Chapitre 6 Mesure en haute tension A. Mesure des charges statiques B. Mesure des tensions a. Éclateurs b. Diviseurs de tension c. Transformateurs de tension C. Mesure des courants D. Caractéristiques des matériaux isolants a. Résistance électrique b. Capacité et facteur de pertes c. Rigidité diélectrique d. Décharges partielles Suite EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Mesure en haute tension (suite) E. Mesures de terre a. Principes de la mise à terre b. Effets physiologiques des courants c. Résistivité de la terre d. Impédance des prises de terre F. Mesure des champs électriques et magnétiques a. Champs magnétiques b. Champs électriques c. Équipements d. Effets biologiques des champs et protection des personnes G. Autres mesures a. Distribution des charges dans les isolants b. Détection de défauts dans les câbles c. Température des transformateurs EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 6. Mesure en haute tension Système de mesure en HT Définition de la CEI 60060-2, Techniques des essais à haute tension Définition : Un système de mesure en haute tension est un ensemble complet de dispositifs utilisable pour réaliser une mesure de haute tension continue, alternative ou de choc, ainsi que de courant impulsionnel, lors d’essais mettant en œuvre de telles tensions ou de tels courants. Les résultats de mesure devront préciser : l’incertitude sur les grandeurs mesurées ; l’aspect éventuellement aléatoires des phénomènes en jeu ; une éventuelle détérioration progressive de l’objet sous test, lors d’une application répétée de la tension. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

A. Mesure des charges statiques Cours de haute tension - SEL, Bachelor semestre 5 6. Mesure en haute tension > A. Mesure de charges statiques A. Mesure des charges statiques EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Voltmètre électrostatique 6. Mesure en haute tension > A. Mesure de charges statiques Voltmètre électrostatique Le voltmètre électrostatique permet la mesure de potentiels élevés sous faible charge. Le voltmètre électrostatique est un condensateur dont une des plaques est mobile. Lorsque le condensateur est chargé, les plaques s’attirent mutuellement et le mouvement de la plaque mobile est agrandi et visualisé sur une échelle. Le voltmètre électrostatique peut mesurer des tensions entre 50 V et 1 MV, avec une impédance d’entrée qui atteint 10 TW. © EPFL - LRE 2008 Voltmètre électronique +/- 10 kV, 1 GW. Les voltmètres électrostatiques sont aussi utilisables en AC, jusqu’à quelques mégahertz.  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Cours de haute tension - SEL, Bachelor semestre 5 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions B. Mesure des tensions EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > a. Éclateur Éclateur à sphères L’éclateur à sphères est la référence normalisée pour la mesure des hautes tensions. La norme CEI 60052 spécifie la conception et l’utilisation des éclateurs à sphères pour la mesure : des tensions alternatives à fréquence industrielle ; des tensions de chocs de foudre et de manœuvre ; des tensions continues. © EPFL - LRE 2008 Pour les chocs, les valeurs des tensions d’amorçage dépendent de la polarité.  En DC, la CEI recommande plutôt l’éclateur pointe – pointe.  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > a. Éclateur Tensions de claquages Tensions de claquage aux conditions atmosphériques standards, applicables en AC 50 Hz, DC, ainsi que chocs de foudre et de manœuvre en polarité négative EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Corrections atmosphériques 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > a. Éclateur Corrections atmosphériques Les tensions de claquage données par les document CEI sont valables aux conditions atmosphériques suivantes : Température standard To : 293 K (= 20°C) Pression standard Po : 101,3 kPa Humidité absolue standard Habs : 8,7 g/m3 ( Hrel = 50% à Po et To) Dans des conditions différentes, une valeur de tension Ud , tirée des tableaux précédents doit être corrigée par une facteur de correction atmosphérique K. La tension réelle Ur est donnée par : Ur = Ud . K, avec K  d  k : (densité) (humidité) P : pression atmosphérique [kPa] ; T : température [K] ; Habs : humidité absolue [g/m3] [35] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Éclateur pointe – pointe 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > a. Éclateur Éclateur pointe – pointe Selon la norme CEI 60052 : « L’éclateur pointe-pointe est recommandé pour la mesure des tensions continues. » Les « pointes » sont en réalité des cylindres coupés perpendiculairement à leur axe, avec des « bords saillants » d’où la décharge va s’amorcer. Dans les conditions climatiques standards, la tension disruptive est donnée par la relation empirique (pour d > 250 mm) : © IEC 60052 EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > b. Diviseurs de tensions Le diviseur résistif Dans la pratique courante, les hautes tensions continues sont mesurées à l’aide de diviseurs résistifs. Deux problèmes apparaissent dans le dimensionnement d’un diviseur résistif destiné à la mesure des hautes tensions : L’échauffement des résistances. La résistance parasite des supports. Un éclateur de protection est nécessaire pour protéger l’instrument de mesure, en cas d’ouverture accidentelle de la branche basse tension du diviseur.  [36] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > b. Diviseurs de tensions Le diviseur capacitif Les hautes tensions alternatives peuvent être mesurées à l’aide de diviseurs capacitifs. L’avantage du diviseur capacitif est qu’il consomme très peu d’énergie active. En pratique, le calcul du rapport de transformation d’un diviseur capacitif doit prendre en considération les capacités parasites, contre terre et contre l’électrode haute tension, la capacité du câble coaxial qui sert à la mesure de la tension u2 , ainsi que la capacité de l’éclateur de protection. [37] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Le diviseur capacitif de crête 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > b. Diviseurs de tensions Le diviseur capacitif de crête Les valeurs de crête des hautes tensions de choc peuvent être mesurées à l’aide d’un diviseur capacitif combiné à une capacité de mesure. La capacité de mesure CM , qui est chargée à la valeur de crête de la tension de choc, doit être assez grande pour que sa décharge dans la résistance d’entrée de l’instrument de mesure de U2 soit lente (constante de temps d’au moins dix secondes). Des dispositifs de mesure de la valeur de crête ont aussi été utilisés pour des tensions alternatives. Dans ce cas, il suffit que la constante de temps soit grande par rapport à la période.  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Le diviseur capacitif – résistif 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > b. Diviseurs de tensions Le diviseur capacitif – résistif Les tensions comportant des fréquences élevées, en particulier des tensions de choc, sont mesurées à l’aide de diviseurs capacitif – résistif. De tels diviseurs présentent l’avantage d’éliminer les oscillations dues aux inductances parasites. Diviseur C – R parallèle Diviseur C – R série [38] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Le transformateur de tension 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > c. Transformateurs de tensions Le transformateur de tension Dans les réseaux électriques, la tension est surveillée par des transformateurs de mesure. Définition : le transformateur de tension est un transformateur de mesure dans lequel la tension secondaire est pratiquement proportionnelle à la tension primaire et déphasée par rapport à celle-ci d’un angle approximativement nul. Skipperseil Transformateur de tension 33 kV / 110 V Le transformateur de tension est aussi appelé transformateur de potentiel (TP).  [39] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Transformateur de tension capacitif 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > c. Transformateurs de tensions Transformateur de tension capacitif Le transformateur de tension dit « capacitif », utilisé dans les réseaux électriques, combine un diviseur capacitif à un transformateur de tension. Le primaire du transformateur et la branche basse tension du diviseur forme un circuit résonant. Avantages du transformateur de tension capacitif La résonance permet d’obtenir un courant plus important à la sortie, d’où une meilleure immunité aux perturbations pour des mesures transmises à grande distance. Le circuit résonant fonctionne comme un filtre qui élimine les tensions transitoires. Construction économique jusqu’à des niveaux de tension très élevés (MV) www.cglonline.com EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Cours de haute tension - SEL, Bachelor semestre 5 6. Mesure en haute tension > C. Mesure des courants C. Mesure des courants EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Transformateur de courant 6. Mesure en haute tension > C. Mesure des courants Transformateur de courant Dans les réseaux électriques, le courant est mesuré par des transformateurs de mesure. Définition : le transformateur de courant est un transforma- teur de mesure dans lequel le courant secondaire est pratiquement proportionnel au courant primaire et déphasée par rapport à celui-ci d’un angle approximativement nul. Transformateur de courant isolé à l’huile 170 kV Courant primaire < 4000 A Les transformateurs de courant qui s’ouvrent sont souvent appelé pince ampèremétrique.  Transformateur de courant moyenne tension isolé à l’air EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Transformateur de courant HF 6. Mesure en haute tension > C. Mesure des courants Transformateur de courant HF La mesure des courants impulsionnels (foudre, DES…) est possible avec des transformateurs de courants dimensionnés pour les hautes fréquences. Les transformateurs de courant HF sont aussi appelé sonde de courant.  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Transducteur magnéto-optique 6. Mesure en haute tension > C. Mesure des courants Transducteur magnéto-optique Les transducteurs magnéto-optiques (MOCT : Magneto-Optic Current Transformer) fonctionnent selon l’effet Faraday. Avantages Excellent précision, de quelques ampères à plusieurs kA. Linéarité parfaite (pas de noyau magnétique). Pas de secondaire  sécurité de l’utilisateur Encombrement et poids réduits. Transducteur magnéto-optique, jusqu’à 800 kV Courant primaire < 3150 A ; courant secondaire : 1 A ABB EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 6. Mesure en haute tension > C. Mesure des courants Bobine de Rogowski Mesures de courants alternatifs ou impulsionnels La bobine de Rogowski Ce dispositif est formé d’un fil enroulé en spirale, et dont le retour se fait par le centre de la spirale. Avantages Système ouvert, permettant de mesurer un courant sans contact galvanique. Possibilité de bobine de très grandes dimensions. Utilisation Courants dans les transformateurs de puissance Courants de foudre A : aire d’une spire N : nombre de spires Mesures par transformateur de courant ! EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

D. Caractéristiques des matériaux isolants Cours de haute tension - SEL, Bachelor semestre 5 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants D. Caractéristiques des matériaux isolants EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Résistance électrique 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > a. Résistance électrique Résistance électrique Initialement, la notion de « résistance » a été définie pour les fils conducteurs. 1. Les isolants présentent toutes sortes de géométries différentes : - forme cylindrique (câbles) ; - feuille mince (condensateurs) ; - autres formes complexes. 2. La résistance transversale (résistance de volume) est souvent du même ordre de grandeur que la résistance de surface. http://news.thomasnet.com Éléments d’isolation électrique Pour optimiser la géométrie d’un objet, il faut connaître séparément les deux composantes de la résistance.  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Résistivité électrique des isolants 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > a. Résistance électrique Résistivité électrique des isolants La mesure des résistivités transversale et superficielle. Selon la norme CEI 60093, une électrode de garde sert à récupérer les courants indésirables, soit : - les courants de surface, lorsqu’on mesure la résistivité transversale rt ; - les courants de volume, lorsqu’on mesure la résistivité superficielle rs . avec : Échantillon en forme de disque (électrodes circulaires) EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Mesure de résistance d’isolement 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > a. Résistance électrique Mesure de résistance d’isolement La mesure de la résistance d’isolement est déterminante pour évaluer le bon fonctionnement de l’isolation. La résistance d’isolement est typiquement de l’ordre des GW. Mesure à basse tension  courant très faible Méthodes de mesure À l’aide d’un nanoampèremètre (très sensible et délicat) À l’aide d’un voltmètre réel, en série dans le circuit. La résistance d’entrée du voltmètre, qui est typiquement de 1 MW, fonctionne comme un shunt. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > b. Capacité et facteur de pertes Pont de Schering Dans un condensateur haute tension, la permittivité et la résistivité de l’isolant se traduisent par une capacité et un facteur de pertes. Ces deux grandeurs sont mesurées simultanément, à l’aide du pont de Schering, qui est une variante du pont de Wheatstone. Uni Hanovre Harald Schering (1880-1959) À l’équilibre : [40] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Le pont de Schering du LRE 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > b. Capacité et facteur de pertes Le pont de Schering du LRE © EPFL - LRE 2008 Condensateur étalon au SF6 6,5 atm, 103 pF tgd < 10-5 © EPFL - LRE 2008 C2 R2 R1 Pont de Schering Normalisation : CEI 60250, Méthodes recommandées pour la détermination de la permittivité et du facteur de dissipation des isolants électriques aux fréquences industrielles audibles et radioélectriques  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Mesure de rigidité diélectrique 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > c. Rigidité diélectrique Mesure de rigidité diélectrique La rigidité diélectrique d’un isolant liquide ou solide peut être mesurée en tension continue, alternative ou de choc. Le principe consiste simplement à appliquer une tension croissante sur l’objet en essai, jusqu’à ce que le claquage diélectrique survienne. Électrodes destinées à la mesure de la rigidité diélectrique des échantillons solides en forme de feuilles ou de plaques Cellule d’essai destinées à la mesure de la rigidité diélectrique des échantillons liquides EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Rigidité diélectrique à 50 Hz 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > c. Rigidité diélectrique Rigidité diélectrique à 50 Hz L’enregistrement de toute la montée en tension, sur un oscilloscope possédant une mémoire suffisante, permet à la fois de vérifier la vitesse de montée et la forme de la tension. 1 s / div  20 mS / div  © EPFL - LRE 2008 [41] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Mesure de décharges partielles 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > d. Décharges partielles Mesure de décharges partielles Mesure directe Les décharges partielles, qui correspondent à des courants HF, donnent une tension relativement élevée sur Zm , superposée à une faible composante 50 Hz.  Cx : objet en essai ; Ck : condensateur de couplage (  Cx ) Ig , Ik et It : courants à 50 Hz. Ic : courants HF dû à une DP. Zm : impédance de mesure. Um : tension mesurée. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Variation en fonction de la tension Cours de haute tension - SEL, Bachelor semestre 5 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > d. Décharges partielles Variation en fonction de la tension La tension appliquée est successivement croissante, puis décroissante. Exemple d’un niveau de DP à plusieurs seuils, sans hystérèse Exemple d’un niveau de DP avec hystérèse EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Mesure de décharges partielles 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > d. Décharges partielles Mesure de décharges partielles Mesure en pont Par rapport à la mesure directe, des éléments variables sont ajoutés dans les deux branches (Cx et Ck). Le réglage de ces éléments permet de minimiser l’effet sur Um des perturbations d’origine externe à l’objet en essai. Circuit de mesure avec un pont comportant les éléments variables Rx , Rv et Cv [42] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Dispositif de mesure de DP au LRE 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > d. Décharges partielles Dispositif de mesure de DP au LRE © EPFL - LRE 2008 Condensateur de couplage 1 nF, 200 kV © EPFL - LRE 2008 Détecteur << Visualisation Modules de filtrage et de fenêtrage Pont [Clip-3] [Clip-4] [Clip-5] [Clip-6] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Cours de haute tension - SEL, Bachelor semestre 5 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre E. Mesures de terre EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Principes de la mise à terre 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > a. Principes de la mise à terre Principes de la mise à terre La qualité d’une mise à la terre joue un rôle important dans son aptitude à assurer la sécurité des personnes. Deux sources de danger liées aux mises à la terre : la tension de contact (ou de toucher) la tension de pas. Définitions : La tension de contact est la fraction de la tension de prise de terre à laquelle est exposé le corps humain entre la main et le pied (distance horizontale du point de contact : 1 m). La tension de pas est la fraction de la tension de prise de terre à laquelle on peut être exposé en faisant un pas de 80 cm. La montée en tension de la prise de terre devient critique dans 2 cas : en cas de défaut d’isolation d’un équipement ou d’une installation ; en cas de foudroiement d’une installation. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Efficacité de la mise à la terre 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > a. Principes de la mise à terre Efficacité de la mise à la terre Le dispositif de mise à la terre doit assurer dans tous les cas la sécurité des personnes. Tension de pas ↓ Tension de contact ↓ Défaut d’isolation → Surtension de foudre → EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

L’appareil et son utilisateur 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > a. Principes de la mise à terre L’appareil et son utilisateur Une connexion de terre n’est jamais parfaite : La connexion comporte 2 impédances : - l’impédance de la ligne de connexion, ZL ; - l’impédance de contact avec la terre, Zt . Tensions de contact. La personne est modélisée par : - l’impédance du corps, Zc ; - l’impédance de contact avec la terre, Zct . Tension de pas. Le modèle comporte : - les impédances des jambes, Zc1 et Zc2 ; - lest impédances de contact, Zt1 et Zt2 . La terre elle-même a une impédance : - impédance du sol, Zs    EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Cas de la tension de pas up Cas de la tension de contact uc 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > a. Principes de la mise à terre Les schémas complets Cas de la tension de pas up Situation la plus critique Zct1 = Zct2 = 0 et Zs1 = 0 (proximité) Cas de la tension de contact uc Situation la plus critique : Zct = 0 (L’homme est à pieds nus dans l’eau) EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Schémas d’alimentation 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > a. Principes de la mise à terre Schémas d’alimentation Schémas d’alimentation du réseau électrique de distribution. Schéma TT (terre-terre) Schéma TN-C (terre-neutre combinés) Schéma TN-S (terre-neutre séparés) Le choix d’un schéma dépend de la section des conducteurs et des courants de court-circuit. Chaque schéma conduit à des impédances différentes par rapport à la terre. Cahier technique n°62 de Schneider Electric Compléments facultatifs Liaisons équipotentielles EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

L’impédance de l’être humain 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > b. Effets physiologiques des courants L’impédance de l’être humain Mesures réalisées sur des personnes vivantes, trajet main à main CEI 60479-1, Effet du courant électrique sur l’homme et les animaux domestiques. Tension : 10 V Comportement capacitif Impédance non linéaire Variabilité individuelle EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Les effets biologiques du courant 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > b. Effets physiologiques des courants Les effets biologiques du courant Seuils biologiques en courant alternatif Seuil de perception Seuil de douleur Seuil de non-lâcher Seuil de fibrillation Courant impulsionnel Impulsion de tension sur la phase T  fibrillation ventriculaire. Seuil de fibrillation ventriculaire pour une impulsion passant de la main aux pieds (selon CEI 60479-2). Valeur efficace calculée sur 3 x la constante de temps EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Limites applicables en Suisse 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > b. Effets physiologiques des courants Limites applicables en Suisse Les valeurs de tensions de contact et de pas admissibles sont fixées par l’Ordonnance fédérale sur le courant fort. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Mesure de résistivité de la terre 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > c. Résistivité de la terre Mesure de résistivité de la terre Mesure de la résistivité de la terre par 4 piquets équidistants. Courant injecté entre les piquets les plus éloignés Tension mesurée entre les piquets centraux.  Résistivité : EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Impédance d’une prise de terre 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > d. Impédance d’une prise de terre Impédance d’une prise de terre La détermination de l’impédance d’une prise de terre nécessite l’installation de deux électrodes de terre supplémentaires. ZX : impédance de la prise de terre étudiée ZA et ZB : impédances des électrodes supplémentaires.  Dans cette formule, la résistance de la terre est négligée  [43] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

F. Mesure de champs électriques et magnétiques Cours de haute tension - SEL, Bachelor semestre 5 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques F. Mesure de champs électriques et magnétiques EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Champs électriques et magnétiques 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques Champs électriques et magnétiques Dans le cadre de la haute tension, on est amené à mesurer principalement : Le champ électrique statique au niveau du sol, en relation avec l’étude de la foudre ou/et la prévention des dommages dus aux orages. Les champs électriques et magnétiques sinusoïdaux à fréquence industrielle ou redressés, engendrés par les installations du réseau électrique et par l’alimentation des transports électrifiés. Les champs impulsionnels rayonnés par la foudre et par les phénomènes transitoires survenant dans le réseau électrique (chocs de manœuvre, transitoires à front raide des installations au SF6 …) : perturbations CEM ; détection météo. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Champ magnétostatique 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > a. Champs magnétiques Champ magnétostatique Edwin Herbert Hall (1855-1938) Mesure du champ magnétique statique par effet Hall Apparition d’une différence de potentiel VH perpendiculaire au courant I, sous l’effet de la force de Lorentz due au champ B. RH est la constante de Hall qui vaut 6·10-11 m3/C dans le cuivre et dépend de la densité des porteurs de charges. En pratique, les sondes de Hall sont constituées de semiconducteurs, dans lesquels la relation ci-dessus n’est plus valable (conduction par les électrons et par les trous) et qui présentent un effet Hall plus marqué.  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Champ magnétostatique 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > a. Champs magnétiques Champ magnétostatique Mesure de la densité de flux magnétique statique dans le quartier de Saint-Jean (Genève) Champ mesuré au-dessus du tunnel où passe le TGV alimenté en DC (locaux publics). Pics de 40 mT environ, lors du départ d’un train. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Champs magnétiques variables 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > a. Champs magnétiques Champs magnétiques variables Mesure de champ magnétiques à l’aide d’une boucle : capteur « B dot » En supposant le champ B uniforme et perpendiculaire à la surface S de la boucle, la tension mesurée u(t) est donnée par la loi de Faraday-Lenz : En champ sinusoïdal : , et : Équation de Faraday :   EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Champ électrostatique 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > b. Champs électriques Champ électrostatique Mesure du champ électrostatique à l’aide d’un « moulin à champ ». Dans le moulin à champ, une électrode fixe et une électrode tournante ont entre elles un capacité variable. La tension de charge présente des oscillations qui peuvent être amplifiées électroniquement. JCI A-Tech.net (p.104) Ordre de grandeur : les moulins à champ exploités par la NASA pour la surveillance des zones orageuses comportent 8 secteurs et tournent à 1800 tours par minute.  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Champs électriques variables 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > b. Champs électriques Champs électriques variables Mesure de champ électrique par sonde capacitive : capteur « E dot » Flottant Avec un matériau diélectrique : capteur « D dot »    Référencé EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > b. Champs électriques Champ magnétique 50 Hz Profil de la densité de flux magnétique sous une ligne à haute tension Ligne 380 kV Conducteurs en nappe Courant : 1500 A Densité de flux magné- tique au niveau du sol Réduction possible à l’aide d’une boucle de compensation passive Courant induit dans la boucle : 538 A Electra, n°242, fév. 2009, p. 80 EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Équipements du groupe CEM 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > c. Équipements Équipements du groupe CEM Spécifications de la tête de mesure Champ électrique : 0,1 V/m – 100 kV/m Densité de flux : 10 nT – 10 mT Modes : MIN – MAX, SPECTRE, LOGGER (8000 pts) BF ( 5 Hz  100 kHz ) © EPFL - LRE 2008 Tête E – B triaxiale Fibre optique Spécifications Système de capteurs actifs interchangeables Dynamique : ~ 100 dB HF ( 150 Hz  150 MHz ) Capteur magnétique Capteur électrique Conditionneur Fibre optique Récepteur Oscilloscope Les même principe s’applique aux hautes fréquences, sauf que la restriction de base ne porte pas sur les courants induits mais sur l’échauffement des tissus. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Mesures de foudre à la CN Tower 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > c. Équipements Mesures de foudre à la CN Tower © D. Pavanello – Thèse EPFL N° 3713 (2007) p. 87 [Clip-7] [Clip-8] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Champ électrique à front raide 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > c. Équipements Champ électrique à front raide Exemple de champ électrique rayonné par une installation au SF6 , lors de la fermeture d’un sectionneur. © D. Tabara – Thèse EPFL N° 1970 p. 4 Sectionneurs Disjoncteur Installation au SF6 125 kV © D. Tabara – Thèse EPFL N° 1970 (1999) p. 155 Emax ~ 4 kV/m , f ~ 70 MHz Limite ORNI : 28 V/m ( Limite SUVA : 61 V/m )  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Autres principes de mesure 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > c. Équipements Autres principes de mesure Systèmes fondés sur des effets magnéto- / électro-optiques L’effet Kerr électro-optique. Biréfringence induite par le champ électrique. L’effet Pockels. Biréfringence induite par le champ électrique. L’effet Faraday. Activité optique non réversible induite par le champ magnétiques L’effet Kerr magnéto-optique. Polarisation par réflexion, induite par le champ magnétique La magnétorésistance. Variation de la résistance électrique induite par le champ magnétique Etc. Paramètres importants : - la bande passante - la sensibilité - l’immunité au bruit  [44] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Limitation préventive des champs 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > d. Effets biologiques et protection Limitation préventive des champs Les champs électriques et magnétiques non ionisants font l’objet de limitations légales. Recommandations émises par l’ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection). Les restrictions de base portent sur : les courants induits à basse fréquence (jusqu’à 10 MHz) ; l’échauffement des tissus à haute fréquence (de 100 kHz à 300 GHz). Les niveaux de référence portent sur les intensités des champs électriques et magnétiques. L La relation entre restrictions de base et niveaux de référence est établie par modélisation du corps humain.  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Limites d’exposition par fréquence 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > d. Effets biologiques et protection Limites d’exposition par fréquence EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Limites d’exposition par sommation 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > d. Effets biologiques et protection Limites d’exposition par sommation Les sommations tiennent compte des effets combinés de plusieurs champs de différentes fréquences. Limitation de l’échauffement à haute fréquence Limitation de courants induits à basse fréquence [45] Ces limites sont fixées par l’ORNI EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > d. Effets biologiques et protection Limites SUVA EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Cours de haute tension - SEL, Bachelor semestre 5 6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures G. Autres mesures EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Distribution des charges 6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures > a. Distribution des charges dans les isolants Distribution des charges Mesure par la méthode de l’onde de pression. Principe de la mesure Application d’un choc de pression sur une face d’un échantillon isolant chargé. Mesure du courant entre les électrodes. L’onde de pression déplace les charges au cours de sa propagation. La mesure du courant en fonction du temps permet de reconstituer la distribution spatiale des charges. L’échantillon peut être : préalablement soumis à une tension durant un certain temps ; sous tension durant la mesure (méthode de Lipp). L’onde de pression peut être produite : par un élément piézoélectrique ; par une impulsion laser à travers un liquide. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Densité de charge dans une isolation de câble au polyéthylène réticulé 6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures > a. Distribution des charges dans les isolants L’onde de pression La mesure de la distribution spatiale de la charge dans un isolant permet : de vérifier l’homogénéité du matériau ; de déceler d’éventuels défauts dans la structure ; de contrôler la qualité des interfaces, dans les isolants composites. Source : R. J. Fleming, Braz. Space charge in polymers, J. Phys. 29-2 (1999) Densité de charge dans une isolation de câble au polyéthylène réticulé Densité de charge dans une isolation formée de deux couches de polyéthylène basse densité EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Défauts dans les câbles 6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures > b. Détection de défauts dans les câbles Défauts dans les câbles Mesure par réflectométrie La défaillance d’un câble haute tension enterré pose le problème de la localisation du défaut et de la durée de mise hors service qui en résulte. Principe de la mesure Application d’une impulsion de haute tension à l’une des extrémités du câble, l’autre extrémité étant laissée en circuit ouvert. Deux impulsions secondaires sont générées au niveau du défaut et se propagent en sens inverses. Détection de l’impulsion directe et de l’impulsion réfléchie. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Localisation de défauts 6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures > b. Détection de défauts dans les câbles Localisation de défauts Paramètres mesurables L’atténuation de l’amplitude des décharges L’augmentation de leur largeur temporelle, qui donnent des informations sur le comportement fréquentiel de l’isolation. L’écart temporel Dt entre les décharges directe et réfléchie, qui permet de calculer la position x du défaut par rapport au générateur / détecteur : D = longueur totale du câble v = vitesse de propagation La vitesse de propagation se déduit de la capacité et de l’inductance linéiques du câble C’ et L’ : Source : E. Lemke, Procedure for evaluation of dielectric properties …, IEEE Symposium Montréal (1996) p.387 Sources d’erreur : les perturbations captées par le câble. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

Température des transformateurs 6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures > c. Température des transformateurs Température des transformateurs Un défaut localisé dans l’un des enroulements d’un transformateur de puissance peut conduire à un échauffement ponctuel critique (hot spot). Un échauffement excessif de l’isolation papier – huile peut conduire à un claquage et à l’arrêt du transformateur. Principe de la mesure Mesure des points chauds par fibre optique comportant des réseaux de Bragg. Un réseau de Bragg consiste en une modulation périodique localisée de l’indice de réfraction n du matériau, avec un pas L. Un tel réseau : se comporte comme un miroir pour une longueur d’onde lB = 2 n(T) L, appelée longueur d’onde de Bragg (T = température) ; est sensible à l’échauffement, par l’intermédiaire de la dépendance en température de l’indice de réfraction. Par exemple, pour un indice de réfraction de 1,5 et un pas de 0,3  , la longueur d’onde réfléchie est de 0,9  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures > c. Température des transformateurs Réseaux de Bragg Une fibre optique peut comporter jusqu’à 1000 réseaux de Bragg, accordés sur des fréquences li toutes différentes. Principe de la mesure Inscriptions des réseaux de Bragg en différents points de la fibre (laser). Enroulement de la fibre dans le bobinage du transfo, lors de la construction. Injection de lumière blanche dans la fibre : chaque réseau de Bragg réfléchit une raie de lumière correspondant à sa fréquence propre. Exemple de spectre réfléchi, avec un point chaud au niveau du réseau de Bragg correspondant à la longueur d’onde lk . EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1