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CHAPITRE 4 La décharge électrique 1 A.Décharge électrique dans les gazDécharge électrique dans les gaz a.Mécanismes de déchargeMécanismes de décharge b.Tension.

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1 CHAPITRE 4 La décharge électrique 1 A.Décharge électrique dans les gazDécharge électrique dans les gaz a.Mécanismes de déchargeMécanismes de décharge b.Tension disruptive, loi de PaschenTension disruptive, loi de Paschen c.Décharge luminescente, effet de couronneDécharge luminescente, effet de couronne d.Arc électriqueArc électrique B.Claquage dans les liquides et les solidesClaquage dans les liquides et les solides C.Décharge électrique dans le « vide »Décharge électrique dans le « vide » D.La foudreLa foudre EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

2 2 A. Décharge dans les gaz 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

3 Définitions 3 Une décharge électrique est un canal conducteur se formant, sous certaines conditions, entre deux électrodes, à travers un milieu normalement isolant. Une décharge est dite non autonome lorsque lémission des électrons doit être provoquée par apport dénergie thermique (cathode chauffée) ou par irradiation. La décharge non autonome cesse en labsence de lagent ionisant extérieur. La décharge est dite autonome lorsquelle se maintient sans agent ionisant extérieur. 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz Dans certaines configurations, il se peut que lirradiation naturelle (par les rayons cosmiques ou les rayons UV) suffise à obtenir la décharge non autonome. La décharge autonome est aussi appelée décharge indépendante. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

4 Définitions 4 La décharge luminescente est une décharge autonome dans laquelle la plupart des porteurs de charge sont des électrons produits par émission électronique secondaire. Lémission électronique primaire consiste en une émission thermoélectronique, une photoémission ou une émission par effet de champ. Lémission électronique secondaire consiste en une émission électronique due au bombardement de la surface émettrice par des ions. Larc électrique est une décharge à fort courant. 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz Pour que des électrons quittent la cathode, il faut quils reçoivent suffisamment dénergie pour franchir la barrière énergétique que constitue la frontière avec le milieu extérieur. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

5 Mécanismes de décharge dans les gaz 5 Divers phénomènes se produisent entre deux électrodes séparées par un intervalle de gaz et soumises à une différence de potentiel. 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > a. Mécanisme de décharge EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

6 Décharge de collection simple 6 Le courant augmente avec la tension puis se sature autour de la centaine de picoampères 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > a. Mécanisme de décharge Ce type de décharge est invisible. Soit deux électrodes baignant dans un gaz et soumises à une différence de potentiel U o. En labsence de pro- duction délectrons, aucun courant ne circule. Mais si, par exemple, la cathode est chauffée ou si un rayonne- ment provoque une ionisation du gaz, alors un courant I commence à circuler, selon une loi du type : avec = 1, 5 ~ 2 (selon la pression du gaz) Le courant est limité par la quantité délectrons produits par unité de temps. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

7 Décharge avec multiplication 7 e – + Z Z e – Le mécanisme décrit ici est principalement valable dans les gaz comme lazote ou le CO 2, qui ne sont pas trop fortement électronégatifs. Lénergie des électrons accélérés devient suffisante pour ioniser le gaz, doù une multiplication délectrons disponibles pour contribuer au courant danode. On a alors une avalanche exponentielle délectrons. 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > a. Mécanisme de décharge EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

8 Premier coefficient de Townsend 8 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > a. Mécanisme de décharge EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

9 Capture électronique 9 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > a. Mécanisme de décharge Dans les gaz fortement électronégatifs, comme lhexafluorure de soufre (SF 6 ), un électron peut être capturé par une molécule du gaz pour former un ion négatif stable : e – + Z Z – Dans ces conditions, les électrons disponibles pour produire lavalanche sont un peu moins nombreux que dans le cas précédent, une certaine fraction dentre eux étant capturée par les molécules du gaz. est appelé coefficient dattachement et le courant à lanode est donné par la relation : EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

10 Décharge avec émission secondaire La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > a. Mécanisme de décharge Lémission secondaire est une émission délectrons à la cathode, due au bombardement par les ions positifs. Pour une tension assez élevée, les ions formés au cours des collisions avec les électrons sont accélérés en direction de la cathode, avec une énergie suffisante pour provoque lémission dune nouvel électron, dit électron secondaire. Avec le processus démission secondaire, le courant à lanode est donné par : est le second coefficient de Townsend ; il dépend principalement de la nature du gaz et de létat de surface des électrodes. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

11 Décharge disruptive 11 Lorsquon cherche à imposer une tension croissante, on aboutit à une décharge disruptive ou claquage diélectrique. En pratique, on observe une brusque aug- mentation du courant et une chute de la tension : limpédance du milieu gazeux seffondre. Ce phénomène crée un canal ionisé à travers le matériau et saccompagne de divers effets lumineux, sonores, chimiques, etc. 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > b. Tension disruptive, loi de Paschen Dans les gaz ou les liquides, lapparition dune décharge disruptive est souvent appelée claquage ou amorçage. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

12 La limite à laquelle le courant danode tend vers linfini correspond à la rupture diélectrique du gaz (ou claquage). Lors du claquage, la décharge devient fortement lumineuse et limpédance du canal ionisé tombe subitement : le courant augmente fortement et la tension seffondre. Compte tenu de la relation donnant à partir de la théorie cinétique des gaz, on obtient la Loi de Paschen donnant la tension disruptive en fonction du produit de la pression p du gaz par lécartement d des électrodes : k, A et C : constantes dépendant du gaz et de la température. Loi de Paschen La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > b. Tension disruptive, loi de Paschen [20] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

13 Courbes de Paschen 13 Courbe de Paschen dans lair Courbe de Paschen dans le SF 6 Source : CEI La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > b. Tension disruptive, loi de Paschen EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

14 Statistique des claquages en choc 14 Lorsquun choc de tension est appliqué sur un intervalle dair, on observe que : -Au-dessous dune certaine valeur de crête de tension, il ny a pas de claquage. -Au dessus de ce seuil, la probabilité damorçage passe de 0% à 100% quand la tension saccroît. On caractérise lintervalle dair par sa tension U d,50 : valeur de crête de la tension pour laquelle la probabilité damorçage est de 50%. Cette valeur est déterminée par interpolation, dans un diagramme gausso-arithmétique. 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > b. Tension disruptive, loi de Paschen EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

15 Décharge luminescente 15 Dans un tube fluorescent (gaz à basse pression, entre 100 et 5000 Pa) ou dans les ampoules à gaz à haute pression (xénon, krypton, mercure, sodium : 10 5 – 10 6 Pa), le dépassement de la limite disruptive conduit à une décharge luminescente, caractérisée par : laugmentation du courant laugmentation de la surface émissive de la cathode (régime normal), puis… laugmentation de la tension lorsque toute la surface cathodique est devenue émissive (régime anormal). 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > c. Décharge luminescente Dans la décharge luminescente, la cathode reste froide. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

16 Effet de couronne 16 Définition :Leffet de couronne consiste en lapparition daigrettes et deffluves autour dun conducteur porté à un potentiel élevé. On appelle effluve, la décharge électrique faiblement lumineuse et ne produisant pas de bruit particulier. Les effluves correspondent à la fin de la zone de Townsend 2, proche du claquage. On appelle aigrette la décharge électrique intermittente en forme de houppe mobile. Elle est généralement accompagnée dun sifflement ou dun crépitement. Les aigrettes constituent un état instable de la décharge, sous forme daller et retour entre la zone de Townsend 2 et la zone de claquage. 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > c. Effet de couronne Leffet de couronne peut être indésirable (par exemple autour des lignes à haute tension), ou au contraire mis à profit dans certaines applications : générateurs électrostatiques, traitement de surface, xérographie, production dozone, etc. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

17 Effet de couronne sur ligne coaxiale 17 Lorsquon applique une tension croissante à une ligne coaxiale de rayons R 1 et R 2, la décharge disruptive survient à partir dun seuil de tension, U C. Deux cas sont à distinguer : R 1 < R 2 /e Apparition dune zone ionisée, de rayon croissant, autour du conducteur central ; puis amorçage dune étincelle. R 1 > R 2 /e Amorçage dune étincelle sans effet de couronne. Correction de Peek E do : champ disruptif standard. K et m : facteurs de correction 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > c. Effet de couronne [21] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

18 Lignes mono- et triphasées La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > c. Effet de couronne Pour une ligne monophasée, avec une distance D entre les conducteurs de rayon R, la valeur efficace de la tension dapparition de leffet de couronne est donnée par : Pour une ligne triphasée symétrique dans laquelle les trois conducteurs sont disposés en triangle équilatéral, leffet de couronne apparaît dès que les tensions simples atteignent la valeur : EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

19 Effet de couronne dans les réseaux 19 Les lignes électriques sont dimensionnées pour éviter leffet de couronne. Celui-ci se produit toutefois dans différents cas: -par temps pluvieux ou par brouillard. Les gouttes ou gouttelettes deau favorisent lapparitions daigrettes autour des conducteurs ; 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > c. Effet de couronne -lorsque les conducteurs ou les isolateurs de la ligne commencent à être pollués, comme cela finit forcément par arriver après un certain nombre dannées ; -lorsquun conducteur ou un isolateur est devenu défectueux, à la suite dune rupture mécanique localisée. Dans ce cas, les perturbations engendrées par leffet de couronne peuvent servir à localiser le défaut. Ce sont bien les gouttes qui produisent cet effet; lhumidité a normalement leffet inverse, sauf quand elle produit de la condensation sur les conducteurs. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

20 Pertes dues à leffet de couronne 20 Pour U S 1,8 U C, les pertes de puissance active par phase, dues à leffet de couronne, sont données par la formule de Peek : P : perte de puissance active par unité de longueur [W/m = kW/km] f : fréquence du réseau U S : tensions simples 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > c. Effet de couronne Lexpérience montre cependant que les pertes varient fortement selon létat de surface des conducteurs, qui lui-même dépend de facteurs climatiques, ainsi que du vieillissement des conducteurs. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

21 Pertes dues à leffet de couronne La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > c. Effet de couronne Les pertes dues à leffet de couronne deviennent négligeables, par rapport aux pertes par effet Joule, pour les lignes de grandes longueurs. U S / U C 11,21,41,61,8 F 0,050,080,313,5 Pour U S < 1,8 U C, les pertes de puissance active par phase, dues à leffet de couronne, sont données par la formule de Peterson : Le facteur F dépend du rapport U S / U C : EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

22 Perturbations électromagnétiques 22 Leffet de couronne engendre un rayonnement électromagnétique Exemples de variation du champ électrique perturbateur, tirés de la norme CISPR La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > c. Effet de couronne Une différence de 20 dB est régulièrement observée entre les niveaux des champs électriques perturbateurs mesurés par temps sec et par temps pluvieux. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

23 Perturbations acoustiques 23 Les fréquences sonores émises par leffet de couronne dans le réseau électrique sont principalement comprises entre 2 et 15 kHz. Exemple de spectre sonore enregistré sur une installation moyenne tension. Source :CIRED 19 th International Conference on Electricity Distribution Vienna, May 2007, Paper La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > c. Effet de couronne EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

24 Production dozone 24 La production dozone autour des lignes à haute tension est généralement modérée. Des mesures réalisées sous des lignes haute tension ont montré des concentration dozone de lordre de 0,004 ppm dozone par temps sec et jusquà 0,009 ppm par temps pluvieux. Source :Nadine May, Eco-balance of a Solar Electricity Transmission from North Africa to Europe (Thèse) Technical university of Braunschweig (2005). Les seuils de toxicité de lozone, pour des effets réversibles (sensibilité bronchitique) correspondent à 0,1 ppm pendant 7 heures ou 0,35 ppm pendant 1 heure. Dose létale : 50 ppm pendant 30 minutes. Source :Centre canadien dhygiène et de sécurité au travail.Centre canadien dhygiène et de sécurité au travail 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > c. Effet de couronne La limite admise dans latmosphère (en Suisse) est de 120 g/m 3, soit un peu moins de 1 ppm. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

25 Utilisation de leffet de couronne 25 Production dozone pour purifier : élimination des bactéries dans leau et dans lair, oxydation des métaux lourds dans les rejets industriels. pour blanchir : aliments, papier, textiles… Production dions pour (dé)charger : élimination des charges statiques, xérographie. pour séparer : analyse chimique, élimination de poussière… pour la santé : ioniseurs dairs. Générateur corona 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > c. Effet de couronne EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

26 Larc électrique 26 Définition :Larc électrique est une décharge électrique autonome transportant un fort courant sous une faible différence de potentiel. Caractéristique I – U dun arc dans lazote à 2,2 atm., entre des électrodes en cuivre distantes de 3 mm. Source :Jose Gonzalez-Aguilar et al., A Theoretical Study of a Cutting Air Plasma Torch, IEEE Transactions on plasma science, vol. 27, no. 1, février 1999, p La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > d. Larc électrique Avec larc, la cathode devient chaude. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

27 27 Contrairement à la décharge luminescente : larc noccupe quune zone très limitée sur la cathode et sur lanode (spots anodique et cathodique) les électrodes sont chaudes et lémission des électrons à la cathode est due en partie à leffet thermoélectronique. lémission par effet de champs joue aussi un rôle - du fait du fort gradient de tension près des électrodes – et devient prépondérante dans les applications où les électrodes sont refroidies. 1. Charge despace ionique. 2. Zone cathodique. 3. Colonne positive. 4. Zone anodique 5. Charge despace électronique Caractéristiques de larc 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > d. Larc électrique Échelle de Jacob: [Clip-1] [Clip-1] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

28 Stabilité de larc 28 Dans un circuit électrique simple, larc a deux points déquilibre, un stable et lautre instable. Le point A est un point de fonctionnement instable, alors que B est stable. 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > d. Larc électrique [22] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

29 Stabilisation de larc 29 Stabilisation par rotation Par le mouvement de rotation, le gaz froid (lourd) est rejeté vers la périphérie, tandis que le plasma (beaucoup plus léger) se trouve confiné au centre. Application : recherche Stabilisation par colonne Larc est confiné dans un cylindre dont les parois peuvent être refroidies à leau. Application : lampe à arc (cylindre de confinement est en quartz). Stabilisation par vortex Larc est stabilisé par injec- tion tangentielle deau. Application : arcs de grande longueur (découpe, vitrification, traitement des déchets). 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > d. Larc électrique EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

30 Déstabilisation de larc 30 On cherche à déstabiliser larc : -dans les systèmes où larc est utilisé indirectement, pour produire des tensions transitoires, par exemple, afin de limiter lérosion des électrodes ; -dans les systèmes de coupure, pour assurer lextinction. 4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > d. Larc électrique Quelques photos de décharges [23] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

31 31 B. Décharge dans les liquides et les solides 4. La décharge électrique > B. Décharge électrique dans les liquides et les solides EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

32 Claquage dans les liquides 32 Le courant qui sétablit dans un liquide isolant, en fonction de la tension (ou du champ E ) passe schématiquement par 3 étapes, avant le claquage. 4. La décharge électrique > B. Décharge électrique dans les liquides et les solides Le courant ohmique qui sétablit à faible champ est essentiellement tributaire des impuretés présentes dans le liquide. Il nexiste pas de « Loi de Paschen » dans les liquides. [24] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

33 Claquage dans les solides 33 Divers processus peuvent conduire au claquage dans un solide. Le claquage thermique dû à lélévation de la température par effet Joule (à basse fréquence) ou par résonance avec la polarisation par orientation (autour du MHz). Le claquage électromécanique dû aux forces de compression provoquée par le champ électrique. Le claquage par streamer dû au déclenchement dune avalanche électronique. Le claquage par érosion dû essentiellement à leffet des décharges partielles sur le long terme. 4. La décharge électrique > B. Décharge électrique dans les liquides et les solides Dans les isolants solides, la décharge disruptive est appelée : perforation, lorsquelle traverse le matériau en y produisant souvent des dégâts irréversibles. contournement, lorsque larc ne traverse pas lisolant mais suit sa surface externe ou un chemin extérieur. [25] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

34 34 C. Décharge dans le « vide » 4. La décharge électrique > C. Décharge électrique dans le vide EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

35 Haute tension sous « vide » 35 Des intervalles « vides » soumis à des hautes tensions sont utilisés dans différents domaines : 4. La décharge électrique > C. Décharge électrique dans le vide Dispositifs de coupure sous vide Séparateurs, purificateurs Tubes à rayons X, spectromètre Accélérateurs de particules Canon à électrons, microscopes électroniques Tubes à vide, klystrons, gyrotrons, magnétrons. Les dispositifs de coupure sous vide : sont conçus pour supporter des arcs ; travaillent principalement en AC. Dans les autres applications : la rupture diélectrique de lintervalle est un accident destructeur ; Les tensions utiles sont continues ou impulsionnelles. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

36 Claquage dans le « vide » La décharge électrique > C. Décharge électrique dans le vide La tension de claquage dun intervalle « vide » dépend de nombreux facteurs : Le type et de la pression des gaz résiduels, les matériaux et létat de surface des électrodes, leur température et les impuretés qui sy trouvent, la nature des matériaux formant lenceinte à vide, etc. Dans le vide, lémission par effet de champ joue un rôle étonnamment important. Selon léquation de Fowler-Nordheim, la densité de courant J émise à la surface de lélectrode vaut, en fonction du champ électrique E et de lénergie dextraction des électrons W él : avec : A = 1, ; B = 6, Une évaluation numérique montre que le champ à la surface des électrodes devrait être au moins 100 fois supérieur au champ homogène, ce qui nest pas complètement élucidé. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

37 Claquage dans le « vide » La décharge électrique > C. Décharge électrique dans le vide Les tests de rigidité diélectrique dun intervalle « vide » ne sont généralement pas reproductibles. Chaque claquage modifie la composition du gaz et létat de surface des électrodes. Importance du conditionne- ment, avant la mise en service. Source :Cahier technique n°198 du groupe Schneider Electric : La coupure du courant électrique dans le vide EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

38 Dispositifs de coupure 38 Lors de louverture dun disjoncteur, des ponts métalliques sont vaporisés. Tant que le disjoncteur est fermé, les électrodes sont écrasées lune contre lautre. Dans les premiers instants de la séparation des électrodes, la pression qui les maintenait ensemble diminue, la séparation ne seffectue pas instantanément sur toute la surface: il reste des ponts métalliques dans lesquels se concentre le courant qui, de ce fait, les chauffe puis les vaporise. 4. La décharge électrique > C. Décharge électrique dans le vide Disjoncteur en train de souvrirDisjoncteur fermé EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

39 Autres applications 39 Caractéristiques tension – courant dun intervalle « vide ». Dans les applications où lon veut éviter le claquage diélectrique, lenregistrement des prédécharges peut servir de signal dalarme. 4. La décharge électrique > C. Décharge électrique dans le vide Apparition de prédécharges dans un intervalle « vide », en DC. Pression résiduelle : A : Pa B : Pa Source : Rod Latham, The operational characteristics of practical HV gaps, dans : High Voltage vaccum insulation, Academic Press (1995), p. 25. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

40 40 D. La foudre 4. La décharge électrique > D. La foudre EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

41 La foudre 41 Les cumulonimbus Ces énormes nuages se chargent en général positivement en haut. Les éclairs peuvent être du type nuage-sol, intranuage ou internuages. On parle de coup de foudre positif lorsque cest la partie positive du nuage qui se décharge. Les coups de foudre négatifs sont beaucoup plus fréquent sous nos latitudes (environ 80-90%). 4. La décharge électrique > D. La foudre Source : Claude Gary, Les propriétés diélectriques de lair et les très hautes tensions, Eyrolles (1984) p.107 Profil de champ électrique au niveau du sol, sous un cumulonimbus EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

42 Éclairs ascendants et descendants 42 Coup de foudre ascendant Un traceur part dune aspérité en direction du nuage en se ramifiant. Chaque fois quune ramification atteint le nuage, un arc en retour se produit. Tous les arcs en retour visible sur la photo sont en réalité légèrement décalés dans les temps. Source : Site web The Bad Pets ListsThe Bad Pets Lists Coup de foudre descendant Les coups de foudre descendants sont plus fréquents sur sol plat. Le traceur part du nuage et se propage par bonds. Source : Site web de Northern Arizona Wind & SunNorthern Arizona Wind & Sun 4. La décharge électrique > D. La foudre EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

43 Le courant de la foudre La décharge électrique > D. La foudre Source : Davide Pavanello, Electromagnetic Radiation from Lightning Return Strokes to Tall Structures, thèse de doctorat de lécole polytechnique fédérale de Lausanne, n° 3713 (2007) p. 94. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

44 La protection des bâtiments et des lignes électriques, contre les chocs de foudre directs, est obtenue à laide dun conducteur de protection. Le paratonnerre Les bâtiments sont protégés dun choc de foudre direct par un paratonnerre dont on peut évaluer lefficacité en le modélisant par une tige conductrice verticale, reliée à la terre à son extrémité inférieure. Le câble de garde Les lignes aériennes du réseau électrique sont protégées dun choc direct par un ou plusieurs conducteurs, placé(s) parallèlement aux conducteurs de phase et au-dessus deux. Il est relié à la terre par lintermédiaire de chaque pylône. Protection contre la foudre La décharge électrique > D. La foudre EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

45 Un modèle relativement simple, applicable aux chocs de foudre descendants négatifs, est largement utilisé pour évaluer lefficacité des conducteurs de protection contre la foudre. Le modèle électrogéométrique La décharge électrique > D. La foudre Le modèle est fondé sur lexistence dune relation donnant la distance damorçage d en fonction du courant de foudre I : Par définition, léclair éclate sur un objet mis à la terre, dès que le traceur par bond arrive à une distance de cet objet inférieure à d. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

46 Pour une distance d donnée, une tige verticale est entourée dune zone dans laquelle un traceur sera capté par la pointe de la tige. Surface de capture :surface S du plus grand cercle appartenant à la zone de capture, soit :si d < H si d > H Zone de capture dune tige verticale La décharge électrique > D. La foudre EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

47 La surface de capture est dautant plus faible que le courant de foudre est plus faible. Zone de capture dune tige de 30 m La décharge électrique > D. La foudre Cest un fait souvent vérifié dans la pratique, que les éclairs les plus faibles sont les moins bien captés par les paratonnerres. Éclair de faible intensité. Le point P est à lextérieur de la zone de capture Éclair de forte intensité. Le point P est à lintérieur de la zone de capture Courant de foudre [kA] Zone de capture [m] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

48 1. Dans une ligne à haute tension, il faut considérer le conducteur le plus exposé (en rouge sur les figures ci-dessous). Protection dune ligne La décharge électrique > D. La foudre EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

49 2. Évaluation du courant critique : valeur de courant au-dessus de laquelle un court-circuit se produit entre phases ou entre une phase et la terre. Protection dune ligne La décharge électrique > D. La foudre Courant de foudre inférieur au courant critique : amorçage sur une protection Courant de foudre supérieur au courant critique : court-circuit sur un isolateur EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

50 3. À un courant critique donné correspond une distance damorçage critique d c. Ceci permet de construire un arc de cercle sur lequel devrait se trouver le conducteur de garde, de manière à assurer la protection du conducteur de phase le plus exposé. Impact sur conducteur horizontal La décharge électrique > D. La foudre La croix bleue indique une position possible du conducteur de garde, soit sur laxe du pylône (cas de gauche), soit en dehors de laxe (cas de droite), selon les caractéristiques de linstallation. En effet, on voit sur la figure de gauche que tous les points de la zone III sont au-dessus de la bissectrice de langle AMB, qui est aussi la médiatrice du segment AB. Ils sont donc plus proches de B que de A. [26] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

51 Protection des bâtiments La décharge électrique > D. La foudre Densité de foudroiement [coup / an / km 2 ] Surface de capture [ km 2 ] = Probabilité de foudroiement [coup / an ] 1. La surface de capture se compose de : - lemprise au sol - une bande de largeur = 2 la hauteur Surface de capture : 0,0035 km 2 Densité de foudroiement : 3 Probabilité de foudroiement : 0,0105 coup / an 1 coup tous les 95 ans EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

52 Densité de foudroiement La décharge électrique > D. La foudre Source : Site web National Weather ServiceNational Weather Service EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

53 Protection des bâtiments La décharge électrique > D. La foudre Niveau de protection : I 99.5 % (dépôts de carburant, de munition; centres de calculs) II 95 % (salles de spectacle, hôtels, hôpitaux, églises, musées) III 85 % (grands bâtiments: immeubles, fermes ; cabanes) IV 70 % (non soumis à lobligation de protection en Suisse) 2. 1 coup tous les 95 ans Niveau III 1 coup tous les 633 ans } a. Système Franklin : protection par des pointes hauteur des pointes b. Système Faraday : protection par des mailles taille des mailles 3. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

54 3a. Protection « Franklin » La décharge électrique > D. La foudre Dimensionnement par la méthode de langle de protection Angles de protection en fonction de la hauteur au- dessus du plan de référence et du degré de protection EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

55 3a. Protection « Franklin » La décharge électrique > D. La foudre Dimensionnement par la méthode de la sphère fictive Niveau I II III IV Rayon R [m] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

56 3b. Protection « Faraday » La décharge électrique > D. La foudre Niveau I II III IV Mailles [m] 5 x 5 10 x x x 20 EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

57 Distribution des courants La décharge électrique > D. La foudre Les éclairs ayant les courants les plus faibles ne seront pas captés. Niveau de protection souhaité Courant de foudre minimal Distance de capture minimale Rayon de la sphère fictive EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

58 Sacrée foudre ! 58


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