thinkgrid LES LIGNES À ISOLATION GAZEUSE à l heure des choix #07 SHARING ALSTOM GRID INNOVATION & PRACTICES

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1 #07 SHARING ALSTOM GRID INNOVATION & PRACTICES thinkgrid think grid #07 Été 2010 DOSSIER p. 13 LES LIGNES À ISOLATION GAZEUSE à l heure des choix

2 Sommaire #07 Été 2010 Rencontre avec 08 Christian Lindner 12 Respect de l environnement Les lignes à isolation gazeuse à l heure des choix 06 Formation 3D 33 THINK GRID SHARING ALSTOM GRID INNOVATION & PRACTICES Publié par Alstom Grid - 1 place Jean Millier La Défense - France. - Tirage : exemplaires (anglais, allemand, chinois, espagnol, français) Édition : P r Peter Kirchesch Rédactrice en chef : Véronique Chauvot Comité de rédaction : Philippe Ponchon, Milan Saravolac, François Gallon, Greg Manning, Xavier Hurbin Conception et réalisation : BythewayCreacom - 19, rue Galilée, Paris - France - Tél. : +33 (0) Directeur de la rédaction : Henry Lewis Blount Chef de projet : Kaling Chan Rédacteurs : Henry Lewis Blount, Ken Kincaid, Patrick Love, Louis-Antoine Mallen, Anne Träger Secrétaire de rédaction : Ginny Hill Directeur artistique : Didier Trayaud Conception graphique assistée par ordinateur : Jean-Marie Lagnel Traduction française : Guy Melin Crédits photographiques : Jorge Alvarez, Pagasus, Minko Stelzer, Flicker, David Min, Peter Gridley / Getty Images, Pete Webb / Masterfile, Catherine de Torquat, John Framm / Hemis, Ocean / Corbis, EWEA, Alstom, AREVA T&D Impression : Lecaux. ISSN : Un grand merci aux sociétés qui nous ont très aimablement mis leurs illustrations à disposition à titre gracieux. Des produits et des services intelligents Systèmes de surveillance : des communicants hors pair

3 5 AVANT-PROPOS Par P r Peter Kirchesch Vice-Président R&D, Alstom Grid 6 PANORAMA Formation 3D 8 RENCONTRE AVEC Christian Lindner de la compagnie d électricité suisse Axpo 23 Innovation et performance Intégrer les grands parcs éoliens offshore : la voie du CC HT multi-terminal 11 DOSSIER Repousser les limites de la technologie électrique 12 Chapitre I Respect de l environnement Une recherche tournée vers l avenir 23 Chapitre II Innovation et performance Une longueur d avance 33 Chapitre III Des produits et des services intelligents Rendre l énergie accessible à tous, aujourd hui et demain 44 LE TOUR DE LA QUESTION L importance de la propriété intellectuelle Culture électricité : une brève histoire de la protection de distance CULTURE ÉLECTRICITÉ Une brève histoire de la protection de distance 50 BIBLIOGRAPHIE Ouvrages, publications, etc. 51 AGENDA À ne pas manquer

4 Think Grid 4 Alstom Grid///Été 2010

5 AvANT-propos Par P r Peter Kirchesch : Vice-Président R&D, Alstom Grid Les prévisions ne laissent guère de doute à ce sujet : la consommation d électricité devrait augmenter de 50 % d ici à Pour faire face à cette demande croissante, de nouvelles centrales sont donc actuellement construites un peu partout dans le monde. Mais ces centrales doivent souvent être érigées sur des sites éloignés des zones de forte consommation ; d où la nécessité de transporter l électricité jusqu aux utilisateurs. C est le rôle des réseaux de transport qui doivent acheminer l énergie aussi efficacement que possible, sans oublier de prendre en compte les facteurs économiques, la sécurité et la redondance des réseaux. DEPUIS LE 6 JUIN 2010, AREVA T&D A REJOINT ALSTOM ET SCHNEIDER ELECTRIC POUR CRÉER DEUX ACTEURS MAJEURS DE L ÉNERGIE. Nos Experts Techniques et leurs équipes continueront de façonner l avenir des réseaux électriques au sein de leurs nouvelles entités. Notre magazine Think T&D est maintenant publié par Alstom sous l appellation Think Grid. Les lignes aériennes sont le moyen le plus communément utilisé, et généralement le moins onéreux, pour transporter massivement l électricité sur de longues distances. Les régions à forte densité de population, ou présentant des caractéristiques environnementales critiques, requièrent toutefois des solutions alternatives. Les liaisons souterraines constituent alors une réponse appropriée, et les câbles électriques sont couramment utilisés. Les lignes à isolation gazeuse constituent une solution alternative pour le transport souterrain et massif de l électricité. Ces lignes s avèrent particulièrement intéressantes lorsqu il est impossible d utiliser des câbles, ou lorsque ces derniers atteignent leurs limites techniques. Le transport de l énergie électrique depuis les parcs éoliens offshore jusqu aux réseaux du continent constitue ici une application potentielle. Des progrès considérables ont été accomplis depuis dix ans dans le développement des lignes à isolation gazeuse, qui non seulement constituent un système de transport fiable, mais qui offrent de surcroît un rapport coût efficacité des plus intéressants. Nous allons examiner de plus près cette technologie dans ce numéro de Think Grid. Lignes à isolation gazeuse : une alternative prometteuse Alstom Grid///Été

6 Panorama Grande-Bretagne Décembre 2009 a p e r ç u s c o m m e r c i a u x ALLEMAGNE Un projet de parc éolien innovant Alstom Grid et le consortium néerlandais Keppel Verolme B.V. ont reçu une commande de la société allemande Wetfeet Offshore Windenergy GmbH pour un poste offshore haute tension. Ce projet clés en main verra la fourniture d un poste de 155/33 kv sur une plate-forme autoflottante à installation automatique, qui permettra de relier le parc éolien de Wetfeet, en mer du Nord, au réseau allemand. Pendant l installation et l exploitation, la plate-forme servira également de base de services logistiques, avec ponton pour bateaux, aire d atterrissage pour hélicoptères et divers autres aménagements. Formation 3D L Institut technique d Alstom Grid a établi un partenariat avec National Grid, en Grande- Bretagne, pour développer des modules de formation en 3D. National Grid estimait avoir besoin d une approche innovante pour assurer la formation de son personnel sur les postes à isolation gazeuse T155. L entreprise britannique s est donc rapprochée d Alstom Grid pour trouver une solution tournée vers l avenir. Alstom Grid avait déjà procédé à des développements 3D de ses produits pour certaines expositions. Dans le cadre du showroom 3D de l institut technique de Stafford (Grande-Bretagne), et avec le concours de son institut technique d Aix-les-Bains (France), la société a pu démontrer l apport précieux des techniques 3D à la formation. Les modules de formation 3D pour postes T155, qui seront utilisés dans le cadre du centre de formation de National Grid d Eakring, en Grande-Bretagne, seront les premiers du genre dans le secteur du transport d électricité. Leur mise en œuvre permettra de renforcer le leadership technologique de National Grid et d Alstom Grid. Comme le souligne John Tyler, en charge de la formation dans l entreprise britannique : «La collaboration entre National Grid et Alstom Grid démontre que ces deux sociétés sont résolument tournées vers l avenir, et ont l ambition de proposer des solutions innovantes en matière de formation.» INDE Poste et lignes à isolation gazeuse Bharat Heavy Electricals (BHEL), la principale société d ingénierie et de construction dans le secteur de l énergie en Inde, a accordé un contrat à Alstom Grid pour la fourniture d un poste à isolation gazeuse. Le poste de 420 kv et 230 kv sera installé fin 2010 sur la centrale thermique North Chennai, dans l état de Tamil Nadu. Le projet inclura l ingénierie associée et la fourniture de huit travées B105 et quatorze travées T155, ainsi qu environ 1,5 km de lignes à isolation gazeuse. AUSTRALIE Un ambitieux projet d infrastructure Alstom Grid a reçu, avec Schneider Electric, une commande dans le cadre du projet Gorgon Liquefied Natural Gas (LNG) l infrastructure la plus importante développée à ce jour dans le pays. Ce projet concerne l extraction de gaz des champs de Greater Gorgon, à 130 kilomètres au large des côtes nord-ouest de l Australie. La commande porte sur la fourniture de postes en conteneurs, avec notamment des postes à isolation gazeuse de 132 kv, des appareillages moyenne et basse tension, ainsi que des démarrage-moteurs pour l ensemble du système électrique. BRÉSIL Le plus long réseau de transport d électricité CC dans le monde Alstom Grid s est vu attribuer une commande pour relier le poste collecteur de Porto Velho, en Amazonie, au poste d Araraquara II, à Sao Paulo. Ce projet s inscrit dans le cadre d un plan de transport d énergie destiné à relier les centrales hydroélectriques (6 300 MW) de Jirau et Santo Antonio sur le fleuve Madeira, au réseau national brésilien, sur km de lignes aériennes. Alstom Grid apportera à ce projet sa technologie CC HT 600 kv, produite au Brésil et en Grande-Bretagne. CANADA Rendements accrus pour les réseaux québécois Hydro Québec, la principale compagnie d électricité de la région, a choisi Alstom Grid pour la conception, la fourniture, l installation et la mise en service de deux systèmes de compensation fixes de 660 MVAr, 735 kv sur son poste Jacques Cartier, au nord de la ville de Québec. Le contrat inclut la fourniture de bancs de condensateurs, de varistances, d éclateurs, de disjoncteurs by-pass, de transformateurs de courant et d armoires de contrôle et de protection. Les principaux éléments seront produits par l usine de Tampere, en Finlande. 6 Alstom Grid///Été 2010

7 Power frequencies worldwide q u e l q u e s c h i f f r e s LES FRÉQUENCES électriques Power DANS frequencies LE MONDEworldwide 50 Hz 60 Hz 50 et 60 Hz De nos jours, l électricité est presque exclusivement transmise sur une fréquence de 50 ou 60 Hz. Mais cela n a pas toujours été le cas. De nombreuses fréquences ont été utilisées pendant le développement des systèmes électriques, allant de 16 2/3 Hz à 140 Hz. Des différences qui étaient possibles lorsque les réseaux étaient exploités de manière isolée. Mais, avec leur interconnexion, la standardisation est devenue une obligation, les générateurs ne pouvant fonctionner en parallèle que si leurs fréquence et onde sont identiques. On le sait, la fréquence idéale est un compromis entre des exigences contradictoires. Une fréquence relativement élevée était nécessaire pour réduire le nombre de transformateurs, alors qu une fréquence basse est préférable pour les longues lignes de transport. À la fin du XIX e siècle, AEG, l une des sociétés mères d Alstom Grid, a construit les premières installations de production allemandes fonctionnant à 50 Hz. À l époque, AEG bénéficiait d un quasi-monopole et la norme s est donc répandue dans toute l Europe. Sur le continent américain, la normalisation a abouti à un système 60 Hz la situation dominante de Westinghouse Electric n y étant pas totalement étrangère. Il n y a techniquement aucune raison de choisir un système plutôt que l autre. Et certains pays s abstiennent de trancher. Au Japon, l est du pays utilise un réseau 50 Hz, alors que l ouest préfère le 60 Hz. La raison en est simple : AEG a installé les premiers générateurs à Tokyo en 1895 ; un an plus tard, c était au tour de General Electric à Osaka. Alstom Grid///Été

8 Rencontre avec Pour Axpo, la durabilité est une seconde nature, et cela se reflète clairement dans notre vision. 8 Alstom Grid///Été 2010

9 Christian Lindner, du fournisseur d électricité suisse Axpo, nous fait partager son expérience pratique de produits respectueux de l environnement. Vue aérienne de Zurich, du lac et de la rivière Limmat. 1 er août : jour de fête nationale à Zurich. Le siège social d Axpo, à Baden (Suisse). Axpo est l un des principaux fournisseurs d électricité en Suisse. Quels sont les défis majeurs qui vous attendent? Christian Lindner : Axpo est un fournisseur qui a une vision à très long terme. Nos activités de base la production, le transport, la distribution et la vente d électricité, impactent l économie, l environnement et la société dans son ensemble. Nous sommes certes orientés vers le service public, mais nous avons aussi des objectifs financiers. Tout cela nous amène à agir dans un cadre qui s inscrit pleinement dans le concept de durabilité. Nous estimons que la fourniture fiable de l électricité constitue le service fondamental d Axpo en Suisse, avec une large diversification de ses produits et un réseau d exploitation offrant une grande souplesse. Par ailleurs, la sécurité opérationnelle et professionnelle demeure pour nous une priorité, et nous nous efforçons d étoffer en permanence notre culture de la sécurité, en réduisant au minimum les risques pour nos équipes et pour l environnement. Quelle est précisément la position d Axpo en matière de durabilité? C.L. : Pour Axpo, la durabilité est une seconde nature, et cela se reflète clairement dans sa vision de «fiabilité, durabilité et innovation». Notre engagement dans ce domaine n est pas un objectif en soi, et nous sommes bien conscients qu en adoptant cette approche, c est aussi la réussite de l entreprise que nous assurons. Axpo a déjà fait beaucoup pour concrétiser cette notion de durabilité, et nous poursuivons nos efforts dans cette voie. Il est vrai que nous avons un personnel dédié, que nous avons acquis les savoir-faire nécessaires, et mis en place une organisation et des processus qui permettent d avoir les bons réflexes et de cimenter des actions durables. Nos collaborateurs ont acquis une compréhension commune de la notion de durabilité grâce à des processus continus. Ils ont aujourd hui pleinement conscience de son importance pour l entreprise. Nous nous sommes par ailleurs fixé des objectifs qualitatifs et quantitatifs. Peut-on parler de produits et de services «verts» dans le cas d Axpo? C.L. : C est une question qui a été soulevée lorsque nous avons défini et acquis des produits à haute tension pour installer nos postes. Nous avons estimé qu il fallait une corrélation plus étroite entre les aspects technologiques et environnementaux, et nous avons décidé de développer et d intégrer des critères écologiques dans nos appels d offres. C est la raison pour laquelle les aspects environnementaux font partie intégrante de nos appels d offres d équipements HT. Nous avons inclus, par exemple, des paramètres environnementaux spéciaux, ou encore les fournisseurs ont accepté de préciser les références environnementales de leurs produits, attestant ainsi de leur adéquation avec nos propres exigences. Le premier exemple d appels d offres à avoir ainsi associé technologie et environnement concernait l acquisition des postes à isolation gazeuse pour Münchwilen (110 kv) et Schlattingen (110/220 kv). Nous avons identifié, puis évalué divers Alstom Grid///Été

10 RenCOntre AVEC Processus d ingénierie des systèmes HT Le tableau montre que les aspects environnementaux sont pris en compte de la conception jusqu à la commande du produit. Choix de conception en phase de préprojet Examen des paramètres environnementaux Potentiel de réchauffement global en équivalent CO 2 Empreinte Poids Pertes SF 6 Pertes thermiques Recyclabilité Spécifications et appels d offres Paramètres environnementaux dans les specs d Axpo Poids Pertes SF 6 Volumes SF 6 Pertes énergétiques Recyclabilité PRG (optionnel) Analyse de l offre Critères de sélection 50 points Coût 40 points Technologie et environnement 10 points Références et services Commande aspects environnementaux, tels que le potentiel de réchauffement global pendant toute la durée de vie des produits, les émissions directes et indirectes de gaz à effet de serre, via les pertes de gaz ou de chaleur en cours d exploitation, mais aussi l utilisation de matières premières spécifiques pour la fabrication des produits. Il faut bien noter que, notamment pour les produits haute tension, la phase d utilisation est responsable d environ 90 % de l impact environnemental en raison de la longueur de leur cycle de vie (environ 60 ans). En mettant l accent sur les aspects environnementaux des appareillages, on en vient à développer une attention particulière à l égard de l environnement, non seulement dans le cadre de son métier, mais aussi dans sa vie privée. Il y a environ un an, vous avez lancé l évaluation environnementale d un poste de 245 kv auprès de différents fournisseurs. Pouvezvous nous en dire plus sur cette étude? Et quelles sont les attentes d Axpo dans ce domaine? C.L.: Notre objectif stratégique consistait à associer étroitement l environnement et la technologie. L impact environnemental de nos appareillages pendant leur durée de Développer une attention particulière à l égard de l environnement dans son métier mais aussi dans la vie privée. vie opérationnelle a toujours été un critère important. Et nous voulions comprendre comment procéder à un choix technologique en fonction des impératifs environnementaux. Dans un premier temps, avant de procéder à des analyses environnementales approfondies, la différenciation des produits HT ne se faisait qu au travers des paramètres individuels, comme les pertes d hexafluorure de soufre (SF 6 ) ou les pertes thermiques. Mais nous voulions en savoir plus, et nous avons appris que plusieurs fournisseurs utilisaient déjà une analyse de l impact environnemental des appareillages au cours de leur cycle de vie. Cette analyse plus fouillée nous a permis de comparer les différentes offres de systèmes HT en fonction de leur empreinte environnementale, nous aidant ainsi à sélectionner les bons produits. Mais nous avions également pour objectif d identifier, avec nos fournisseurs, des paramètres environnementaux comparables pouvant être inclus dans les spécifications. Ce qui s est traduit par un nouveau chapitre consacré à l environnement dans nos spécifications produits. Pensez-vous que ce type d évaluation du cycle de vie environnemental puisse devenir la norme dans l avenir? C.L. : Dans l intérêt même de l être humain et de l environnement, j espère sincèrement que ce genre d analyse sera de plus en plus utilisé, et que d autres fournisseurs d électricité s approprieront eux aussi le sujet, à l instar daxpo. Il n est toutefois pas indispensable que cela devienne une norme. Il faut simplement que cela permette de renforcer notre attention à l égard de l environnement. Ce serait déjà beaucoup. 10 Alstom Grid///Été 2010

11 DOSSIER Repousser les limites de la technologie électrique 12 Chapitre I Respect de l environnement 23 Chapitre II Innovation et performance 33 Chapitre III Des produits et des services intelligents Alstom Grid///Été

12 Dossier chapitre I Une recherche tournée vers l avenir Respect de l environnement En réduisant les pertes de puissance et l impact visuel sur le paysage, les lignes à isolation gazeuse (GIL) permettent de proposer aujourd hui une solution «verte» des plus intéressantes pour transporter l électricité, comparées aux lignes aériennes. D autant que l éco-conception adoptée par Alstom Grid les rend encore plus attractives. L électronique de puissance joue également un rôle majeur pour préserver l environnement, avec la multiplication des sources d énergie distribuée. Les esters ont quant à eux démontré leurs avantages dans les transformateurs de distribution. La recherche s efforce désormais de relever les défis qui brident encore leurs potentialités pour les transformateurs de puissance. 12 Alstom Grid///Été 2010

13 Protégées par une enveloppe métallique de 400 à 600 mm de diamètre, les lignes à isolation gazeuse ressemblent à des pipelines. Les lignes à isolation gazeuse à l heure des choix Grâce à leurs grandes capacités de transport et à leur fiabilité, les GIL sont utilisées depuis plus de quarante ans dans les centrales et les postes électriques. Elles sont aujourd hui considérées comme une alternative efficace aux câbles ou aux lignes aériennes dans un nombre croissant d applications. Développée à la fin des années soixante, la technologie de transport par lignes à isolation gazeuse a trouvé des applications dans les postes, les centrales hydroélectriques et les installations souterraines, entre autres. Se caractérisant notamment par une capacité de transport élevée (jusqu à Mva avec un seul circuit Gil) et une multiplicité de configurations possibles, ces lignes offrent d indéniables avantages pour procéder à des transferts massifs d énergie électrique sur des sites à configuration complexe. C est ainsi que, dans les postes, les GIL servent de connexion entre les postes sous enveloppes métalliques (Gis) et les transformateurs de puissance ou les lignes aériennes, sur des distances allant de quelques mètres à près d un kilomètre. Posées directement sur le sol, ou enfouies dans des tranchées ou tunnels, elles ont vu leur champ d applications s ouvrir aux cas d installations autonomes, distantes de plusieurs kilomètres, afin de résoudre des problèmes d environnement, d accès ou de droit de passage. Les Gil offrent une réponse technologique efficace à l augmentation des besoins énergétiques de notre société urbaine, et à l extension des réseaux actuels de transport et de distribution. Transporter l électricité en masse, sur de courtes ou longues distances, avec la sécurité requise, tout en respectant l environnement, représente l un des défis majeurs des prochaines décennies. Et les Gil constituent un élément de réponse clé. Pipelines électriques Protégées par une enveloppe métallique de 400 à 600 mm de diamètre, les lignes à isolation gazeuse ne sont pas sans faire penser à des pipelines. D abord développées pour les connexions des postes sous enveloppes métalliques (GIS), les GIL sont composées de sections de bus et de géométrie de jeux de barres qui leur sont similaires. Ce «pipeline électrique» se compose essentiellement d une paire de conducteurs coaxiaux tubulaires en aluminium l élément intérieur sert de conducteur haute tension, l élément extérieur sert d enveloppe et est mis à la terre. L espace compris entre l enveloppe et le conducteur contient de l hexafluorure de soufre (SF 6 ) ou un Alstom Grid///Été

14 Dossier chapitre I Une recherche tournée vers l avenir Référence majeure pour Alstom Grid : le poste à isolation gazeuse T155 de Shuqaiq, en Arabie Saoudite, atteste de l aptitude du groupe à proposer une gamme de solutions GIL d une grande souplesse. mélange gazeux sous pression comprenant de l azote (N 2 ) et du SF 6, afin d assurer l isolation. «Compte tenu de la section importante des conducteurs, les GIL sont conçues pour assurer de fortes capacités de transport, avec des courants assignés atteignant généralement A à 550 kv, et des capacités de courant de court-circuit maximal admissible pouvant aller jusqu à 63 ka», explique Mathieu Bernard, chef de projet Gil. De multiples avantages en découlent : les GIL combinent une capacitance de faible niveau (et donc de très faibles pertes de transport) à une fiabilité et à une sécurité opérationnelle élevées, grâce à la robustesse mécanique de leur enveloppe, et ne peuvent jamais générer d incendie. Elles offrent, en outre, une durée de vie pouvant aller jusqu à cinquante ans, et une quasi-absence de vieillissement des matériaux. «Avec des besoins d encombrements réduits et une grande souplesse de routage, les GIL sont à même d apporter une réponse aux problèmes d installations complexes, comme les centrales électriques en caverne, existantes ou nouvelles», ajoute Mathieu Bernard. Leur coût reste toutefois un inconvénient, puisque celui-ci est relativement élevé par rapport à celui des lignes aériennes (cinq à sept fois plus cher). De fait, ces lignes ne sont pas destinées à concurrencer systématiquement les lignes aériennes, mais constituent plutôt une alternative intéressante pour transporter l électricité lorsqu il s avère impossible d utiliser des lignes aériennes. Assurer la continuité du service Depuis leur première application il y a une quarantaine d années, plus de 250 km de systèmes GIL triphasés ont été installés dans le monde (750 km de lignes monophasées). Ces lignes fonctionnent à différents niveaux de tension, de 72,5 kv à 800 kv (essentiellement 420 kv), avec une demande qui augmente de manière significative depuis quelques années. En ce qui concerne uniquement Alstom Grid, plus de 50 km de circuits triphasés ont déjà été installés, ou commandés, depuis la mise en production des appareillages à isolation gazeuse, dont 30 km au cours des douze dernières années ; ce qui montre une nette accélération de la tendance. Pratiquement exemptes de maintenance et peu coûteuses en exploitation, les GIL sont aujourd hui largement reconnues comme une technologie éprouvée, avec un retour d expérience convaincant et une fiabilité démontrée. «Les systèmes de surveillance numérique modernes Les GIL combinent faible capacitance à fiabilité et sûreté opérationnelles accrues. contribuent à améliorer encore davantage leur fiabilité et leur continuité de service», fait observer François Biquez, Senior Expert en charge de la R&D pour les Gis-Gil. Les capteurs numériques et les transmissions à fibres optiques autorisent la surveillance en temps réel de paramètres tels que la densité du SF 6 ou des mélanges gazeux utilisés, mais permettent aussi, le cas échéant, de mesurer les taux de fuite de SF 6, de contrôler la température dans les compartiments, de détecter des décharges partielles, d identifier et de localiser des arcs internes. Les conditions anormales susceptibles d engendrer des défaillances potentielles sont ainsi rapidement détectées. Il en résulte une amélioration de la sécurité du personnel et des appareillages, mais aussi de la fiabilité et de la qualité de la fourniture d énergie, de la protection de l environnement (contre les fuites de SF 6 ), de la gestion des actifs (planification de la maintenance et des coupures), de la performance opérationnelle dictée par la déréglementation du secteur énergétique, qui nécessite rapidité et précision dans la gestion des données. Les outils de conception informatique dont 14 Alstom Grid///Été 2010

15 nous disposons, permettent également d adapter les Gil à des conditions sévères d exploitation. Pour chaque installation, des calculs sont réalisés afin de choisir la meilleure solution et d assurer des conditions de travail optimales, en se conformant aux normes et réglementations les plus strictes. «Le dimensionnement d une Gil dépend clairement de ses performances diélectriques et de ses capacités thermiques à transporter le courant assigné, précise François Biquez. Les limites thermiques du produit étant affectées par la manière dont la GIL a été installée, des simulations informatiques sont nécessaires pour décider de la conception la mieux adaptée.» Dans le cas d une centrale hydroélectrique Continuité du service en caverne, des simulations thermiques ont permis aux concepteurs d Alstom Grid d évaluer le comportement thermique de l enveloppe des Gil en fonction de la hauteur du tunnel, ou de comparer la répartition thermique entre le conducteur et l enveloppe, en fonction de l installation de la ligne dans un tunnel horizontal ou un conduit vertical. Maximiser l efficacité environnementale Le choix d une solution basée sur les GIL se traduit par des avantages environnementaux majeurs. Grâce à leur très faible capacitance, la résistance et les pertes électriques de ce type de lignes sont extrêmement réduites jusqu à 70 % en moins par rapport à celles des lignes aériennes. Il en résulte une perte énergétique réduite et aucune nécessité de compensation réactive dans le cas des Gil de grande longueur, contrairement aux longues connexions par câbles. Autre avantage notoire : un impact visuel réduit sur le paysage. Autant d éléments qui amènent à considérer les GIL comme une solution viable et réaliste pour les sites où il est impossible d utiliser des lignes aériennes. La solution est certes coûteuse, mais l «investissement semble justifié», comme l a récemment souligné l un des principaux responsables d une société américaine de transport d électricité, d autant que les lignes aériennes peuvent devenir, au final «extrêmement coûteuses» si leur construction fait l objet d une opposition farouche de la part des communautés locales. Afin de réduire plus encore l impact environnemental, Alstom Grid a adopté une approche d éco-conception pour un certain nombre de ses produits. Ses développements les plus récents sont E N C O M P L É M E N T Alain Girodet QUAND HAMS HALL PRÉFèRE LES GIL AUX CÂBLES Le poste de 420 kv de Hams Hall (West Midlands, Angleterre) nécessitait une nouvelle connexion pour renforcer le réseau. En raison de la présence de lignes aériennes, de câbles et canalisations déjà enfouis, la nouvelle connexion ne pouvait toutefois qu être enterrée d un côté et se trouver hors-sol à l autre extrémité. Les GIL, mais aussi les câbles, offraient, dans ce cas, des solutions adaptées. Pour des raisons techniques et économiques, le britannique National Grid allait toutefois opter pour la solution GIL d Alstom Grid. «Un courant assigné continu de A aurait nécessité deux câbles avec deux connexions de sortie par phase, contre une seule GIL, explique Alain Girodet, Senior Expert en charge des technologies et matériaux haute tension chez Alstom Grid. Les jonctions de câbles auraient également créé des difficultés d ordre diélectrique.» Pour minimiser les risques environnementaux avec les GIL, un mélange gazeux isolant, composé à 20 % de SF 6 et à 80 % de N 2, a donc été choisi, et les tronçons furent entièrement soudés (nécessitant une attention spéciale lors du processus d assemblage, pour éviter que les scories générées par la soudure ne pénètrent dans les GIL). Avantage supplémentaire : le mélange SF 6 / N 2 peut être aisément séparé et recyclé après usage. Alstom Grid///Été

16 Dossier chapitre I Une recherche tournée vers l avenir aujourd hui entièrement optimisés, dans la perspective d un développement durable. La durée de vie du produit est prise en compte du début jusqu à la fin. Tout commence avec une évaluation du cycle de vie qui permet d identifier et de quantifier l impact environnemental lors de la fabrication et de l utilisation des GIL, depuis l extraction et le transport des matières premières jusqu au traitement du produit en fin de vie. Plus d une quinzaine d indicateurs sont ainsi utilisés, faisant apparaître l impact des différentes phases du cycle de vie du produit sur des caractéristiques telles que le réchauffement global, la diminution de la couche d ozone, l acidification, la toxicité pour l environnement et pour l être humain, la dangerosité des déchets, le volume des scories / cendres, etc. Chaque élément constitutif d une Gil peut ensuite être conçu avec une efficacité environnementale maximale, contribuant ainsi à une utilisation modérée et responsable des ressources nécessaires, avec un haut niveau de recyclabilité. «Les derniers développements ont conduit, par exemple, à une isolation plus respectueuse de l environnement : l effet de serre produit par le SF 6 a été considérablement réduit grâce à l utilisation d un mélange gazeux composé de SF 6 complété à 80 %-90 % d azote», note François Biquez. Alstom Grid a également optimisé la section des conducteurs, permettant ainsi de réduire les pertes thermiques des GIL par rapport aux lignes aériennes et aux câbles HT. Sûreté accrue pour le public et pour les techniciens Parce que les lignes de transport d électricité à haute tension peuvent être installées dans des endroits extrêmement variés, y compris dans des zones à forte densité humaine, la sécurité au niveau du voisinage demeure un point essentiel. Grâce à la conception de leurs enveloppes en aluminium, les GIL excluent entièrement tout risque d explosion. De plus, l absence totale de matériaux inflammables (comme l huile) prévient tout risque de combustion, et donc d émission de fumées, même dans le cas d une défaillance électrique. Ces lignes peuvent même jouer un rôle de protection ou de pare-feu entre un transformateur immergé dans l huile en feu et un poste sous enveloppe métallique, empêchant ainsi l incendie de se propager, et permettant au reste du système de rester opérationnel. Grâce à leurs propriétés antiincendie et anti-déflagration, les GIL peuvent être installées dans des infrastructures telles que les tunnels routiers et ferroviaires, et autres installations publiques. Le projet de Hams Hall, en Grande-Bretagne, en est une excellente illustration, avec sa GIL mise en service en 2004 (cf. encadré). Autre avantage majeur des GIL dans un tel contexte : leur faible niveau de rayonnement de champs magnétiques. La permutation des enveloppes monophasées permet au courant de retour de circuler dans les enveloppes, ce qui crée un effet d écran et se traduit par un rayonnement inférieur à celui des câbles et des lignes aériennes. Des calculs montrent que les valeurs de champs magnétiques au niveau de l enveloppe d un système de GIL triphasé (550 kv et A) sont inférieures à 250 µt, soit la moitié de la limite d exposition à laquelle le personnel d exploitation peut être soumis au regard de la directive de l Union européenne applicable en la matière. À 1 m de distance de l enveloppe, la valeur chute à 10 µt, soit moins du dixième des émissions de câbles XLPE enfouis, tel que mesurée à 1 m au-dessus du sol, et moins de 25 % des émissions des lignes aériennes (mesure réalisée à l aplomb des lignes, à 1 m au-dessus du niveau du sol). Enfin, il est possible de toucher les enveloppes des Gil sans courir de danger. E N C O M P L É M E N T Gerhard Seyrling ENTRETIEN AVEC Gerhard Seyrling, Vice-PrÉsident SEnior InnoVATion ET STRATÉGIE Quelle expérience Alstom Grid a-t-il avec les GIL? Alstom Grid bénéficie d une longue expérience en matière de conception et d installation de GIL, notamment sur les sites concentrant de grandes puissances électriques. L une de nos principales références est le projet PP9 en Arabie Saoudite. Avec environ 5,6 km de longueur totale des circuits, plus de 17 km d enveloppes monophasées ont été nécessaires (illustration p. 17). Alstom Grid a développé et maîtrise une gamme complète de solutions offrant une grande souplesse de mise en œuvre, utilisant des connexions boulonnées ou soudées et différents mélanges de gaz d isolation, pour optimiser le coût, les performances, la fiabilité et la protection de l environnement. Les GIL peuvent-elles vraiment concurrencer les lignes aériennes et les câbles? Les GIL ont prouvé leur aptitude à répondre aux diverses contraintes d installation, et leur capacité à transporter des puissances électriques de grande valeur assignée, sans qu il soit nécessaire de multiplier les circuits. Comparées aux lignes aériennes, le principal avantage réside dans la meilleure intégration à l environnement urbain et au paysage. Par rapport aux câbles, les GIL peuvent transporter de plus grandes quantités d énergie : MVA avec un seul circuit, alors que deux circuits seraient nécessaires dans le cas d une solution avec des câble HT. Ces performances ont un impact direct sur le coût, l encombrement et les contraintes inhérentes aux droits de passage. Que recherchent les clients? Outre la question des postes, les clients doivent trouver des réponses à deux types de problèmes. D une part, transporter des courants assignés importants dans des zones urbaines où les lignes aériennes sont interdites ; d autre part, assurer des connexions régionales et internationales pour le transport massif d électricité. Dans ce contexte, les GIL représentent une solution sûre, esthétique et efficace dans les tunnels, les ponts ou toute autre installation similaire. 16 Alstom Grid///Été 2010

17 Depuis le début des postes sous enveloppes métalliques (GIS), Alstom Grid a installé ou reçu des commandes pour plus de 50 km de systèmes GIL triphasés, dont 30 km au cours des douze dernières années. Parmi les exemples les plus emblématiques de cette réussite citons la centrale de Jebel Ali (EAU), de Shaqaiq (Arabie Saoudite) et le poste de Hams Hall (West Midlands, Angleterre). Alstom Grid///Été

18 Dossier chapitre I Une recherche tournée vers l avenir L OMNIPRESENCE DE L ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE kv Fonctionnalités des réseaux actifs 150 kv Interconnexion asynchrone kv Interface personnalisée Compensateur série Transformateur électronique Interface SER D-STATCOM Compensateur série 400 V Transformateur électronique Chargeur rapide pour véhicule Interface SER Chargeur véhicule L électronique de puissance et l avenir des réseaux de distribution L énergie verte respecte-t-elle les réseaux de distribution autant que l environnement? Les sources stochastiques renouvelables et l augmentation de la consommation électrique nécessiteront toutefois des solutions nouvelles pour maintenir les niveaux de service, la qualité de tension et la disponibilité des systèmes. Un rôle sur mesure pour l électronique de puissance. 18 Alstom Grid///Été 2010 Depuis les années quatre-vingts, l électronique de puissance a trouvé de nombreuses applications, de l amélioration des caractéristiques des réseaux auxquels sont reliées des industries lourdes, jusqu aux systèmes FACTS (Flexible AC Transmission Systems) et aux systèmes de transport CC HT. Pour l heure, elle demeure toutefois largement absente des systèmes de distribution, en raison notamment de la configuration classique basée sur des centrales de grande capacité éloignées. Une situation qui pourrait bien changer, explique Patrick FavrePerrod, membre de l équipe de la Stratégie et du Développement Collaboratif au centre de Recherche d Alstom Grid, à Stafford, en GrandeBretagne. «Les sources renouvelables présentent des profils très contrastés qui peuvent

19 un courant CC ou CA variable qui devra être transformé. Les nouveaux consommateurs, de même que les véhicules et les systèmes de transport urbains qui verront le jour, auront besoin d interfaces plug-and-play personnalisées.» L électronique de puissance peut également être utilisée pour augmenter les capacités de transfert des réseaux existants et pour interconnecter les systèmes. Elle réduit ainsi la nécessité d installer de nouvelles lignes dont personne ne veut, et évite la construction de postes dans des endroits où l espace est de toute façon insuffisant. Sans compter que les convertisseurs peuvent être coordonnés et offrir des services réseau (notamment une compensation de l énergie réactive), aidant ainsi à mieux réguler les échanges d électricité et la charge du réseau. Interface de stockage Un large éventail de solutions Distribution CC multi-terminaux varier de 0 % à 100 % en très peu de temps. L arrivée de véhicules électriques, mais aussi le chauffage électrique, qui sont l une des conséquences de systèmes énergétiques désormais plus soucieux de l environnement, se traduiront par une forte demande sur les réseaux», explique-t-il. L électronique de puissance fera donc nécessairement partie des solutions d avenir pour assurer l exploitation des réseaux de distribution, contrôler les variations de tension et assurer la stabilité nécessaire. L irrésistible ascension de l électronique de puissance «Les futurs systèmes de distribution devront s accompagner d une meilleure régulation des flux de puissance et de la tension, poursuit Les convertisseurs et transformateurs de l électronique de puissance vont trouver une place de choix dans les réseaux de distribution pour réguler les flux de puissance et la tension, alors qu apparaît notamment un éventail complet d applications nouvelles systèmes de transport urbains, véhicules électriques et systèmes de chauffage innovants et plus respectueux de l environnement. Patrick Favre-Perrod. Cela veut dire qu il faudra intervenir à ce niveau. De plus, avec des charges électriques plus importantes et plus délicates à gérer, la forme de l onde sinusoïdale deviendra de plus en plus déformée, la qualité souffrira, et on aura besoin d une source de courant ou de tension pour contrecarrer ces effets indésirables. Les convertisseurs de l électronique de puissance peuvent ici apporter des solutions, dans la mesure où ce sont, à la base, des sources de tension et de courant déguisées, bien que chacun présente des objectifs et des caractéristiques techniques entièrement différents.» Des interfaces proposant suffisamment de souplesse seront également nécessaires. «Ces nouvelles sources d énergie distribuée génèrent Les solutions basées sur l électronique de puissance vont donc revêtir de multiples formes. Certains systèmes, comme les transformateurs électroniques basse et moyenne tension pourraient voir le jour d ici à une dizaine d années. D autres sont actuellement développés à partir de technologies déjà disponibles sur les systèmes de transmission. Les systèmes D-FACTS devraient pouvoir améliorer les possibilités de contrôle et accroître les capacités de transfert d énergie. Les compensateurs statiques synchrones (STATCOM) pourraient, quant à eux, assurer aux parcs éoliens le soutien dynamique et rapide de la puissance réactive dont ils ont besoin. Le projet ADINE, financé par la Commission européenne, qui met l accent sur la gestion active des réseaux de distribution, inclut la démonstration de la viabilité des STATCOM dans la distribution. Le courant continu moyenne tension (CC MT) pourrait réguler l impact de l énergie éolienne ou marine sur des réseaux de distribution potentiellement faibles, outre un contrôle direct de la puissance active et réactive, et une aide à la stabilisation du système. «Le CC MT et le courant continu multi-terminal peuvent devenir une possibilité avec la technologie des convertisseurs de source de tension (VSC), et des solutions de ce type seront probablement opérationnelles dans les cinq prochaines années», explique Patrick Favre-Perrod. C est dans cette optique qu Alstom Grid participe actuellement à un projet collaboratif qui a pour but de Alstom Grid///Été

20 Dossier chapitre I Une recherche tournée vers l avenir Convertisseur UNIFLEX CA/CA démontrer la viabilité de fonctionnalités clés, comme les systèmes de protection, avec notamment les disjoncteurs. D autres applications sont déjà disponibles sous la forme de produits qui restent à améliorer les chargeurs pour véhicules disponibles sur le marché n offrent pas encore des niveaux de performance appropriés, ou comme solutions autonomes : interface de stockage et de production distribuée ; interfaces configurables pour les ports, les usines, les aéroports et les centres de données ; et filtres actifs pour maintenir la forme d onde de la tension. Une approche nouvelle «Dès lors que vous mettez en œuvre l une de ces applications avec une technologie émergente, il devient plus facile de procéder de même avec les autres. Nous pourrons de surcroît avoir une approche plus globale dans l avenir. Dans le passé, chaque problème était abordé individuellement. Aujourd hui, nous concevons des convertisseurs intelligents, capables de faire plusieurs choses à la fois, de telle manière qu on obtient davantage à moindre coût», explique Patrick Favre-Perrod. À titre d exemple, le récent projet de recherche UNIFLEX financé par l UE, qui s étendait sur trois ans, a permis de démontrer les avantages d une solution souple et multifonctionnelle, bien que «le coût et les performances ne soient pas encore au rendez-vous». L idée consiste à créer de la polyvalence, mais à jouer aussi sur les échelles. «Un convertisseur de 5 MW est différent d un convertisseur de 50 MW, et les dispositifs sont souvent adaptés à des projets spécifiques, ce qui entraîne de longs délais de conception, une mise en œuvre difficile et un grand nombre d essais. Les avancées obtenues en matière de composants d électronique de puissance permettront d assembler des convertisseurs comme des legos, afin de doubler la puissance utile.» D autres facteurs clés sont en jeu avec les futurs réseaux, notamment l interopérabilité. Ainsi, la quête de simplification des connexions des générateurs d énergie renouvelable a déjà commencé, avec le développement de solutions techniques standardisées et, au bout du compte, une approche de type plug and play. La coordination des actions dans l ensemble du système est également un élément vital, afin que chaque dispositif sache quoi faire pour contribuer à l équilibre global. «Un petit statcom qui se borne à observer les signaux locaux et à ajuster sa puissance en conséquence, c est un peu comme un citoyen isolé qui ne peut avoir aucune influence sur l action d un gouvernement : cela ne va pas changer la situation. Mais si plusieurs dispositifs sont coordonnés, on peut alors multiplier les effets, à l instar d un ensemble de citoyens qui votent pour élire un nouvel exécutif, et qui peuvent ainsi influencer l ensemble du système. Il faut donc dire à chacun des dispositifs ce qu il doit faire.» Ce procédé est analogue à celui utilisé par des pools de petits producteurs d énergie décentralisés, qui pourraient alors intervenir comme des centrales virtuelles. Il est indéniable que l électronique de puissance est aujourd hui parvenue à un tournant, avec une philosophie et une approche inédites. Elle devrait donc jouer un rôle majeur avec l apparition d applications nouvelles qui se combineront aux solutions techniques pour bâtir un avenir plus «vert», offrant une flexibilité accrue en termes de sources d énergie distribuée. E n C O M P L É M E N T Patrick Favre-Perrod Points DE comparaison «Les systèmes FACTS sont un concept évolutif utilisé essentiellement dans les systèmes de transport, mais qui seront nécessaires demain pour la distribution, explique Patrick Favre- Perrod. Dans ce domaine, ils répondront au même cadre théorique avec trois catégories distinctes : compensation en série, compensation shunt et compensation hybride.» Dans le premier cas, le réseau est relié aux systèmes FACTS en série qui fonctionnent comme une source de tension modulable. Avec la compensation shunt, la connexion se fait en parallèle, et le système opère comme une source de courant modulable. Le choix entre shunt (par exemple, D-STATCOM) ou en série (par exemple, SSSC) ou encore de la combinaison hybride série-shunt (par exemple, DVR, UPFC) dépend des besoins du réseau. «Ce que l on peut faire avec un dispositif shunt tel qu un compensateur VAR statique (SVC), on peut aussi le faire théoriquement avec un système tel qu un TCSR (Thyristor-Controlled Series Reactor), mais on opte toujours pour les meilleures performances au moindre coût.» Les dispositifs en série sont utilisés pour contrôler le flux de puissance, ainsi que pour la stabilité et l amortissement des oscillations du système électrique. Les dispositifs shunt sont, eux, plus efficaces pour la qualité de l alimentation, la compensation de l énergie réactive et le soutien de tension. «Mais comme rien n est jamais ni tout noir ni tout blanc, on a parfois besoin des deux», tempère Patrick Favre-Perrod. 20 Alstom Grid///Été 2010

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