Matériaux Et Introduction À La Haute Tension 3éme ELT [PDF]

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Matériaux et Introduction à la haute tension

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Les conducteurs 1. Caractérisation des conducteurs Conductivité Lorsqu’un champ électrique E est appliqué à un matériau quelconque, la densité de courant j qui le traverse est proportionnelle au champ :

  j  E

avec j : densité de courant telle que :

jI

S

et σ est la conductivité qui s’exprime en Ω−1.m−1 ou Siemens (S). Les matériaux utilisés en électricité sont classés suivant leur conductivité : - Pour les conducteurs : σ > 105 Ω−1.m−1 ; - Pour les isolants : σ < 10−5 Ω−1.m−1 ; - Pour les semi-conducteurs : σ ≈ 1 Ω−1.m−1. La résistance électrique d’un conducteur est définie par la loi d’Ohm :

R U

I

Pour un conducteur sous forme de fils, on a :

R

 avec

l S

1  est la résistivité.

Résistivité et température La résistivité est lie à la température par la relation : ρ(T) = ρ0(1 + α(T − T0)) avec : - α : coefficient de température (◦C−1) ; - ρ0 : résistivité à la température T0. En général, α dépend du domaine de température dans lequel on travaille. Il est positif pour les conducteurs métalliques (⇒ ρ augmente lorsque T augmente). 2.

Les conducteurs métalliques L’industrie électrotechnique emploie : - des métaux non ferreux : aluminium, cuivre, magnésium, mercure, molybdène, nickel, zinc, ... et leurs alliages ; - des métaux ferreux : fers, fontes, aciers ... et leurs alliages. Les deux matériaux les plus utilisés sont : - le cuivre et ses alliages ; - l’aluminium et ses alliages.

2.1 Cuivre Propriétés physiques du cuivre : - Métal lourd : masse volumique µ = 8, 96 g/cm3 ; - Bonne conductivité thermique λ = 393 W/m.K ; - Température de fusion levé : Tf = 1083 ◦C. 1

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Propriétés mécaniques : Elles dépendent de la puret du matériau. En électrotechnique, le cuivre utilis doit avoir une puret ≥ 99, 9 % → fils, cˆ ables, barres, ... En électronique, on utilise du cuivre pur à 99,99 %, ne contenant pas d’oxygène (« oxygène-free ») → se soude facilement. Propriétés électriques : - Bonne conductivité électrique : résistivité ρ = 1, 72.10−8 Ω.m ` a 20 ◦C ; - Faible coefficient de température : α = 3, 9.10−3 ◦C−1. Propriétés chimiques : Dans l’air sec et froid, le cuivre ne s’oxyde pas ; dans l’air humide et chargé en CO2, il se recouvre d’une couche imperméable : le vert-de-gris (carbonate de cuivre). L’étamage permet une protection contre l’oxydation. Le cuivre est faiblement attaqué par l’acide chlorhydrique et l’acide sulfurique concentré. Il est attaqué par l’acide nitrique et l’ammoniac. Propriétés magnétiques : Le cuivre est diamagnétique (très faible aimantation).

2.2 Aluminium Propriétés physiques de l’aluminium - Métal léger : masse volumique µ = 2, 7 g/cm3 ; - Bonne conductivité thermique : λ = 222 W/m.K ; - Température de fusion Tf ≈ 650 − 660 ◦C. Proprits mécaniques : Faible résistance à la rupture. Propriétés électriques : - Bonne conductivité : résistivité ρ = 2, 8.10−8 Ω.m ; - Coefficient de température : α = 4, 3.10−3 ◦C−1. Propriétés chimiques : L’aluminium se recouvre rapidement d’une couche d’alumine de faible épaisseur (≈ 1 µm) qui le rend stable chimiquement. Il résiste à l’action des graisses, huiles, hydrocarbures, alcools, acide nitrique, ... Il est attaqué par les acides chlorhydrique et fluorhydrique, la soude, la potasse, le mercure. Au contact du cuivre, du fer, du plomb et en milieu humide corrosif, l’aluminium est altéré par corrosion électrolytique ⇒ il faut garder l’aluminium en milieu sec. Propriétés magnétiques : L’aluminium est amagnétique. Principales utilisation de l’aluminium : Fabrication de câbles en remplacement du cuivre.

2.3 Lignes ariennes Alliages d’aluminium, ex : l’almélec, moins conducteur que le cuivre mais plus solide et moins cher. Propriété importante : résistance ` a la rupture ≥ 350 N/mm. Cˆ ables nus, forms d’une âme en acier recouverte par des fils d’aluminium : acier → solidité, aluminium → bonne conductivité.

Supraconducteurs En dessous d’une température critique Tc, certains matériaux perdent complètement leur résistance électrique, ce sont des supraconducteurs. Conséquence : un courant peut circuler sans pertes Joule dans un supraconducteur. Evolution de la résistivité d’un supraconducteur :

La propriété de supraconduction dépend du champ magnétique dans lequel se trouve le supraconducteur : le champ doit être inférieur à une valeur critique Bc. Relation entre Tc et Bc :

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Bc0 : Champ magnétique critique ` a température nulle ; Tc0 : Température critique à champ magnétique nul. Interprétation graphique :

Le matériau est supraconducteur lorsque le champ magnétique et la température sont tels que le point de coordonnés (B, T ) est ` a l’intérieur de la zone de supraconduction. En général, Tc est proche de 0 K → difficulté dans l’utilisation pratique des supraconducteurs : nécessité d’un système de réfrigération très important ⇒ recherche de supraconducteurs à température critique élevée. Le matériau est supraconducteur lorsque le champ magnétique et la température sont tels que le point de coordonnés (B, T ) est ` a l’intérieur de la zone de supraconduction. En général, Tc est proche de 0 K → difficulté dans l’utilisation pratique des supraconducteurs

Les isolants Les isolants ou diélectriques sont des matériaux ayant une résistivité très élevée : 108 ` a 1016 Ω.m, car ils contiennent tr` es peu d’électrons libres. Un isolant est caractérisé par ses propriétés électriques, mécaniques, chimiques et thermiques. Les isolants sont utilisés pour : - assurer une séparation électrique entre des conducteurs portés ` a des potentiels différents afin de diriger l’écoulement du courant dans les conducteurs désirés →protection des personnes et des équipements ; - supporter les éléments d’un réseau électrique et les isoler les uns par rapport aux autres et par rapport ` a la terre ; - remplir les fonctions de diélectrique d’un condensateur. Un système d’isolation est un isolant ou un ensemble d’isolants associés dans une machine électrique.

Caractéristiques diélectriques des isolants Permittivité relative Soit un condensateur plan ` a vide (ou ` a air) :

Sa capacité est :

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o` u ε0 = 8, 85.10−12 F/m est la permittivité absolue du vide (ou de l’air). Si le mˆ eme condensateur est rempli par un isolant, sa capacité devient :.

La permittivité relative est définie par le rapport :

La permittivité absolue est : Pour l’air ou le vide, εr = 1. Pour tous les autres isolants, εr > 1. Dans un isolant, le champ électrique est inversement proportionnel ` a la permittivité :

On a la relation :

Rigidité diélectrique Si on augmente la tension ` a laquelle est soumis un isolant au del` a d’une certaine valeur appelée tension de claquage, il apparaît un arc électrique dans l’isolant : courant intense traversant l’isolant en suivant un chemin formé par des molécules ionisées. Dans ce cas, l’isolant est percé : il y a rupture diélectrique ou claquage ⇒ destruction de l’isolant, irréversible pour les isolants solides (carbonisation), réversible pour les isolants gazeux et liquides (recombinaison des ions avec des électrons). La rigidité diélectrique G d’un isolant est définie par le rapport entre la tension U à laquelle se produit le claquage et la distance L entre les électrodes entre lesquelles est appliquée la tension :

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La capacité C représente les conducteurs et la résistance R est la résistance d’isolement de l’isolant, elle est toujours ≥ 1012 Ω. 2.2.3.2 Calcul de l’angle de pertes diélectriques L’angle de pertes δ est défini comme étant l’angle complémentaire du déphasage entre la tension U entre les conducteurs et le courant de fuite I traversant l’isolant :

On a :

La valeur tan δ est appelée facteur de dissipation diélectrique. L’angle de pertes caractérise la qualité d’un isolant : - bon isolant → résistance d’isolement R élevée ⇒ δ faible ; - mauvais isolant → R faible ⇒ δ élevé.

Calcul du champ électrique dans un isolant Soit un condensateur dont les plaques sont séparées par deux isolants :

On veut calculer les champs E1 et E2 respectivement dans l’isolant 1 et dans l’isolant 2. On a :

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Matériaux magnétiques Une charge électrique en mouvement (le spin et le mouvement orbital des électrons) engendre un champ magnétique autour d’elle-même. Les électrons peuvent former de petits dipôles mantiques qui réagissent à un champ magnétique extérieur appliqué. Un aimant peut être considéré d’avoir deux pôles: pôle nord et pôle sud. Les lignes de champ magnétique émergent du pôle nord pour converger au pôle sud.

La puissance d’un champ magnétique H, qui mesure la magnitude et la direction du champ, détermine la force agissant sur les dipôles magnétiques. Pour l’espace entourant la source du champ magnétique H (A m-1), il y a une induction magnétique B (T: tesla): Pour un matériau qui occupe cet espace: μo : est la perméabilité du vide: 4π10-7 T m A-1 ou Wb m-1 A-1 1 T = 1 Wb m-2 =N A-1 m-1 [Wb (weber): unité SI du flux magnétique]. μ est la perméabilité du matériau L’induction magnétique représente l’intensité du champ magnétique à l’intérieur du matériau. Comparaison avec la polarisation électrique d’un matériau sous l’effet d’un champ électrique: P=αE (ou J=σE) (ou D=εE) ’induction magnétique peut s’écrire d’une autre façon pour montrer la contribution du matériau à l’induction: M (A m-1) est la magnétisation du matériau qui représente le champ magnétique induit associé avec le matériau. La perméabilité relative du matériau est définie comme:

et sa susceptibilité magnétique:

χ=M/H

On obtient: μr = 1+ χ Le signe et la magnitude de χ séparent les matériaux en différentes (en trois) classes: Matériaux diamagnétiques : χ < 0 Ils s'aimantent faiblement dans le sens opposé au champ magnétisant. Leur aimantation cesse dès que le champ magnétisant est supprimé. Exemples : Cuivre , Zinc , Or , Argent Matériaux ferromagnétiques : χ > 0 et grande (10-2–106), Ils peuvent être fortement magnétisés. Leur aimantation persiste plus ou moins lorsque le champ

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magnétisant est supprimé. Exemples : Fer , Nickel , Acier , Cobalt Matériaux paramagnétiques : χ > 0 et petite (10-5–10-2), Ils s'aimantent faiblement dans le sens du champ magnétisant. Leur aimantation cesse dès que le champ magnétisant est supprimé. Exemples : Aluminium , Platine , Manganèse

Les matériaux diamagnétiques s'aimantent proportionnellement au champ dans lequel ils sont placés, mais en sens inverse. Le rapport entre la valeur de l'aimantation du corps et celle du champ qui le produit est faible Les matériaux paramagnétiques présentent une aimantation proportionnelle au champ dans lequel ils sont placés, et de même sens. Le rapport entre la valeur de l'aimantation du corps et celle du champ qui le produit est faible Les matériaux ferromagnétiques sont capables de s'aimanter de manière beaucoup plus forte. Leur aimantation est de même sens que le champ inducteur, mais elle n'est pas proportionnelle. Elle croît avec le champ inducteur et tend vers une limite.

Généralités sur la haute tension 2. Pourquoi la THT Pourquoi utilise-t-on la haute tension pour le transport de l’énergie électrique ? L’énergie électrique n’est généralement pas produite à proximité immédiate des lieux d’utilisation massive. II faut donc la transporter par des lignes ou des câbles. L’énergie électrique sort des centrales avec une tension de quelques kV (5 à 10 kV), le transport se fait avec une haute tension (220 kV et plus) pour minimiser les pertes Joule dans la ligne et de pouvoir transiter de grandes puissances. Pour une puissance donnée, le courant à transporter sera inversement proportionnel à la tension de transport. 7

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S1  3U1 I1  S 2  3U 2 I 2  I 2  I1 U1

U2

Par exemple, pour évacuer l’énergie d’un groupe de 100 MVA, le courant sera de 260 A sous 220 kV mais de 4 000 A sous 15 kV. Le transport de 4 000 A sous 15 kV entraînerait des coûts d’équipement et surtout de pertes par effet Joule inadmissibles. Les courants de court-circuit et leurs effets seraient aussi considérablement augmentés. Or, il existe maintenant des groupes de 1 300 MVA ! Donc on est conduit à augmenter la tension des réseaux de transport. Evidemment, il y a une limite supérieure principalement constituée par le coût des isolements. 3. Réseaux électriques HT • Les réseaux de transport sont triphasés, sans conducteur de neutre. • Le domaine de ce qu’on appelle Très Haute Tension va de 60 à 800 kV (entre phases). II existe des projets jusqu’à 1 200 kV. • Leurs fréquences sont 50 ou 60 Hz. • Les courant transportés vont de 400 à 3 000 A. 4. Problèmes liés à la haute tension :  Isolation ;  Effet couronne ;  Claquage ;  Contournement des isolateurs ;  Pertes diélectriques… 5. Champ électrique Dans un poste HT de 220 kV, le champ électrique à une distance de 6 m du conducteur central d’une ligne en nappe atteint 2 kV/m, ce qui pour le champ électrique est une valeur élevée. Par contre, le champ magnétique n’est que de 0,007 kA/m, ce qui pour le champ magnétique est une valeur faible. En haute tension, le champ électrique est prépondérant par rapport au champ magnétique. Champs H (kA/m) E (kV/m)

Distance verticale par rapport au conducteur central (en m) 0,5 1 2 3 4 5 6 7 0,096 0,049 0,025 0,017 0,012 0,009 0,007 0,005 62,7 29,9 12,6 6,7 4,5 2,8 2,0 1,8

Tableau : Champs magnétique et électrique sous un jeu de barre triphasé 220 kV, en nappe. Distance entre phases de 4m - diamètre du conducteur 25 mm –

Générateurs de haute tension d’essai Il y a trois types de tensions conventionnelles :  Tension alternative  Tension continue  Tension de choc

1. Générateurs de haute tension alternative A. Transformateur élévateur Le transformateur élévateur représente la source de haute tension la plus répandue et la plus utilisée dans la pratique. Ce sont des transformateurs de faible puissance (de quelques

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centaines de VA a quelques kVA) dont l’objectif principal est de procurer une haute tension au détriment du courant qui est de l’ordre du milliampère généralement. Des transformateurs d’essais (une unité simple et unique figure 3.1) sont réalisés pour des grandes tensions alternatives à environ 200 kV. Cependant, pour des tensions élevées afin de réduire les coûts (augmentation des coûts d'isolation rapidement avec la tension) et rendre le transport plus facile, des montages en cascade de plusieurs transformateurs sont utilisés.

Transformateur en cascade

Transformateur HT

B. Circuit résonnant (transformateur résonnant) Le principe de résonance d'un circuit de LC raccordé en série peut servir pour obtenir une tension plus élevée avec un transformateur donné. Si R représente la résistance parallèle équivalente de la bobine et de dispositif à l'essai le courant i serait donnée par :

i=

Circuit résonnant

E 1 jωLR + jωC R+jωL

et

v = i.

donc

v=

jωLR R+jωL -ω2 LCR.E

R+jωL-ω2 LCR

v=-

dans le cas de Circuit résonnant

R.E

Transformateur résonnant

jωL

Puisque R est généralement très grand, le facteur Q du circuit (Q = R / Lω) Serait très grand, et la tension de sortie serait donnée par

|v| = E

R Lω

= QE

2. Générateurs de haute tension continue La génération des hautes tensions continus sont nécessaires dans l'essai de l'appareillage à courant continu aussi bien que dans les tests de l'isolation des câbles et des condensateurs où l'utilisation de la tension alternative deviennent impraticables. Les génératrices de charge d'impulsions exigent également des tensions continues élevées comme entrée. A. Redresseur de tension alternative

Doubleur de tension de Schenkel 9

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a)

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Redresseur simple et double alternance :

Une des méthodes les plus simples de produire des tensions élevées continus pour les tests en haute tension est d'utiliser soit un circuit redresseur simple alternance ou double alternances avec une source de haute tension alternative.

Redresseur double alternance

Redresseur simple Cascade de Greinacher ou de Cockcroft-walton

Doubleur de tension : Il y a plusieurs types de doubleurs de tension, Le plus répandu est le doubleur de Schenkel. Le principe de fonctionnement du doubleur de tension de Schenkel est basé sur la charge du condensateur C1 par l’alternance négative de la tension a la valeur de crête Us. Puis, au cours de l'alternance positive suivante de la tension Us, cette dernière tension s'ajoute à Us, aux bornes de C1 pour atteindre le double d’Us sur C.

Uc = 2√2Us b) Redresseur en cascade : Appelée, Cascade de Greinacher ou de Cockroft – Walton (1919), elle est constituée par une pile de n doubleurs de type Schenkel.

Uc = 2n√2Us Chaque diode doit supporter une tension inverse égale à 2 Umax. B. Générateurs électrostatiques Les générateurs électrostatiques utilisant le principe du transfert de charge peuvent donner des tensions continues très élevées. Le principe de base est que la charge est placée sur un support, soit isolant ou un conducteur isolé, et porté au potentiel nécessaire en étant déplacé mécaniquement par le champ électrostatique.  Générateur Van de Graff: Le générateur Van de Graeff est l'une des méthodes utilisées pour obtenir de très hautes tensions. Cependant, ils ne peuvent pas fournir

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Le générateur Van de Graeff 1 - Sphère creuse avec des charges positives 2 - Électrode (E2) connectée à la sphère, un peigne est au plus près de la courroie 3- Poulie supérieure (en Nylon) 4 - Partie de la courroie chargée positivement 5- Partie de la courroie chargée négativement 6- Poulie inférieure (en Téflon), son axe est relié à un moteur 7- Électrode inférieure (E1) destinée à collecter les charges négatives 8- Sphère chargée négativement utilisée pour décharger la boule principale 10 9- Étincelle ou arc électrique produits par la différence de potentiel

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beaucoup de courants et la puissance de sortie est limitée à quelques kilowatts, et leur utilisation est limitée aux applications de faible intensité. Utilise entre autres dans les laboratoires de recherche de physique nucléaire. Principe de fonctionnement : Un ensemble d’électrode-pointes ou une lame très fine (électrode couronne) charge par effet couronne une courroie isolante. Celle-ci qui tourne avec une vitesse réglable, introduit les charges dans la partie supérieure du générateur (sphère) ou elles sont prélevées par le collecteur. Les quelques charges qui ≪ échappent ≫ au collecteur sont neutralisées par effet couronne grâce a des aiguilles fixées sur la paroi interne de l’électrode haute tension. En arrivant en bas, ces charges négatives sont neutralisées par l’électrode couronne. L’électrode sphérique continue de stocker les charges jusqu’a atteindre des tensions, sphère terre, considérables. Le générateur Van de Graff n’est pas très utilise car le courant délivre est faible (de l’ordre du PA), mais la tension de sortie peut atteindre jusqu’a une centaine de MV.

3. Générateurs de tensions de choc Caractérisation de l’onde de foudre

La tension de choc (ou impulsion) est une très haute tension unidirectionnelle, appliquée pendant un temps très bref de l’ordre de quelques μs. C’est un courant ou une tension qui croit rapidement jusqu’a une valeur crête, puis décroit jusqu’a zéro. Onde 1,2/50 L’analyse des phénomènes permet de définir les types d’ondes de courant et de tension de foudre.  2 types d’onde de courant sont retenus par les normes CEI. :  onde 10/350 μs : pour caractériser les ondes de courants de coup de foudre direct.  onde 8/20 μs : pour caractériser les ondes de courants de coup de foudre indirect. 



Les surtensions crées par les coups de foudre sont caractérisées par une onde de tension 1,2/50 μs. Ce type d’onde de tension est utilisé pour vérifier la tenue des équipements aux surtensions d’origine atmosphérique (tension de choc suivant CEI 61000-4-5). surtensions de manœuvre Ce type de phénomène apparaît sur des réseaux électriques subissant des modifications rapides de leur structure (ouverture d'appareils de protection, fermeture et ouverture d'appareils de commande). Les surtensions engendrées se propagent en général sous forme d'ondes haute fréquence 250/2500μs.

A. Générateur de choc à un étage Avant de présenter le générateur de Marx à proprement parler, il convient de présenter le générateur de choc à un étage duquel il est dérivé. Le montage, présenté ci-contre, fonctionne de la manière suivant : Générateur de choc à un étage  Le condensateur C1 se charge par l'intermédiaire d’un transformateur HT associée à la diode D. La résistance Ra limite la vitesse de charge, sa constante de temps est égale à Ra C1 (de l’ordre de 10 a 20 s).  Lors que la tension disruptive, V0, de l'éclateur E est atteinte, un arc électrique apparaît entre ses deux électrodes. C1 se décharge brusquement et charge le condensateur C2 à travers la résistance de front R1. R2 étant plus grande que R1, son 11

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effet est limité au début de la décharge et toute la tension V0 est pratiquement appliquée a R1 et C2 en série. La charge du condensateur C2 est d’autant plus rapide que le produit R1C2 est petit. Req : A fin augmenter la tension maximale de sortie de générateur. Il faut écarter les électrodes de l'éclateur, sauf qu’à partir d'un certain point, un dispositif supplémentaire est nécessaire pour l'amorçage de l'arc. B. Le générateur de Marx Les éléments d'un générateur de chocs à un étage étant limités en charge, la tension maximale que peut produire un tel générateur est comprise entre 100 et 300 kV. Un générateur à plusieurs étages, dit de Marx, permet de contourner le problème. L'idée est que les n capacités sont branchés en parallèles et chargent donc simultanément. Leur tension nominale est égale à V0 comme pour un générateur à un étage, il ne faut donc pas les surdimensionnés. Au moment du déclenchement des éclateurs les capacités sont connectés en série : la tension est donc égale à

Générateurs de MARX : En haut charge des condensateurs, en bas décharge

la somme de leurs tensions : n x V0:

Techniques de Mesure en Haute Tension A. Mesure des charges statiques Voltmètre électrostatique Il fonctionne suivant le principe de la force d’attraction électrique Fe entre deux charges. Le disque mobile M relie au potentiel HT à mesurer, et situe au centre de l’anneau de garde G, est attire par le disque fixe F, l’attraction est d’autant plus forte que le potentiel est élève. Une aiguille d’indication de mesure est reliée à l’électrode M, la force de rappel du disque M étant assurée par un contrepoids P qui permet aussi de régler le calibre de mesure. L’anneau de garde G, de même diamètre que l’électrode fixe F, assure l’uniformité du champ électrostatique suivant l’axe vertical entre les électrodes fixe et mobile. Les gammes de mesure de l’appareil se règlent en modifiant la distance d entre les électrodes.

B. Mesure des tensions a. Le diviseur résistif Dans la pratique courante, les hautes tensions continues sont mesurées à l’aide de diviseurs résistifs. Un diviseur de tension résistif est forme d’une grande résistance R1 et d’une petite résistance R2 placées en série.  Un éclateur de protection est nécessaire pour protéger l’instrument de mesure, en cas d’ouverture accidentelle de la branche basse tension du diviseur.

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Rapport de division g: Comme R1〉〉R2;

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g=

U U2

g=

= U

U2

R1 +R2

=

R2 R1 R2

⇒U=

R1 R2

U2

b. Le diviseur capacitif Les hautes tensions alternatives peuvent être mesurées à l’aide de diviseurs capacitifs. L’avantage du diviseur capacitif est qu’il consomme très peu d’énergie active. Le diviseur capacitif est formé de deux condensateurs à haute tension C1 et C2 en séries figure ci contre. La valeur de la capacité C1 est beaucoup plus faible que celle du condensateur C2. D’autre part, on néglige la grande impédance du voltmètre devant celle de C2

Rapport de division g: Comme C2〉〉C1

g= U=

U U2 C2 C1

=

1⁄ 1 C1 ω+ ⁄C2 ω 1⁄ C2 ω

=

C1 +C2 C1

U2

En pratique, le calcul du rapport de transformation d’un diviseur capacitif doit prendre en considération les capacités parasites, contre terre et contre l’électrode haute tension, la capacité du câble coaxial qui sert à la mesure de la tension u2, ainsi que la capacité de l’éclateur de protection.

Surtensions et coordination de l'isolement II ne serait pas économique, ni même possible, de concevoir les réseaux de transport et leurs équipements de telle façon qu’ils résistent à toutes les surtensions possibles. La coordination de l’isolement est une discipline qui permet de réaliser le meilleur compromis technico économique dans la protection des personnes et des matériels contre les surtensions pouvant apparaître sur les installations électriques (compromis entre : coût de l’isolement, coût des protections et coût des défaillances), que ces surtensions aient pour origine le réseau ou la foudre. On doit dispose donc judicieusement des points d’isolement réduit où les surtensions pourront s’écouler sans dommage, protégeant ainsi les organes sensibles. La coordination de l’isolement participe à l’obtention d’une grande disponibilité de l’énergie électrique. Elle est d’autant plus utile qu’elle concerne des réseaux de tensions élevées. Pour maîtriser la coordination de l’isolement il est nécessaire :  de connaître le niveau des surtensions pouvant exister sur le réseau,  d’utiliser les bonnes protections quand cela est nécessaire,  de choisir le niveau de tenue aux surtensions des divers composants du réseau, parmi les tensions d’isolement permettant de satisfaire les contraintes déterminées.

Exemple de coordination des isolements

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Les surtensions On qualifie de surtension toute tension fonction du temps qui dépasse la tension crête de régime permanent à sa tolérance maximale. Ce sont des perturbations qui se superposent à la tension nominale d’un circuit. Origine des tensions Les surtensions appliquées aux isolements ont des formes variées selon leur origine. On distingue : a. Surtensions d’origine internes (à fréquence industrielle)  Enclenchements et déclenchements de diverses impédances.  Mise sous/hors tension d’une ligne.  Apparition de défaut dans le réseau. b. Surtensions d’origine externes  Principalement due à la foudre : impact direct ou indirect. La tension phase-terre des phases saines  Surtension induite intentionnelle (NEMP). est portée à la valeur de la tension composée :

I. Surtensions à fréquence industrielle 1. Surtension provoquée par un défaut d’isolement 2. Surtension sur une longue ligne à vide (effet Ferranti) 𝑈𝑠 𝑈𝑒

1

= 𝑐𝑜𝑠(√𝐿𝐶𝜔)

Effet Ferranti sur une ligne à 380 kV à 50 Hz (avec L = 1,01 mH/km et C =1,48 nF/km) Longueur Surtension 100 km 0,6 % 200 km 2,3 % 300 km 5,4 % 400 km 9,9 %

3. Surtensions de manœuvre a. Surtension de commutation en charge normale : Une charge «normale» (cos phi = 0.7) le coefficient de surtension varie entre 1,2 et 1,5. b. Surtensions provoquées par l’établissement et l’interruption de petits courants inductifs c. Surtension provoquée par les manoeuvres sur des circuits capacitifs II.

les surtensions d’origine atmosphérique

L’orage est un phénomène naturel connu de tous, spectaculaire et dangereux. 1 000 orages éclatent en moyenne chaque jour dans le monde. Une surtension est une impulsion ou une onde de tension qui se superpose à la tension nominale du réseau  le coup de foudre «direct» touchant une ligne,  le coup de foudre «indirect» tombant à proximité d’une ligne, sur un pylône métallique, ou sur le câble de garde.

Les dispositifs de protection contre les surtensions Les éclateurs de protection L’éclateur est le dispositif le plus simple et le moins chers utilisé dans les réseaux électriques MT (≤ 30 kV) pour protéger les équipements du réseau et les personnes contre les surtensions. Ils sont placés sur les points des réseaux particulièrement exposés (raccordement ligne aérien et câbles sous terrain) et à l’entrée des postes MT/BT. Inconvénients

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• •

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Tension d’amorçage mal définie : elle dépend non seulement du type de surtension mais aussi des conditions atmosphériques. Extinction de l’arc non contrôlée : si l’arc se maintient (alimenté par le réseau), il provoquera le déclenchement d’une protection (disjoncteur).

Les parafoudres Le parafoudre est un composant du système de protection de l’installation électrique. Ce dispositif est connecté en parallèle sur le circuit d’alimentation des récepteurs qu’il doit protéger. Il peut aussi être utilisé à tous les niveaux du réseau d’alimentation.

Principe de fonctionnement d’un Parafoudre

Parafoudres à oxyde de zinc (ZnO)

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