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CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

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

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7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

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

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7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

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7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
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7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

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7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

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7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

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7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
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7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

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7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
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7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

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7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

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7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

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[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
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7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

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7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
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7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

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7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

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7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
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7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

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7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
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7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

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7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

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7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

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

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7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

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

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

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

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7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
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7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

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

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7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

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

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

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

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

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

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7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

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7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

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7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

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

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

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

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

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

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

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7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

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

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

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

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

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

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

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

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

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

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

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

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

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

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

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

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

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

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

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

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

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

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

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

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

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

62

La ligne d’arrivée

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

63


Slide 2

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

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

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

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

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

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

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

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

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

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

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

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

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

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

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

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

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

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

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

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

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

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

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

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

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

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

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

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

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

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

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

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

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

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

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

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

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

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

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

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

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

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

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

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

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

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

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

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

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

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

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

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

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

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

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

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

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

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

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

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

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

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

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

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

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

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

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

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

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

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

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

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

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

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

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

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

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

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

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

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

62

La ligne d’arrivée

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

63


Slide 3

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

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

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

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

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

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

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

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

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

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

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

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

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

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

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

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

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

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

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

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

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

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

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

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

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

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

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

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

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

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

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

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

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

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

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

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

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

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

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

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

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

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

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

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

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

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

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

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

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

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

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

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

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

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

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

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

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

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

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

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

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

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

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

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

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

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

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

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

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

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

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

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

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

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

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

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

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

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

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

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

62

La ligne d’arrivée

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

63


Slide 4

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

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

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

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

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

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

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

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

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

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

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

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

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

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

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

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

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

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

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

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

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

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

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

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

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

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

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

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

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

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

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

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

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

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

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

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

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

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

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

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

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

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

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

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

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

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

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

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

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

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

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

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

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

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

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

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

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

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

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

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

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

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

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

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

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

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

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

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

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

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

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

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

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

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

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

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

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

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

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

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

62

La ligne d’arrivée

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

63


Slide 5

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

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

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

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

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

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

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

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

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

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

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

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

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

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

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

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

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

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

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

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

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

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

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

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

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

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

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

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

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

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

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

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

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

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

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

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

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

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

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

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

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

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

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

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

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

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

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

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

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

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

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

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

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

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

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

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

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

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

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

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

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

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

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

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

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

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

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

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

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

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

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

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

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

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

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

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

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

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

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

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

62

La ligne d’arrivée

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

63


Slide 6

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

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

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

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

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

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

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

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

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

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

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

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

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

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

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

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

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

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

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

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

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

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

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

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

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

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

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

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

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

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

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

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

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

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

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

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

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

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

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

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

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

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

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

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

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

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

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

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

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

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

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

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

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

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

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

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

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

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

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

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

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

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

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

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

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

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

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

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

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

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

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

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

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

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

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

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

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

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

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

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

62

La ligne d’arrivée

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

63


Slide 7

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

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

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

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

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

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

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

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

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

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

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

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

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

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

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

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

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

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

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

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

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

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

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

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

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

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

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

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7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

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

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

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

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

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

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

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

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

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

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

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

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

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

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

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

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

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

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

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

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

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

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

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

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

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

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

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

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

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

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

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

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

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

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

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

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

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

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

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

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

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

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

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

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

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

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

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

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

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

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

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

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

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

62

La ligne d’arrivée

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

63


Slide 8

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

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

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

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

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

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

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

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

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

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

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

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

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

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

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

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

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

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

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

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

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

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

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

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

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

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

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

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

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

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

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

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

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

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

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

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

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

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

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

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

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

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

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

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

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

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

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

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

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

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

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

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

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

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

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

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

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

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

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

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

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

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

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

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

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

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

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

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

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

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

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

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

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

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

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

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

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

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

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

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

62

La ligne d’arrivée

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

63


Slide 9

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

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

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

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

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

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

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

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

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

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

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

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

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

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

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

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

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

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

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

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

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

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

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

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

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

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

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

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

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

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

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

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

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

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

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

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

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

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

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

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

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

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

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

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

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

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

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

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

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

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

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

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

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

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

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

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

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

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

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

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

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

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

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

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

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

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

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

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

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

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

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

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

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

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

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

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

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

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

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

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

62

La ligne d’arrivée

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

63


Slide 10

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

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

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

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

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

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

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

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

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

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

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

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

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

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

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

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

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

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

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

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

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

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

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

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

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

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

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

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

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

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

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

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

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

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

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

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

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

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

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

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

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

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

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

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

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

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

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

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

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

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

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

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

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

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

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

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

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

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

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

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

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

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

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

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

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

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

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

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

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

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

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

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

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

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

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

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

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

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

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

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

62

La ligne d’arrivée

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

63


Slide 11

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

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

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

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

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

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

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

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

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

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

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

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

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

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

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

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

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

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

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

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

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

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

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

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

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

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

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

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

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

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

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

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

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

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

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

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

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

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

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

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

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

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

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

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

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

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

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

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

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

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

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

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

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

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

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

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

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

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

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

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

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

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

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

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

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

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

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

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

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

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

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

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

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

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

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

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

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

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

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

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

62

La ligne d’arrivée

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

63


Slide 12

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

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

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

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

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

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

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

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

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

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

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

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

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

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

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

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

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

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

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

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

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

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

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

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

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

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

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

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

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

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

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

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

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

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

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

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

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

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

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

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

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

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

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

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

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

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

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

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

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

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

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

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

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

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

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

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

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

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

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

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

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

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

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

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

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

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

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

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

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

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

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

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

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

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

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

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

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

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

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

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

62

La ligne d’arrivée

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

63


Slide 13

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

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

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

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

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

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

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

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

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

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

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

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

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

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

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

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

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

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

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

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

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

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

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

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

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

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

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

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

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

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

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

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

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

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

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

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

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

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

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

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

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

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

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

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

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

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

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

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

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

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

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

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

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

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

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

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

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

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

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

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

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

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

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

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

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

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

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

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

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

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

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

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

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

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

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

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

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

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

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

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

62

La ligne d’arrivée

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

63


Slide 14

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

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

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

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

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

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

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

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

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

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

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

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

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

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

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

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

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

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

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

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

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

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

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

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

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

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

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

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

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

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

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

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

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

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

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

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

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

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

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

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

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

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

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

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

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

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

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

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

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

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

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

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

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

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

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

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

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

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

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

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

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

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

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

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

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

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

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

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

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

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

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

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

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

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

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

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

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

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

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

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

62

La ligne d’arrivée

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

63


Slide 15

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

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

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

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

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

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

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

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

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

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

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

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

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

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

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

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

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

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

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

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

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

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

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

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

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

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

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

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

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

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

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

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

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

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

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

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

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

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

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

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

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

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

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

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

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

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

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

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

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

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

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

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

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

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

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

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

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

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

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

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

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

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

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

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

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

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

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

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

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

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

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

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

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

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

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

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

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

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

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

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

62

La ligne d’arrivée

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

63


Slide 16

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

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

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

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

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

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

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

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

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

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

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

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

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

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

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

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

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

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

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

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

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

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

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

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

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

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

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

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

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

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

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

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

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

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

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

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

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

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

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

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

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

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

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

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

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

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

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

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

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

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

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

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

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

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

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

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

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

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

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

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

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

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

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

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

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

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

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

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

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

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

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

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

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

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

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

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

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

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

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

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

62

La ligne d’arrivée

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

63


Slide 17

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

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

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

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

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

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

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

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

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

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

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

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

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

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

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

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

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

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

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

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

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

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

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

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

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

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

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

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

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

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

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

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

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

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

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

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

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

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

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

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

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

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

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

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

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

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

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

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

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

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

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

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

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

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

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

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

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

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

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

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

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

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

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

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

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

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

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

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

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

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

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

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

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

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

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

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

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

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

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

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

62

La ligne d’arrivée

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

63


Slide 18

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

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

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

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

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

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

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

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

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

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

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

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

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

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

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

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

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

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

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

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

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

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

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

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

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

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

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

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

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

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

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

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

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

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

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

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

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

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

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

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

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

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

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

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

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

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

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

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

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

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

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

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

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

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

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

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

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

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

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

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

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

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

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

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

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

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

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

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

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

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

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

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

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

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

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

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

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

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

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

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

62

La ligne d’arrivée

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

63


Slide 19

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

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

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

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

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

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

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

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

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

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

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

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

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

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

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

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

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

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

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

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

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

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

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

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

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

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

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

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

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

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

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

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

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

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

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

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

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

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

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

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

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

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

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

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

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

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

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

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

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

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

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

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

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

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

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

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

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

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

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

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

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

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

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

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

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

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

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

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

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

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

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

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

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

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

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

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

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

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

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 20

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 21

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 22

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 23

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 24

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 25

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 26

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 27

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 28

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 29

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

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7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 30

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

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7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

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7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

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7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 31

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 32

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 33

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 34

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 35

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

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7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 36

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 37

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 38

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 39

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 40

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 41

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 42

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 43

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 44

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 45

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 46

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 47

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 48

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 49

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 50

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 51

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 52

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 53

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 54

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 55

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 56

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 57

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 58

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 59

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 60

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 61

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 62

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

57

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

58

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

59

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63


Slide 63

CHAPITRE 7

Applications
A – Réseaux électriques

B – Autres applications

a. Ligne aérienne

a. Xérographie

b. Isolateurs

b. Dépoussiérage

c. Dispositifs de coupure

c. Rayons X

d. Dispositifs de protection

d. Fragmentation sélective

e. Coordination des
isolements

e. Conservation alimentaire

f. Câbles

f. Atomisation électrostatique
g. Taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

1

7. Applications > A. Le réseau électrique

A. Le réseau
électrique

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

2

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
1. Les conducteurs
Valeurs typiques

min

max

Courant nominal [A]

105

1150

Résistance [W/km]

1,88

0,043

Masse [kg/km]

62

2570

Diamètre total [mm]

5,4

36

Coefficient de dilatation [ °C-1]



2,310-4

Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

3

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Ligne aérienne
2. Suspension des conducteurs

Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
Tc  Ta 

 I2

k 22r3

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
L (Tc )  L (Ta ) 1   (Tc  Ta ) 

avec :  = coef. de dilatation

[52]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

4

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
( CEI )
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.



La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

5

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations

Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )

Chape et tenon
( Clevis and tongue )

Crochet et œillet
( Hook and eye )

Source : Verizon

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

6

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Les isolateurs
Isolateurs rigide (rigid insulator)

Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )

Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )

Cji Porcelain

Zhejiang Hengda Electric

Hercules Business Directory

Différentes variantes

Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

7

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (1)
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus
courte, le long de la surface d'un isolant
solide, entre deux parties conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la distance
la plus courte dans la matière isolante
d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

8

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (2)
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ;

Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à
50 Hz sous pluie [kV]

Tension de tenue au
choc de foudre [kV]

Hauteur
[mm]

Diamètre*
[mm]

Ligne de
fuite [mm]

35

75

215

135 ~ 170

190

230

550

1220

170 ~ 250

1970

740

1675

3850

330 ~ 420

6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

9

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (3)
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;

‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

10

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Dimensionnement électrique (4)
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :




sans anneaux de garde
avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

11

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

Autres dimensionnements
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie
Essai sous pollution
Essai de galvanisation des conducteurs
Essai de perturbations radioélectriques

Essai sous brouillard salin
Essai au choc thermique
Essai d’absence de porosité
Essai de vieillissement

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

12

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (1)
Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
( CEI )
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.



La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.

[Clip-10]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

[Clip-11]
13

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Les dispositifs de coupure (2)
Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
( CEI )
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

14

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Les disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV.

Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

15

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

ABB

Cahier technique Schneider n° 171

Types de disjoncteurs

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

16

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteurs à vide
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

Joint Electrical Institutions (Sydney)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

17

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Processus de coupure
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :

 la coupure échoue
Coupure réussie

Coupure ratée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

18

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.


Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

19

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Le soufflage de l’arc
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc
et le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique
et magnétique simultané.

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

20

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Conditions de la coupure
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

21

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Les fusibles
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
2

W th  I  t

Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.

ABB

Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

22

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Caractéristique courant – temps
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

23

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV



Driescher

PEAG

Les sectionneurs

ABB

Sectionneur vertical, 36 kV

Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

24

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les éclateurs de protection
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
• 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 éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

25

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Protection des oiseaux
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

26

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres
Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
( CEI )
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction :
- parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.

© EPFL - LRE 2008

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

27

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristiques des parafoudres
Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
( CEI )
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

ABB

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.

Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

28

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Prescriptions des parafoudres
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.



Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

29

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Caractéristique tension – temps
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
t court

t long

intervalle de t

Chocs de valeur de
crête donnée 

Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

30

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Surtensions d’origine externes

Surtensions d’origine internes

• Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.

• Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
• Mise sous/hors tension d’une ligne.
• Apparition de défaut dans le réseau.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

31

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

Disjoncteur simple

—— Tension

—— Courant

Échelle horizontale : 15 ms / div

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

32

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric



Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

33

7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Paramètres de la coordination
Source de la
surtension
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Valeur de crête.
Durée du front.
Durée à mi-valeur.
Oscillations.
Taux de
répétition.
Arrachage du
courant.
Type de défaut
(PP, PPP, PT, PPT).
Instant du défaut.
…



Configuration

Réseau

• Choc de foudre
direct (ligne,
pylône).
• Choc indirect : au
sol, sur bâtiment,
etc.
• Longueur de la
ligne.
• Impédance de la
ligne.
• Distance des
transformateurs.
• …

• Tension nominale.
• Surtensions
temporaires.
• Type de mise à
terre.
• Qualité de la terre.
• Puissance.
• Type de charge.
• Tension
d’amorçage de
parafoudres
• …

Autres
•
•
•
•
•

Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

34

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Les câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

Semiconducteur interne

EPR

[47]

SI Lausanne

SI Lausanne

Conducteur cuivre multibrin

Réseau urbain :

XLPE

Semiconducteur externe

Ruban gonflant
Écran métallique
Ruban gonflant
Gaine isolante





Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

35

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nexans

Nexans

Autres types de câbles

Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)



Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.



Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

36

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siemens

Câbles spéciaux

Câble monophasé supraconducteur
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement

Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

37

7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Énergie réactive dans les câbles
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

38

7. Applications > B. Autres applications

B. Autres
applications

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

39

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.



Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

40

7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

Impression par laser

Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatif
IBM Info Color 70
IBM

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

41

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse

LTA

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

42

7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Dépoussiérage électrostatique
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Filtre à cendre de charbon
Efficacité : 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Endress+Hauser

Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité : jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W

Ruegg

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

43

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1. Thermo-émission d’électrons par un filament.
2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
p  Wc  Z

Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.

En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

44

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Tension d’accélération
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
U s 

Û eG

cos 

f CL

(voir chap. 5, slide 43)



Les transfos HF sont
compacts et légers.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

45

7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Transformateur HF
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : PJ  f 2 / p
f fréquence
 résistivité du noyau
2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : Ph  f
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

46

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation sélective

SelFrag Lab

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

47

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Principe de la fragmentation
Application d’impulsions à front raide

Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

Impulsions de tension et de courant

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

48

7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Caractéristiques
Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.

Source : selFrag-Lab

Mica
Granit

Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

Concasseur
à mâchoire
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Quartz

Feldspath
49

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Conservation des aliments
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.

Utilisation
• Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
• Traitement en continu.
Avantages
• Pas d’agents conservateurs.
• Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohio State University

Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000
Premiers dispositifs opérationnels.

Prototype industriel

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

50

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Électroporation
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible :

utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faible
Polarisation de la membrane

Champ moyen
Électroporation réversible

Champ élevé
Électroporation irréversible

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

51

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Aspects techniques
Le traitement est effectué en continu
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
• Pas de courant trop élevé.
• Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
• Essai en laboratoire : 2 kW
• Essai en vraie grandeur : 75 kW
• Production industrielle : 3 MW
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

52

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Impulsions
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)



Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle

Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

53

7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Paramètres
Ordre de grandeur
• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV
• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
• Largeur des impulsions :
0,5 ~ 50 ms
• Fréquence de répétition :
10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée



Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

54

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Atomisation électrostatique
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.



On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Utilisation
• Imprimantes à jet d’encre.
• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
• Épandage de substance dans l’agriculture.
• Préparation de composants à nanoparticules.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

55

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

56

7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Principes de l’atomisation
2.

L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2
3.

Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.



Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

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7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Contrôle des gouttelettes

Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

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7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Imprimante à jet d’encre
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

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7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.


Taser M26



Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).
60

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Caractéristiques des tasers
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
50

50

5

1.2

Énergie par impulsion [J]

0,5

0,07

Puissance totale délivrée [W]

10

1.3

Cadence d’impulsions [/s]

20

19

Durée d’une série [s]

5

5

Tension à vide [kV]
Tension en charge [kV]

Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26

EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5

61

7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Générateur d’impulsions
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

62

La ligne d’arrivée

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

63