Document de formation sur l’electricite haute tension
Document de formation sur l’électricité haute tension
Chapitre I 1. INTRODUCTION
La foudre est un phénomène HT répandu et particulièrement spectaculaire. Son interaction avec les réseaux est très importante. L'application de la haute tension dans le grand transport d'énergie électrique est la plus courante, mais l'ingénieur électricien utilise ce savoir-faire dans de nombreux autres domaines:
Principaux domaines d'application de la haute tension {1}
Domaine Application
Réseaux :
- tension alternative
- tension continue
- lignes aériennes
- câbles
- isolateurs
- transformateurs de mesure de tension
- transformateurs de mesure de courant
- sectionneurs
- disjoncteurs
- parafoudres
- mises à la terre
- condensateurs
- transformateurs de puissance
- alternateurs
- appareillage SF6
- compatibilité électromagnétique (CEM)
Electricité statique
Charge
- générateurs électrostatiques
- moteurs électrostatiques
- filtres électrostatiques
- xérocopie
- imprimante électrostatique
- peinture électrostatique décharge - danger d'explosion et d'incendie
- perturbations de l'électronique sensible
Physique - microscope électronique
- accélérateurs de particules
Médecine - effets biologiques des champs électriques
- diagnostique par rayons X
- thérapie par rayons X
- ozonothérapie
- diélectrophorèse
- chauffage
Electronique - tube cathodique
- générateurs piézo-électriques
- allumage électrique
- flash électronique
- lampe à décharge
- filtre bactériologique UV
Foudre - captage de la foudre
- protection contre la foudre (paratonnerre, éclateurs, parafoudre, câble de garde)
- aviation
Impulsions électromagnétiques d'origines nucléaire (NEMP)
- protection des lignes de transmission
- protection des antennes
- protection des appareils électroniques
- cages blindées
1.1. Buts et méthodologie de la HT
L'ingénieur devra maîtriser ce système physique, de manière à concevoir des appareils résistant aux contraintes subies lors de son utilisation en HT. Il peut s'appuyer sur des simulateurs, par ex. les calculs au moyen des "éléments finis", mais, dans ce domaine, l'approche expérimentale reste importante.
Chapitre II 2. COORDINATION DE L’ISOLEMENT
Les appareillages des postes et des réseaux de distribution à haute tension sont soumis en exploitation à des surtensions d'origine atmosphérique ou de service provenant de manœuvres, de mises à la terre, de courts-circuits ou d'autres incidents conduisant à des phénomènes transitoires. On entend par coordination de l’isolement, l'ensemble des mesures qui sont prises pour éviter des décharges disruptives de perforation ou de contournement dans le matériel des installations. Ces conditions sont obtenues en respectant des tensions de tenue minimales pour les diverses parties des installations. Il s'est donc avéré nécessaire de fixer des règles internationales et nationales (Commission Electrotechnique Internationale - CEI - et Association Suisse des Electriciens - ASE -). Ces règles définissent d'une part les tensions d'essais du matériel électrique et, d'autre part, les conditions dans lesquelles ces essais doivent être effectués. Par une gradation des tensions d'essai, on obtient ainsi une coordination de l'isolement correcte.
2.1. Isolation et isolants
Les systèmes d'isolation peuvent être composés des trois états de la matière : solide, liquide et gazeux. Les caractéristiques diélectriques doivent répondre aux sollicitations maximales, à long terme. La valeur du champ maximum juste avant un claquage définit la rigidité diélectrique d'un matériau (voir annexe 8). Cette valeur est différente pour les ondes de choc et les ondes alternatives.
2.2. Gradation de l’isolement
Les appareils dont la coordination de l'isolement est correcte, présentent les niveaux de tension de la figure 2.2-1.
- Tension de perforation Up (isolation interne)
- Tension de contournement Uc (isolation externe)
- Tension d'essai fixée par les règles de coordination des isolements Ue (prescriptions CEI ou ASE).
2.2.1. Tension de perforation ou de claquage
La tension de perforation ou de claquage est celle qui conduit à la perforation ou percement de l'isolation interne. Décharge complète et destructive au travers de l'isolant. Cette tension doit être évidemment plus grande que la tension de contournement de l'appareil.
2.2.2. Tension de contournement, tension de cheminement
La tension de contournement est la tension disruptive, qui produit une décharge dans l'air, le long de l'isolation externe de l'appareil. Cette tension doit être plus élevée que la tension d'essai. En effet, selon les règles précitées, l'appareil soumis à la tension d'essai ne doit présenter aucun contournement au cours des essais.
2.2.3. Tension d’essai
La tension d'essai ou de tenue est fixée par les règles nationales ou internationales et permet une coordination correcte de l'isolement. Exemple d’essai au choc d'un isolateur en résine Epoxy Tension nominale la plus élevée 24 KV efficace. Tension d'essai 125 KV, onde 1.2 / 50 µs.
Pour déterminer la tension de perforation de l'isolateur, il faut immerger ce dernier dans de l'huile ou dans du gaz sous pression (par exemple N2, SF6). Les pages en annexe 2 donnent les caractéristiques des bornes de traversées types condensateurs.
Quelques définitions complémentaires à celles des paragraphes 2.2.1 à 2.2.3. On appelle tension de tenue à fréquence industrielle la valeur efficace la plus élevée de la tension à la fréquence de service que le matériel doit supporter pendant une minute entre sa partie active et la masse, sans qu'il ne se produise de décharge disruptive de perforation ou de contournement. On appelle tension de tenue au choc la valeur de crête de la tension de choc en onde pleine de forme normalisée que le matériel doit supporter dans des conditions spécifiées. Le niveau d’isolement d'un matériel donné est défini par les valeurs de tenue à fréquence industrielle et de tenue au choc. Le niveau de protection au choc d'un dispositif de protection est la valeur de crête la plus élevée de la tension qui peut exister entre ses bornes lors de l'application d'une onde de choc normalisée. Pour un parafoudre à résistance variable, ce sera la tension résiduelle correspondant à l'intensité de décharge la plus élevée à laquelle on puisse s'attendre. Il est clair qu'il faudra veiller à ce qu'une relation convenable existe entre ce niveau de protection et le niveau d'isolement du matériel. Roth [3] recommande un niveau de protection d'environ 25% au-dessous du niveau d'isolement. La figure 2.2-4 représente la courbe u = f(t) d'un parafoudre pour un front d'onde donné. On appelle tension résiduelle Ur sous l'effet d'un courant de décharge, la valeur du plafond de tension établi par le parafoudre, découlant du dimensionnement et des propriétés de la résistance variable.
Siemens mentionne par exemple, pour un parafoudre destiné à un réseau de 30 KV
pour une intensité de 1 kA Ur = 93 kV
pour une intensité de 5 kA Ur = 114 kV
pour une intensité de 10 kA Ur = 122 kV
pour une intensité de 65 kA Ur = 135 kV
Ainsi, le parafoudre soumis à une onde incidente (courbe en traitillée) fig. 2.2-4. établira à ses bornes une tension, qui évoluera selon la courbe en trait plein. Ua (tension d'amorçage) et Ur peuvent se situer à des niveaux assez différents, car Ua dépend de la raideur du front de l'onde et Ur du courant de décharge.
2.3. Gradation des niveaux d'isolement dans un réseau
Il est pratiquement impossible, pour des raisons économiques d'isoler, parfaitement un réseau.
Des surtensions très fortes créeront ainsi des perturbations, d'où les dispositions suivantes :
- Limiter l'importance de ces perturbations, si possible pas d'interruption de service. - Limiter les dégâts à des parties secondaires facilement accessibles et remplaçables.
- Les lignes, étant peu accessibles, seront bien isolées. Dès 30 kV, fil de garde.
- Les sous-stations étant bien surveillées, les surtensions peuvent être bien contrôlées.
De ces principes, on comprend que la gradation des niveaux d'isolement des diverses parties est indispensable. L'exemple suivant illustre bien ce problème :
…
Chapitre III 3. MAITRISE DES CHAMPS ELECTRIQUES
L'étude des champs électriques est importante dans l'engineering haute tension. En effet, plus la tension est élevée, plus les distances d'isolation nécessaires sont importantes et le matériel encombrant, donc cher ! Il faut utiliser au mieux les systèmes d'isolation afin de réduire la taille des appareils, mais sans pour autant en diminuer la qualité. Un champ trop élevé signifie inéluctablement une durée de vie courte et un manque de fiabilité.
3.1. Champ électrique et dépendance de la forme
Pour les détails, on se référera au cours d'électrostatique. Seules les notions utiles sont rappelées. En particulier, la loi de la circulation du champ électrique indique : E dl = − dU où E = champ électrique; U = potentiel; l = distance. Entre deux électrodes parallèles, le champ E est donc égal à : E = − U d où U = différence de potentiel entre les électrodes; d = distance entre les électrodes. Chaque matériau admet un champ disruptif maximum dont le dépassement provoque un claquage (valeurs, voir tableaux dans l'annexe 8). On se souviendra aussi de la loi de la conservation des charges, ainsi que de celle du déplacement électrique D : D=ε0 εr ⋅E où ε 0 = permittivité du vide = 8,854 ⋅ 10-12 [F m]; ε r = perm. rel. du matériau.
Le théorème de Gauss est ainsi souvent nécessaire; il exprime le fait que le flux total du déplacement électrique à travers une surface fermée, est égal à la charge totale contenue à l'intérieur du volume considéré : D S dS → = δ ch ⋅dυ = υ υ q où δch= densité de charge dans le volume υ [C m 3 ] Appliquées aux formes courantes en HT, ces lois aboutissent aux formules suivantes : - pour l'extérieur d'un conducteur : E(r) = q 2rπε - pour l'extérieur d'une sphère : E(r) = q r 2 4π ε En appliquant la loi de la circulation du champ au long d'un rayon, on obtient pour le conducteur : E (r)⋅ dr → = - dU donc dU = − q 2πε ⋅ dr r On obtient en intégrant : U = K + q / 2πε ln r Pour un conducteur coaxial (par ex. un câble), on peut tenir le même raisonnement que pour le conducteur extérieur. La différence de potentiel devient donc Uext - Uint, les constantes d'intégration "K" s'annulent et on obtient : …
Remarques importantes:
- On remarque dans les formules ci-dessus que, pour une tension fixée, le champ U E augmentera d'autant plus que le rayon diminue ! Ceci explique qu'en HT tous les appareils ont de grands rayons et sont munis d'anneaux de répartition de champ. Des rayons sous dimensionnés provoquent l’effet couronne, avec toutes ses conséquences (bruit, perturbations radio...).
- En vertu des mêmes lois, le champ E est nul à l'intérieur des conducteurs. Cette propriété permet la construction des cages de Faraday, écrans électriques. Pour l'atténuation de larges gammes de fréquences, une chambre blindée est nécessaire.
Table des matières :
AVANT-PROPOS..............1
1. INTRODUCTION ...............................2
1.1. Buts et méthodologie de la HT.....................3
2. COORDINATION DE L’ISOLEMENT..................4
2.1. Isolation et isolants................4
2.2. Gradation de l'isolement..............................4
2.2.1. Tension de perforation ou de claquage ................5
2.2.2. Tension de contournement, tension de cheminement.................5
2.2.3. Tension d’essai ...............................5
2.3. Gradation des niveaux d'isolement dans un réseau ...........7
3. MAÎTRISE DES CHAMPS ÉLECTRIQUES.........8
3.1. Champ électrique et dépendance de la forme ....................8
3.2. Contrôle du champ électrique....................15
3.3. Méthodes d'évaluation du champ électrique....................20
4. SURTENSIONS .................................21
4.1 Définitions............................21
4.2 Origine des surtensions..............................22
4.3 Propagation des ondes dans les lignes à constantes réparties ..............23
4.3.1 Réflexion - Réfraction..................24
4.3.2 Détection des défauts dans les câbles.................26
4.4 Surtensions atmosphériques.......................27
4.4.1 Nature et comportement de la foudre.................27
4.4.2 Mode d’action de la foudre sur les lignes ...........27
4.4.3 Niveau isokéraunique...................30
4.5. Dispositifs de protection ............................30
4.5.1 Définitions et caractéristiques............................30
4.5.2 Aperçu historique.........................31
4.5.3 Les parafoudres courants .............31
4.5.4 Emplacement des parafoudres............................34
4.5.5 Les éclateurs ................................35
4.5.6 Eclateurs à tiges ou de coordination...................36
5. ESSAIS DU MATÉRIEL HAUTE TENSION ............................37
5.1. Couplage pour essais sous HT alternative à 50 ou 60Hz ......................38
5.1.1 Transformateurs HT.....................38
5.1.2 Systèmes résonants .....................41
5.1.3 Résonance dans un circuit électrique .................41
5.1.4 Résonance série............................42
5.1.5 Schéma général ............................42
5.1.6 Facteur de qualité du système: ...........................42
5.1.7 Caractéristiques d'un circuit de résonance série .......................42
5.1.8 Avantages et inconvénients..........43
5.1.9 Résonance parallèle .....................44
5.1.10 Schéma général ............................44
5.1.11 Facteur de qualité du système ............................44
5.1.12 Caractéristique du circuit parallèle.....................44
5.1.13 Avantages et inconvénients..........45
5.2. Essais sous haute tension continue ............46
5.3. Essai spéciaux sous haute tension et haute fréquence ...........................49
5.4 Essais de choc......................51
5.4.1. Schéma de base............................53
5.4.2. Schéma multiplicateur de Marx .........................56
5.4.3. Charge du générateur multiétage........................57
5.4.4. Décharge du générateur de choc ........................57
5.5. Mesures au pont de Schering.....................58
5.6 Détection des décharges partielles dans les isolants.............61
5.6.1 Claquage par décharge.................61
5.6.2 Dispositif de mesure de la charge de transfert..........................64
5.6.3 Mesures..................65
6. MESURE DE HAUTE TENSION EN LABORATOIRE...........69
6.1. Dispositifs de mesures de valeurs de crête.......................69
6.2. Dispositifs de mesures de tension de choc .......................69
6.3. L'éclateur à sphères .............69
6.3.1. Correction de la tension disruptive mesurée ............................70
6.3.2. Essai statistique de décharges disruptives à 50 % (pour essais de choc)........71
ANNEXES ........................73
ANNEXE 1 : PRINCIPE DE MESURE DE LA TENSION DE CRÊTE ...................74
ANNEXE 2 : EXTRAITS DES TENSIONS D'ESSAI CEI...................75
ANNEXE 3 : ECLATEUR À SPHÈRES AVEC UNE SPHÈRE À LA TERRE ..........76
ANNEXE 4 : EXTRAITS - PARAFOUDRES................79
ANNEXE 5 : RENDEMENT DU GÉNÉRATEUR DE CHOC : .........80
ANNEXE 6 : EXTRAITS DU MANUEL SCHERING-TETTEX..........81
ANNEXE 7 : ANGLE DE PERTE FONCTION DE LA FRÉQUENCE....................82
ANNEXE 8 : CARACTÉRISTIQUES DIÉLECTRIQUES DE DIFFÉRENTES MATIÈRES ..........83