CHAPITRE 5 Les générateurs de haute tension 1 A.Générateurs électrostatiquesGénérateurs électrostatiques B.Générateurs de hautes tensions AC et DCGénérateurs

CHAPITRE 5

Les générateurs de haute tension

1

A. Générateurs électrostatiques

B. Générateurs de hautes tensions AC et DCa. Transformateurs de puissance.b. Transformateurs d’essais.c. Générateurs à circuit résonant série.d. Redresseurs.e. Doubleurs de tension, cascade de Greinacher.

C. Générateurs de tensions transitoiresa. Bobine de Ruhmkorff, transformateur de Tesla.b. Générateurs de chocs .

D. Qualité de la tension

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

A. Générateursélectrostatiques

2

5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques


Générateurs électrostatiques

3

Définition : Le générateur électrostatique est un dispositif qui convertit l’énergie mécanique en énergie électrostatique emmagasinée dans un milieu diélectrique.

Le générateur électrostatique comporte :

- une source d’excitation, fournissant des charges électriques ;

- un élément transporteur (convoyeur de charges) mû par un moteur et qui apporte les charges sur une électrode haute tension, entourée d’un matériau diélectrique ;

- un milieu diélectrique dans lequel est stockée l’énergie électrostatique.


Le générateur électrostatique se distingue de la machine communément appelée génératrice électrique, qui convertit de l’énergie mécanique en énergie magnétique (stockée dans un circuit magnétique).


Une sphère ou un cylindre de matériau isolant est mis en rotation et frotté à l’aide d’un coussinet également isolant,mais formé d’un matériau différent.

Ces machines ont permis d’obtenirdes tensions de plusieurs centainesde kV, si l’on en croit la longueur desétincelles annoncées par leursutilisateurs du 18e siècle.

Machines à triboélectricité

4


Sour

ce :

Keny

on C

olle

ge


http://physics.kenyon.edu/EarlyApparatus/Static_Electricity/Electricity_from_Glass/Electricity_from_Glass.html

Cet instrument, inventé en 1775, combine le principe du frottement à celui de la charge par influence.

Électrophore de Volta

5

L’électrophore de Volta ouvre la porte aux générateurs électrostatiques modernes, combinant le phénomène de la triboélectricité à celui de la charge par influence, avec la possibilité d’opérer en continu.



Générateur à capacité variable

6

Principe

Dans un premier temps, la capacitévariable augmente jusqu’à Cmax et se

charge à travers une diode D1.

Dans un second temps, la valeur de lacapacité décroît, ce qui provoque l’augmentation de sa tension Uc à charge

constante (D1 étant alors bloquée).

Dans un troisième temps, lorsque Uc+Ue > Us , la diode D2 commence à

conduire de sorte que le système délivre du courant à l’utilisateur.



Générateur à capacité variable

7

DiagrammeLe fonctionnementdu générateur àcapacité variablepeut être représentédans un diagrammetension – charge.


Source : Michel Aguet, Mircea Ianovici, Traité d’électricité vol. XXII, Éd Georgi (1982) p.49


Réalisation

8


© E

PFL

- LRE

200

8

En pratique le condensateur à capacité variable est constitué de deux pièces circulaires, un stator et un rotor, comportant des secteurs.On montre que dans un tel systèmela puissance maximale transmise àl’utilisateur est donnée par la relationapprochée :

N : nombre de secteur f : fréquence de rotation.

21max max min e s4

P N f C C U U


Machine de Wimshurst

9

Complément facultatifMachine de Wimshurst

Schéma animé

La machine de Wimshurst permet d’atteindre 100 kV, avec un courant de l’ordre du microampère.

James Wimshurst(1832-1903)



http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/charrier/tp/wimshurst/wimshurst.html

Générateur de Van de Graaf

10

Le générateur de Van de Graaff est le plus utilisé des générateurs électrostatiques.

Complément facultatifGénérateur Van de Graaff

Modèle original

Robert Van de Graaff(1901-1967)


Différentes astuces de construction sont possibles :•poulie inférieur en matériau isolant : charge de la courroie par séparation ;•recharge de la courroie descendante par un ioniseur au potentiel de l’électrode HT.


http://libraries.mit.edu/archives/exhibits/van-de-graaff/index1.html

Puissance

11

Augmentation de la tension :

- champ disruptif Ed (mise sous pression et/ou immersion dans un gaz) ;

- rayon R de la sphère.

La tension maximale est alors égale à Umax = Ed · R

Augmentation du courant :

- largeur de la courroie ;

- nombre de courroies ;

- vitesse de la courroie.



Générateur de Felici

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Le générateur de Felici est une variante de celui de Van de Graaff, dans laquelle la convoyeur de charges est un rotor isolant .

Noël Joseph Felici (1916 - 2010)



Générateur SAMES (France)Type : FeliciUtilisation : physique des particules,vaporisation et précipitationTension maximale : 600 kVCourant : 4 mA

Caractéristiques

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Générateur électrostatique de l’Oak Ridge National Laboratory (Tennessee)Type : Van de GraaffUtilisation : physique des particulesTension maximale : 31 MVInstabilité : < 10-5

Générateur électrostatique du Centre de recherches nucléaires de StrasbourgType : Van de GraaffUtilisation : physique des particulesTension maximale : 13 MVCourroie : néoprène, largeur 52 cm, longueur 101 m, vitesse 10 m/s


[27]


http://www.surprises.ch/HT/annexes/27.pdf


B. Générateurs de hautes tensions

AC et DC

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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC


Transformateurs

15

Dans la plupart des systèmes actuels à haute tension, l’élément central reste le transformateur.

Définition : Le transformateur est un convertisseur d'énergie électrique sans pièces mobiles qui modifie les tensions et courants associés à une énergie électrique sans changement de fréquence.

Lucien Gaulard (1850 - 1888)

5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance

Premier transformateur à circuit magnétique

fermé (1886)

Sour

ce :

Rac

onte

-moi

la ra

dio

Certains accessoires comportent des pièces mobiles : les ventilateurs, les changeurs de prise, commutateurs de protection.


http://dspt.club.fr/GAULARD.htm

Transformateurs haute tension

16

Dans le domaine de la haute tension, on utilise différents type de transformateurs :•Pour l’alimentation des réseaux électriques : les transformateurs de puissance monophasés ou triphasés, élévateur de tension (transport) ou abaisseur (distribution).Isolation : papier – huile, papier – résine époxy, SF6…

•Pour la mesure des hautes tensions (surveillance de la tension dans les réseaux) : transformateur de potentiel (abaisseur de tension).Isolation : résine époxy.

•Pour les essais en laboratoire : les transformateurs d’essai monophasés. Haute tension mais faible puissance. Isolation : papier – huile.

•Pour les essais à l’extérieur : le transformateur à résonance série.Isolation : résine époxy.



Transformateurs de puissance (1)

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Transformateurs immergés à 3 colonnesIsolation papier – huile.

Tension pouvant dépasser le MV.

Puissance jusqu’à plus du GVA.

Poids jusqu’à 600 tonnes, y comprisune centaine de tonnes d’huile.


Source : ABB transformers


http://library.abb.com/global/scot/scot252.nsf/veritydisplay/4481cda8ee9a0831852573b40051bb17/$File/1LAB000073_LMPT_2007May_light.pdf

Source : Transformateurs cuirassés ABB


18

Transformateurs immergés à 5 colonnes ou cuirassésLes transformateurs cuirassés sont plus compacts,résistent mieux aux contraintes mécaniques(en particulier durant le transport) etsupportent mieux les courts-circuits queles transformateurs à 3 colonnes.

Mais ils coûtent plus chers.



http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot252.nsf/VerityDisplay/388D6E8994AC4358C12573FA002E700B/$File/1LAB000090F_Transformateur%20Cuirasse%20ABB.pdf


19

Transformateur «secs »Isolation résine époxy.Tension jusqu’à env. 50 kV.Puissance jusqu’à env. 20 MVA.

Avantages de l’absence d’huile :•plus léger ;•pas de risque de pollution ;•pas de risque d’incendie.

Inconvénient :•isolation non autorégénératrice ;


Exemple de transformateur sec.Les enroulements sont imprégnés de

résine, à chaud et sous vide. Source : Transformateurs secs ABB


http://library.abb.com/global/scot/scot252.nsf/veritydisplay/3d01d5dac4b3dab2852575760011a944/$File/1LUB470950-LTE_CastCoil.pdf


20

Transformateur isolé au SF6

Entièrement enfermédans un réservoir degaz sous pression.

Avantages

•Très compact (pasde vase d’expansion) ;

•Très peu d’entretien ;

•Surveillance limitéeà la pression du gaz ;

•Pas de risque d’incendie.

Exemple de transformateur au SF6 (Toshiba)275 kV ; 300 MVA ; 0,5 MPa


Transformateurs SF6 Toshiba

Transformateurs SF6 Toshiba


http://www.toshiba.co.jp/f-ene/tands/window/products/trans/result.htm



http://www.toshiba.co.jp/f-ene/tands/english/trans/l_gas_b.htm



Composants particuliers

21


Autres composants

•Huile + papier•Colonnes•Radiateurs / ventilateurs / pompes de circulation d’huile•Changeur de prise en charge•Capteurs (tension, courant, vibrations, température, composition de l’huile)•Compensation activedu bruit

En outre, de nombreux capteurs peuvent surveiller les paramètres caractéristiques de l’état du transformateur : température de l’huile, gaz dissous, vibrations, etc.


Circuit magnétique

22


Les colonnes et la culasse sont formées de feuilles d’alliages ferromagnétiques (fer, cobalt, nickel…), à grains orientés par laminage et isolées les unes des autres, de manière à éviter les courants de Foucault.

Par des logiciels appropriés, on peut simuler :- la distribution des flux magnétiques ;- la circulation des courants de Foucault ;- les points d’échauffement ;- les contraintes mécaniques.

Valeurs typiques : épaisseur : 0,35 mmpertes : 0,55 W/kg.Trendement : > 99 %

Beaucoup de manipulations s’effectuent encore à la main. [46]




Circuit magnétique amorphe

23


Noyau métallique amorphe : alliages de matériaux magnétiques combinés avec du silicium, du bore ou du phosphore préparés par hypertrempe .

Dans les noyaux amorphes, les pertes par hystérèse sont réduites.

Bien qu’étantd’un prix plus élevéque les transformateursclassiques, les noyauxamorphes se répandent déjà à grande échelle dans les réseaux électriques indiens, chinois et japonais.

Clark W. Gellings, « Energy efficiency », dans : Electra n°240 (oct. 2008) p.10


Enroulements

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Enroulements concentriques(tradition européenne)

Enroulements à galettes(tradition américaine)

La construction en galettes est un peu plus compliquée du point de vue des connexions. Mais elle assure un meilleure distribution du potentiel en cas de surtensions transitoires, du fait de la capacité élevée entre les galettes.



Relais Buchholz

25

Le « relais Buchholz » (d’après Max Buchholz, 1875-1956) est un système de relais commandé par deux flotteurs :

- Flotteur A de surveillancedu niveau, à fonctionnementlent : provoque une alarmelorsqu’il manque de l’huile.

- Flotteur B de surveillance desmouvements de l’huile, àfonctionnement rapide :provoque une alarme encas d’événement transitoire.


Site web : ProfComme pour tous les systèmesd’alarme, se pose la question de la sélectivité


http://prof.guedon.org/spip.php?article159

Changeur de prise en charge

26

Ce dispositif permet d’ajuster le rapport de transformation sans interruption de service.

Les deux commutateursd’enroulement doivent êtrefermés avant la manipulationdu changeur de prise.



Complément facultatifChangeur de prise en charge

Modèle ABB

http://www.surprises.ch/HT/annexes/ABB1.pdf

Bornes de traversées

27

Le principal problème des bornes de traversée est celui de la distribution du champ électrique.


Modélisation :géométrie et équipotentielles

Site web : CST

Exemple de bornes de traversée de 15 à 38 kV (jusqu’à 3000 A)

Pied

mon

t Bus

hing

s &

Insu

lato

rs


http://www.pb-i.com/bushing_pbi.html

Bornes de traversées : modélisation

28

La borne de traversée « idéale »de P. Moon et D. E. Spencer

Source : E. Kuffel, W. S. Zaengl, J. Kuffel, High Voltage Engineering (2000) p.236

Le problème comporte 5 domaines : •la paroi à traverser : plan conducteur percé d’un trou circulaire ;•le passage du courant : conducteur cylindrique (en pratique), perpendiculaire à la paroi ;•l’isolant solide qui sert de support mécanique au conducteur ;•l’isolant (huile) à l’intérieur du transformateur ; •l’air extérieur (isolant)


Le modèle « idéal » ci-contre considère le même isolant à l’intérieur et à l’extérieur.


Écrans flottants

29

Le système des écrans flottants permet de contrôler le champ électrique maximal.

L’isolant solide assurant la fixation dela traversée est constitué de feuillesd’épaisseur constante, séparées pardes écrans métalliques électriquementflottants.


On trouve sur Internet des centaines de brevets pour des bornes de traversées. [28]


Couplages triangle

30

Les trois enroulements de phase correspondant à un niveau de tension peuvent être couplés de 5 manières différentes.

1. Couplage en triangle :


Dans le diagramme central, chaque impédance représentée verticalement correspond à une colonne du transformateur.


Couplages étoile

31


2. & 3. Couplage en étoile, avec point médian non relié ou relié (à la terre ou au point neutre d’une charge) :

Le neutre peut être relié soit à la terre soit au point neutre d’une charge.


Couplage zig-zag

32


4. & 5. Couplage en zig-zag, avec ou sans point médian relié :

Le couplage en zig-zag n’est utilisé que dans les enroulements secondaires de certains transformateurs de distribution qui alimentent des charges très déséquilibrées.


Groupes de couplage

33

La manière de coupler les enroulements primaires et secondaires d’un transformateur triphasé est représentée par un code.

Codes de couplage d’un enroulement. Code de liaison du point médian

Primaire Secondaire Pour indiquer que le point médian

Y étoile y est relié, on ajoute un « n ».

D triangle d Par exemple : Yn ; zn

zig-zag z

Code de couplage du secondaire par rapport au primaire.

Représentation par groupe horaire : le groupe horaire estun nombre compris entre 0 et 11, et qui indique, partranche de 30° le déphasage entre la tension sur v etla tension sur V. Cette dernière est toujours placée sur 0.



Groupes de couplage habituels

34

Couplage Dy5.


Ce type de couplage est couramment utilisé pour l’alimentation basse tension résidentielle :

•le couplage en triangle au primaire permet de réduire l’harmonique 3 renvoyée au réseau ;

•le couplage en étoile au secondaire permet d’établir un point neutre.

On ne s’intéresse ici qu’à l’angle des vecteurs et non à leur longueur qui est simplement ramenée au rayon du cercle.

Complément facultatifCahier technique n°202

de Schneider Electric


Groupes de couplage habituels

35

Couplage Yy0. Couplage Yz11.


Utilisé pour :•l’alimentation de charges équilibrées ;•avoir des tensions secondaires en phase avec les tensions primaires.

Avec une charge fortement déséquilibrée, permet d’éliminer (charge équilibrée) ou d’atténuer (charge déséquilibrée) l’harmonique 3 dans le circuit primaire.


Choix d’un groupe de couplage

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Plusieurs paramètres déterminent le choix des couplages dans le réseau électrique.

Paramètre économique : Dans les réseaux de transport, il n’y a pas de neutre pour des raison d’économie (3 fils au lieu de 4)

Paramètres électriques :•Les puissances à transporter ;•La limitation des surtensions transitoires ;•La maîtrise de courants de court-circuit ;•La sélectivité des protections ;•La maîtrise des harmoniques ;•Le contrôle des déséquilibres de charge.


Certains transformateurs comportent plusieurs enroulements secondaires, avec différents couplages selon le type de charge qu’ils alimentent.


Capacités parasites

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Les capacités existantes dans un transformateur jouent un rôle essentiel dans la maîtrise des surtensions.

Dans le schéma, chaque tranchereprésente une portion de spire delongueur dx d’un enroulement, àpartir de la borne de traversée.

L’ inductance linéique de la spire.

M’ inductance mutuelle entre lesportions de spire.

Cb capacité de la borne detraversée.

dCl capacité longitudinale entre portions de spires voisines.

dCt capacité transversale entre la portion de spire et la cuve.



Transformateurs d’essai

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Les transformateurs d’essai sont généralement monophasés et de faible puissance.

Principalement utilisé pour réaliser des tests sur des systèmes d’isolation.

Définition : Une isolation est un ensemble d’éléments constitués de matériaux isolants et servant à isoler les unes des autresles parties conductrices d’un dispositif.

5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > b. Transformateurs d’essai

En général, les transformateurs d’essai comportent plusieurs enroulements primaires ou/et secondaires. Ceci offre une certaine souplesse pour s’adapter à différentes spécificités des essais à réaliser.


Transformateurs d’essai de l’EPFL

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Caractéristiques techniques

Transfo 5 kVA à isolation papier – huile Primaire : 2 x 220 V / 22,7 ASecondaire : 100 kV / 50 mAPoids : 200 kgDimensions : H = 735 mm = 545 mm



Schéma équivalent

40

Schéma équivalent rapporté au secondaire


En général, il est plus intéressant de rapporter les grandeurs au secondaire, car ce qui importe est d’évaluer le comportement pour une charge particulière.

L’inductance principale contribue bien moins à la réactance que la capacité entre enroulements. [29]


Générateur à circuit résonant série

41


Les générateurs à circuit résonant série sont principalement utilisés pour les tests de câbles sur site.

En ajoutant une inductance en série sur le secondairedu transformateur, accordée à la charge, on multipliela tension par un facteur à peu près égal à son facteurde qualité .

[30]EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Les redresseurs

42

Les essais de haute tension en DC sont effectués au moyen d’un transformateur HT et d’un redresseur.

ue Haute tension d’entrée alternativeus Haute tension de sortie continue

RL Résistance de limitationRD Résistance de la diodeCL Capacité de lissageG Conductance de fuite

Redresseur àune alternance

5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > c. Redresseurs

Le redresseur peut comporter plusieurs diodes en série, de manière à limiter, à une valeur acceptable sur chaque diode, la tension inverse qui peut atteindre au total le double de la valeur de crête de ue .


Tension de sortie du redresseur

43

Le redresseur fournit une tension lissée, présentant une ondulation


Profondeur d’ondulation : Us

Amplitude d’ondulation : Us /2

Facteur d’ondulation :

Angle de passage : 2

Tension moyenne :

min maxS

U UU

2

S

S

U12 U

L’étude des redresseurs conduit aux relations suivantes pour N diodes en série :

3 p D3 G (R N R ) e

L

Û GS f C

U cos


Redresseur LRE

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- LRE

200

8


Les multiplicateurs

45

Divers circuits ont été imaginés pour multiplier une haute tension redressée.

Doubleur de Latour

Présente l’inconvénient de nécessiter un transformateur haute tension dont le secondaire n’a pas de point à la terre.

Doubleur de Schenkel

Présente l’inconvénient de donner la pleine tension sur un seul condensateur.

5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > c. Multiplicateurs de tension


46

5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > c. Multiplicateurs de tension

Cascade de Greinacher

Heinrich Greinacher(1880-1974)

Ou cascade de Cockcroft-Walton, ce circuita été réalisé en 1932 dans un accélérateurde particules.

La cascade de Greinacher consiste en unempilement de N doubleurs de Schenkel,permettant d’obtenir une tension de sortie à vide :

En débitant un courant IR sur une résistance R, la cascade donne une tension maximale :

avec :

L’ondulation vaut :

s,o eU 2 N Û

s,R s,oU U U RI 3 22 1 1f C 3 2 6

U N N N

RI N(N 1)f C 2

U


C. Générateurs de hautes tensions transitoires

47

5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires


Bobine de Ruhmkorff

48

Henri Ruhmkorff(1803-1877)

Bobine de Ruhmkorff

Cet appareil donne une haute tension au secondaire d’un transformateur possédant un rapport de transformation ü très élevé, avec un primaire alimenté par un courant présentant une dérivée temporelle très grande.

En pratique, le primaire du transformateur est alimenté par une tension continue hachée.

5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > a. Bobine de Ruhmkorff

Source : ACMI


Bobine de Ruhmkorff

49

5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > a. Bobine de Ruhmkorff

La bobine de Ruhmkorff donne des pics de tension de quelques dizaines de kilovolts, à une cadence de l’ordre du kilohertz.

En première approximation, la crête de la tension de sortie vaut :

Lp : inductance du circuit primaireip : courant au primaire

Applications de la bobine de Ruhmkorff :‐bougies de voiture‐trigger de circuit de choc‐allumage de lampe à décharges

pc p

diU 2 L ü

dt


Transformateur de Tesla

50

Nikola Tesla (1856-1943)

5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > a. Transformateur de Tesla

Le transformateur de Tesla est un transformateurà couplage par l’air dans lequel le primaire et le secondaire sont en résonance.

La tension de sortie est maximale lorsque : L1 C1 = L2 C2

Dans ce cas, la crête de la tension de sortie vaut approximativement :

Uo : tension de charge condensateur C1.

2 o 1 2û U C / C



51

Dans la phase I, le condensateur C1 se charge à la tension Uo .

Dans la phase II, le condensateur C1 se décharge dans le circuit primaire et l’énergie est transférée au secon-daire, accordé en fréquence avec le primaire.

La fréquence de résonance est typiquement de l’ordre de quelques dizaines de kilohertz et la crête de la tension de sortie peut atteindre des centaines de kilovolts.



Exemple de valeurs possibles pour les composants du circuit :

C1 = 0,6 F C2 = 135 pF

L1 = 103 H L2 = 450 mH Fréquence de résonance : frés = 20,3 kHz

R1 = 23 m R2 = 18,5 M. Aguet, M. Ianovici, Traité d’électricité

vol. XXII (1982) pp. 158-163.

Applications du transformateur de Tesla

“ The T-30 Tesla coil is ideally suited to stage shows, concerts,presentations, live attractions and studio work.”


52


À des fréquences élevées, le courant ne pénètre plus à l’intérieur du corps mais circule à la surface de la peau. Ainsi, les arcs obtenus à l’aide du transformateur de Tesla sont inoffensifs.

Démonstration :[Clip-2]


Générateurs de chocs

53

Définitions : Une tension de choc est une (onde de) tension transitoire, caractérisée par une montée rapide de la tension suivie généralement d’une décroissance plus lente.

Le front d’onde est la partie de la tension de choc qui précède le passage par la crête.

La durée conventionnelle du front est la durée définie en remplaçant le front réel par un segment de droite passant par deux points spécifiés du front.

La queue d’onde est la partie de la tension de choc qui suit le passage par la crête.

La durée jusqu’à mi-valeur est l’intervalle de temps compris entre l’origine de la tension de choc et l’instant de la queue où la tension a décru à la moitié de sa valeur de crête.

5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension


Choc de foudre 1,2/50

54


Le choc de foudre normalisé est largement utilisé pour lesessais de matériel.

Norme CEI 60060-1 : T1 = 1,2 s 0,36 s (30%) T2 = 50 s 10 s (20%)

O1 : origine conventionnelleT1 : durée conventionnelle du frontT2 : durée jusqu’à mi-valeur

Les essais de chocs servent à s’assurer de l’immunité du matériel, vis-à-vis de surtensions induites avec des niveaux inférieurs au niveau de protection.


Générateur de chocs de foudre

55

Le générateur comporte un redresseur dont la capacité de lissage se décharge dans un circuit résistif, à travers un éclateur.

RL : résistance de limitation

CL : capacité de choc

Rs1 , Rs2 : résistances série

Rp : résistance parallèle

Cc : capacité de charge


Le problème du dimensionnement d’un générateur de choc, permettant d’obtenir une tension conforme à la norme, n’a pas de solution analytique.

[31]

La tension de sortie de ce type de générateur a la forme d’une double exponentielle (biexponentielle) :

1 2t tc cu (t) U e e


Tensions de crête recommandées par la CEI, pour la tenue au choc de foudre des équipements du réseau électrique

Tensions d’essais au choc de foudre

56


Tension de service à 50 Hz[kV]

Tension d’essai au choc 1,2/50[kV]

12 75

24 125

72,5 325

245 1050


Générateur inventé en 1924, par l’ingénieur allemand Erwin Otto Marx;largement utilisé de nos jours.

Ce schéma correspond à un géné-rateur simplifié, avec les élémentséquivalents suivants :

Rs1,éq = 0

Rs2,éq = N Rsi + Rse

Rp,éq = N Rp

CL,éq = CL / N

où N est le nombre d’étages.

Générateurs multiétage (type Marx)

57


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8

Erwin Otto Marx (1893-1980)


Tensions de choc de manœuvre

58

Les chocs de manœuvre sont des surtensions du genre de celles que produisent des ouvertures ou des fermetures de disjoncteurs, desectionneurs, etc. Le choc de manœuvre normalisé (CEI 60060-1) est caractérisé par :•T1 : durée jusqu’à la crête :intervalle de temps compris entre l’origineréelle du choc et l’instant de la crête.

T1 = 250 s 50 s (20%).

•T2 : durée jusqu’à mi-valeur :intervalle de temps compris entre l’origineréelle du choc et l’instant où la tension adécru jusqu’à la moitié de sa valeur de crête.

T2 = 2500 s 1500 s (60%).


Cette forme d’impulsion correspond à la plus faible valeur de rigidité diélectrique, pour un intervalle d’air.


NEMP(NUCLEAR ELECTROMAGNETIC PULSE)

59

L’impulsion de type NEMP serait provoquée par l’explosion d’une bombe atomique à une altitude d’environ 20 km.

L’effet Compton transforme les rayons émispar l’explosion en rayonnements électro-magnétiques de plus basses fréquencesqui peuvent alors se propager jusqu’àla surface de la Terre, en induisantdes courants dévastateurs dansles installations électriques etélectroniques.

R. N. Ghose, EMP environment ans system hardness design (1984) p. 2.8



Le choc NEMP

60

Les générateurs simulant ce type d’impulsions fonctionnent selon le principe habituel des générateurs de chocs, (condensateurs qui sedéchargent dans un éclateur).

Une géométrie coaxiale et des composants très faiblement inductifs permettent d’obtenir des temps de montée très courts, de l’ordre de la nanoseconde.


HVT


Perturbations NEMP

61

Une onde NEMP induit des courants intenses dans les câbles d’énergie, de commande, de mesure et de communication.


Courant induit dans le blindage d’un câble coaxialMichel AGUET et al., Bulletin ASE n°71 (sept. 1980) p. 916

Impédance de transfert:

c

p

V1Z (t)

L I


62

Tous les équipements électriques mis sur le marché doivent subir des essais d’immunité aux DES, selon la norme CEI 61000-4-2.

Les DES comportent typiquement deux décharges :

•la plus rapide, qui est la décharge de la capacité formée par l’intervalle entre le doigt et l’appareil;

•la plus lente, qui est la décharge dela capacité de la personne contre terre.


Les DES(DÉCHARGES ÉLECTROSTATIQUES)

[32]

Durée du front < 1 ns ;I30 > 16 A ; I60 > 8 A.


Les transitoires en salves(BURST)

63

Les salves (ou rafales) sont des séries impulsions répétitives, dont les paramètres sont fixés par la norme CEI 61000-4-4.T1 = 5 ns 1,5 ns : points de référence à 10% et 90% de la valeur de crêteT2 = 50 ns 15 ns : largeur de l’impulsion mesurée à 50% de la valeur de crête.

Répétition


Les salves sont injectées sur les lignes d’alimentation de l’objet en essai, à travers un système de couplage capacitif, permettant de simuler des perturbations conduites dues aux rebonds des interrupteurs.


Générateur corona

64

Dans les générateurs corona, une électrode flottante est chargée par à effet de couronne.Ces générateurs permettent d’obtenir des impulsions :•de grande puissance•de temps de montée très court•avec une fréquence de répétition élevée



Générateur corona EPFL

65

Forme des impulsions



Générateur corona EPFL

66


Fréquence de répétition :

F. Vega et al., Design and Construction of a Corona Charged High Power Impulse Generator, 17th IEEE International Pulsed Power Conference, 2009.

mobilité des ions de l’air permittivité du videV tension appliquéeVo tension d’apparition de

l’effet de couronneVb tension de claquage de

l’éclateurd écartement de l’éclateurC capacité entre l’électrode

flottante et la terre

o o(V V )(V V )o b

V V Vb o

2 V

3dCln VPRF


Les générateurs à inductances

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Des enclenchements de charges inductives dans le réseau peuvent induire des ondes oscillantes, potentiellement dommageables.

Des essais d’immunité conduite aux ondes sinusoïdales amorties sont spécifiés par la norme CEI 61000-4-12.

Générateur d’ondes sinusoïdales amorties.Durée du front : 500 ns.Fréquence d’oscillation : 100 kHz.Amortissement : 40% par période.

5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > c. Chocs de courant


Les générateurs à inductances

68

Autre essai spécifié par la norme CEI 61000-4-12 : immunité conduite aux ondes oscillatoires amorties

Générateur d’ondes oscillatoires amorties.Durée du front : 75 ns.Fréquence d’oscillation : 100 kHz.Amortissement : 15% par période.

5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > c. Chocs de courant


D. Qualitéde la tension

69

5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension


70

Idéalement, la tension fournie par le réseau électrique devrait avoir les qualités suivantes :

En monophasé

•Une forme parfaitement sinusoïdale ;•Une fréquence parfaitement constante, égale à sa valeur nominale ;•Une valeur efficace parfaitement constante, égale à sa valeur nominale.

En triphasé, on peut ajouter :•Un équilibre parfait entre les phases.


La tension idéale


71

EN = European normalisation. La norme est reconnue en Suisse.Principes généraux

• La qualité de la tension s’applique aux réseaux de moyenne et basse tension.

• La qualité d’un système triphasé de tensions doit être évaluée au point de jonction entre le réseau fournisseur et l’utilisateur, jusqu’à 35 kV.

• La qualité de la tension triphasée est évaluée par des mesures et par des indicateurs statistiques sur une période d’une semaine, pour chaque phase.

• La qualité de la tension doit être assurée quels que soient les équipements utilisés par le client, pour autant que ceux-ci soient conformes aux prescriptions en vigueur.

• Le client et le fournisseur d’électricité peuvent s’entendre contractuellement sur une qualité de tension différente (plus élevée ou moins élevée) que celle prescrite par la norme.


La norme EN 50160


72

Lorsque la qualité de la tension fournie n’est pas conforme à la norme, le fournisseur peut :

•S’entendre avec le client sur une baisse de prix. Cette solution n’est possible que si la non-conformité ne pose pas de problèmes techniques.

•Augmenter la puissance du réseau au point de jonction avec le client.

•Proposer, à ses frais, des dispositifs correctifs au niveau de l’installation du client : changer certains équipements, ajouter des filtres, etc.


Les cas de non-conformité

Le fournisseur doit résoudre le problème à ses frais, même si les perturbations que subit le client sont dues à ses propres équipements.

Le client ne peut pas exiger le respect de la norme en cas de phénomènes extraordinaires ou imprévisibles (catastrophe naturelle), ni lors de travaux sur le réseaux s’accompagnant de la mise en place d’un réseau provisoire.


73

Les grandeurs suivantes font l’objet d’un traitement statistique, assorti de limites admissibles•La fréquence•L’amplitude •Le papillotement•Le déséquilibre des phases•Les harmoniques•Les signaux de télécommande

Les grandeurs suivantes sont définies sans limitations strictes•Les creux de tension•Les coupures de tension•Les surtensions•Les tensions interharmoniques


Paramètres mesurés


74

• La fréquence nominale est de 50 Hz.• Chaque échantillon de fréquence est obtenu par une moyenne

sur 10 secondes.• L’ensemble des 60’480 valeurs moyennes, obtenues toutes les 10 secondes

durant une semaine, doit remplir les conditions suivantes :

‐ aucune valeur en dehors de l’intervalle [ 47 Hz ; 52 Hz ].‐ pas plus de 5% des valeurs en dehors de l’intervalle [ 49½ Hz ; 50½ Hz ].


La fréquence

La fréquence est la même en tout point d’un réseau interconnecté. L’expérience montre qu’en Europe, la fréquence ne sort pratiquementjamais de l’intervalle [ 49,8 Hz ; 50,2 Hz ]


75


Fluctuations de la fréquence

Electra, n°242, fév. 2009, p. 8


76

Variations lentes de la tension

Définition : une variation lente de tension est une augmentation ou une diminution de tension provoquée par la variation de la charge totale du réseau.

•La tension nominale simple est 1 kV < Uc < 35 kV (en basse tension : 230 V).

•Sur chaque phase, chaque échantillon de tension efficace est obtenu par une moyenne sur 10 minutes.

•L’ensemble des 1008 valeurs moyennes, obtenues toutes les 10 minutes durant une semaine, doit remplir la condition suivante :

Pas plus de 5% des valeurs en dehors de l’intervalle [ 0,9 x Uc ; 1,1 x Uc ]


L’amplitude de la tension


77

Définition : le papillotement est une fluctuation rapide de la tension, due à certaines charges non linéaires présentes sur le réseau, et dont le principal effet négatif est de provoquer une fluctuation de l’éclairage, conduisant à une gêne visuelle.

• Le papillotement de longue durée, Plt , est évalué par tranche de 2 heures.

• L’ensemble des 84 valeurs de Plt , obtenues toutes les 2 heures durant une semaine, doit remplir la condition suivante :

Pas plus de 5% des valeurs supérieures à 1


Le papillotement

Les variations de tension responsables de cette gêne visuelle :•se situent dans la gamme des fréquences comprises entre 0,5 Hz et 25 Hz, avec un maximum de gêne visuelle autour de 9 Hz ;•sont perçues différemment selon qu’elles sont de forme sinusoïdale ou rectangulaire.

[33]EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Complément facultatifCahier technique n°176

78

Dans un système triphasé déséquilibré, on quantifie le déséquilibre à partir des composantes symétriques du système.

Soit le système de trois tensions non symétriques : U1 , U2 et U3 , et ses composantes symétriques Ud , Ui et Uh . Le déséquilibre du système est défini par :

•Le déséquilibre est évalué à partir des moyennes des valeurs efficaces des tensions, par tranche de 10 minutes.

•L’ensemble des 1008 valeurs de , obtenues toutes les 10 minutes durant une semaine, doit remplir la condition suivante :

Pas plus de 5% des valeurs supérieures à 0,02


Le déséquilibre des phases

[34]

i

d

U

U


79

Les tensions harmoniques individuelles•Chaque échantillon de chaque tension harmonique est obtenu par une moyenne sur 10 minutes.•L’ensemble des 1008 valeurs moyennes, obtenues toutes les 10 minutes durant une semaine, pour chaque tension harmonique de rang N doit remplir la condition suivante :

Pas plus de 5% des valeurs au-dessus du seuil S donnédans le tableau suivant, en % de la tension nominale.

Harmoniques impairs Harmoniques impairs Harmoniques pairsmultiples de 3 non multiples de 3

N = 3 S = 5% N = 5 S = 6% N = 17 S =2% N = 2 S = 2%

N = 9 S = 1,5% N = 7 S = 5% N = 19 S = 1,5% N = 4 S = 1%

N = 15 S = 0,5% N = 11 S = 3,5% N = 23 S = 1,5% N = 6…24 S =0,5%

N = 21 S = 0,5% N = 13 S = 3% N = 25 S = 1,5%


Les harmoniques


80

La distorsion harmonique totale (THD)

•Cette grandeur est définie à partir des tensions harmoniques moyennes par tranche de 10 minutes, UN , où le rang N va de 2 à 40 :

•L’ensemble des 1008 valeurs de THD, obtenues toutes les 10 minutes durant une semaine, doit remplir la condition suivante :

Aucune valeur de THD supérieure à 8% de la tension nominale.


Les harmoniques

N 40

N 2

2NTHD U


81

Les entreprises électriques utilisent leur réseau pour transmettre des signaux de commande, avec des fréquences très variées , de quelques centaines de hertz à plusieurs dizaines de kilohertz.

•La valeur de tension correspondantà un signal de télécommande estobtenue par une moyenne de savaleur efficace sur 3 secondes.

•L’ensemble des 28’800 valeursobtenues toutes les 3 secondesdurant une journée doit remplirla condition suivante :

Pas plus de 1% des valeurs supérieures aux limites indiquéesdans le graphique ci-dessus, pour la fréquence considérée.


Les signaux de télécommande


82

D’autres perturbations de la tension sont définies par la normeEN 50160, sans faire l’objet de limitations strictes.

•Creux de tension : diminution de la tension qui tombe entre 1% et 90% de la valeur nominale ;•Coupure brève : chute de la tension, qui tombe au-dessous de 1% de la valeur nominale, durant moins de 3 minutes ;•Coupure longue : chute de la tension, qui tombe au-dessous de 1% de la valeur nominale, durant plus de 3 minutes ;•Surtension temporaire : surtension d’une durée relativement longue ;•Surtension transitoire : surtension ne durant pas plus de quelques millisecondes ;•Tension interharmonique : tension sinusoïdale dont la fréquence n’est pas un multiple de 50 Hz. (Ces tensions sont dues à la présence, dans le réseau, de convertisseurs de fréquences)


Autres grandeurs


83


Creux de tension

Electra, n°242, fév. 2009, p. 66

Creux de tension dû à l’enclenchement d’une charge de forte puissance


84

Certains appareils permettent de mesurertoutes les grandeurs donnant lieu à deslimitations par la norme EN 50160.Les résultats sont fournis sous forme detableaux détaillés de toutes les valeursenregistrées, et aussi sous forme synthétique.


Mesure de la qualité de la tension

© E

PFL

- LRE

200

8


Compléments facultatifsQualité de la tension

Cahier technique n°199Cahier technique n°141

de Schneider Electric

Documents

CHAPITRE 5 Les générateurs de haute tension 1 A.Générateurs électrostatiquesGénérateurs électrostatiques B.Générateurs de hautes tensions AC et DCGénérateurs