CHAPITRE XIX

133. Transmission de l'énergie. — L'éaergie électrique fournie par les alternateurs de la station centrale doit être amende aux appareils de transformation et d'utilisation par une canalisation électrique.

Quelquefois une première transformation est effectuée dans la station centrale môme, afin de pouvoir produire l'énergie électrique sous uue tension modérée et de la transmettre ensuite sur la ligne sous une haute tension, ce qui est nécessaire dans le cas d'une transmission d'énergie à grande distance, lorsque la puissance à transmettre atteint plusieurs milliers de kilowatts.

La canalisation constitue une des parties essentielles d*une installation électrique et, de la manière dont elle a été étudiée et réalisée, dépend en grande partie le bon fonctionnernent de Tenserable. Il arrive souvent que l'établissement de la ligne est la partie de l'installation qui présente les plus grandes difficultés, dimciiltcs d'autant plus grandes que le réseau est plus développé ot que la tension est plus élevée. Mais il convient de dire qu'aujourd'hui le technicien, instruit par l'expérience des autres, peut établir, en toute sûreté, un projet de grnnde ligne de transmission électrique d'énergie. 11 y a actuellement en service des lignes ayant plus de 100 kilo-

mètres de développement, à des tensions de 20000, 30000 et même 40 000 volts, transmettant des dizaines de milliers de chevaux et qui fonctionnent régulièrement depuis des années sans donner lieu à des inconvénients sérieux. Il se produit toujours quelques interruptions de service impossibles à éviter, •car il y a évidemment des travaux d'entretien comme dans toute installation industrielle et, à plus forte raison, lorsque la canalisation est aérienne, puisqu'elle est exposée à de nombreuses causes de dérangements qui peuvent troubler son I fonctionnement normal. C'est pour celte raison que les ' grandes installations hydraulico-électriques, dont l'énergie pro- , ^uilc est utilisée pour des services publics (éclairage, traction électrique, etc.), disposent toujours, au point d'utilisation, soit •d'une installation à vapeur de réserve, soit d'une batterie d'accumulateurs.

La canalisation d'une installation électrique peut être entièifement aérienne, entièrement souterraine ou en partie aérienne et en partie souterraine. Généralement, lorsque la •canalisation traverse la rase campagne, on l'établit aériennement ; au contraire, à l'intérieur des grandes villes, la canali- -sation principale reliant la station centrale aux centres de distribution, ainsi que les dérivations ou lignes secondaires, sont également des lignes souterraines. Dans les installations de moyenne importance, la distribution de l'énergie dans les rues peut se faire au moyen de lignes aériennes. On utilise des canalisations mixtes, c'est-à-dire en partie aériennes et en partie souterraines, lorsque l'énergie à distribuer dans une grande ville est fournie par une station centrale très éloignée. ' Les progrès réalisés dans la construction des câbles pour transmission de courants à tension élevée permettent aujourd'hui de les employer même pour des tensions alternatives de 10000 volts. Il est assez rare pourtant que l'on dépasse la tension de 6000 volts, parce que cette différence de potentiel est suffisante pour permettre d'effectuer économiquement une <iistribution d'énergie d'une puissance de plusieurs milliers de kilowatts dans un rayon de 5 à 6 kilomètres que peut avoir

rinstallation d'une grande ville. A Milan, par exemple, Ténergie, provenant de la station centrale hydraulico-élec trique de Paderno, située à 32 kilomètres sur le fleuve Adda, est amenée à la Porte Volta par une canalisation aérienne sous la tension de 13 500 volts; la sous-station de la Porte Volta distribue le courant dans Milan, à la tension de 3000 volts, par une canalisation souterraine. Des transformateurs réduisent ensuite cette tension à 150 volts dans les dérivations qui amènent le courant pour l'éclairage chez les abonnés, dérivations établies en câbles souterrains.

On peut donc dire d'une manière générale que les canalisations souterraines servent surtout à distribuer l'énergie aux points où elle est utilisée, tandis que les lignes aériennes sont surtout employées pour les transmissions d'énergie à grandedistance. C'est pourquoi on se bornera à donner ici seulement quelques renseignements sur les canalisations souterraines en décrivant les systèmes de distributions; au contraire, on donnera de plus amples détails sur les canalisations aériennes qui constituent une partie importante de Tinstallation et qui, comme on Ta déjà dit, présentent, tant pour leur installation que pour leur entretien, de notables difficultés.

Suivant toujours le même programme adopté pour cet ouvrage, on renverra le lecteur au tome II pour tout ce qui concerne les calculs et on n'exposera actuellement que les principes généraux et les descriptions utiles.

134. Choix de la tension à adopter dans une transmission d'énergie. — Limites atteintes pratiquement. — La

tension à adopter pour un transport d'énergie varie naturellement pour chaque cas particulier et il n'est guère possible de donner à ce sujet de règle générale, puisqu'il faut tenir compte chaque fois de la distance et de la valeur de la puissance à transmettre.

Il est évident que la tension à employer doit être d'autant plus grande que la distance à franchir et que la puissance k transmettre sont .plus considérables; mais la section des-

conducteurs, une fois la valeur de la tension choisie, dépend des pertes en ligne que l'on veut admettre sous charge normale, pertes qui, d'ordinaire, sont comprises dans les limites de 5 à 10 0/0, quoiqu'il y existe quelques cas où elles sont inférieures à 5 0/0 et d'autres où elles sont supérieures à 10 0/0. Le choix de la tension dépend également de la forme des courants employés : courant alternatif simple, courants diphasés ou courants triphasés. Comme on l'a déjà fait remarquer, on doit donner la préférence au courant alternatif simple pour les petites installations d'éclairage; quant aux courants diphasés, ils ont été employés pendant un certain temps, mais aujourd'hui on ne les utilise plus, au moins en ce qui concerne les transmissions d'énergie, et on ne s'en sert, dans certains cas spéciaux, que pour distribuer le courant à partir des sous-stations. On peut donc dire qu'actuellement les transmissions d'énergie se font presque exclusivement avec des courants triphasés et, dans ce qui suit, les indications données se rapporteront toujours à ces courants.

Pour des distances jusqu'à 10 kilomètres, avec une puissance à transmettre de 250 kilowatts, une tension de 3 000 volts efficaces est généralement suffisante. Si la puissance à transmettre est de près de 500 kilowatts ou bien si la distance atteint 20 à 25 kilomètres, on peut aller jusqu'à 5 000 volts, que l'on peut dépasser encore s'il faut transmettre les 500 kilowatts à 25 kilomètres.

Pour déterminer la tension à employer, le mieux est de se référer à des cas analogues, ce qui est d'autant plus facile que toutes les grandes maisons de construction ont une collection de renseignements relatifs aux installations qu'elles ont faites, renseignements très précieux que l'on atout avantage à consulter. En procédant par tâtonnements, on peut également arriver à trouver, par le calcul, la valeur de la ten* sion la plus convenable. Si, par exemple, à la suite d'un premier projet, on trouve qu'il faut donner aux conducteurs une section trop grande, il faut refaire les calculs pour une tension plus élevée; mais il ne faut pas perdre de vue qu'en

adoptant une tension plus élevée, on diminue proportionnellement, il est vrai, à égalité de pertes dans la ligne, le poids des conducteurs, mais, en même temps, augmentent les difficultés pour obtenir un isolement suffisant et il faut employer un matériel d'isolateurs, d'interrupteurs, de coupe-circuit, etc., beaucoup plus coûteux; de même les alternateurs et les transformateurs sont d'un prix plus élevé.

La tendance actuelle est d'augmenter la valeur de la tension plutôt que d'accroître la section des conducteurs ou leur nombre, à cause des phénomènes d'induction dont il sera question un peu plus loin, car aujourd'hui on peut avoir du matériel de ligne supportant très bien les hautes tensions et les alternateurs se construisent dans d'excellentes conditions pour des tensions allant jusqu'à 15000 ou 20000 volts, à la condition toutefois qu'ils soient de grande puissance.

Jusqu'aux tensions de 8000 à 10 000 volts, il est préférable d'obtenir la tension qu'il doit y avoir sur la ligne directement de l'alternateur. .11 serait bon de pouvoir dépasser cette limite afin d'éviter l'emploi de transformateurs élévateurs de tension, mais le fonctionnement continu d'alternateurs à haute tension a mis en évidence un fait très important.

La matière isolante qui, actuellement, convient le mieux pour isoler convenablement les conducteurs induits du noyau de fer, lorsque la tension dépasse 10000 volts, est la micanite, produit obtenu en agglomérant, à l'aide d'un ciment spécial, de minces lames de mica et en donnant au produit obtenu la forme voulue; on obtient ainsi des lames, des tubes, des cylindres, etc. Or l'expérience a démontré que la micanite soumise aux vibrations, tant du fer qui l'entoure que des conducteurs qu'elle enveloppe, perd peu h peu sa compacité et s'effrite. Cela ne se produit qu'au bout de quelques années de fonctionnement et il est possible d'effectuer des réparations en temps utile; mais il suffit d'envisager les inconvénients qui peuvent résulter de ce fait pour voir qu'il est bien préférable, dans les grandes stations génératrices à haute tension, d'employer des alternateurs à tension modérée dont l'isolement

400 LA ÏECllMQUK DES GOURANTS ALTERNATIFS

peut être obtenu avec d'autres matières et d'élever ensuite la tension à la valeur voulue à Taide de groupes de transformateurs.

On a déjà dit dans le paragraphe 81 que l'emploi des transformateurs a permis d'utiliser des tensions très élevées : à Provo (Telluride), la tension est de 40000 volts, et dans l'installation de Colgate, la tension peut être poussée jusqu'à 60000 volts. Ces tensions sont des valeurs efficaces, en sorte que, si on admet que ces grandeurs varient suivant la loi sinusoïdale, les valeurs maxima (§ 35) sont respectivement:

40000 . v^= 56 000 volts

et

60000 . Vi= 84900 volts.

M. C. F. Scott, ingénieur en chef de la Westinghotise Electric Mamifactiiring C**, de Pittsburg, et ses collaborateurs ont procédé à Provo, à East-Pittsburg et au Niagara, à d'intéressantes expériences pour déterminer jusqu'à quelles limites on pouvait pousser pratiquement la tension d'une installation à courant alternatif. On ne donnera ici de ces expériences qu'un résumé succinct et on renverra le lecteur au mémoire original de M. Scott pour de plus amples détails ^

On a constaté d'abord que les pertes d'énergie, dues à la présence des isolateurs, par suite des défauts qu'ils pouvaient présenter, étaient insignifiantes. Le passage des courants dans les conducteurs paraît améliorer la résistance d'isolement^ probablement parce que la chaleur développée par leur passage chasse l'humidité. C'est ainsi que, par un temps tns humide, dans une expérience, le wattmètre, qui avait une déviation de 116 divisions au moment où la ligne était mise en charge, n'avait plus qu'une déviation de 72 divisions au bout de quelques minutes. Dans un autre essai, la déviation du wattmètre est passée de 155 divisions à 138 après trois minutes.

1. Scott (F.), Transactions American Institute of Electrical Engineers, 1898.

A Telluride, une ligne de 3570 mètres de longueur fut établie sur 62 poteaux en bois avec traverses également en bois supportant les isolateurs. Une partie de ces isolateurs étaient en verre, les autres en porcelaine à double cloche et d'un diamètre variant de 11 à 15 centimètres. Cette ligne a parfaitement fonctionné pendant plusieurs jours à une tension efficace de 70 (XK) volts, sans que les pertes augmentassent sensiblement dans les journées humides et quoique la neige, accumulée sur les traverses, ait relié un jour tous les isolateurs par leur rebord inférieur. A la tension de 50000 volts, on peut évaluer les pertes à 2 ou 3 watts par isolateur.

On a ensuite constaté qu'à partir de 20000 volts, les fils tendent à devenir lumineux à cause des décharges qui se produisent sous forme d'aigrettes entre les divers conducteurs. Ces lueurs augmentent rapidement avec la tension; à 50000 volts, les fils sont visibles à une grande distance pendant les nuits obscures et le ronflement qui accompagne ces lueurs s'entend jusqu'à 100 mètres de distance.

Suivant en cela une loi naturelle, ces phénomènes produisent une certaine perte d'énergie, pertes qui sont d'autant plus faibles que les conducteurs sont plus éloignés l'un de l'autre et que plus gros est leur diamètre. Naturellement ces pertes augmentent proportionnellement avec la longueur dé la ligne et aussi, proportionnellement, mais en raison hyperbolique, avec l'augmentation de tension.

La fréquence paraît avoir peu d'influence sur la valeur de ces pertes; par contre, la forme des courbes de la tension en aune très grande, parce que les valeurs maxima de la tension peuvent atteindre une limite beaucoup plus élevée que celle qui correspond à la valeur maximum de la tension, si la forme de la courbe était harmonique, le facteur de forme (Voir §43, tome II) pouvant varier de 1,1 à 1,4.

M. Scott en déduit que, pratiquement, il ne serait pas prudent de dépasser 50 000 à 60000 volts, tension qui permet, du reste, de transmettre des milliers de chevaux à des distances même supérieures à 300 kilomètres. Toutefois, il est indispen-

sable que, dans le parcours de la ligne, Tair soit très pur pour qu'on puisse employer des tensions aussi élevées; dans les contrées où Tair est chargé de poussières, il ne serait pas prudent de dépasser 30000 volts. M. Loppé, à ce propos, cite Texemple de l'installation de Biberest, près Soleure en Suisse, où la tension est de 8 000 volts à courant continu (système Thury); la ligne a 25 kilomètres de longueur et la résistance totale d'isolement baisse parfois jusqu'à 2400 ohms pour atteindre une résistance d'isolement pratiquement infinie après une abondante pluie qui a enlevé toutes les poussières.

135. Choix de la fréquence. — Suivant le cas, on adopte une fréquence élevée ou une basse fréquence. En effet, pour une valeur déterminée du (lux maximum qui agit sur une spire, la valeur moyenne de la force électromotrice induite croît proportionnellement à la fréquence; il s'ensuit que, plus la fréquence est élevée, plus légers et par conséquent moins coûteux sont les alternateurs, les transformateurs et les moteurs, parce qu'on peut employer des noyaux magnétiques, à égalité de tension produite ou utilisée, de section d'autant plus petite que la fréquence est plus élevée, ou encore mettre un moins grand nombre de spires pour constituer les enroulements.

Mais, si les hautes fréquences sont faciles à obtenir avec des génératrices à grande vitesse angulaire, il n'en est pas de même pour celles qui ont une .vitesse lente et qui alors devraient être pourvues d'un trop grand nombre de pôles; de plus, il serait difficile de maintenir le couplage en parallèle La même observation s'applique également aux moteurs.

Les hautes fréquences ne peuvent s'appliquer qu'à des moteurs à grande vitesse; pour les moteurs à faible vitesse angulaire, il serait nécessaire d'augmenter le nombre de leurs pôles et il faudrait alors laisser un plus grand entrefer à cause du plus grand diamètre de l'organe mobile; on aurait donc, pour les moteurs asynchrones, une plus grande dépense de courant magnétisant et, par suite, diminution du facteur de

puissance. En outre, le démarrage présenterait plus de difficultés.

C'est pour les matifs qui viennent d'être exposés que, dans une installation à courants alternatifs devant assurer un service d'éclairage, il ne faut pas que la fréquence soit inférieure à 40 périodes par seconde, ni supérieure à 60. En ce qui concerne particulièrement le fonctionnement des lampes à arc, il serait désirable que la fréquence fût plus élevée; déjà avec 40 à 45 périodes les alternances du courant sont visibles à l'œil et ce phénomène est encore quelquefois plus accentué suivant la forme de la courbe : si elle présente une allure pointue, la lumière à arc devient souvent insupportable dans un endroit fermé.

Mais, si l'installation ne doit pas assurer un service d'éclairage ou que ce dernier ne soit que peu important (dans ce dernier cas, on a recours à une transformation en courant continu ou à une transformation de fréquence), surtout si l'installation doit alimenter de puissants convertisseurs (§ 114), il est préférable d'adopter une basse fréquence de 25 à 35 périodes, quoique les alternateurs, les transformateurs et les moteurs soient plus lourds et, par conséquent, d'un prix plus élevé. C'est ainsi que l'emploi d'une fréquence de 16 périodes dans l'installation de traction électrique de la Valteline a permis d'éviter l'emploi de réducteurs de vitesse pour les moteurs qui n'ont que peu de pôles et dont le rotor, calé sur l'essieu, actionne directement les roues par l'intermédiaire d'un joint double en parallélogramme.

136. Conducteurs utilisés pour l'établissement des lignes de transmission d'énergie. — Les conducteurs presque universellement employés pour l'établissement des lignes de transmission d'énergie sont en cuivre électroly tique recuit, qui possède une haute conductivité jointe à une malléabilité suffisante pour qu'il soit facile de bien tendre les conducteurs.

Les lignes aériennes, en pleine campagne, ne doivent pas

avoir une section inférieure à 7 mm^ (environ 3 mm de diamètre), étant admis que les pertes dans la ligne permettent (remployer des fils de celte section, parce que, autrement, pour tenir compte de l'action du vent, il faut rapprocher les appuis et Taugmentation du nombre de ces derniers entraînerait une dépense supérieure à celle qui résulterait de Taugmenlation de la section des conducteurs.

Un fil de diamètre supérieur à 8 millimètres se tend mal et il est préférable d'employer des câbles nus, qui, au point de vue mécanique, résistent beaucoup mieux aux effets combinés de la température, de leur poids, de la neige, du verglas etde la force du vent qui, dans certaines régions, souffle très violemment de temps en temps. On emploie rarement des fils ou des câbles d'une section supérieure à 100 mm*-*, non seulement parce qu'il est difficile de les tendre convenablement, mais aussi parce qu'il serait nécessaire d'employer des isolateurs de dimensions exagérées. Dans ces conditions, il vaut mieux dédoubler la ligne.

Chaque fois qu'il est nécessaire d'obtenir une plus grande résistance à la traction, on utilise des fils de cuivre électrolytique écroui qui, tout en ayant une conductivité presque égale à celle du cuivre recuit, présente une résistance mécanique à la rupture qui est environ deux fois plus considérable.

Lorsque la puissance k transmettre est faible, la section des conducteurs est assez petite, à cause de la haute, tension; au lieu d'employer des fils de cuivre, qui ne doivent pas avoir une section inférieure à 7 millimètres, on a tout avantage à utiliser des fils de bronze silicieux. De la teneur en silicium dépend la résistance à la rupture, mais, par contre, la résistance électrique augmente. Avec les fils de bronze, les appuis peuvent être distants de 60 à 80 mètres, tandis qu'avec les fils de cuivre, il n'est pas prudent de dépasser 40 à 50 mètres.

Pour la traversée des fleuves, canaux, torrents ou bras de mer, il n'est guère possible d'installer des appuis intermédiaires ou encore, si l'on veut réduire leur nombre autant que

possible, il faut augmenter la portée ; pour cela il faut que les conducteurs soient constitués dans toute cette longueur par un fil ou un câble d'acier. La traversée du détroit de Carquinez par la ligne triphasée qui part de Colgate, dans la Nevada en Californie, pour alimenter Oakland, sur la baie de San Francisco, est une installation bien connue des électriciens. On sait que cette ligne a une longueur de 240 kilomètres et que la tension est de 60 000 volts. Pour la traversée du détroit, on a édifié deux énormes pylônes en treillis métallique ; ils sont placés à 1 328 mètres l'un de l'autre et supportent, par Tintermédiaire d'isolateurs appropriés, 4 câbles d'acier (dont 1 de réserve) formés chacun de 19 fils et ayant un diamètre de 12 millimètres. La flèche est de 30 mètres et les 4 câbles sont à une distance de 6 mètres l'un de l'autre.

On a beaucoup écrit sur l'emploi de l'aluminium pour constituer les conducteurs d'énergie. A égalité de résistance ohmique, par rapport à un conducteur de cuivre pris comme unité, la section du conducteur d'aluminium est de 1,64, le diamètre de 1 ,27, la résistance à la rupture de 0,03 et le poids de 0,50. 11 y a deux ou trois ans, lorsque le prix du cuivre était très élevé, comme la différence existant entre les prix des deux métaux n'était pas considérable, l'aluminium présentait des avantages au point de vue économique, parce que, à résistance ohmique égale, les conducteurs avaient un poids moitié moindre, ce qui permettait d'utiliser des appuis et des ferrures d'isolateurs plus légers. Mais, même dans ces conditions, il convient de donner la préférence au cuivre. En effet, la résistance à la rupture est plus faible pour l'aluminium ; de plus, à cause du plus fort diamètre des fils, le venta plus de prise sur les conducteurs et, h cause de la légèreté du métal, on ne peut empêcher les mouvements oscillatoires des conducteurs. La pose est plus difficile que lorsqu'il s'agit de conducteurs en cuivre, quoique, à cause de leur poids plus faible, elle devrait, au contraire, être plus facile. Cela est dû h ce que les fils d'aluminium présentent souvent des points défectueux qu'il faut rechercher avant la pose en les soumettant à des

tractions énergiques, très voisines de la limite d'élasticité du métal ; si on ne prend pas cette précaution, des ruptures peuvent se produire après un certain temps. Les joints des diverses sections doivent être faits avec des manchons en aluminium parce que, en employant des manchons d'autre métal, Taluminium formerait avec ce dernier un couple électrique qui aurait pour effet d amener rapidement la destruction du conducteur.

Enfin, il faut aussi faire remarquer que le coefficient de dilatation linéaire de Taluminiumest 1,4 fois celui du cuivre; aussi, pendant l'hiver, la ligne est fortement tendue, tandis que, pendant Tété, elle ne l'est pas suffisamment. Cette propriété de Taluminium a été la cause de nombreux inconvénients sur les quelques lignes en aluminium construites jusqu'à présent.

Pour toutes les raisons qui viennent d'être exposées, l'emploi deTaluminium comme conducteur, qui, il y a quelques années^, avait sa raison d'être au point de vue économique, n'est plus guère aujourd'hui adopté, le prix du cuivre étant devenu normal. Cela n*empôche pas que, dans certains cas spéciaux, l'aluminium ne puisse être employé avec avantage, mais, dans la plupart des cas, on doit lui préférer le cuivre.

Dans le calcul de la résistance mécanique des conducteurs, indépendamment de son poids et de l'action du vent, il faut aussi tenir compte du poids de la neige et dû verglas qui, pendant l'hiver, peuvent recouvrir ces conducteurs. La plupart des traités pratiques, tels que celui d'Hospitalier, de Piazzoli ou de Grawinkel et Strecker, contiennent toutes les données nécessaires pour effectuer ces calculs ; on y trouve également les formules et renseignements nécessaires relatifs à la construction des lignes aériennes. C'est pourquoi on se bornera à donner ici quelques renseignements généraux sur les appuis, les isolateurs et le matériel de ligne, sans entrer dans des détails qui sortiraient du cadre de cet ouvrage.