytorzy mają do dyspozycji kilka sposobów „usunięcia” tego przeciążenia. Tutaj dyspozytor zmienił topologię podstacji, aby przełączyć się na 2 węzły elektryczne: umożliwia to inny sposób dystrybucji energii, a tym samym lepsze zrównoważenie natężenia na liniach. Wracamy zatem do trwałej sytuacji. Można było zastosować inne, bardziej restrykcyjne rozwiązania w celu zniesienia dopłaty:Sieci dystrybucyjne pracują pod wysokim napięciem (rzędu od 30 do 150 kV ) i mają zapewnić dostawy energii elektrycznej w skali regionalnej. Energia dostarczana jest tam głównie przez sieć przesyłową za pośrednictwem transformatorów, ale także przez średniej wielkości elektrownie (poniżej ok. 100 MW). Sieci dystrybucji są rozmieszczone dość równomiernie na terenie regionu.
Mają strukturę, która jest zarówno pokryta siatką, jak i zapętlona zgodnie z rozważanymi regionami. W przeciwieństwie do sieci transportowych, które są zawsze zapętlone (aby móc zapewnić natychmiastową ulgę w N-1), sieci dystrybucyjne mogą działać w pętli lub rozpięte w zależności od przejść w sieci (rozpięty oznacza, że wyłącznik jest otwarty na tętnicy, ograniczając w ten sposób możliwości awaryjne N-1). Problemy z przenoszeniem obciążenia pojawiają się również w przypadku sieci dystrybucyjnej, dlatego jej działanie jest zapewnione w koordynacji z działaniem sieci transportowej, a także wymaga środków symulacji w czasie rzeczywistym.
Celem sieci dystrybucyjnych jest zaopatrzenie wszystkich odbiorców. Istnieją dwa podpoziomy napięcia:
W przeciwieństwie do sieci transportowych i dystrybucyjnych, sieci dystrybucyjne prezentują szeroką gamę rozwiązań technicznych zarówno w zależności od kraju, jak i gęstości zaludnienia.
Sieci średniego napięcia (SN) mają strukturę bardzo drzewiastą, co pozwala na prostą i tanią ochronę: od podstacji źródłowej (zasilonej przez sieć dystrybucyjną), energia elektryczna przepływa przez arterię (lub szkielet), do której jest bezpośrednio podłączony bypass gałęzie, na których końcu znajdują się publiczne podstacje rozdzielcze HTA/nn, które zasilają sieci niskiego napięcia (NN), do których przyłączeni są najmniejsi odbiorcy. Struktura drzewiasta tych sieci implikuje, że awaria na linii elektroenergetycznej SN nieuchronnie doprowadzi do odcięcia odbiorców zasilanych tą linią, nawet jeśli istnieją mniej lub bardziej nagłe możliwości awaryjne.
Ramy europejskich sieci średniego napięcia (SN) składają się tylko z 3 faz, podczas gdy w Ameryce Północnej przewód neutralny jest również rozprowadzony (3 fazy + 1 neutralny). Gałęzie SN mogą składać się z 1 przewodu (w przypadku Australii, gdzie prąd powraca przez ziemię) do 4 przewodów (w przypadku Stanów Zjednoczonych), a nawet systematycznie 3 przewodów (3 fazy) jak sieć francuska.
Na obszarach wiejskich dominują napowietrzne sieci SN, gdzie przeważa struktura drzewiasta. Z drugiej strony na obszarach miejskich ograniczenia rozmiaru, estetyki i bezpieczeństwa prowadzą do masowego wykorzystywania kabli podziemnych. Ponieważ sieci podziemne są potencjalnie narażone na długie przestoje w przypadku uszkodzenia (kilkadziesiąt godzin), stosuje się konstrukcje z podwójnym obejściem lub niesprzężone konstrukcje promieniowe wyposażone w automatyczne urządzenia do ponownego zasilania, co zapewnia większe bezpieczeństwo zasilania.
Sieci NN wynikają ze struktury sieci SN: w Ameryce Północnej powszechne są sieci jednofazowe (1 neutralny + 1 faza), podczas gdy w Europie przeważa dystrybucja trójfazowa z przewodem neutralnym (1 neutralny + 3 fazy). Znowu zdecydowanie najbardziej rozpowszechniona jest struktura drzewiasta, ponieważ jest jednocześnie prosta, niedroga i umożliwia łatwą obsługę.
Sieć elektryczna składa się nie tylko z urządzeń wysokiego napięcia (tzw. urządzeń energetycznych), ale także z wielu przydatnych funkcji, takich jak telekontrola czy system ochrony.
Linie energetyczne łączą podstacje ze sobą. Wewnątrz podstacji znajduje się szyna zbiorcza dla każdego poziomu napięcia, która łączy zasilacze liniowe i transformatorowe.
Linie energetyczneLinie energetyczne pełnią funkcję „transportu energii” na duże odległości. Składają się one z 3 faz, a każda faza może składać się z wiązki kilku przewodów (1 do 4) oddalonych od siebie o kilka centymetrów w celu ograniczenia efektu korony, który powoduje straty liniowe, inne niż straty Joule'a . Wszystkie te 3 fazy elektryczne stanowią tępy .
Pylon elektryczny może obsłużyć kilka słupów: we Francji rzadko więcej niż 2 i nigdy więcej niż 4 , ale w innych krajach, takich jak Niemcy czy Japonia, ich słupy mogą obsługiwać do 8 słupów. Wszystkie słupy są starannie połączone z ziemią za pomocą wydajnej sieci uziemiającej . Słupy podtrzymują przewodniki izolatorami szklanymi lub porcelanowymi, które wytrzymują wysokie napięcia linii energetycznych. Ogólnie długość izolatora zależy bezpośrednio od napięcia obsługiwanej linii elektroenergetycznej. Izolatory są zawsze wyposażone w iskierniki, które składają się z dwóch metalowych końcówek zwróconych do siebie. Ich odległość jest wystarczająca, aby zapewnić wytrzymałość na napięcie w warunkach normalnej pracy. Ich użyteczność pojawia się, gdy piorun uderza w linię elektryczną: wówczas na poziomie iskiernika powstaje łuk elektryczny, który ominie izolator. Gdyby nie było iskiernika, przepięcie między słupem a linią odgromową systematycznie niszczyłoby izolator.
Przewód uziemiający, składający się z jednego przewodnika, czasami wystaje z linii energetycznych. Jest przymocowany bezpośrednio do pylonu i nie przenosi żadnej energii: jest podłączony do sieci naziemnej, a jego zadaniem jest przyciąganie piorunów tak, aby nie uderzały one w 3 fazy linii, unikając w ten sposób „zapadów napięcia”. klienci. W środku przewodu uziemiającego czasami umieszczany jest kabel światłowodowy, który służy do komunikacji operatora. Jeśli zdecydujesz się zainstalować światłowód na istniejącym przewodzie uziemiającym, wówczas używany jest robot, który będzie zwijał światłowód wokół przewodu uziemiającego.
Transformatory mocyW sieciach elektrycznych występują dwa rodzaje transformatorów mocy:
Ponieważ transformatory są szczególnie drogim sprzętem, ich ochronę zapewniają różne mechanizmy nadmiarowe.
Podstacje elektrycznePodstacje elektryczne to węzły sieci elektrycznej. Są to punkty połączeń linii energetycznych. Stacje sieci elektrycznych mogą mieć 2 cele:
Ponadto podstacje pełnią funkcje strategiczne:
Każda sieć elektryczna posiada systemy zabezpieczające, które odłączają system produkcyjny w przypadku awarii na linii. Celem jest ochrona 3 elementów systemu elektrycznego:
Prowadzenie odbywa się z regionalnych (dyspozytorskich) lub krajowych centrów kontroli. Posiadają one przyrządy telekontroli ( w szczególności SCADA ) składające się z urządzeń umożliwiających:
Poza powyższymi elementami umożliwiającymi zdalną jazdę, istnieją również lokalne urządzenia, które mogą automatycznie wykonywać manewry mające na celu zabezpieczenie pracy instalacji elektrycznej lub przywrócenie obsługi w przypadku jej przerwania.
Rozległa sieć niezawodnych i bezpiecznych kanałów telekomunikacyjnych jest niezbędna do wymiany tych informacji między centrum sterowania a stacjami, które obsługuje.
Sprzęt inwigilacyjny jest przeznaczony do analizy incydentów a posteriori. W jego skład wchodzą przede wszystkim rejestratory stanu odpowiedzialne za rejestrację położenia łączników oraz rejestratory zakłóceń, które dzięki systemowi pamięci odtwarzają ewolucję napięć i prądów w trakcie zdarzeń. Gdy wrażliwi klienci znajdują się w pobliżu podstacji, można również zainstalować mierniki jakości, przeznaczone do pomiaru krótkich przestojów. Dane dostarczane przez ten sprzęt są konsultowane na miejscu. Dla wygody mogą być transmitowane zdalnie, ale niezawodność wymagana od wykorzystywanych kanałów transmisyjnych jest mniej istotna niż w poprzednim przypadku.
Elektryczność jest jedną z rzadkich energii, których nie można magazynować na dużą skalę (z wyjątkiem baterii lub zapór uważanych za rezerwy energii elektromechanicznej o niskiej bezwładności). Operatorzy sieci muszą przez cały czas zapewniać równowagę między podażą a popytem. W przypadku braku równowagi obserwuje się dwa główne zjawiska:
Połączenia między krajami i tymczasowy „rzuca” Urządzenia dla niektórych konsumentów pozwalają zmniejszyć ryzyko czarnym out na poziomie krajów, które są zjednoczeni w zarządzaniu równowagi podaży i popytu: mówimy o rezerwy pierwotnej tutaj mutualized. .
Masowe pojawienie się generacji zdecentralizowanej w sieciach końcowych (sieci dystrybucyjnych) prowadzi również do tego, że ta niescentralizowana generacja jest uwzględniana w ogólnym bilansie sieci, w szczególności w przypadku problemów z wytrzymałością napięciową. Pojawienie się inteligentnych sieci lub inteligentnych sieci musi w szczególności przyczynić się do pogodzenia ogólnej równowagi sieci przesyłowej (częstotliwość, napięcie) z lokalną równowagą sieci dystrybucyjnych. Operatorzy europejscy myślą o odpowiednich rozwiązaniach technicznych, biorąc pod uwagę stopniową ewolucję metod produkcji, które są obecnie wysoce scentralizowane (elektrownie jądrowe, wodne itp.), a jutro będą znacznie bardziej zdecentralizowane (energetyka wiatrowa, fotowoltaika itp.). Projekty FENIX, EU-DEEP lub ADEME AMI mają rzucić światło na techniczne wybory jutra.
Częstotliwość obrotów generatora jest narzucona w celu utrzymania stałej częstotliwości sieci, regulacja dostarczanej mocy może odbywać się poprzez oddziaływanie na prąd wzbudzenia maszyny synchronicznej .
Napięcie można również regulować, wkładając cewki lub baterie kondensatorów do sieci elektrycznej lub odłączając je w zależności od przypadku: spadek lub wzrost napięcia, wiedząc, że naładowana sieć elektryczna generuje spadek napięcia, a sieć bez obciążenia generuje przepięcie. Istnieją również inne sposoby regulacji, takie jak podkładki autotransformatorów .
W procesie deregulacji systemów elektroenergetycznych pojawiła się kwestia statusu ekonomicznego i prawnego sieci. Teoria ekonomii uznaje w sieciach elektroenergetycznych jedną z form monopolu naturalnego , to znaczy działalność tańszą do powierzenia jednemu podmiotowi gospodarczemu.
Jednak ze względów ekonomicznych i historycznych prawie we wszystkich krajach rozwój, utrzymanie i eksploatacja sieci transportowych, aw mniejszym stopniu dystrybucja, były zintegrowane z przedsiębiorstwami produkcyjnymi, których podejście deregulacyjne szukało właśnie konkurencji. Ponadto teoria ekonomii uznaje również status sieci elektroenergetycznych za infrastrukturę niezbędną , czyli umożliwiającą ułatwienie lub utrudnienie dostępu do rynku, o który chodziło.
Z tych powodów procesy deregulacyjne w Europie czy Stanach Zjednoczonych na ogół narzuciły mniej lub bardziej wyraźny rozdział między działalnością produkcyjną uznawaną za konkurencyjną a działalnością transportową, a nawet dystrybucją, uznawaną za monopolistyczną.
Ta separacja mogła być:
zarządzanie poprzez określenie wymagań funkcjonalnych i organizacyjnych (powołanie kierowników, zakres ich uprawnień, publikacja odrębnych rachunków itp.). Taki jest wymóg pierwszej dyrektywy europejskiej z 1996 roku. prawny narzucając utworzenie odrębnej spółki, która jednak może być spółką zależną konkurujących aktorów producenckich. Jest to obecny wymóg w Europie w 2007 r., chociaż w zależności od kraju organizacja (jedna lub więcej firm) oraz własność (publiczna lub prywatna, z historycznymi producentami lub bez) mogą się różnić. dziedzictwo poprzez zakazanie własności, a nawet posiadania interesów majątkowych uczestników konkurencji w spółkach sieciowych. Taki jest zamiar Komisji Europejskiej opublikowany w 2007 roku.Z drugiej strony należy zauważyć, że deregulacja nie zmieniła podstaw technicznych zarządzania sieciami elektroenergetycznymi, w szczególności nie zmieniła znacząco fizycznych przepływów energii elektrycznej w połączonych sieciach, które pozostają zdeterminowane położeniem geograficznym środki produkcji i obszary konsumpcji oraz prawa Kirchhoffa .