20 mars 2026, par Stephan Bärtschi , membre du conseil d'administration de HSUB
Le génie électrique à haute tension utilise de nombreux termes techniques difficiles à comprendre pour les non-initiés. Ce texte en explique certains.
Nous utilisons des comparaisons simples, des synonymes et des images du quotidien pour vous familiariser progressivement avec les termes techniques. Notre objectif est de vous permettre de mieux comprendre les concepts et de suivre plus facilement les discussions techniques sur les câbles et les lignes aériennes.
Dans le même temps, nous mettons en évidence les problèmes actuels et proposons des solutions possibles.
La puissance réactive – expliquée simplement
Imaginez un bus avec trois passagers qui s'arrête à un arrêt. Cinq personnes descendent.
Combien de personnes doivent monter dans le bus pour qu'il soit vide ?
Ce problème mathématique, apparemment absurde, permet d'expliquer le principe de la puissance réactive.
Il existe deux types de passagers : les passagers réguliers, qui paient et ont une destination, et les passagers aveugles, qui ne paient rien et voyagent pour le plaisir.
Cela s'applique non seulement aux transports publics, mais aussi au réseau électrique.
Ces passagers clandestins occupent de l'espace et engendrent des coûts sans apporter le moindre avantage. De plus, on ne peut pas simplement les supprimer ; on ne peut que les neutraliser.
Il existe deux types de passagers clandestins. Dans cet exemple, nous les appellerons d'abord air comprimé et vide.
Lorsqu'ils se croisent dans le bus, ils forment des paires, s'embrassent, puis se séparent.
Autre exemple : dans le bus, il y a 13 passagers aveugles utilisant un système à air comprimé et 7 passagers voyants . À l’arrêt de bus, 8 passagers aveugles utilisant un système à vide et 3 passagers voyants montent. Le nombre de passagers aveugles s’équilibre. Il reste alors 5 passagers aveugles utilisant un système à air comprimé et 10 passagers voyants.
Important : La puissance réactive est compensée par l’ajout d’une puissance réactive opposée. Au cours de ce processus, la puissance réactive disparaît complètement sans laisser de résidu.
Explication technique de la puissance réactive
L'énergie électrique se compose de trois grandeurs : la tension, le courant et le temps. La tension est comparable à la différence de hauteur [DB3] entre deux récipients d'eau, et le courant correspond à la quantité d'eau qui circule entre eux. Le produit de ces deux grandeurs donne la puissance électrique . Le produit de la puissance par la durée (temps) donne alors l'énergie.
En courant alternatif (CA), la tension et le courant oscillent généralement à 50 Hz , soit 50 fois par seconde. Cependant, la tension et le courant n'oscillent pas toujours exactement simultanément. L'un peut être légèrement en avance sur l'autre. La capacité provoque une avance du courant sur la tension, ce qui engendre une puissance réactive capacitive. L'inductance provoque une avance de la tension sur le courant, ce qui engendre une puissance réactive inductive. C'est comme lorsque deux personnes marchent côte à côte : l'une est toujours au moins 30 centimètres devant l'autre.
Implications techniques
Dans les réseaux électriques à haute tension actuels, la puissance réactive n'est généralement compensée que dans les grandes centrales électriques, c'est-à-dire les sources d'énergie. L'inefficacité apparaît clairement lorsqu'on reprend l'exemple précédent et qu'on considère les dépôts de bus, avec leurs stations de ravitaillement, comme autant de centrales électriques. Les passagers clandestins restent ainsi trop longtemps à bord, ce qui entraîne une augmentation de la consommation d'énergie du bus.
De plus, il est possible que les passagers réguliers ne trouvent pas de place assise.
Un point important : chaque ligne à courant alternatif génère de la puissance réactive.
Dans l'exemple suivant, nous illustrons comment le nombre de passagers influe sur la puissance réactive : un bus initialement vide transporte des passagers aveugles capacitifs. À mesure que des passagers ordinaires montent à bord, des passagers aveugles inductifs les rejoignent et se fondent parmi les passagers aveugles capacitifs déjà présents. Lorsque le bus est à moitié plein environ, les passagers aveugles se confondent entre eux. En l'absence de puissance réactive à ce stade, on parle également de puissance naturelle. Si d'autres passagers ordinaires montent à bord, des passagers inductifs montent également, et ces derniers ne se confondent plus. Pour accueillir davantage de passagers ordinaires, de la puissance réactive capacitive doit être fournie mécaniquement.
Le point de production d'énergie naturelle, sans intervention extérieure, représente le point de fonctionnement le plus efficace. Cependant, ce point est très rarement atteint en exploitation normale, car quel usager souhaite voyager uniquement pour maintenir l'efficacité du réseau de transport ? Par conséquent, la puissance réactive doit être compensée autant que possible, idéalement en un maximum de points du réseau, par exemple dans chaque sous-station.
Les câbles souterrains classiques à isolation polyéthylène génèrent environ dix fois plus de puissance réactive capacitive que les lignes aériennes. Pour compenser ce phénomène, une alimentation mécanique en puissance réactive inductive est nécessaire. Sans cela, le bus ne pourra plus prendre de passagers réguliers après 50 à 80 kilomètres. Cette alimentation mécanique en puissance réactive est assurée par des systèmes de compensation.
Solution d'urgence : augmenter la tension
Une autre possibilité serait d'augmenter la tension à la centrale électrique, la source d'énergie . Cela permettrait de faire monter davantage de passagers réguliers dans le bus. Cependant, cette solution ne devrait être envisagée qu'en dernier recours.
La puissance réactive capacitive peut augmenter la tension du réseau de quelques pourcents. À 380 kV, une augmentation de 1 % correspond à 3 800 volts . Si la tension dépasse 420 kV , certains composants atteignent leurs limites de charge. L'augmentation de tension due à la puissance réactive capacitive compromet donc l'objectif d'augmenter la capacité des bus en augmentant la tension.
Lorsque les gestionnaires de réseau se plaignent de tensions excessivement élevées dans les centrales électriques, cela montre simultanément que la compensation décentralisée de la puissance réactive est insuffisante.
Le câble idéal
Nous savons désormais qu'il n'existe pas de câble idéal. Cependant, à y regarder de plus près, le câble optimal aurait la propriété suivante : à pleine charge ou avec un bus plein, la puissance réactive s'annule, correspondant ainsi au point de puissance naturelle. Si le bus est moins chargé, on peut tolérer la présence de quelques passagers à forte capacité réactive. Dès que des passagers plus réguliers montent à bord, d'autres passagers à forte capacité réactive les rejoignent automatiquement, neutralisant ainsi les passagers à forte capacité réactive.
Un câble possédant cette propriété est fabriqué par la société suisse Hivoduct.
Démarrage à froid du réseau électrique
Lorsqu'un réseau électrique a été complètement mis hors service et doit être redémarré, on parle de redémarrage à froid . Plusieurs problèmes surviennent durant ce processus : de nombreux appareils restent sous tension. Les lignes électriques elles-mêmes se comportent comme des charges lors de leur mise sous tension. Les lignes à forte capacité, en particulier, provoquent de forts courants d'appel.
Par conséquent, des inductances sont connectées en série pour amortir ces pics de commutation.
Cependant, il est difficile de tester un démarrage à froid car il faudrait au préalable couper le réseau électrique.
Harmoniques
Lorsqu'on agrandit fortement une image JPEG, on peut distinguer de nombreux petits rectangles. Ceux-ci constituent la structure de base de l'image. En physique, il existe une forme de base similaire pour les signaux électriques : l' onde sinusoïdale . De nombreux signaux réels sont composés de plusieurs ondes sinusoïdales superposées, de fréquences différentes.
Le mathématicien Fourier a démontré que même un signal de forme rectangulaire peut être composé de nombreuses ondes sinusoïdales.
Exemple : Si vous allumez et éteignez une lampe de poche toutes les demi-secondes, un signal est créé avec Hertz 1Le processus de mise en marche et d'arrêt se répète chaque seconde. Ce signal marche/arrêt contient également des fréquences plus élevées, appelées... Harmoniques ou Harmoniques.
La forme du signal vert laisse déjà présager la forme du signal marche/arrêt décrite ci-dessus.
Bleu : 1ère harmonique (onde sinusoïdale à la fréquence fondamentale)
Rouge : 3e harmonique (3 fois la fréquence fondamentale)
Brun : 5e harmonique (5 fois la fréquence fondamentale)
Vert : forme du signal résultant
(addition des harmoniques 1, 2 et 3)
Exemples de causes d'harmoniques :
Les variateurs à coupure de phase suppriment une portion de la sinusoïde. Des signaux plus abrupts, et donc des harmoniques, sont créés aux extrémités de la coupure. Les alimentations LED simples en sont un autre exemple. Elles ne consomment du courant qu'aux crêtes de la sinusoïde, ce qui l'aplatit. Là aussi, il en résulte des harmoniques. De nombreux autres appareils électroniques génèrent également des harmoniques. Chaque fois que la forme d'une sinusoïde de 50 Hz est modifiée, des harmoniques sont produites.
Les capacités et les inductances sont utilisées pour filtrer les harmoniques ; ce sont précisément les éléments qui jouent également un rôle dans la puissance réactive.
Vibrations et résonances
Nombreux sont ceux qui connaissent cette expérience : lorsqu’on frappe un diapason, le son est à peine audible. Cependant, si on le place contre un objet, ou mieux encore, contre sa propre caisse de résonance, le son devient parfaitement audible pour tous les occupants de la pièce. La caisse de résonance est parfaitement dimensionnée pour la fréquence, et le son entre donc en résonance avec le diapason. Il en résulte une augmentation significative du volume sonore.
Un autre exemple tente d'illustrer les effets néfastes des vibrations. Si l'on remplit un bac à fleurs d'eau et qu'on le déplace, même les plus légers mouvements provoquent des éclaboussures. Dans le pire des cas, cela peut entraîner un débordement. Cependant, si l'on place une pierre au milieu du bac au préalable, cela ralentit les éclaboussures et peut ainsi prévenir, ou du moins retarder, le débordement.
En génie électrique également, certains composants peuvent entrer fortement en résonance, risquant de provoquer des éclaboussures d'eau. Et là aussi, certains éléments, comme la pierre, ont un effet d'amortissement.
Surprise ! Ce sont les capacités et les inductances qui oscillent ! La fréquence de résonance peut être calculée avec précision et devrait idéalement se situer au-dessus de la 13e harmonique. Ainsi, en courant alternatif 50 Hz, elle devrait être supérieure à 650 Hz. Plus les pertes (par exemple, celles dues aux conducteurs) sont importantes, meilleur est l’amortissement des vibrations. Les conducteurs, et donc leur résistance électrique, génèrent des pertes. Conformément à la Stratégie énergétique 2050, ces pertes doivent être réduites au minimum.
Résumé
Toute ligne de transport d'énergie électrique, aérienne ou souterraine, génère de la puissance réactive et des pertes. Selon le courant (passagers réguliers), la puissance réactive est capacitive ou inductive. Il est recommandé de compenser la puissance réactive au plus près de sa source, idéalement à chaque nœud du réseau. L'exploitation de câbles souterrains nécessite une puissance réactive inductive supplémentaire pour compenser la capacité du câble. Une inductance supplémentaire serait également bénéfique pour des démarrages à froid fiables.
Les harmoniques sont des perturbations qui pénètrent dans le réseau à partir des appareils connectés et qui doivent être éliminées.
Les capacités et les inductances ont tendance à osciller et peuvent ainsi déstabiliser le réseau.
Nouvelles approches des solutions
Jusqu'à présent, seuls les composants passifs ont été décrits, mais ceux-ci atteignent de plus en plus leurs limites lorsqu'il s'agit de résoudre les problèmes du réseau haute tension. Ces limites ont également été documentées par Swissgrid dans l'étude « Cable Study Switzerland ».
La Stratégie énergétique 2050 stipule clairement que l'utilisation économique de l'énergie est impérative. Outre la garantie d'un fonctionnement sûr du réseau, il est également essentiel d'assurer son exploitation efficace ! Cela nécessite de nouvelles solutions.
Si l'utilisation systématique des câbles les plus performants était requise, des problèmes de résonance pourraient survenir en raison de la réduction des pertes dans les câbles, et donc de leur effet d'amortissement. Il est par conséquent nécessaire d'abandonner les composants passifs de filtrage du réseau et de compensation de puissance réactive au profit de composants actifs.
Les compensateurs statiques de puissance réactive ( SVC ) et les compensateurs statiques synchrones ( STATCOM ) sont des technologies de pointe qui permettraient d'améliorer la stabilité du réseau tout en résolvant les problèmes décrits précédemment. Cependant, cette stabilité a jusqu'à présent été sacrifiée pour des raisons de coût, comme l'indique l'opérateur de réseau Swissgrid dans le rapport d'évaluation [1] de l'étude « Cable Study Switzerland » réalisée par l'ETH Zurich :
(Traduit de l'anglais à l'aide de Google Traduction)
Il est impératif de prévoir et d'installer en quantité suffisante, avant toute panne, les composants qui améliorent la stabilité du réseau et contribuent à prévenir les coupures de courant. À cet égard, une étude technologiquement neutre axée sur les mesures d'économie d'énergie est fortement recommandée.
Conclusion
La technologie nécessaire à un réseau électrique moderne à haute tension est disponible. Elle permet notamment d'exploiter efficacement ce réseau, conformément à la Stratégie énergétique 2050.
L'objectif prioritaire devrait être d'utiliser les technologies les plus économes en énergie dans tout nouveau bâtiment.
[1] https://www.bfe.admin.ch/bfe/de/home/bedarf/strombedarf/stromnetze/netzentwicklung-strategie-stromnetze/freileitung-oder-kabel.html , Évaluation de l’étude Swissgrid sur les impacts du câblage souterrain dans les réseaux THT sur le fonctionnement du réseau : « étude de câblage Suisse »