CHAPITRE 6 Mesure en haute tension 1 A.Mesure des charges statiquesMesure des charges statiques B.Mesure des tensions a.ÉclateursÉclateurs b.Diviseurs.

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1 CHAPITRE 6 Mesure en haute tension 1 A.Mesure des charges statiquesMesure des charges statiques B.Mesure des tensions a.ÉclateursÉclateurs b.Diviseurs de tensionDiviseurs de tension c.Transformateurs de tensionTransformateurs de tension C.Mesure des courantsMesure des courants D.Caractéristiques des matériaux isolants a.Résistance électriqueRésistance électrique b.Capacité et facteur de pertesCapacité et facteur de pertes c.Rigidité diélectriqueRigidité diélectrique d.Décharges partiellesDécharges partielles Suite EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

2 Mesure en haute tension (suite) 2 E.Mesures de terre a.Principes de la mise à terrePrincipes de la mise à terre b.Effets physiologiques des courantsEffets physiologiques des courants c.Résistivité de la terreRésistivité de la terre d.Impédance des prises de terreImpédance des prises de terre F.Mesure des champs électriques et magnétiquesMesure des champs électriques et magnétiques a.Champs magnétiquesChamps magnétiques b.Champs électriquesChamps électriques c.ÉquipementsÉquipements d.Effets biologiques des champs et protection des personnesEffets biologiques des champs et protection des personnes G.Autres mesures a.Distribution des charges dans les isolantsDistribution des charges dans les isolants b.Détection de défauts dans les câblesDétection de défauts dans les câbles c.Température des transformateursTempérature des transformateurs EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

3 Système de mesure en HT 3 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. 6. Mesure en haute tension EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

4 A. Mesure des charges statiques 4 6. Mesure en haute tension > A. Mesure de charges statiques EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

5 Voltmètre électrostatique 5 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 T . © EPFL - LRE 2008 Voltmètre électronique +/- 10 kV, 1 G . 6. Mesure en haute tension > A. Mesure de charges statiques Les voltmètres électrostatiques sont aussi utilisables en AC, jusqu’à quelques mégahertz.  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

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

7 Éclateur à sphères 7 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. 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > a. Éclateur © 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

8 Tensions de claquages 8 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > a. Éclateur 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

9 Corrections atmosphériques 9 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > a. Éclateur  [35] Les tensions de claquage données par les document CEI sont valables aux conditions atmosphériques suivantes : Température standard T o :293K (= 20°C) Pression standard P o :101,3kPa Humidité absolue standard H abs :8,7g/m 3 (  H re l = 50% à P o et T o ) Dans des conditions différentes, une valeur de tension U d, tirée des tableaux précédents doit être corrigée par une facteur de correction atmosphérique K. La tension réelle U r est donnée par : U r = U d. K, avec K  d  k : (densité) (humidité) P : pression atmosphérique [kPa] ; T : température [K] ; H abs : humidité absolue [g/m 3 ] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

10 © IEC 60052 Éclateur pointe – pointe 10 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > a. Éclateur 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) : EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

11 Le diviseur résistif 11 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 : 1.L’échauffement des résistances. 2.La résistance parasite des supports. 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > b. Diviseurs de tensions  [36] Un éclateur de protection est nécessaire pour protéger l’instrument de mesure, en cas d’ouverture accidentelle de la branche basse tension du diviseur.  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

12 Le diviseur capacitif 12 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 u 2, ainsi que la capacité de l’éclateur de protection. 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > b. Diviseurs de tensions  [37] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

13 Le diviseur capacitif de crête 13 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 C M, 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 U 2 soit lente (constante de temps d’au moins dix secondes). 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > b. Diviseurs de tensions 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

14 Le diviseur capacitif – résistif 14 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. 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > b. Diviseurs de tensions Diviseur C – R parallèleDiviseur C – R série  [38] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

15 Le transformateur de tension 15 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 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > c. Transformateurs de tensions  [39] Le transformateur de tension est aussi appelé transformateur de potentiel (TP).  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

16 Transformateur de tension capacitif 16 6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > c. Transformateurs de tensions 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 1.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. 2.Le circuit résonant fonctionne comme un filtre qui élimine les tensions transitoires. 3.Construction économique jusqu’à des niveaux de tension très élevés (MV) www.cglonline.com EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

17 C. Mesure des courants 17 6. Mesure en haute tension > C. Mesure des courants EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

18 Transformateur de courant 18 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 Transformateur de courant moyenne tension isolé à l’air 6. Mesure en haute tension > C. Mesure des courants Les transformateurs de courant qui s’ouvrent sont souvent appelé pince ampèremétrique.  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

19 Transformateur de courant HF 19 La mesure des courants impulsionnels (foudre, DES…) est possible avec des transformateurs de courants dimensionnés pour les hautes fréquences. 6. Mesure en haute tension > C. Mesure des courants Les transformateurs de courant HF sont aussi appelé sonde de courant.  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

20 Transducteur magnéto-optique 20 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 6. Mesure en haute tension > C. Mesure des courants EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

21 Bobine de Rogowski 21 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 6. Mesure en haute tension > C. Mesure des courants A : aire d’une spire N : nombre de spires EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

22 D. Caractéristiques des matériaux isolants 22 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

23 Résistance électrique 23 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 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > a. Résistance 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

24 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  t ; -les courants de volume, lorsqu’on mesure la résistivité superficielle  s. Résistivité électrique des isolants 24 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > a. Résistance électrique avec : Échantillon en forme de disque (électrodes circulaires) EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

25 Mesure de résistance d’isolement 25 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 G . 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 M , fonctionne comme un shunt. 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > a. Résistance électrique EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

26 Pont de Schering 26 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) 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > b. Capacité et facteur de pertes  [40] À l’équilibre : EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

27 Le pont de Schering du LRE 27 © EPFL - LRE 2008 Condensateur étalon au SF 6 6,5 atm, 103 pF tg  < 10 -5 © EPFL - LRE 2008 C2C2 R2R2 R1R1 Pont de Schering 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > b. Capacité et facteur de pertes 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

28 Mesure de rigidité diélectrique 28 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. 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > c. Rigidité diélectrique 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

29 Rigidité diélectrique à 50 Hz 29 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. 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > c. Rigidité diélectrique 1 s / div  20 mS / div  © EPFL - LRE 2008  [41] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

30 Mesure de décharges partielles 30 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > d. Décharges partielles C x : objet en essai ; C k : condensateur de couplage (  C x ) I g, I k et I t : courants à 50 Hz. I c : courants HF dû à une DP. Z m : impédance de mesure. U m : tension mesurée. Mesure directe Les décharges partielles, qui correspondent à des courants HF, donnent une tension relativement élevée sur Z m, superposée à une faible composante 50 Hz.  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

31 31 Variation en fonction de la tension 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > d. Décharges partielles Exemple d’un niveau de DP à plusieurs seuils, sans hystérèse Exemple d’un niveau de DP avec hystérèse La tension appliquée est successivement croissante, puis décroissante. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

32 Mesure de décharges partielles 32 Mesure en pont Par rapport à la mesure directe, des éléments variables sont ajoutés dans les deux branches ( C x et C k ). Le réglage de ces éléments permet de minimiser l’effet sur U m des perturbations d’origine externe à l’objet en essai. 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > d. Décharges partielles Circuit de mesure avec un pont comportant les éléments variables R x, R v et C v  [42] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

33 Dispositif de mesure de DP au LRE 33 © EPFL - LRE 2008 Condensateur de couplage 1 nF, 200 kV © EPFL - LRE 2008 Détecteur << Visualisation Modules de filtrage et de fenêtrage Pont 6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > d. Décharges partielles  [Clip-3]  [Clip-4]  [Clip-5]  [Clip-6] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

34 E. Mesures de terre 34 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

35 Principes de la mise à terre 35 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. 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > a. Principes de la mise à terre EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

36 Efficacité de la mise à la terre 36 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 → 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > a. Principes de la mise à terre EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

37 L’appareil et son utilisateur 37 Une connexion de terre n’est jamais parfaite : La connexion comporte 2 impédances : -l’impédance de la ligne de connexion, Z L ; -l’impédance de contact avec la terre, Z t. Tensions de contact. La personne est modélisée par : -l’impédance du corps, Z c ; -l’impédance de contact avec la terre, Z ct. Tension de pas. Le modèle comporte : -les impédances des jambes, Z c1 et Z c2 ; -lest impédances de contact, Z t1 et Z t2. La terre elle-même a une impédance : -impédance du sol, Z s    6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > a. Principes de la mise à terre EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

38 Les schémas complets 38 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > a. Principes de la mise à terre Cas de la tension de pas u p Situation la plus critique Z ct1 = Z ct2 = 0 et Z s1 = 0 (proximité) Cas de la tension de contact u c Situation la plus critique : Z ct = 0 (L’homme est à pieds nus dans l’eau) EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

39 Schémas d’alimentation 39 Schémas d’alimentation du réseau électrique de distribution. Schéma TT (terre-terre) Schéma TN-C (terre-neutre combinés) Schéma TN-S (terre-neutre séparés) 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > a. Principes de la mise à terre EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1 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

40 L’impédance de l’être humain 40 Mesures réalisées sur des personnes vivantes, trajet main à main CEI 60479-1, Effet du courant électrique sur l’homme et les animaux domestiques. Impédance non linéaire Variabilité individuelle Tension : 10 V Comportement capacitif 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > b. Effets physiologiques des courants EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

41 Les effets biologiques du courant 41 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 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > b. Effets physiologiques des courants EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

42 Limites applicables en Suisse 42 Les valeurs de tensions de contact et de pas admissibles sont fixées par l’Ordonnance fédérale sur le courant fort.Ordonnance fédérale sur le courant fort 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > b. Effets physiologiques des courants EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

43 Mesure de résistivité de la terre 43 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > c. 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

44 Impédance d’une prise de terre 44 6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > d. Impédance d’une prise de terre  [43] Dans cette formule, la résistance de la terre est négligée  La détermination de l’impédance d’une prise de terre nécessite l’installation de deux électrodes de terre supplémentaires. Z X : impédance de la prise de terre étudiée Z A et Z B : impédances des électrodes supplémentaires.  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

45 F. Mesure de champs électriques et magnétiques 45 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

46 Champs électriques et magnétiques 46 Dans le cadre de la haute tension, on est amené à mesurer principalement : 1.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. 2.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. 3.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 SF 6 …) : perturbations CEM ; détection météo. 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

47 Mesure du champ magnétique statique par effet Hall Apparition d’une différence de potentiel V H perpendiculaire au courant I, sous l’effet de la force de Lorentz due au champ B. R H est la constante de Hall qui vaut 6·10 -11 m 3 /C dans le cuivre et dépend de la densité des porteurs de charges. Champ magnétostatique 47 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > a. Champs magnétiques 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.  Edwin Herbert Hall (1855-1938) EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

48 Champ magnétostatique 48 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > a. Champs magnétiques 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  T environ, lors du départ d’un train. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

49 Champs magnétiques variables 49 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > a. Champs magnétiques 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

50 Champ électrostatique 50 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.netA-Tech.net (p.104) 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > b. Champs électriques 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

51 Champs électriques variables 51 Mesure de champ électrique par sonde capacitive : capteur « E dot » 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > b. Champs électriques Avec un matériau diélectrique : capteur « D dot »  Référencé Flottant EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

52 Champ magnétique 50 Hz 52 Profil de la densité de flux magnétique sous une ligne à haute tension 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > b. Champs électriques 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

53 Équipements du groupe CEM 53 © EPFL - LRE 2008 Tête E – B triaxiale Fibre optique Capteur magnétique Capteur électrique Conditionneur Fibre optique Récepteur Oscilloscope 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 ) Spécifications Système de capteurs actifs interchangeables Dynamique : ~ 100 dB HF ( 150 Hz  150 MHz ) 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > c. Équipements EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

54 Mesures de foudre à la CN Tower 54 © D. Pavanello – Thèse EPFL N° 3713 (2007) p. 87  [Clip-7] 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > c. Équipements  [Clip-8] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

55 Champ électrique à front raide 55 Exemple de champ électrique rayonné par une installation au SF 6, lors de la fermeture d’un sectionneur. © D. Tabara – Thèse EPFL N° 1970 p. 4 Sectionneurs Disjoncteur Installation au SF 6 125 kV © D. Tabara – Thèse EPFL N° 1970 (1999) p. 155 E max ~ 4 kV/m, f ~ 70 MHz 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > c. Équipements Limite ORNI : 28 V/m ( Limite SUVA : 61 V/m )  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

56 Autres principes de mesure 56 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. 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > c. Équipements  [44] Paramètres importants :- la bande passante - la sensibilité - l’immunité au bruit  EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

57 Limitation préventive des champs 57 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). 1.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). 2.Les niveaux de référence portent sur les intensités des champs électriques et magnétiques. 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > d. Effets biologiques et protection 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

58 Limites d’exposition par fréquence 58 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > d. Effets biologiques et protection EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

59 Limites d’exposition par sommation 59 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > d. Effets biologiques et protection Les sommations tiennent compte des effets combinés de plusieurs champs de différentes fréquences.  [45] Limitation de l’échauffement à haute fréquence Limitation de courants induits à basse fréquence EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1 Ces limites sont fixées par l’ORNIORNI

60 Limites SUVA 60 6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > d. Effets biologiques et protection EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

61 G. Autres mesures 61 6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

62 Distribution des charges 62 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. 6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures > a. Distribution des charges dans les isolants EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

63 L’onde de pression 63 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)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 6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures > a. Distribution des charges dans les isolants EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

64 Défauts dans les câbles 64 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 1.Application d’une impulsion de haute tension à l’une des extrémités du câble, l’autre extrémité étant laissée en circuit ouvert. 2.Deux impulsions secondaires sont générées au niveau du défaut et se propagent en sens inverses. 3.Détection de l’impulsion directe et de l’impulsion réfléchie. 6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures > b. Détection de défauts dans les câbles EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

65 Localisation de défauts 65 Source : E. Lemke, Procedure for evaluation of dielectric properties …, IEEE Symposium Montréal (1996) p.387 6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures > b. Détection de défauts dans les câbles Paramètres mesurables 1.L’atténuation de l’amplitude des décharges 2.L’augmentation de leur largeur temporelle, qui donnent des informations sur le comportement fréquentiel de l’isolation. 3.L’écart temporel  t 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 ’ : EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

66 Température des transformateurs 66 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 . Un tel réseau : ‐se comporte comme un miroir pour une longueur d’onde B = 2 n(T) , 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. 6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures > c. Température des transformateurs EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

67 Réseaux de Bragg 67 Une fibre optique peut comporter jusqu’à 1000 réseaux de Bragg, accordés sur des fréquences i 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 k. 6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures > c. Température des transformateurs EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1