Transcript CHAPITRE 5 Les générateurs de haute tension A. Générateurs électrostatiques B. Générateurs de hautes tensions AC et DC a. b. c. d. e. Transformateurs de puissance. Transformateurs d’essais. Générateurs à circuit.

CHAPITRE 5
Les générateurs de haute tension
A. Générateurs électrostatiques
B. Générateurs de hautes tensions AC et DC
a.
b.
c.
d.
e.
Transformateurs de puissance.
Transformateurs d’essais.
Générateurs à circuit résonant série.
Redresseurs.
Doubleurs de tension, cascade de Greinacher.
C. Générateurs de tensions transitoires
a. Bobine de Ruhmkorff, transformateur de Tesla.
b. Générateurs de chocs .
D. Qualité de la tension
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1
5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques
A. Générateurs
électrostatiques
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
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5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques
Générateurs électrostatiques
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).
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5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques
Machines à triboélectricité
Ces machines ont permis d’obtenir
des tensions de plusieurs centaines
de kV, si l’on en croit la longueur des
étincelles annoncées par leurs
utilisateurs du 18e siècle.
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Source : Kenyon College
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.
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5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques
Électrophore de Volta
Cet instrument, inventé en 1775, combine le principe du frottement à
celui de la charge par influence.
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.
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5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques
Générateur à capacité variable
Principe
Dans un premier temps, la capacité
variable augmente jusqu’à Cmax et se
charge à travers une diode D1.
Dans un second temps, la valeur de la
capacité 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.
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5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques
Générateur à capacité variable
Diagramme
Le fonctionnement
du générateur à
capacité variable
peut être représenté
dans un diagramme
tension – charge.
Source : Michel Aguet, Mircea Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, Éd Georgi (1982) p.49
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5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques
Réalisation
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 système
la puissance maximale transmise à
l’utilisateur est donnée par la relation
approchée :
2
N : nombre de secteur
f : fréquence de rotation.
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© EPFL - LRE 2008
Pmax  14 N f  Cmax  Cmin  Ue  Us 
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5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques
Machine de Wimshurst
La machine de Wimshurst permet d’atteindre 100 kV, avec un courant
de l’ordre du microampère.
James Wimshurst
(1832-1903)
Complément facultatif
Machine de Wimshurst
Schéma animé
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5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques
Générateur de Van de Graaf
Le générateur de Van de Graaff est le plus utilisé des générateurs
électrostatiques.
Différentes astuces de
construction sont possibles :
• poulie inférieur en matériau
isolant : charge de la
courroie par séparation ;
Robert Van de Graaff
(1901-1967)
• recharge de la courroie
descendante par un
ioniseur au potentiel de
l’électrode HT.
Complément facultatif
Générateur Van de Graaff
Modèle original
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5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques
Puissance
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.
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5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques
Générateur de Felici
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)
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5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques
Caractéristiques
Générateur SAMES (France)
Type : Felici
Utilisation : physique des particules,
vaporisation et précipitation
Tension maximale : 600 kV
Courant : 4 mA
Générateur électrostatique de l’Oak
Ridge National Laboratory (Tennessee)
Type : Van de Graaff
Utilisation : physique des particules
Tension maximale : 31 MV
Instabilité : < 10-5
Générateur électrostatique du Centre de recherches
nucléaires de Strasbourg
Type : Van de Graaff
Utilisation : physique des particules
Tension maximale : 13 MV
Courroie : néoprène, largeur 52 cm, longueur 101 m,
vitesse 10 m/s
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC
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 > a. Transformateurs de puissance
Transformateurs
Dans la plupart des systèmes actuels à haute tension, l’élément central
reste le transformateur.
Lucien Gaulard
(1850 - 1888)

Source : Raconte-moi la radio
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.
Premier transformateur
à circuit magnétique
fermé (1886)
Certains accessoires comportent des pièces mobiles : les ventilateurs, les changeurs
de prise, commutateurs de protection.
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Transformateurs haute tension
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.
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Transformateurs de puissance (1)
Transformateurs immergés à 3 colonnes
Isolation papier – huile.
Tension pouvant dépasser le MV.
Puissance jusqu’à plus du GVA.
Poids jusqu’à 600 tonnes, y compris
une centaine de tonnes d’huile.
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Transformateurs de puissance (2)
Transformateurs immergés à 5 colonnes ou cuirassés
Les transformateurs cuirassés sont plus compacts,
résistent mieux aux contraintes mécaniques
(en particulier durant le transport) et
supportent mieux les courts-circuits que
les transformateurs à 3 colonnes.
Mais ils coûtent plus chers.
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Transformateurs de puissance (3)
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
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Transformateurs de puissance (4)
Transformateur isolé au SF6
Entièrement enfermé
dans un réservoir de
gaz sous pression.
Avantages
• Très compact (pas
de vase d’expansion) ;
• Très peu d’entretien ;
• Surveillance limitée
à la pression du gaz ;
• Pas de risque d’incendie.
Transformateurs SF6 Toshiba
Transformateurs SF6 Toshiba
Exemple de transformateur au SF6 (Toshiba)
275 kV ; 300 MVA ; 0,5 MPa
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Composants particuliers
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 active
du bruit

En outre, de nombreux capteurs peuvent surveiller les paramètres caractéristiques
de l’état du transformateur : température de l’huile, gaz dissous, vibrations, etc.
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Circuit magnétique
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 mm
pertes : 0,55 W/kg.T
rendement : > 99 %

Beaucoup de manipulations
s’effectuent encore à la main.
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[46]
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Circuit magnétique amorphe
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’étant
d’un prix plus élevé
que les transformateurs
classiques, les noyaux
amorphes 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
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Enroulements
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.
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Relais Buchholz
Le « relais Buchholz » (d’après Max Buchholz, 1875-1956) est un
système de relais commandé par deux flotteurs :
- Flotteur A de surveillance
du niveau, à fonctionnement
lent : provoque une alarme
lorsqu’il manque de l’huile.
- Flotteur B de surveillance des
mouvements de l’huile, à
fonctionnement rapide :
provoque une alarme en
cas d’événement transitoire.

Comme pour tous les systèmes
d’alarme, se pose la question de la sélectivité
Site web : Prof
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Changeur de prise en charge
Ce dispositif permet d’ajuster le
rapport de transformation sans
interruption de service.
Les deux commutateurs
d’enroulement doivent être
fermés avant la manipulation
du changeur de prise.
Complément facultatif
Changeur de prise en charge
Modèle ABB
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Bornes de traversées
Piedmont Bushings & Insulators
Le principal problème des bornes de traversée est celui de la distribution
du champ électrique.
Exemple de bornes de traversée
de 15 à 38 kV (jusqu’à 3000 A)
Site web : CST
Modélisation :
géométrie et équipotentielles
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Bornes de traversées : modélisation
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.
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
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Écrans flottants
Le système des écrans flottants permet de contrôler le champ électrique maximal.
L’isolant solide assurant la fixation de
la traversée est constitué de feuilles
d’épaisseur constante, séparées par
des écrans métalliques électriquement
flottants.

On trouve sur Internet des centaines de
brevets pour des bornes de traversées.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Couplages triangle
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.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Couplages étoile
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.
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Couplage zig-zag
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.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Groupes de couplage
La manière de coupler les enroulements primaires et secondaires d’un
transformateur triphasé est représentée par un code.
Codes de couplage d’un enroulement.
Primaire
Secondaire
Code de liaison du point médian
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 est
un nombre compris entre 0 et 11, et qui indique, par
tranche de 30° le déphasage entre la tension sur v et
la tension sur V. Cette dernière est toujours placée sur 0.
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Groupes de couplage habituels
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 facultatif
Cahier technique n°202
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Groupes de couplage habituels
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.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Choix d’un groupe de couplage
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.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance
Capacités parasites
Les capacités existantes dans un transformateur jouent un rôle essentiel
dans la maîtrise des surtensions.
Dans le schéma, chaque tranche
représente une portion de spire de
longueur dx d’un enroulement, à
partir de la borne de traversée.
L’
inductance linéique de la spire.
M’
inductance mutuelle entre les
portions de spire.
Cb
capacité de la borne de
traversée.
dCl
capacité longitudinale entre portions de spires voisines.
dCt
capacité transversale entre la portion de spire et la cuve.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > b. Transformateurs d’essai
Transformateurs d’essai
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 autres
les parties conductrices d’un dispositif.

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.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > b. Transformateurs d’essai
Transformateurs d’essai de l’EPFL
Caractéristiques techniques
Transfo 5 kVA à isolation papier – huile
Primaire :
2 x 220 V / 22,7 A
Secondaire : 100 kV / 50 mA
Poids :
200 kg
Dimensions : H = 735 mm   = 545 mm
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > b. Transformateurs d’essai
Schéma équivalent
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.
Schéma équivalent rapporté au secondaire

L’inductance principale contribue bien moins à la
réactance que la capacité entre enroulements.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
[29]
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > b. Transformateurs d’essai
Générateur à circuit résonant série
Les générateurs à circuit résonant série sont principalement utilisés
pour les tests de câbles sur site.
En ajoutant une inductance en série sur le secondaire
du transformateur, accordée à la charge, on multiplie
la tension par un facteur à peu près égal à son facteur
de qualité .
[30]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > c. Redresseurs
Les redresseurs
Les essais de haute tension en DC sont effectués au moyen d’un
transformateur HT et d’un redresseur.
Redresseur à
une alternance
ue
us

Haute tension d’entrée alternative
Haute tension de sortie continue
RL
RD
CL
G
Résistance de limitation
Résistance de la diode
Capacité de lissage
Conductance de fuite
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 .
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > c. Redresseurs
Tension de sortie du redresseur
Le redresseur fournit une tension lissée, présentant une ondulation
Tension moyenne :
US 
U min  U max
2
Profondeur d’ondulation : dUs
Amplitude d’ondulation : dUs /2
dU
Facteur d’ondulation :   1 S
2 US
Angle de passage : 2d
L’étude des redresseurs conduit aux relations
suivantes pour N diodes en série :
d 
3
3  G (R p  N  R D )
dUS 
Ûe G
f CL
cos d
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > c. Redresseurs
© EPFL - LRE 2008
Redresseur LRE
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > c. Multiplicateurs de tension
Les multiplicateurs
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.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
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5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > c. Multiplicateurs de tension
Cascade de Greinacher
Ou cascade de Cockcroft-Walton, ce circuit
a été réalisé en 1932 dans un accélérateur
de particules.
La cascade de Greinacher consiste en un Heinrich Greinacher
(1880-1974)
empilement de N doubleurs de Schenkel,
permettant d’obtenir une tension de sortie à vide :
Us,o  2 N Ûe
En débitant un courant IR sur une résistance R, la cascade
donne une tension maximale :
I
Us,R  Us,o  U avec : U  f RC
 32 N3  12 N2  16 N
L’ondulation vaut : dU  f RC  N(N2 1)
I
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
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5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires
C. Générateurs de hautes
tensions transitoires
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
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5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > a. Bobine de Ruhmkorff
Bobine de Ruhmkorff
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.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
Henri Ruhmkorff
(1803-1877)
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5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > a. Bobine de Ruhmkorff
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 :
di p
Uc  2 Lp ü
dt
Lp : inductance du circuit primaire
ip : courant au primaire
Applications de la bobine de Ruhmkorff :
‐ bougies de voiture
‐ trigger de circuit de choc
‐ allumage de lampe à décharges
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49
5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > a. Transformateur de Tesla
Transformateur de Tesla
Le transformateur de Tesla est un transformateur
à couplage par l’air dans lequel le primaire et le
secondaire sont en résonance.
Nikola Tesla
(1856-1943)
La tension de sortie est maximale lorsque : L1 C1 = L2 C2
Dans ce cas, la crête de la tension de sortie vaut approximativement :
û 2  Uo C1 / C2
Uo :
tension de charge condensateur C1.
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50
5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > a. Transformateur de Tesla
Transformateur de Tesla
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 secondaire, 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.
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51
5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > a. Transformateur de Tesla
Transformateur de Tesla
Exemple de valeurs possibles pour les composants du circuit :
C1 = 0,6 mF
C2 = 135 pF 
L1 = 103 mH
kHz

L2 = 450 mH


Fréquence de résonance : frés = 20,3
R1 = 23 mW
R2 = 18,5 W
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.”

Démonstration :
[Clip-2]
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.
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52
5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension
Générateurs de chocs
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.
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53
5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension
Choc de foudre 1,2/50
Le choc de foudre normalisé est largement utilisé pour les
essais de matériel.
Norme CEI 60060-1 :
T1 = 1,2 ms  0,36 ms (30%)
T2 = 50 ms  10 ms (20%)
O1 : origine conventionnelle
T1 : durée conventionnelle du front
T2 : 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.
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54
5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension
Générateur de chocs de foudre
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
La tension de sortie de ce type de générateur a la forme d’une double
exponentielle (biexponentielle) :
u c (t)  Uc  et

1
 et
2

Le problème du dimensionnement d’un générateur de choc,
permettant d’obtenir une tension conforme à la norme, n’a pas
de solution analytique.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
[31]
55
5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension
Tensions d’essais au choc de foudre
Tensions de crête recommandées par la CEI, pour la tenue au choc de
foudre des équipements du réseau électrique
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
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56
5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension
Générateurs multiétage (type Marx)
Générateur inventé en 1924, par l’ingénieur
allemand Erwin Otto Marx;
largement utilisé de nos jours.
Ce schéma correspond à un générateur simplifié, avec les éléments
équivalents suivants :
Erwin Otto Marx
(1893-1980)
Rs1,éq = 0
Rs2,éq = N  Rsi + Rse
CL,éq = CL / N
où N est le nombre d’étages.
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© EPFL - LRE 2008
Rp,éq = N  Rp
57
5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension
Tensions de choc de manœuvre
Les chocs de manœuvre sont des surtensions du genre de celles que
produisent des ouvertures ou des fermetures de disjoncteurs, de
sectionneurs, etc.
Le choc de manœuvre normalisé (CEI 60060-1) est caractérisé par :
• T1 : durée jusqu’à la crête :
intervalle de temps compris entre l’origine
réelle du choc et l’instant de la crête.
T1 = 250 ms  50 ms (20%).
• T2 : durée jusqu’à mi-valeur :
intervalle de temps compris entre l’origine
réelle du choc et l’instant où la tension a
décru jusqu’à la moitié de sa valeur de crête.
T2 = 2500 ms  1500 ms (60%).

Cette forme d’impulsion correspond à la plus faible valeur de rigidité
diélectrique, pour un intervalle d’air.
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58
5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension
NEMP
(NUCLEAR ELECTROMAGNETIC PULSE)
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 g émis
par l’explosion en rayonnements électromagnétiques de plus basses fréquences
qui peuvent alors se propager jusqu’à
la surface de la Terre, en induisant
des courants dévastateurs dans
les installations électriques et
électroniques.
R. N. Ghose, EMP environment ans system hardness design (1984) p. 2.8
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
59
5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension
Le choc NEMP
Les générateurs simulant ce type d’impulsions fonctionnent selon le
principe habituel des générateurs de chocs, (condensateurs qui se
déchargent 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
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
60
5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension
Perturbations NEMP
Une onde NEMP induit des courants intenses dans les câbles d’énergie,
de commande, de mesure et de communication.
Impédance de transfert:
Courant induit dans le blindage d’un câble coaxial
Z(t) 
1 Vc

L Ip
Michel AGUET et al., Bulletin ASE n°71 (sept. 1980) p. 916
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61
5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension
Les DES
(DÉCHARGES ÉLECTROSTATIQUES)
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 de
la capacité de la personne contre terre.
du front < 1 ns ;
 Durée
I > 16 A ; I > 8 A.
30
60
[32]
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62
5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension
Les transitoires en salves
(BURST)
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 crête
T2 = 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.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
63
5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension
Générateur corona
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
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
64
5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension
Générateur corona EPFL
Forme des impulsions
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
65
5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension
Générateur corona EPFL
Fréquence de répétition :
PRF 
m
e
V
Vo
Vb
d
C
2 mo Vo
(V  V )(V  V )
3d Cln  V V oV  V b 
b o 

mobilité des ions de l’air
permittivité du vide
tension appliquée
tension d’apparition de
l’effet de couronne
tension de claquage de
l’éclateur
écartement de l’éclateur
capacité entre l’électrode
flottante et la terre
F. Vega et al., Design and Construction of a
Corona Charged High Power Impulse
Generator, 17th IEEE International Pulsed
Power Conference, 2009.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
66
5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > c. Chocs de courant
Les générateurs à inductances
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.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
67
5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > c. Chocs de courant
Les générateurs à inductances
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.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
68
5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension
D. Qualité
de la tension
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
69
5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension
La tension idéale
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.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
70
5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension
La norme EN 50160
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.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
71
5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension
Les cas de non-conformité
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.

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.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
72
5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension
Paramètres mesurés
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
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
73
5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension
La fréquence
• 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 est la même en tout point d’un réseau interconnecté.
L’expérience montre qu’en Europe, la fréquence ne sort pratiquement
jamais de l’intervalle [ 49,8 Hz ; 50,2 Hz ]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
74
5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension
Fluctuations de la fréquence
Electra, n°242, fév. 2009, p. 8
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
75
5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension
L’amplitude de la tension
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 ]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
76
5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension
Le papillotement
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

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.
Complément facultatif
Cahier technique n°176
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
[33]
77
5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension
Le déséquilibre des phases
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 :
U
 i
Ud
• 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
[34]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
78
5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension
Les harmoniques
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 donné
dans le tableau suivant, en % de la tension nominale.
Harmoniques impairs
multiples de 3
N=3
N=9
N = 15
N = 21
S = 5%
S = 1,5%
S = 0,5%
S = 0,5%
Harmoniques impairs
non multiples de 3
N=5
N=7
N = 11
N = 13
S = 6%
S = 5%
S = 3,5%
S = 3%
N = 17
N = 19
N = 23
N = 25
Harmoniques pairs
S =2%
S = 1,5%
S = 1,5%
S = 1,5%
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
N=2
N=4
N = 6…24
S = 2%
S = 1%
S =0,5%
79
5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension
Les harmoniques
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 :
THD 
N  40
 U2N
N2
• 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.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
80
5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension
Les signaux de télécommande
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 correspondant
à un signal de télécommande est
obtenue par une moyenne de sa
valeur efficace sur 3 secondes.
• L’ensemble des 28’800 valeurs
obtenues toutes les 3 secondes
durant une journée doit remplir
la condition suivante :
Pas plus de 1% des valeurs supérieures aux limites indiquées
dans le graphique ci-dessus, pour la fréquence considérée.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
81
5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension
Autres grandeurs
D’autres perturbations de la tension sont définies par la norme
EN 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)
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
82
5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension
Creux de tension
Creux de tension dû à l’enclenchement d’une charge de forte puissance
Electra, n°242, fév. 2009, p. 66
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
83
5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension
Mesure de la qualité de la tension
Certains appareils permettent de mesurer
toutes les grandeurs donnant lieu à des
limitations par la norme EN 50160.
Les résultats sont fournis sous forme de
tableaux détaillés de toutes les valeurs
enregistrées, et aussi sous forme synthétique.
© EPFL - LRE 2008
Compléments facultatifs
Qualité de la tension
Cahier technique n°199
Cahier technique n°141
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
84