9.1 Organisation d'un réseau électrique

a) réseau simple

Réseau électrique simple

            Les N lampes d'un réseau électrique apparaissent chacune comme une résistance R qui demande un courant I lorsque sous une tension V égale à celle fournie par la génératrice. Elles doivent donc toutes être placées en parallèle avec elle. Le courant total demandé par les N lampes en parallèle est donc N I . Ce dernier courant, produit par la génératrice, doit être distribué aux lampes à l'aide de deux câbles électriques, dont la résistance n'est pas nulle. Les câbles de distribution dissipent une puissance qui est proportionnelle au carré du courant N_s I qui leur restent à fournir aux N_s lampes qui suivent, puisque leur courant diminue au fur et à mesure que les câbles le distribuent aux lampes. Le nombre de lampes qu'il est possible de satisfaire est donc limité, puisque la puissance dissipée par les câbles de distribution, proportionnelle au carré du nombre de lampes, va devenir, à partir d'un certain nombre, comparable à la puissance fournie à ces dernières.

b) réseau divisé en secteurs

Alimentation de secteurs par des artères

            La solution qu'utilise Edison en 1880 est de diviser en secteurs l'ensemble des lampes à alimenter. Chaque secteur est relié à la génératrice à l'aide d'un câble de distribution d'aller et un de retour. Ces secteurs sont tous en parallèle, sous même tension. Mais le nombre N de lampes alimentées par un même câble est alors d'autant plus faible que le nombre de secteurs est grand. Dans le cas d'un système à quatre secteurs, par exemple, le courant requis par un câble est toujours quatre fois plus faible que dans le cas d'un seul secteur, et la puissance perdue dans les câbles de distribution, seize fois plus faible. La génératrice est alors reliée aux lampes par huit câbles (quatre d'aller, quatre de retour). Ces câbles sont dits artères du réseau électrique.

c) alimentation à trois câbles

Distribution à trois câbles

            Cette solution exige la multiplication des artères avec la multiplication des lampes à alimenter. Edison (et, indépendamment, Hopkinson) invente en 1882 un système de distribution à trois câbles qui permet de doubler le nombre de lampes raccordées pour une même perte de puissance dans les câbles. Les lampes, avons-nous vu, fonctionnent correctement sous une tension de 110 V. Edison forme des doubles secteurs; il place deux génératrices, qui fournissent leur courant chacune sous une tension de 110 V, de telle sorte qu'un de leurs câbles d'alimentation de leurs secteurs soit commun.

            Chaque double secteur, comprenant maintenant deux fois plus de lampes, soit 2 N , est alimenté par trois câbles au lieu de deux, et celui du milieu est mis à terre (sous une tension nulle). Les deux premiers câbles agissent comme câbles d'aller et de retour pour environ la moitié des 2 N lampes d'un double secteur, soit N₁ ; le deuxième et le troisième câble, comme câbles d'aller et de retour pour l'autre moitié environ des 2 N lampes du double secteur, soit N₂ . Le courant qui circule dans le premier câble est N₁ I et celui dans le troisième, N₂ I ; celui dans le deuxième câble, le fil à la terre, est leur différence (N₁ - N₂ ) I puisque les courants y circulent dans des sens opposés. Le courant du fil à la terre est donc faible, sinon nul, et la puissance qu'il consomme, de même. La puissance consommée dans les deux câbles extrêmes est pratiquement la même que dans le cas précédent où il n'y avait que N lampes.

            Ces solutions au problème de l'augmentation de l'achalandage du réseau supposent malgré tout que la longueur des câbles de transmission demeure faible, qu'il n'y a guère de distance entre la génératrice et les usagers. Cela va tant et aussi longtemps que l'usine de production est là où sont les clients, mais pas autrement. S'il faut de longs câbles, portant tout le courant requis sur une grande distance, la perte de puissance sur ceux-ci devient intolérable. C'est le problème qui se pose si l'usine productrice est à l'extérieur de la ville, par exemple.

            Il faut une nouvelle solution. Une solution à prime abord impossible: faire produire à la génératrice un faible courant sous une forte tension, et distribuer cette puissance, une fois transportée aux usagers, sous la forme d'un fort courant sous une faible tension. Il n'y a, à prime abord, guère d'ennuis à bâtir une génératrice qui fournit sa puissance électrique sous une tension de, disons, 2 kV. En quel cas le courant produit n'est que de 100 A si elle fournit une puissance de 200 kW. Mais quel dispositif va transformer ce faible courant sous une forte tension en un fort courant sous une faible tension?