SIXIEME PARTIE

r DISTRIBUTION, TRANSMISSION ET TRANSPORT DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE

Considérations générales. — Le problème de la distribution de l'énergie électrique produite dans une usine centrale aux différents consommateurs ou abonnes comporte des solutions nombreuses et variables avec les circonstances.

Si les consommateurs sont répartis dans un petit rayon autour de l’usine génératrice ; on se contente de réaliser une distribution directe, généralement à courant continu et à potentiel constant.

Si la distance augmente, la distribution est indirecte et se complique d une transmission de l’énergie à haute tension et transformation sur place à basse tension. On emploie le plus utilement, dans ce cas, les courants alternatifs simples, en effectuant la transmission à haute tension et la distribution à basse tension, à l’aide de transformateurs convenablement répartis sur le réseau.

Si, enfin, la distance entre l’usine génératrice et les points d'utilisation est très grande, et que les appareils d’utilisation forment des groupes, des agglomérations, on a recours à un véritable transport. On utilise dans ce but des courants alternatifs diphasés ou triphasés à haute tension (2 000 à 50 000 volts) ou des courants continus à intensité constante (système Thury). Le transport est caractérisé par ce fait — qui le distingue de la transmission — qu'il comporte toujours une ou plusieurs sous-stations dans lesquelles arrive le courant de transport, et où il se transforme pour alimenter un réseau à tension plus basse, et dans lequel le courant distribué a une forme souvent différente de celle du courant de transport. On en verra quelques exemples typiques par la suite.

L’ordre logique nous conduit donc à examiner successivement les Distributions , les Transmissions et les Transports d'énergie électrique.

La Distribution de l'énergie électrique dans C Exposition fera l’objet d’un chapitre spécial.

DISTRIBUTION DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE

Généralités. — La distribution de l’énergie électrique, considérée comme système de distribution directe , se fait presque exclusivement avec des courants continus et à potentiel constant, ou sensiblement tel.

Le potentiel normal adopté jusqu’à ces dernières années était de 110 volts, permettant d’alimenter des lampes à incandescence de 5 à 100 bougies en dérivation, et des lampes à arc montées par deux et quelquefois par trois en tension entre elles et en dérivation sur le réseau.

Les distributions à trois fils fournissent deux fois 110 volts, et les distributions à cinq fils fournissent quatre fois 110 volts. Outre l’économie de cuivre qui permet de réaliser la combinaison, on peut utiliser directement la tension de 220 ou de 410 volts pour l’alimentation des moteurs d’une certaine puissance dont le bobinage à 110 volts est difficile et dont la mise en service déséquilibre les ponts. C’est ainsi que tous les moteurs d’ascenseur sont alimentés sur 220 volts ou sur 240 volts, tout en ayant leur excitation shunt à 110 volts en vue de la rendre plus économique de construction.

Par suite des perfectionnements apportés aux lampes à incandescence, on a pu, ces dernières années, les brancher directement sur 220 volts, et les stations centrales récentes sont toutes à trois fils, deux fois 220 volts.

Ce potentiel ne convient pas beaucoup aux lampes de 5 bougies, et même de 10 bougies; les premières sont impossibles à réaliser et les secondes peu économiques; mais, comme la tendance générale est d’employer des lampes d’au moins 1(3 bougies, l'inconvénient n’est pas très grand en pratique, et les nouvelles usines centrales de distribution s'établissent généralement avec deux ponts à 220 volts.

Distribution à deux fils. — La distribution a deux fils se fait à MO volts ou à 220 volts avec des dynamos shunt ordinaires qu’il est facile de coupler en parallèle sur les barres de distribution et dont on égalise le débit en réglant individuellement l’excitation. Le système est trop connu pour que nous croyons utile d’insister, d’autant mieux qu’il n’y avait pas d’exemple, à l’Exposition, de distribution directe à deux fils par courant continu.

Distribution à trois fils. — La distribution à trois fils, préconisée dès 1882 par Edison et llopkinson, est aujourd’hui l’une des plus répandues. On sait qu’elle comporte deux dynamos couplées en tension. Pour les installations importantes, les deux dynamos sont disposées de part et d’autre du moteur à vapeur qui les actionne directement. Dans des installations moins importantes, les deux dynamos sont placées à la suite l’une de l'autre sur le même bâti, ont un arbre commun, attaqué directement ou par courroie. Nous signalons, à titre d’exemple, les dynamos de la Société anonyme des établissements Decauville aîné dont l’une d’elles est représentée figure 2.

DISTRIIUJTION DE [/ENERGIE EI.EGTRFQUE

Distribution à trois fils par une seule dynamo. — Pour distribuer à trois fils avec une seule dynamo, la Compagnie de Fives-Lille emploie un dispositif ingénieux.

Si dans une génératrice ordinaire, établie pour une tension de 240 volts aux bornes, on relie à deux bagues, comme le montre schématiquement la figure 00, deux points A et B diamétralement opposés de l’enroulement, et si l’on fait communiquer les deux extrémités C et D d'une bobine de self-induction avec deux balais E et F appuyant sur ces bagues, en ayant soin de brancher le fil neutre de la distribution sur le milieu O de cette bobine, on aura réalisé une distribution par trois conducteurs à l’aide d’une seule dynamo.

Fig. 1. — Dynamo pour distribution à 3 fils à accouplements directs pour distribution à 3 fds de la Société nouvelle des Établissements Decauville aîné. { La partie du manchon d’accouplement, système Ratfard, représenté sur la gauche, doit être retournée pour que les broches soient en saillie extérieurement et non intérieurement sur le plateau d’accouplement.)

On voit clairement que les bornes C et D de la bobine de self-induction se trouvent alimentées sous une tension alternative de 240 volts, dont la variation par rapport au temps peut être représentée par la courbe E — F de la figure 3.

Cette différence de potentiel fera circuler, dans la bobine égalisatrice, un courant qui retardera sur elle d’un quart de période. Ce courant alternatif, fourni par la génératrice, est des plus faibles et ne dépasse pas 1 pour 100 de la valeur normale du débit de la dynamo. Comme il est décalé d’un quart de période, il ne cause qu’une perte de puissance insignifiante, la résistance chimique de la bobine étant pratiquement négligeable.

Au moment même où le point A passe sous les balais positifs M, la tension aux bornes CD tend à faire circuler un courant allant de E vers D. Mais, dans toute bobine de self-induction, la force contre-électromotrice induite est égale et opposée à la différence de potentiel aux bornes. Cette force contre-électromotrice agissant seule ferait donc naître à l’instant considéré un courant dirigé de D vers C.

La force contre-électromotrice mesurée entre les points C et O est égale à la moitié de celle qui existe entre C et D et qui a 210 volts comme valeur maxima.

Ou pourrait donc représenter sa variation par rapport au lemps par la courbe es de la figure 3.

Si maintenant nous considérons le circuit d’alimentation MOCE, nous trouvons :

1° Aux extrémités M et C une tension oscillante entre zéro et 240 volts, dirigée toujours dans le même sens et figurée par la courbe M — E ;

2° Dans l’intérieur de la bobine égalisatrice et entre les joints O, et C une Force électromotrice alternative de self-induction représentée par la courbe es.

La résultante de ces deux forces électromotrices donne une tension constante de 120 volts indiquée dans la figure 8 par la droite xy.

Cette tension résultante, dont la valeur est de 120 volts, est précisément celle qui est nécessaire pour faire circuler, à travers le point le plus chargé, le courant qui n est autre chose que la différence entre les intensités Ft F, dans les deux branches de la distribution.

La façon dont agit la self-induction est des plus intéressantes. En effet, lorsque la tension entre les. points M et A est nulle, elle se trouve égale à -\~ 120 volts; quand cette tension entre M et A devient + 120 volts, la force électromotrice induite s’annule pour arriver ensuite à — 120°, au moment précis où la différence de potentiel entre Met A atteint sa plus grande valeur -(- 240 volts.

Ainsi la self-induction s’ajoute ou se retranche de la terfsion entre les points M et A, de façon à produire une différence de potentiel constante, égale à la moitié de la tension aux balais de la dynamo génératrice.

Nous n’avons pas parlé de la seconde branche de la bobine égalisatrice, mais il est visible qu’elle travaille de la même façon que la première.

Dynamos à double enroulement induit. — Aux heures de faible charge, pendant la nuit, par exemple, il est peu avantageux de faire fonctionner deux dynamos pour alimenter les deux ponts d’une distribution à trois fils. On remédie à cet inconvénient en faisant alors le service à l’aide d’une seule dynamo dont l’induit porte deux enroulements identiques, imbriqués l'un dans l’autre, mais complètement distincts, et reliés chacun à un collecteur, disposés l’un d’un côté, l’autre de l’autre côté de l’induit. Ces deux induits sont couplés en tension entre eux par les balais, et reliés au réseau général de distribution. L’excitation shunt est alimentée par les fils

DISTRIBUTION DE L’ENERRIE ELECTRIQUE

extrême^ et réglée pour fournir 220 volts. Comme la charge est faible, et que le réseau de distribution présente une action énorme eu égard au faible débit; la perte en ligne est pratiquement nulle, et la distribution assurée, malgré les inégalités de charge éventuelle des deux ponts.

Le Secteur Edison utilise une dynamo de ce genre dans son usine du Palais-Royal, à Paris.

Distribution à cinq fils. — Ce système a été appliqué en 1890, par la Société alsacienne de Constructions mécaniques, sur le Secteur de la place Clichy, où il fonctionne depuis cette époque.

Les dynamos, du type à anneau Gramme à collecteur extérieur et à inducteurs intérieurs, produisent directement une tension variable de 450 volts à vide à 550 volts en charge et alimentant des feeders aboutissant à des boites de distribution disposées dans des sous-stations où des régulatrices ou compensatrices divisent la tension totale de 440 volts en quatre parties égales pour l’alimentation des quatre ponts.

Compensatrices et régulatrices. — Dans les distributions à trois lils et à cinq fils, le courant arrive aux boîtes de distribution par des feeders reliés aux fils extrêmes. Considérons une distribution à cinq fils, par quatre ponts de 110 volts, pour fixer les idées. L’usine centrale fournit une différence de potentiel supérieure à 440 volls, de façon qu’il y ait exactement 440 volts à la boite de distribution, après la chute de tension produite par les feeders. Pour diviser les 440 volts en quatre parties égales, on emploie une régulatrice constituée par quatre dynamos égales couplées mécaniquement entre elles, excitées en dérivation sur les 440 volts, mais dont les excitations sont couplées entre elles en tension.

Les quatre induits sont également couplés en tension entre eux et montés en dérivation sur les 440 volts ; les trois fils intermédiaires déterminant les quatre ponts partent des points communs des balais des quatre machines. Ce dispositif permet à la machine disposée sur le pont le plus chargé de fonctionner en dynamo, tandis que la machine du pont le moins chargé fonclionne en moteur, par suite de l’inégalité des tensions que les charges différentes tendent à produire. 11 en résulte que le pont le moins chargé verse de la puissance sur le pont le plus chargé, et tend ainsi à égaliser les charges et les puissances sur chacun des ponts. A vide ou à charge égale, sur les quatre ponts, les quatre dynamos formant régulatrice n’absorbent que le courant très faible nécessaire à leur fonctionnement à vide. Ce dispositif est employé par le Secteur électrique de la place Clichy.

Distribution avec accumulateurs — La plupart des distributions à courant continu comportent comme complément naturel, presque indispensable, une ou plusieurs batteries d’accumulateurs établie en dérivation sur le réseau et ayant à remplir une double fonction : celle d’aider les dynamos de l’usine au moment de la pointe de consommation, ce qui permet d'employer une puissance génératrice plus faible que celle correspondant à la consommation maxima ; celle de faire le service de nuit , et de permettre ainsi l’arrêt de l’usine pendant une grande partie de la nuit, et même la matinée. La recharge se fait pendant la journée, aux heures de faible consommation, en utilisant la quantité de matériel générateur (moteurs et dynamos) suffisant pour le faire travailler dans les meilleures conditions de rendement et d’utilisation.

Dans les usines de tramways, la batterie d’accumulateurs joue un rôle plus spécial : elle a pour objet de parer aux variations brusques de charge du réseau, et de servir de volant électrique. Les dynamos travaillent à puissance constante, et la batterie fait l'appoint positif ou négatif de puissance, suivant que les voitures en service prennent une puissance plus grande ou plus petite que la puissance moyenne produite par les générateurs électriques. On leur donne, à cause de cette fonction spéciale, le nom de batteries-tampon.

Malheureusement, les conditions spéciales dans lesquelles s’est faite l’exploitation des services électriques de l'Exposition ne comportait pas l’emploi de ces batteries, et il n’y a figuré

que quelques survolteurs et réducteurs que nous avons décrits dans les fascicules respectivement consacrés à la Transformation de V énergie électrique et à Y Appareillage. Nous n’avons donc pas à y revenir.

Dynamo à intensité constante de la Société Gramme. — Les règlements n’autorisent pas l’emploi dans les intérieurs des habitations de différences de potentiel supérieur à 500 volts ; aussi la distribution en série n’est-elle pas employée, mais des machines à intensité constante fonctionnent à Paris pour l’éclairage des voies et des jardins publics. L’une de ces dynamos construites par la Société Gramme et représentée figure 4 peut donner 10 ampères sous une tension variant entre 800 et 2 000 volts, suivant le nombre de foyers alimentés en tension.

Fig. 4. — Dynamo à intensité constante de la Société Gramme.

L’excitatrice est placée sur le prolongement de l’arbre, et c’est en variant l'excitation de l’excitatrice que l’on maintient le courant constant. La dynamo do 2 000 volts peut alimenter 40 lampes à arc de 10 ampères.

Tableaux de distribution. — Les tableaux de distribution sont établis suivant deux principes bien distincts, suivant qu’ils sontdestinés à des installations permanentes ou sensiblement telles, ou qu’ils sont établisdans des usines pour lesquelles il a été prévu un développementgraduel et normal des unités génératrices et des feeders.

Dans les installations permanentes, le tableau est unique, et les appareils qui le composent sont montés à demeure sur une dalle de marbre blanc de dimension appropriée et maintenue verticalement dans un châssis en fer cornière. Les connexions entre les appareils se font toutes par la face postérieure du tableau, éloigné du mur d’une longueur suffisante pour que la surveillance, l’entretien et le remplacement éventuels puissent se faire facilement.

Les tableaux des grandes installations pour lesquelles des extensions sont prévues sont établis sur le principe général despanneaux individuelsjuxtaposés ou superposés. L’extension se fait en rajoutant des panneaux de chaque côté.

Nous reproduisons à titre d’exemple ( ftg . 5) un tableau de distribution à cinq panneaux de la Société industrielle d 'Electricité, Procédés Westinghouse, pour distribution d’énergie jusqu’à 750 volts. Sur la gauche sont disposés deux panneaux de génératrices; le milieu est occupé par un panneau totalisateur, à droite sont deux panneaux de feeders.

Le panneau de génératrice comporte une lampe avec support et abat-jour, un indicateur de terre, un ampèremètre, un voltmètre, un disjoncteur unipolaire, une prise de courant à fiche

DISTRIBUTION DE D’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE

de voltmètreet un interrupteur tripolaire (dans le cas de dynamos compound). Sous le panneau de la génératrice est un panneau de rhéostat portant les plots de contact et la manette de manœuvre.

Le panneau totalisateur comprend un ampèremètre VVeston et un voltmètre Weston, tous deux à cadran lumineux. Le voltmètre est monté sur un pivot pour que l'on puisse l’amener sur le devant du panneau et le mettre bien en vue au moment du couplage en parallèle de deux génératrices.

La partie inférieure est occupée par un panneau vide, ou, plus exactement, un panneau plein destiné à compléter le tableau.

Le panneau d q feeder comprend une lampe avec support et abat-jour, un disjoncteur unipolaire et un interrupteur bipolaire. Dans les installations un peu importantes, on dispose un

Fig. 5. — Tableau de distribution à 5 panneaux pour tramways de la Société industrielle d’Électricité.

ampèremètre sur un feeder. Dans certains cas, le panneau est double, avec ou sans ampèremètre.

La partie inférieure du panneau de feeder est occupée soit par un panneau plein , soit par un panneau de fusibles.

Colonnes de commande. — La mise en service des grosses unités génératrices se fait généralement non pas au tableau de distribution, mais par une colonne de commande disposée près de la dynamo, et constituée par une colonne en fonte sur laquelle sont montés, dans le cas d’un courant continu, un ampèremètre et un voltmètre, un volant à axe vertical agissant sur l’excitation de la dynamo et un levier commandant l’interrupteur général. Le rhéostat et l’interrupteur sont placés sous la colonne.

Kiosque de commande de l’Elektrizitâts Aktiengesellschaft (Vormals Schuckert und C°). —

Le groupe électrogène de la maison Schuckert était constitué par une dynamo à courant continu (500 v 7500Al50k\v) et un alternateur triphasé (5 000 v 98 A150 kw). Les appareils de commande du groupe A à courant continu étaient disposés à l’intérieur d’un kiosque carré d’un goût bien allemand, représenté [fig. 6) sous deux de ses faces.

L’un des panneaux porte un voltmètre, un ampèremètre de 1 000 ampères pour le courant principal, un second ampèremètre de 60 ampères pour le moteur électrique du vireur 1 et le volant du rhéostat de champ. Le deuxième panneau porte un disjoncteur à minima pour 60 ampères et 500 volts, un interrupteur bipolaire de 00 ampères pour le moteur du vireur, deux coupecircuits fusibles unipolaires pour 180 ampères et deux fusibles unipolaires pour 80 ampères et 220 volts. Le troisième panneau, en marbre comme les deux premiers, est un panneau d’annonces, et le quatrième, qui ne porte rien comme dans la chanson de Marlborough. est une

porte par laquelle on accède facilement à l’intérieur du kiosque pour visiter les connexions.

Réglage automatique de la tension ou du courant. — Dans les installations où l'on n’emploie qu’une seule dynamo et dont l’importance est insuffisante pour justifier la présence d’un électricien au tableau, on règle automatiquement la tension, soit en employant une dynamo à double enroulement, soit en adjoignant à la dynamo un régulateur automatique.

Suivant les cas, ce régulateur agit sur la vitesse du moteur, en augmentant ou en diminuant l'admission de vapeur, soit sur l’excitation, à l’aide d’un rhéostat qui introduit ou supprime graduellement la résistance dans le circuit d’excitation, soit, enfin, dans le cas de dynamo à courant constant, en agissant à la fois sur la résistance d’un circuit inducteur et sur le calage des balais.

Généralement, la manœuvre du rhéostat est commandée par un servo-moteur mis en action par un solénoïde dont le noyau oscille entre deux contacts électriques. Ces contacts électriques commandent la rotation d’un axe dans un sens ou dans l’autre, soit en mettant en circuit un moteur électrique, soit en embrayant une commande mécanique. La rotation de l’axe dans un sens ou dans l’autre agit sur l’admission de vapeur ou sur la résistance de réglage jusqu’à ce que l’équilibre soit rétabli.

Dans le régulateur de la Compagnie générale électrique de Nancy, le contact du relai est obtenu par la dilatation d’un fil de platine monté en dérivation sur la différence de potentiel à régler.

Réglage des effets de théâtre. — Les effets lumineux de théâtre exigent que les variations de lumière se fassent avec plus ou moins de rapidité, mais toujours graduellement. On obtient généralement ce résultat par l’intercalation en circuit de rhéostats comportant un nombre de touches assez élevées pour rendre les variations insensibles; mais ces rhéostats absorbent une certaine puissance dépensée en pure perte. Pour réduire cette perte et obtenjr des effets gradués, M. ue Coincy employait un dispositif original, mais un pou compliqué, et qui consistait à utiliser le courant fourni par la distribution, non pas directement, mais en passant par un

1. Le dépassement de point mort des grands moteurs à vapeur à l'aide d’un vireur actionné par un moteur électrique suppose, en pratique, une installation comportant des accumulateurs. A l’Exposition de 1900, où l’on n’employait pas d’accumulateur, le moteur du vireur était alimenté par le réseau général de distribution a 2 '20 volts.

de l’Elektricituts-Âktiengesellschafl.

Fui. 7. — Dynamo à induit amovible de M. dé Coincy.

grande intensité lumineuse. Si, en tournant le volant représenté à droite de la figure 7, on déplace longitudinalement l’induit, la force électromotrice diminue, et les lampes diminuent d'éclat jusqu’à extinction complète. Le système impose malheureusement l’emploi d’une dynamo spéciale commandée par courroie, portant un induit et un commutateur très long et par suite très encombrant et très coûteux ; aussi ne signalons-nous ce système qu’à titre de curiosité.

DISTRIBUTION DE 1/ ÉNERGIE ÉLECTRIQUE

transformateur spécial constitué par un moteur shunt à vitesse constante actionnant une dynamo à induit amovible longitudinalement sous les pièces polaires. Cette dynamo est excitée en shunt par le réseau de distribution. Lorsque l'induit est sous la pièce polaire, la force électromotrice développée par l’induit est maxima et les lampes reliées à cet induit fournissent leur plus

TRANSMISSION DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE

Lorsque la surface sur laquelle doit se faire la distribution présente une grande étendue, et une faible densité de consommation, représentée par le quotient de la puissance à fournir par la surface sur laquelle elle doit être répartie, on a intérêt, en vue de réduire le prix de canalisation, à transmettre cette puissance sous une tension élevée, et à la distribuer à basse tension.

On emploie dans ce but des courants alternatifs simples et des transformateurs à basse tension.

Ces transformateurs eux-mêmes sont, suivant les cas, disposés de différentes façons :

1° Lorsque les centres de consommation constituent des groupes isolés peu importants et distants les uns des autres, on dessert chacun de ces groupes par un transformateur isolé, dont la puissance est proportionnée à la consommation maximadu groupe ;

2° Lorsque chaque groupe présente une certaine importance et une certaine étendue, on dessert la zone entière par un réseau secondaire à basse tension alimenté par un transformateur ou un certain nombre de transformateurs ;

3° Enfin, si le groupe à alimenter est très important, les transformateurs sont disposés dans une sous-slalion, et mis en circuit au fur et à mesure des besoins, alin que tous les transformateurs travaillent à chaque instant à puissance normale et à rendement maximum. C’est à cette combinaison, la plus avantageuse lorsqu’elle est réalisable, que les Anglais ont donné le nom de Banking.