Systèmes de distribution électrique
II existe deux grandes classes de distribution : à courant continu et à courant alternatif, qui se subdivisent elles-mêmes en différents systèmes dont chacun offre des avantages particuliers.
Les plus connus sont en C.C. — systèmes 2-fils et 3-fils en C.A. — systèmes 2-fils et 3-fils monophasés système 4-fils biphasé systèmes 3-fils et 4-fils triphasés
On se limitera à l'étude des systèmes utilisés dans les installations d'éclairage, c'est-à-dire les systèmes 2-fils et 3-fils monophasés et le système 4-fils triphasé.
Système 2-fils C.C. ou C.A. monophasé
Dans le système 2-fils, le courant consommé par les appareils vient de la source par un fil et y retourne par l'autre.
La distribution du courant le long de la ligne s'effectue selon la demande, c'est-à-dire selon les charges reliées et en circuit ; il arrive donc que les parties de la ligne les plus proches de la source transportent plus de courant que les parties les plus éloignées. La tension diminue aussi le long de la ligne à cause de la perte de voltage (fig. 16.1).
Système 3-fils C.C. ou C.A. monophasé
Ce système a remplacé depuis longtemps le système 2-fils dans certaines parties des installations, car il permet, pour une même charge, d'employer des conducteurs plus petits, d'où une économie appréciable non seulement sur la grosseur des fils, mais encore sur la grosseur des conduits, des câbles et autres garnitures.
Il est bon de rappeler brièvement, pour une parfaite compréhension de ce système et de ses avantages, la loi électrique suivante, bien connue :
"Dans une ligne portant une charge en watts déterminée, la puissance perdue varie inversement au carré du voltage appliqué."
Il en découle que "le poids d'un conducteur portant une charge en watts déterminée, avec une puissance perdue donnée, est inversement proportionnel au carré du voltage appliqué."
En doublant la tension, les conducteurs pourront être quatre fois plus petits ; en quintuplant la tension, on pourra utiliser des conducteurs vingt-cinq fois plus petits, et ainsi de suite.
Application 16.1
Une ligne 2-fils transportera 25 kW sous une tension de 125 V ; on prévoit une perte de 500 W. Déterminer la grosseur des fils.
Solution
P (watts) = EI p (watts) = RI²
p = perte de puissance (en watts) dans la ligne
On tire,
I= P/E = 25000 W/125V = 200A
I² = 200 X 200 = 40000
R = P/I² = 500/40000 = 1/80 ohm
On choisira donc des fils d'une grosseur telle que leur résistance soit de 1/80 ohm.
Si, maintenant, on double le voltage, soit 250 volts, on obtient,
I = P/E = 2500W / 250V = 100A
I² = 100² = 10000
R= 500 / 10000 = 1/20 ohm
La résistance de la ligne pourra maintenant atteindre 1/20 ohm, soit quatre fois celle qu'elle était avec une tension de 125 V ; en d'autres termes, les fils pourront être quatre fois moins gros.
On voit donc que plus la tension sera élevée, plus les fils pourront être petits.
On peut se demander alors pourquoi ne pas employer des tensions de 500 V et plus dans les circuits d'éclairage ?
En voici la raison : il est reconnu que dans les conditions normales, une tension supérieure à 300 volts devient dangereuse pour la vie des personnes, par suite des contacts accidentels assez fréquents sur ce genre de circuit.
D'autre part, un circuit d'éclairage 2-fils à 230 V ne serait pas pratique, car les filaments et les fils de résistance utilisés dans la construction des lampes et autres appareils de faible puissance, déjà très petits pour une tension de 125 V, devraient l'être davantage, ce qui compliquerait encore leur fabrication et diminuerait considérablement leur durée.
On préfère donc ajouter à cette ligne un troisième fil relié à la source ; la tension entre ce fil et l'un quelconque des deux autres représente la moitié de la tension entre ceux-ci (fig. 16.2). Ce troisième fil est appelé fil neutre ou fil à la terre tandis que les deux autres sont les fils chargés ou fils non mis à la terre.
Les lampes et les appareils de faible puissance sont reliés entre le fil neutre et l'un quelconque des fils chargés, c'est-à-dire sous une tension de 115 V, tension optimum pour plus longue durée et leur meilleur rendement.
Les appareils de plus grande puissance : poêle, chauffe-eau et moteurs sont, d'autre part, reliés entre les deux fils chargés, c'est-à-dire sous une tension de 230 V, ce qui réduit l'ampérage et la perte de voltage.
Dans un circuit balancé tel que celui qu'illustre la figure 16.2, lorsque la charge de chaque côté du système est la même, les fils chargés transportent la totalité du courant ; le fil neutre ne porte aucune charge.
On remarque aussi sur la figure que la charge normale reliée est de 70 A, mais les fils chargés ne portent que 40 A, puisque les deux côtés du système sont reliés en série pour une partie des appareils.
Dans la pratique, on obtient très rarement un circuit balancé, bien qu'on s'efforce d'y parvenir le plus possible en reliant les appareils. Dans un circuit non balancé (fig. 16.3), le fil neutre porte la différence de charge entre les deux côtés du circuit.
On voit par les deux figures précédentes que la plupart des appareils sont reliés au 115 V, mais la plus grande partie du courant est transportée à 230 V, ce qui permet d'utiliser des fils plus petits.
Système 4-fils, triphasé 120/208 volts
Dans ce système, la disposition des fils et les tensions entre eux résultent d'une connexion en étoile des bobines dans les alternateurs ou dans les transformateurs (fig. 16.4).
Les fils chargés, 1, 2, 3, qu'on appelle aussi fils phases, sont reliés chacun à une extrémité d'une bobine ; les autres extrémités des bobines sont reliées entre elles en un point commun d'où part le fil neutre. La tension entre chaque fil phase et le fil neutre est de 120 V, tandis que la tension entre deux fils phases, 1 et 2, 2 et 3, 1 et 3 est de 208 V (120 x 1.73).
L'utilisation de ce système pour certaines parties d'une installation (les câbles d'alimentation) permet, comme pour le système 3-fils monophasé, d'employer des fils plus petits, les charges étant transportées à 208 V au lieu de 120 V.
En outre, ce système permet de relier des moteurs triphasés qui, pour une même puissance, coûtent moins cher et sont d'un entretien plus économique que les moteurs monophasés.
Les appareils de consommation monophasés sont reliés successivement entre les fils phases et le fil neutre, tandis que les appareils de consommation triphasés sont reliés aux fils phasés (fig. 16.5).
Ici encore, le fil neutre ne transporte aucun courant lorsque le système est balancé, comme dans la figure 16.5, alors qu'// transporte la différence de charge entre les fils phases d'un système non balancé (fig. 16.6) et il est évident qu'il ne peut alors porter plus de courant que le fil phase le plus chargé.
II est plus difficile de comprendre la direction du courant dans les différentes parties d'un circuit triphasé que dans un circuit monophasé. L'explication de la marche du courant dans un circuit où les trois phases sont combinées exigerait des considérations dépassant le cadre de cet ouvrage.
Les figures 16.7, 16.8 et 16.9 indiquent la direction et l'intensité du courant dans les différentes parties du circuit pour chacune des trois phases considérées séparément.
Choix entre les courants continu et alternatif
Les réseaux de distribution électrique des compagnies d'utilité publique sont toujours à courant alternatif, principalement parce que le courant et la tension à laquelle ils fonctionnent peuvent être abaissés ou élevés au moyen de transformateurs.
Comme on l'a vu précédemment, on peut ainsi utiliser des fils plus petits pour une même puissance perdue. De plus, il devient alors possible de recourir aux courants polyphasés.
Or, les avantages déjà cités, au point de vue achat et entretien, que possèdent les moteurs polyphasés à vitesse constante sur les moteurs monophasés sont encore plus grands lorsque la comparaison s'applique à des moteurs à courant continu.
En outre, les moteurs C.A. peuvent fonctionner à une plus haute tension que les moteurs C.C. On sait aussi qu'un courant monophasé peut s'obtenir facilement d'une distribution polyphasée.
D'autre part, l'usage d'une distribution à courant alternatif comporte des inconvénients n'existant pas dans une distribution à courant continu : pertes dans les transformateurs, induction, facteur de puissance, moins bonne régulation de tension, etc., mais ces inconvénients sont largement compensés par les avantages mentionnés plus haut.
Il existe cependant des cas où le courant continu s'avère très utile : travail exigeant une grande variation de vitesse et de charge dans de courts espaces de temps ; par exemple, pour les chemins de fer urbains ou autres, les presses d'imprimerie, etc.
On considère alors les moteurs à courant continu supérieurs aux moteurs à courant alternatif, quoiqu'on ait amélioré certains types de moteurs C.A. qui fournissent un excellent rendement pour des tâches où l'on considérait les moteurs C.C. irremplaçables ; ce sont des moteurs C.A. triphasés avec bagues collectrices et résistances secondaires.
Lorsqu'on utilise des moteurs à courant continu, avec une distribution générale à courant alternatif, on redresse celui-ci au moyen de moteurs, de générateurs, de redresseurs de courant, de commutatrices (converters).
Dans certaines bâtisses où la charge consiste en circuits d'éclairage si, pour des raisons d'économie, le courant est produit sur les lieux mêmes, une distribution à courant continu devient plus économique et donne plus de satisfaction.
Choix d'une fréquence
II existe deux fréquences normalisées au Canada et aux États-Unis : 25 cycles et 60 cycles.
À première vue, il semblerait qu'une distribution à 25 cycles soit préférable puisque l'induction est moindre qu'à 60 cycles et qu'il en résulte une meilleure régulation du voltage. Néanmoins, 92% à 95% des distributions sont maintenant à 60 cycles, car d'autres facteurs interviennent.
Le 25 cycles est d'un mauvais rendement pour l'éclairage, par suite d'un vacillement continuel des lampes, assez perceptible, dû au refroidissement du filament tous les demi-cycles, quand le courant atteint sa valeur minimum. On comprend facilement l'inconvénient, pour la vue, de ce phénomène.
Ce vacillement n'est plus perceptible à 60 cycles, car la durée de l'alternance, quand le courant atteint son minimum, est trop courte.
Ensuite, la fabrication des transformateurs et de la plupart des moteurs fonctionnant sur le principe de l'induction est moins dispendieuse à 60 cycles qu'à 25 cycles.
Par contre, la fréquence 25 cycles reste avantageuse pour les moteurs à basse vitesse et les grosses commutatrices.
On emploie surtout les moteurs dans les aciéries et dans les fabriques de ciment et les grosses commutatrices dans la distribution pour les chemins de fer électriques.
Choix d'une tension
On fabrique les appareils de consommation pour les tensions nominales de 115, 230, 440, 550, 2300, 6600, 11000 et 13200 V, mais ces valeurs peuvent varier dans les limites de 10% en plus ou en moins.
Pour les systèmes intérieurs d'éclairage, on utilise surtout 115/ 230 V, un peu de 115 V et très peu de 230 V monophasés, et aussi le 120/208 V triphasé.
Pour l'éclairage des voies publiques, on installe surtout les systèmes de lampes en série, avec une tension appliquée à chaque lampe variant de 10 à 50 V et une tension totale de 230 V ou de 550 V monophasés.
Il existe aussi des systèmes ordinaires 115/230 V monophasés.
Pour les moteurs industriels, le 550 V triphasé vient en tête avec un fort pourcentage, puis le 208 V triphasé, le 2300 V triphasé et le 115/230 V monophasé.
Les moteurs pour usage domestique utilisent les systèmes 115V et 230 V monophasés.
Les générateurs délivrent de 2300 V à 13200 V en courant triphasé.
Les lignes locales ou à courtes distances transmettent le courant triphasé 2300 V et 6600 V.
Celles dont la longueur varie de 25 à 125 milles utilisent des tensions de 11000 V à 13200 V (triphasé). Enfin, celles dont la longueur excède 125 milles transmettent sur 132000 à 400000 V (triphasé).
Les moteurs à courant continu fonctionnent sous des tensions de 110, 220 et 550 V.
Les chemins de fer utilisent une tension de 600 V pour les transports urbains, des tensions de 1200 et 1500 V pour les transports interurbains et enfin, pour les grandes distances, une tension de 3000 V.
QUESTIONNAIRE Les réponses ne sont pas données
1. Indiquer l'avantage qu'offre le système 3-fils monophasé sur le système 2-fils. Préciser la composition d'un tel système.
2. Tracer un schéma, autre que celui du volume, d'un système 3-fils monophasé balancé, en indiquant la marche du courant dans chacun des fils.
3. Faire un schéma, autre que celui du volume, d'un système 3-fils monophasé non balancé, en indiquant la marche du courant dans chacun des fils.
4. Pour quelles raisons n'utilise-t-on pas la tension de 500 V pour nos circuits d'éclairage ?
5. Énumérer les avantages d'un système triphasé 4-fils et préciser sa composition.
6. Expliquer pourquoi les réseaux de distribution électrique sont toujours à courant alternatif.
7. Indiquer les fréquences courantes au Canada et la fréquence la plus utilisée.
8. Indiquer le phénomène propre à une distribution d'éclairage 25 cycles.
9. Indiquer les systèmes et les tensions les plus employés pour les installations d'éclairage intérieur.
10. Indiquer les systèmes et les tensions les plus employés (a) pour les moteurs industriels (b) pour les lignes de transmission locale.
