Calcul des pertes d'énergie lors de la transmission
Dans un réseau électrique, l'énergie produite à la centrale n'atteint pas intégralement le consommateur. Une partie est « perdue » tout au long du parcours, de la centrale au réseau de distribution, en passant par les postes de transformation, les lignes de transport et les lignes de distribution. Ces pertes sont appelées pertes d'énergie. Le calcul de ces pertes est essentiel pour optimiser l'efficacité, réduire les coûts d'exploitation, déterminer la capacité des équipements et garantir la qualité et la fiabilité de l'approvisionnement. Cet article présente le concept, les causes et les méthodes pratiques de calcul des pertes d'énergie sur les lignes de transport.
1. Que sont les pertes d'énergie lors du transport ?
Les pertes d'énergie lors du transport correspondent à la différence entre l'énergie électrique envoyée à l'extrémité émettrice et l'énergie reçue à l'extrémité réceptrice d'un système de transport. En termes simples :
Perte d'énergie = Énergie envoyée – Énergie reçue
Ces pertes ne sont pas de simples chiffres comptables ; elles se traduisent par une chaleur réelle dans les conducteurs et le noyau du transformateur, et résultent de phénomènes liés aux champs électriques et magnétiques. À l’échelle du système, les pertes sont généralement exprimées en kWh pour l’énergie, ou en kW/MW pour la puissance à une charge donnée. On utilise également souvent le pourcentage de pertes.
Pourcentage de perte = (Puissance perdue / Puissance d'émission) × 100 %
2. Les principales causes des pertes de transmission
Les pertes de transmission sont généralement divisées en plusieurs composantes :
a) Pertes de cuivre (pertes I²R)
C'est le phénomène prédominant dans ce canal. Lorsqu'un courant traverse un conducteur présentant une résistance, de la chaleur est générée en quantité :
P_perte = I² × R
À mesure que l'intensité du courant augmente, les pertes augmentent de façon quadratique. Par conséquent, pour une même puissance, augmenter la tension de transmission diminue l'intensité du courant et réduit automatiquement les pertes.
b) Pertes dues à l'effet de peau et à la proximité
En courant alternatif, le courant tend à circuler à la surface du conducteur. Cela augmente la résistance effective par rapport à la résistance en courant continu. Dans les conducteurs adjacents, la distribution du courant est également affectée (effet de proximité). Ces deux phénomènes augmentent les pertes par effet Joule (I²R), particulièrement aux fréquences du réseau (50 Hz en Indonésie), bien que l'impact soit plus marqué sur les conducteurs de forte section.
c) Pertes liées au coronavirus
L'effet corona se produit lorsque le champ électrique autour d'un conducteur est suffisamment intense pour ioniser l'air, provoquant des sifflements, des interférences radio et des pertes de puissance. L'effet corona s'accentue avec les hautes tensions, les surfaces de conducteurs rugueuses, l'humidité et la pluie. Les pertes par effet corona sont généralement importantes dans les systèmes THT/UHT.
d) Pertes diélectriques et fuites d'isolation
Les isolateurs et les matériaux isolants présentent de faibles pertes diélectriques. De plus, un courant de fuite de surface apparaît, notamment lorsque l'isolateur est sale ou humide. Sa valeur est généralement inférieure aux pertes par effet Joule (I²R), mais elle est néanmoins prise en compte dans les études détaillées.
e) Pertes sur les équipements connexes (transformateurs et réacteurs)
Bien qu'il ne s'agisse pas à proprement parler d'une « ligne », les lignes de transport d'électricité comprennent presque toujours des sous-stations et des transformateurs. Les transformateurs comportent :
– Pertes à vide (pertes dans le noyau) : relativement constantes par rapport à la charge.
– Pertes par effet Joule (pertes par effet Joule) : dépend du courant/de la charge.
Si l’objectif de l’étude est « les pertes de transmission du système » d’un bus à l’autre, les pertes des transformateurs sont généralement incluses.
3. Données nécessaires au calcul
Pour calculer techniquement les pertes de transmission, les données généralement requises sont :
1. P (MW) et Q (MVAr) charge/distribution ou puissance à l'extrémité de réception/d'émission.
2. Tension du système (kV), type de système monophasé/triphasé.
3. Paramètres du canal : résistance R (Ω), réactance X (Ω) et, si nécessaire, capacité/conductance (modèle π).
4. Longueur de la ligne (km) et type de conducteur pour déterminer R par km.
5. Profil de charge en fonction du temps lors du calcul des pertes d'énergie quotidiennes/mensuelles/annuelles.
4. Calcul des pertes de puissance à l'aide d'une approche simple
a) Système triphasé
Pour les lignes triphasées, pertes de puissance totales dans le cuivre :
P_perte = 3 × I² × R_phase
Si la puissance active transmise et le facteur de puissance sont connus :
– P = √3 × V_LL × I × cos φ
Puis le courant :
– I = P / (√3 × V_LL × cos φ)
Une fois que I est connu, entrez-le dans la formule de perte I²R.
Un exemple rapide :
Par exemple, transmission de 150 kV, puissance de 50 MW, facteur de puissance de 0,9, résistance totale par phase de 2 Ω.
Actuel:
I = 50×10⁶ / (√3 × 150×10³ × 0,9) ≈ 214 A
Subir une perte :
P_perte = 3 × 214² × 2 ≈ 275 kW
Cela montre que les pertes sont très sensibles au courant (charge) et à la résistance totale de la ligne.
b) En utilisant le paramètre R par km
Si R est connu par km, par exemple 0,06 Ω/km par phase, et que la longueur est de 80 km :
R_phase = 0,06 × 80 = 4,8 Ω
Utilisez ensuite la même formule.
5. Calculer les pertes d'énergie (kWh) à partir des pertes de puissance (kW)
Les pertes de puissance (kW) varient dans le temps en fonction de la charge. En supposant des pertes de puissance constantes sur un intervalle donné :
E_perte = P_perte × t
Si P_loss = 275 kW pendant 10 heures :
E\_perte = 275 × 10 = 2 750 kWh
Pour un calcul plus réaliste, utilisez les données de charge horaire (profil de charge). Calculez I par heure → P_perte par heure → somme sur toutes les heures :
Perte quotidienne d'énergie = Σ (Perte de poids, heure × 1 heure)
Comme P_loss ∝ I², les calculs basés sur le courant moyen ne sont pas toujours précis. Il est préférable d'utiliser des données sur un intervalle de temps (par exemple, 15 minutes ou 1 heure).
6. Approche avancée : calcul des pertes par flux de puissance (flux de charge)
Dans les réseaux de transport d'énergie à plusieurs nœuds, les pertes ne sont pas facilement calculables à l'aide d'une formule unique, car le courant est réparti sur plusieurs lignes et les tensions aux nœuds varient. Une méthode courante consiste à réaliser une étude de flux de puissance à l'aide d'un logiciel (ETAP, DIgSILENT PowerFactory, PSS/E, OpenDSS ou pandapower).
Conceptuellement :
– La perte de puissance sur une ligne peut être calculée à partir de la différence de puissance complexe aux extrémités d'émission et de réception :
S_perte = S_envoi – S_réception
avec P_perte = Re(S_perte) .
– Autre possibilité, à partir du courant du canal de résultat du flux de puissance et de la valeur R :
P_perte = 3 × |I|² × R .
Cette approche permet également de calculer les pertes du transformateur, les pertes par effet Joule, ainsi que l'impact des réglages des prises du transformateur et de la compensation réactive.
7. Comment réduire les pertes de transmission
Une fois les pertes calculées, l'étape suivante consiste à les atténuer. Voici quelques stratégies courantes :
1. Augmenter la tension de transmission pour réduire le courant (et les pertes I²R).
2. Utiliser des conducteurs de plus grande section ou les regrouper pour réduire la résistance et supprimer l'effet corona.
3. Compensation de la puissance réactive (condensateur, STATCOM, SVC) pour réduire le courant réactif et améliorer le facteur de puissance.
4. Optimisation du fonctionnement du réseau (redistribution, réglage des prises, reconfiguration, sélection du chemin).
5. Entretien des isolateurs et des conducteurs pour réduire les fuites et les problèmes de corona dus à des surfaces en mauvais état.
8. Conclusion
Le calcul des pertes d'énergie lors du transport est une étape cruciale pour améliorer l'efficacité des réseaux électriques. Les pertes les plus importantes proviennent généralement de l'effet Joule (I²R), fortement influencé par le courant et la résistance de la ligne, tandis que l'effet corona et les fuites d'isolation peuvent être significatives à haute tension et dans certaines conditions environnementales. Des calculs simples peuvent être effectués à l'aide des formules de base du courant et de la résistance, mais pour les réseaux complexes, une analyse des flux de puissance est nécessaire. En comprenant les causes et les méthodes de calcul, les gestionnaires et les planificateurs de réseau peuvent déterminer les actions appropriées pour minimiser les pertes et améliorer la fiabilité de la distribution d'énergie électrique.
Si vous le souhaitez, je peux adapter cet article à un contexte spécifique (par exemple 70 kV/150 kV/500 kV), ajouter un tableau d'exemples de calculs horaires, ou inclure la formule de l'effet corona et le modèle π de la ligne.
