Réduire l’échauffement des câbles lors du transport de l’électricité est un enjeu économique, mais aussi technique, car l’échauffement est une limite à la puissance transportée.
I. L’effet Joule, à l’origine des échauffements
1) L’effet Joule provoque une perte de puissance
La résistance d’un conducteur électrique au passage du courant se mesure en ohms (symbole : Ω). La résistance d’un câble de ligne électrique est très faible, mais pas totalement nulle. Il en résulte un échauffement lorsque le courant circule dans le câble : c’est l’effet Joule.
La puissance électrique convertie en puissance thermique par effet Joule PJ (puissance perdue), dans un conducteur de résistance R, parcouru par une intensité de courant I, a pour expression : PJ=R×I2.
À noter
Les pertes Joule PJ sont proportionnelles au carré de l’intensité du courant transporté : doubler l’intensité multiplie l’échauffement – et donc les pertes – par 4.
Doc Schéma électrique simplifié d’une ligne à haute tension
L’intensité du courant électrique est conservative : elle reste la même d’un bout à l’autre de la ligne indépendamment de la résistance des câbles. En revanche, la puissance perdue par effet Joule (ici, PJ=3×R×I2 pour les trois câbles) provoque une légère chute de tension entre le départ et l’arrivée (U > U′).
Les pertes Joule ont donc un coût financier et écologique, car la source doit produire une puissance légèrement supérieure à celle consommée par la charge.
À noter
En France, les pertes par effet Joule représentent un peu moins de 10 % de la puissance totale.
2) L’effet Joule limite la puissance maximale des lignes
L’effet Joule a aussi des conséquences physiques néfastes pour les lines. L’échauffement provoque une dilatation des matériaux et un allongement des câbles ; les points bas des lignes aériennes se rapprochent alors trop du sol entre les pylônes. Sur les lignes enterrées, l’échauffement cause un vieillissement accéléré de l’isolant.
II. L’influence de la tension sur l’échauffement
Partons de la puissance transportée : P=U×I×3⇔I=PU×3
Pour une ligne à trois conducteurs, les pertes Joule sont :
PJ=3×R×I2=3×R×PU×32=RU2×P2
L’expression ci-dessus montre que les pertes Joules PJ sont inversement proportionnelles au carré de la tension U (doubler la tension divise les pertes par 4). Il est donc particulièrement intéressant de choisir une forte valeur de tension de ligne pour diminuer les pertes et l’échauffement.
Cependant, pour une ligne aérienne, une tension plus élevée impose d’espacer les câbles et de les placer plus loin du sol pour éviter le risque d’arc électrique, ce qui signifie, en contrepartie, des pylônes plus grands et moins facilement acceptés.
À noter
Les choix de tensions utilisées sur le réseau résultent de compromis, en fonction de la distance à franchir et de la puissance à transporter.
Par ailleurs, les lignes souterraines ou sous-marines en courant alternatif sont limitées en tension et en longueur. Pour contourner ce problème, on peut utiliser du courant continu, mais il faut alors des installations de conversion à chaque extrémité de la ligne, qui engendrent d’autres types de pertes.
Certains matériaux, dits « supraconducteurs », ont une résistance totalement nulle au-dessous d’une certaine température, et permettent de fabriquer des lignes électriques sans pertes Joule, mais il faut les refroidir à l’azote liquide.
À encombrement égal, ce type de lignes peut transporter cinq fois plus de puissance qu’une ligne classique. Elles pourraient être utilisées en environnement urbain, lorsqu’une grande puissance doit être transportée dans un espace restreint, par exemple pour alimenter en sous-sol des bornes de recharge automobiles.