ÉLECTRIQUE
479. — Étant donné un ensemble d'appareils récepteurs, lampes, moteurs, accumulateurs, à alimenter par le courant électrique, on demande de les mettre en rapport avec un ou plusieurs générateurs de manière que chacun de ces appareils reçoive la quantité d'énergie nécessaire, tout en satisfaisant aux conditions d'économie et de sécurité.
Le problème se précise généralement par ce fait que les récepteurs à alimenter doivent être traversés par un courant constant ou être soumis à une différence de potentiel invariable.
480. — Distribution en série. — La manière la plus simple de résoudre le premier cas est de disposer les appareils les uns à la suite des autres de façon à former un seul circuit avec la source d'électricité. C'est là le système de distribution en série qui a l'avantage de réduire au minimum la section et, par suite, le prix des conducteurs employés , attendu que l'intensité du courant reste la même quel que soit le nombre des appareils alimentés. Ce dispositif permet, en outre, de placer le générateur en un point quelconque du circuit. Par contre, ce système établit une certaine solidarité entre les récepteurs et les expose à se dérégler lorsque l'un d'eux présente un défaut de fonctionnement. Une interruption en un point du circuit suspend la marche de tous les appareils.
Lorsque les récepteurs sont des lampes, pour éviter que l'extinction de l'une d'entr'elles n'amène celle des autres , un appareil
automatique met généralement la lampe en court-cîrcuît lorsqu'elle cesse de fonctionner ou y substitue une lampe de réserve. D'auire part , on se met à l'abri d'une extinction complète des foyers par une interruption dans la canalisation , en disposant les lampes en deux séries alimentées par des générateurs indépendants et en intercalant les lampes consécutives ou voisines alternativement dans Tune et dans l'autre série.
Le système de distribution en série conduit à des tensions élevées et, par suite, dangereuses, lorsque les appareils alimentés sont très nombreux, car les tensions aux bornes des appareils s'ajoutent à la chute en volts dans la canalisation pour donner aux bornes des générateurs une différence de potentiel considérable.
Le système de distribution en série n'est pas économique quand le nombre des récepteurs en circuit est très variable , parce que la dynamo fonctionne alors avec un mauvais rendement pendant une partie du temps, la perte sur la ligne étant constante.
On a vu, §§ 348 et4ii, les dispositifs employés le plus fréquemment pour maintenir le courant constant dans le circuit quel que soit le nombre des récepteurs en service.
481. — Distribution en dérivation. — Une deuxième méthode simple de liaison entre le générateur et les récepteurs consiste à disposer ceux-ci en dérivation, à l'aide de branchements raccordés aux conducteurs de distribution ou distributeurs^ fig. 274.
"(^mwvpt.
Fig. 274.
Ce mode d'alimentation des récepteurs leur assure Tindépendance qui leur manquait dans le système précédent. Un des appareils peut être interrompu sans occasionner l'arrêt des autres. Mais cette indépendance n'est obtenue qu'au prix d'un accroissement considérable de la section des câbles venant de la source d'électricité, attendu que le courant à produire par celle-ci augmente proportionnellement au nombre des récepteurs.
Afin de réduire la section de cuivre des conducteurs, on est 2 t
l8 DISTRIBUTION DE L*ÉNERGIE ÉLECTRIQUE.
conduit à adopter des récepteurs fonctionnant sous unolension ou voltage aussi élevé que le permettent la nature des appareils et la sécurité des personnes. En effet, pour une quantité donnée d'énergie à transmettre, Tintensité du courant et, par suite, la section économique des conducteurs, sont en raison inverse de la tension de distribution, § 475.
Indépendamment des conditions de sécurité et d'économie à observer dans l'étude d'une distribution, il y a une troisième condition qui joue un rôle important, particulièrement lorsqu'il s'agit d'alimenter des lampes ; on exige que la tension appliquée à celles-ci reste compri&e entre des limites très voisines, quel que soit le nombre des foyers en activité. Pour les lampes à incandescence, la différence de potentiel ne peut varier de plus de i,5 à 2 pour 100 en deçà et au delà du voltage normal.
Or, si l'on suppose que la tension est maintenue constante aux bornes de la machine génératrice, il est clair que le voltage décroît dans les conducteurs principaux à mesure qu'on s'éloigne de la source, la perte en volts entre deux points quelconques de la canalisation étant égale à la somme des produits des résistances des tronçons compris entre ces points par les courants correspondants. En outre, chaque fois qu'on allume ou qu'on éteint un des foyers, la tension varie aux bornes des autres foyers .
Désignons par i^^ h^h^ . . . . , in les courants dérivés dans les branchements successifs à partir de la source ; par r^, r2,r3, . . . . , Tn les résistances des doubles sections de canalisation comprises entre le générateur et les branchements. La chute de tension au branchement d'ordre n est donné par
»'=n (Û+ h + h 4-. . . . +'n) + {r2 — n) (I2+Î3+ • • • + »n) -j- . . . . -j- (rn — Tn— 4 ) In = r4 I^ + r2 I2 + . . . . + fn In.
Il est facile de calculer directement la différence des tensions appliquées à deux récepteurs quelconques. A titre de curiosité, on remarquera que l'expression de la chute de tension est analogue à celle de la somme des moments de forces égales à 24, 2*2, .... /&, échelonnées sur une droite, par rapport à un point de cette droite dont elles seraient séparées par des distances r^, Tj, . . . rn. On
peut donc, ainsi que Ta montré M. Krieg (*), résoudre le problème par les procédés de la graphostatique. #
Dans une installation importante, il conviendra de calculer les conducteurs principaux en ayant égard aux réglée de sécurité et d'économie, §§ 474 et 475. La règle de Kelvin conduit à adopter une densité uniforme de courant et à donner des sections décroissantes aux tronçons successifs à mesure qu'on s'écarte de la source. On arrive de la sorte à une distance limite au delà de laquelle la chute de tension dépasse la variation compatible avec la bonne marche des récepteurs. Cette limite est rapidement atteinte avec les lampes à incandescence qui ne souffrent pas de variations supérieures à 2 pour 100 de la tension normale.
482. — Distribution en boucle — Dans une installation de peu d'étendue, comme celle destinée à l'éclairage d'une maison ou d'un appartement, on emploie souvent un mode de distribution, dit en boucle^ qui permet de réduire notablement les différences des tensions maintenues aux lampes et, par suite, d'agrandir la zone desservie sans dépasser les limites de variation fixées. Comme le montre la fig. 275, la longueur de conducteur principal intéressée dans le
Fig. 275.
circuit de chaque lampe est invariable. Si donc on calcule les conducteurs de manière que la densité de courant soit constante quand toutes les lampes sont allumées , ce qui conduit à des conducteurs dont les sections décroissent à partir de la source, la tension sera uniforme en tous les points, car le système revient à donner à chaque lampe un circuit spécial de longueur invariable et à réunir les branches parallèles des circuits. Mais si Ton éteint une partie
(«) M. Krieg, Die En^eugung und Verteilung der Elektriciiat in central stationeriy 1888.
DISTRIBUTION DE l'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE.
des foyers, la densité de courant ne reste plus constante, et Ton constate des variations de tension, ce qui n'arriverait pas si chaque lampe était réellement alimentée par deux conducteurs branchés directement sur la source.
Lorsque les récepteurs s'écartent progressivement de la source d'électricité , la distribution en boucle exige une dépense de conducteurs plus grande que la distribution simple. Mais si les
mL
Fig. 276.
récepteurs forment une figure fermée, comme c'est le cas dans une distribution destinée à alimenter un bloc de maisons circonscrit par des rues, la fig. 276 montre qu'on peut réaliser la distribution en boucle sans accroissement de dépense.
483. — Distribution par réseau et feeders. — On vient de voir que la condition de ne pas dépasser une perte de tension déterminée limite en général à une faible longueur la distance à laquelle une source d'électricité peut alimenter des lampes à incandescence. Pour accroître le rayon de distribution , on pourrait employer un procédé analogue à celui qu'on applique dans les distributions de gaz , où l'on fait varier la pression aux becs par une clef ou un régulateur automatique, lorsque la pression change dans les conduites. De môme des résistances pourraient être intercalées à la suite des lampes électriques et variées à la main ou automatiquement de manière à régulariser la tension utile Dans le cas de courants alternatifs, l'emploi des bobines à réaction permet de modifier la tension utile sans grande dépense d'énergie, § 446. Mais ces moyens introduisent une complication et une perte d'énergie en chaleur qu'on évite par le procédé suivant. On établit un réseau de câbles distributeurs D auxquels se raccordent
les branchements alimentant les récepteurs b. Des machines génératrices partent un certain nombre de conducteurs F appelés /eet/er^-
Fig. 277.
ou artères qui déversent Ténergîe électrique dans le réseau en des points C nommés centres de distribution ou boîtes de jonction.
Au lieu de maintenir la tension constante à la station génératrice, on l'y fait varier de manière à obtenir une différence de potentiel constante aux centres de distribution , ce dont on s'assure par des fils spéciaux, appelés /ils pilotes^ qui reviennent de ces centres vers des voltmètres placés dans l'usine productrice. Vu la grande résistance des voltmètres, on peut donner aux fils pilotes une section minime, sans crainte d'y provoquer une chute de tension sensible. Grâce à l'artifice qu'on vient de voir, il est possible d*étendre considérablement le rayon de la zone desservie par une usine électrique, car on satisfait à la condition d'uniformité de tension aux récepteurs en multipliant autant qu'il est nécessaire les centres de distribution et l'on peut calculer les feeders de manière à obtenir la densité moyenne la plus économique, § 475.
Dans une distribution destinée à l'éclairage d'un quartier de ville, on espacera les centres de distribution de manière à ne pas dépasser
22 DISTRIBUTION DE l'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE.
les variations de tension admises. On tolérera , par exemple , une perte de potentiel de 2 pour 100 dans les distributeurs et de i pour
100 dans les branchements placés à Tintérieur des habitations. Le plus grand écart entre les tensions extrêmes est alors de 3 pour
100. Les feedcrs, au contraire, pourront présenter des chutes de tension bien supérieures et d'autant plus grandes que la force motrice est à meilleur compte.
On cherche à former avec les câbles distributeurs des figures fermées afin que, si la communication avec les feeders vient à être rompue accidentellement en un point, l'énergie électrique arrive aux récepteurs par les côtés de la figure qui restent reliés à Tusine électrique. Ces figures fermées forment les mailles d'un réseau qui couvre l'agglomération à desservir.
484. — Systèmes de distribution mixtes — On peut combiner de diverses manières les systèmes de distribution en série et en dérivation, de manière à bénéficier de certains avantages appartenant à ces procédés.
Ainsi une combinaison très usitée avec les lampes à arc voliaïque consiste à dériver par rapport à des conducteurs A, B, fig. 278, des groupes de lampes disposées en série. Outre l'avantage spécial de réduire les résistances additionnelles qu'exigent les lampes à arcs, cette combinaison permet de diminuer la section des câbles distributeurs puisqu'elle se prête à un accroissement de la tension de
Fig. 278.
distribution. Par contre, elle établit une certaine solidarité entre les lampes d'une même série, et elle oblige à munir chaque récepteur d'un appareil qui y substitue automatiquement, en cas d'extinction ou d'arrêt, un récepteur de réserve ou une résistance qui en tient lieu.
Pour éviter que l'interruption d'un des récepteurs n'arrête le fonctionnement des appareils en série avec lui , on peut dans cer-
SYSTEMES DIRECTS DE DISTRIBUTION ELECTRIQl'E.
tains cas disposer des câbles intermédiaires a, &, qui réunissent les tîls de jonction des récepteurs semblablement placés. Maïs celte disposition n'empêche pas la tension aux bornes des appareils de subir des variations qui, dans le cas de lampes, sont préjudiciables au bon fonctionnement. On verra toutefois, § 487, qu'il est possible de remédier à ces variations par des régulateurs spéciaux.
485. — Système de distribution à conducteurs multiples. — M. J. Hopkinson est arrivé à assurer Tindépendance complète des divers récepteurs en associant des dynamos en tension et en reliant les câbles intermédiaires des divers groupes de récepteurs aux pôles communs des machines. Soit le cas de deux dynamos en série, indiqué dans la fig. 279. Si tous les récepteurs sont égaux et fonc-
Fig. 279.
tionnent simultanément , aucun courant ne traverse le conducteur intermédiaire a. Si tous les récepteurs situés d'un même côté de a sont interrompus , c'est l'un des conducteurs extrêmes qui devient passif, le conducteur a étant parcouru par un courant égal à celui qui traverse les conducteurs A et B dans le premier cas.
Cette combinaison permet, comme on le voit, de doubler la tension de distribution en conservant aux bornes des récepteurs la même différence de potentiel et en assurant à ceux-ci la même indépendance que dans le cas d'une distribution simple en dérivation. Mais le fait de doubler la tension entre les conducteurs extrêmes a permis de réduire de moitié l'intensité du courant d'alimentation. Par suite, si l'on admet que les trois conducteurs ont les mêmes sections, et si la densité, calculée d'après la règle de Kelvin, reste invariable, il y aura une économie d'un quart dans le poids de
24 DISTRIBUTION DE l'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE.
cuivre employé. En réalité, réconomie peut devenir plus grande si Ton étudie les groupements de manière que les récepteurs en activité des deux côtés du conducteur intermédiaire soient toujours en nombres égaux ou à peu près. On peut, dans ce cas, réduire sans crainte la section du conducteur intermédiaire de moitié, ce qui donne définitivement une économie de 37,5 pour loo.
Si, comme c^est le cas ordinaire pour les distributeurs, on n'envisage que la perte de charge dans les conducteurs, au lieu de se baser sur la règle économique de Kelvin, il est possible d'arriver à une réduction du poids de cuivre bien plus considérable.
En effet, à densité de courant égale, lorsque le conducteur intermédiaire est passif, la chute de tension pour cent est moitié moindre que dans le système à deux conducteurs. Par suite, pour une même chute de tension relative, on peut doubler la densité de courant, c'est à dire diminuer les sections de 5o pour loo. Au lieu d'obtenir, pour le système à trois conducteurs d'égales sections, un poids de cuivre égale aux trois quarts du poids nécessité par le système à deux conducteurs, on arrive seulement aux trois huitièmes, ce qui procure une réduction de cinq huitièmes, ou 62,5 pour cent. La réduction est encore accrue si l'on restreint la section du conducteur intermédiaire.
Mais il faut, pour réaliser ces réductions, que les deux groupes en série contiennent des nombres sensiblement égaux de récepteurs. Si l'un des groupes est interrompu, tandis que tous les récepteurs de Tautre groupe sont en activité, la chute de tension relative est doublée. A noter le perfectionnement qui consiste à prendre des dynamos à 220 volts et de petites dynamos, pour parfaire la différence entre les 2 branches.
11 est facile de généraliser les déductions précédentes. S'il y a n groupes de récepteurs , on peut former n circuits dérivés par rapport à n dynamos réunies en quantité, ou bien associer les dynamos en série en supprimant n — i conducteurs, les câbles intermédiaires devenant communs à deux circuits.
Le nombre des conducteurs, qui était 2 n, est devenu n + i, d'où
fi —I— I une réduction du poids de cuivre dans le rapport - '" » dans
l'hypothèse où les conducteurs intermédiaires ont une section égale à celle des conducteurs extrêmes et où ces sections sont calculées par la règle de Kelvin.
Au point de vue de la chute de tension relative , on remarque
que celle-ci est diminuée dans le rapport - ? puisque la tension
totale est n fois plus grande. Pour arriver à la même chute de tension relative que précédemment, la section de cuivre doit devenir n fois plus faible dans le système multiple.
Le rapport des poids est alors — ~— et la réduction du poids de cuivre devient
loo I I — j- I pour 100.
Le système multiple est généralement associé avec la distribution par feeders, de manière à permettre l'extension de la zone de distribution sans dépasser une chute de tension donnée.
486. — Égalisateurs de tension. — Diverses combinaisons ont été suggérées pour arriver à alimenter un réseau à conducteurs multiples à Taide d'un seul groupe de générateurs, reliés en dérivation , donnant la tension requise entre les conducteurs extrêmes, fig. 278. Il suffit alors de deux séries de feeders pour relier les conducteurs extrêmes aux générateurs et les conducteurs intermédiaires n'existent que dans le réseau de la distribution.
M E. Thomson préconise l'emploi d'un réseau à 3 conducteurs pourvu d'un dispositif spécial pour maintenir la tension constante dans chacun des groupes de récepteurs. Il intercale, entre les distributeurs extrêmes, deux dynamos auxiliaires dont les induits sont reliés en série et montés solidairement sur le même axe. Ces enroulements induits sont pourvus d'inducteurs communs dérivés également sur les conducteurs extrêmes. Les pôles communs des deux induits communiquent avec le distributeur intermédiaire. Cela étant, si les tensions sont égales dans les groupes de récepteurs, c'est à dire si le distributeur intermédiaire est passif, les induits des dynamos sont traversés par des courants égaux et se mettent à tourner comme moteurs électriques, jusqu'à engendrer une force
contre-électromotrice sensiblement égale à la tension appliquée
aux balais. Dans ces conditions, le courant absorbé par les induits
est minime.
Si Ton interrompt des ré«:epteurs dans l'un des groupements, la
tension correspondante s'accroît et le courant augmente à travers
26 DISTRIBUTION DE l'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE.
l'induit appartenant au même groupe. Ce fait détermine un accroissement de vitesse de Tarbre commun, et, par suite, une augmentation de la force électromotrice produite par Tinduit voisin. Si cette force électromotrice est supérieure à la différence de potentiel appliquée aux bornes de ce dernier induit, celui-ci fait l'office de générateur et envoie un courant dans les récepteurs du même groupe, ce qui relève la différence de potentiel aux bornes de ceux-ci. Grâce à cette ingénieuse combinaison , l'énergie absorbée par l'un des induits est restituée en jurande partie par l'induit voisin. Des égalisateurs de tension tournent nécessairement dans le même sens, comme générateurs et comme moteurs, à cause de l'excitation en dérivation.
Une autre disposition consiste à adjoindre aux dynamos à 220 volts, raccordées aux conducteurs extrêmes, des dynamos auxiliaires à 110 volts plus petites reliées au moment opportun .aux branches les plus chargées. Ce dernier système exige que le réseau à trois conducteurs communique avec l'usine électrique par des faisceaux de 3 feeders , tandis que le système E. Thomson permet d'employer des faisceaux de 2 feeders.
487. — Systèmes Siemens. — On doit à M. Siemens d'autres solutions de la distribution par conducteurs multiples permettant de n'employer , à la station productrice , qu'un seul générateur ou un groupe de générateurs réunis en dérivation.
La fig. 280 montre un système de réseau à 4 distributeurs a bc d disposés dans les rues d'une agglomération et reliés à des branchements H dérivés vers les habitations. Des deux pôles C-, C4du générateur ou du groupe de générateurs disposé dans l'usine électrique parient deux séries de feeders se raccordant en des points X Qty aux distributeurs extrêmes.
Les feeders sont donc établis comme dans le système à deux fils. Pour maintenir la tension constante entre les distributeurs consécutifs , on a intercalé , en divers points du réseau , des groupes de régulateurs R , dont la fonction est de compenser les variations de tension dues à la mise en activité de nombres inégaux de récepteurs dans les divers branchements.
Dans ce but, entre deux distributeurs successifs tels que a et b^ tig. 281 , on intercale d'une part la bobine R d'un relais et d'autre
SYSTÈMES DIRECTS DE DISTRIBUTION ÉLECTRIQUE. ï?
pan une série de résistances en dérivation W. Toutes celles-ci communiquent d'une manière permanente avec le branchement A, mais la liaison avec le branchement B s'opère par un contact mobile
Fig. 180.
sur Taxe du secteur K, ce qui permet de varier le nombre des résistances dérivées par rapport à A et B.
Le secteur K est mû par les noyaux N', N^, réunis par une corde enroulée autour d'une poulie fixée sur l'axe de K. N' et N' sont attirés par des solénoldes S', S*.
Si la tension croît entre les branchements A ei B, le relais R attire l'armatore U, qui est sollicitée en sens inverse par un ressort de suspension F. Un courant partant de B traverse le solénoidc S' et retourne en A par F et s'. Le noyau N' est attiré et des résistances W sont ajoutées en dérivation de manière à provoquer une chute de tension.
Si, au contraire, la tension diminue en deçà de la valeur normale, la lame F appuie l'armature contre le buttoir s'. Le courant issu
de B traverse le solénoïdede S\ le noyau N* est attiré et des résistances W sont retirées du circuit jusqu'à ce que la différence de potentiel ait repris la valeur normale et que l'armature U soit revenue à égales distances des deux buttoirs s^, s^.
Fig. 281.
Comme on le voit, dans ce système, on n'arrive à égaliser les tensions entre les distributeurs successifs qu'en provoquant une absorption artificielle d'énergie électrique.
Fig. 282.
M. Siemens a également utilisé des égalisateurs de tension analogues à ceux de M. E. Thomson, en vue de récupérer la majeure partie de l'énergie absorbée pour la régularisation. La fig. 282 montre le schéma du système appliqué à la distribution à 5 conducteurs qui fonctionne au secteur de Clichy, à Paris. Dans un
champ inducteur, dont les bobines sont reliées aux conducteurs extrêmes, 4 armatures à anneau sont disposées sur un même axe et intercalées dans les quatre groupes de conducteurs A, B, C, D. Ces armatures ont une résistance intérieure très minime et elles tournent, par la réaction du courant qui les traverse, en engendrant des forces contre-électromotrices sensiblement égales aux différences de potentiel appliquées au balais. Si les récepteurs utilisés dans les quatre groupes sont en nombres égaux, les tensions appliquées aux induits sont les mêmes et ceux-ci développent des forces électromotrices identiques en n'absorbant que la quantité d'énergie très minime nécessaire pour vaincre leurs frottements. Mais si le nombre des récepteurs intercalés dans Tun des groupes, B par exemple, diminue, la tension augmente dans ce groupe, la vitesse de l'induit correspondant s'accroît et, comme toutes les armatures sont solidaires , les induits voisins sont entraînés à développer des forces électromotrices supérieures aux tensions appliquées à leurs bornes et, par suite, à restituer à leurs groupes respectifs la plus grande partie de l'énergie électrique devenue disponible dans le groupe B. En d'autres termes, les induits des groupes A, C, D font office de générateurs et, sous l'action du moteur B, développent chacun une énergie électrique sensiblement égale au tiers de l'énergie absorbée par l'armature de B.
Suivant les indications qui nous ont été données par M. le D*^ Pirani, la station de Clichy peut alimenter 6 000 lampes à incandescence dans un rayon de 3 kilomètres avec 3 postes de régulateur3 seulement , chaque machine compensatrice étant capable de corriger un écart de 5o ampères entre le débit des divers groupes. Les écarts ne dépassent jamais cette limite lorsqu'on a soin de répartir les lampes de chaque abonné important sur plusieurs de ces groupes.
