M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 1 2.Technologie : Composants spécifiques C, L, R, lignes, commutateurs Matériaux : diélectriques solides, liquides,

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1 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 1 2.Technologie : Composants spécifiques C, L, R, lignes, commutateurs Matériaux : diélectriques solides, liquides, vide, métaux, géométrie Sources de haute tension Principaux générateurs pulsés (Marx, Blumlein, PFN) Méthodes de mesure, statiques et haute fréquence Aide à la conception, outils de simulation, solveur de champ, circuiterie Règles de sécurité, bioélectricité, rayonnement X et EM, compatibilité EM

2 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 2 Sécurité autour des installations Haute-Tension NB : Ce chapitre, synthèse de divers documents et de l’expérience de l’auteur, est une introduction aux risques et aux principaux moyens d’y remédier. Il ne peut cependant pas être considéré comme un manuel de sécurité à vocation universelle. Chaque installation HT déclarée dépend d’un personnel qualifié et possède un dossier de sécurité propre auquel il conviendra de se conformer strictement. Introduction Description des risques Les risques électriques Procédures liées à l’huile Procédures liées aux gaz Procédures de mise à la terre Documentation Consignes générales Bioélectricité CEM

3 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 3 Introduction  Les systèmes de puissance pulsée comportent des sections sous haute tension, continue ou pulsée.  Leur montage, leur fonctionnement et leur maintenance nécessitent des interventions dans des zones dangereuses.  Une bonne connaissance des risques et des précautions est nécessaire. Exemples de signalétiques HT

4 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 4 Description des risques Charges résiduelles sur tous les dispositifs ayant une possibilité de stockage : condensateurs isolés ou en bancs, câbles coaxiaux, lignes coaxiales, éclateurs, pulseurs annexes de déclenchement. tir fautif, électrisation Huile chute, incendie Cuves asphyxie par anoxie Gaz, solvants asphyxie, intoxication Travail en hauteur chute Rayonnement UV, X irradiation Champ magnétique forces Bruit impulsionnel surdité

5 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 5 Risque électrique direct C’est le passage de courant inopiné par des chemins imprévus électrisation des personnels destruction de matériels explosion de composants parasitage électromagnétique incendie (huile)

6 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 6 Risques électriques humains 1/2 Types de blessures liées à l’arc électrique Choc nerveux Brûlure superficielle Brûlure profonde Atteinte des nerfs ou des organes Cécité Mort Effets secondaires Chute d’échelle ou échafaudage Jet d’outil Fracture

7 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 7 Risques électriques humains 2/2 Tension CourantEffet Conditionrésistancetensioncouranteffet sur l’homme Peau sèche /100 kohm130V1,3mAperception Main à main480V4,8mAdouleur Main agrippée5 kohm130V26mAparalysie de la main 480V96mAfibrillation possible Mains humides750 ohm130V173mAfibrillation probable 480V640mAfibrillation certaine Peau blessée /500 ohm130V260mAfibrillation certaine Main à main480V960mAparalysie possible Les résistances sont comptées d’extrémité à extrémité (main à main, main à pied) La résistance est pour une peau non perforée à 480V. A 600V la perforation intervient. Dans le cas oreille à oreille, résistance de 100 ohm. Les énergies stockées dans les machines HPP sont a priori mortelles. En impulsion longue

8 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 8 Procédures liées à l’huile Renversement d’huile (oil spillage) chute des personnels irritations cutanées vapeurs toxiques incendie pollution environnementale (égouts) Absorbeurs (sciure, vermiculite, papier) Bacs de rétention Boudins absorbants (« barrage ») Ventilation Extincteur à poudre Analyse pyralène Elimination en déchetterie

9 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 9 Procédures liées aux gaz Déplacement d’air par des gaz à haut pouvoir isolant N2, SF6 anoxie, asphyxie des personnels Stockage en bouteilles explosion Ventilation Analyse d’oxygène Arrimage des bouteilles

10 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 10 Exemple d’installation : Marx de MAGPIE A gauche un des 4 Marx de MAGPIE (Imperial College, G-B) 80kJ sous 100kV : on distingue les condensateurs suspendus assemblés par des plaques, les éclateurs et les résistances à CuSO4 (tubes jaunes). L’huile a été retirée avant ouverture de la porte. La bride de sortie HT 2,4 MV est à gauche. 3m Le modèle : High-Energy Radiation Megavolt Electron Source (HERMES) III : accélérateur pour l’émision , produisant 13 TW en faisceau d’électrons 19-MeV, 700-kA, 28-ns. Condensateur résistance CuSO4 Bride cuve éclateur

11 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 11 Protocole d’intervention électrique  Inspection visuelle (intégrité des sécurités, défauts des résistances, etc)  Vérification de la canne de mise à la Terre (R CuSO 4 )  Considérer que tout condensateur est chargé a priori sauf s’il est proprement court-circuité. (>5nF)  Ne toucher aucun métal avant sa mise à la Terre  Eviter de porter des métaux (bijoux, outils)  Surveillance oxygène pour les cuves  Pas de flamme nue  Equipements de protection individuelle  Respecter la procédure écrite E.P.I.

12 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 12 Protocole d’intervention électrique COURT-CIRCUIT ET MISE A LA TERRE Shortening AND grounding UNE REGLE La décharge des condensateurs ne doit pas prendre plus de 10 s (NORME) 5 RC = 10 R (ohm) = 2 / C (Farad) R (M  ) = 2 / C (µF)

13 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 13 Mise à la terre des carcasses La canne a une résistance pouvant dissiper l’énergie d’un condensateur chargé (typ kJ) : solution CuSO4. (100cm3 => +2°C). T=RC doit être de 1ms- 1s pour ne pas détruire la canne. I  Q/T = CV/RC = V/R Chaque partie mise à la Terre est ensuite court-circuitée (ground strapping)

14 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 14 Mise à la terre des carcasses Répéter l’opération de proche en proche Il ne doit pas y avoir d’étincelle si les sécurités automatiques ont fonctionné

15 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 15 Exemple : défauts d’un Marx Cas où les condensateurs sont bien déchargés par le relais de sécurité: Chaque armature de C est reliée à la terre par un chemin conducteur. Quatre types : 1 correct, 2, 3 et 4 en défaut

16 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 16 Défauts d’un Marx (cas 2) Le condensateur 2 reste chargé. Il sera dangereux : L’opérateur pense le C déchargé. Décharge à travers l’opérateur en parallèle avec la canne Décharge à travers l’opérateur seul

17 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 17 Défauts d’un Marx (cas 3) Le condensateur 3 a sa sortie HT mise à la terre mais l’autre borne restera chargée. Il sera dangereux : Décharge à travers l’opérateur seul par contact fortuit avec une carcasse présumée à la Terre

18 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 18 Défauts d’un Marx (cas 4) Le condensateur 4 restera chargé a priori car il est à un potentiel flottant. Il sera dangereux : Tout contact avec ses deux armatures conduira à une décharge à travers l’opérateur.

19 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 19 Réglementation (norme IEC) Une notice doit être rédigée par une personne qualifiée pour chaque appareillage. Elle est visée par les chefs des services. Elle reste accessible à tout moment. Elle doit être remise à tout nouvel arrivant qui la paraphe après lecture. Les schémas sont accessibles. Les protocoles de maintenance sont strictement listés. Les interventions des services de sécurité (pompiers, etc.) sont codifiées et les risques signalés à l’entrée du local. Un responsable de tir et un responsable de maintenance sont désignés. Documentation Agrément Visite de conformité à la mise en route puis annuelle par un bureau indépendant (APAVE, Véritas, etc).

20 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 20 Une formation initiale ou périodique est nécessaire (habilitation électrique) permettant de travailler en légalité. Consignes générales - personnel

21 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 21 Une formation initiale ou périodique est nécessaire (habilitation électrique) permettant de travailler en légalité. Le premier travail est précédé d’une visite des installations et d’une étude de la notice qui sera paraphée. Il est formellement déconseillé d’intervenir seul ou d’intervenir sur un équipement inconnu. Le port d’équipements de sécurité individuels (casque, harnais, chaussure, masque, gants, etc.) est réglementé. Le corps humain est une quasi équipotentielle qui déforme les champs électriques. Il peut attirer les décharge en réduisant la distance effective HT- Terre. Il présente une résistance assez faible pour accepter des courant mortels, notamment si le cœur est sur le trajet. La plus grande prudence est nécessaire lors d’un montage sur table, même anodin (électronique « amateur », schémas pris sur internet). Consignes générales - personnel

22 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 22 Visite de conformité à la mise en route puis annuelle par un bureau indépendant (APAVE, Véritas, etc.). Une connexion spécifique à la Terre doit être aménagée (puits humide). La « masse » du réseau électrique ne peut en aucun cas faire office de Terre. Les condensateurs doivent être systématiquement déchargés après toute utilisation, par un procédé automatisé ou à défaut manuellement. Les condensateurs non utilisés doivent être court-circuités pas un conducteur vissé. Les conducteurs traversés par un courant sont soumis à des forces qui peuvent les déformer ou les projeter. Des arcs peuvent surgir entre des points distants (mètre) de façon imprévisible. Le rayonnement UV des arcs ou les rayonnements X,  de freinage doivent être absorbés au plus près de l’émission. Des risques supplémentaires sont dus aux sur-accidents (mouvements réflexes, chutes) et aux fluides : feu d’huile d’isolement, bulles dans les liquides, gaz (N 2, SF 6 ). La plus grande prudence est nécessaire lors d’un montage sur table, même anodin (électronique « amateur »). Consignes générales - machine

23 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 23 Les champs électriques pulsés autour d’installations HPP sont très intenses. Ces champs pulsés (PEF pulsed electric field) peuvent casser des cellules biologiques ou rendre leurs parois perméables aux ions (électro- poration) et donc les détruire en perturbant l’équilibre ionique. NB : APPLICATION Ce processus peut être utilisé pour traiter des liquides fragiles (lait, jus d’orange) contre les bactéries ou bien pour dépolluer des effluents liquides. Bioélectricité

24 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 24 Rayonnement EM et X Tout circuit parcouru par un courant pulsé agit comme une antenne haute fréquence : il émet un rayonnement électromagnétique à spectre large dans l’espace. Donc tout dispositif à haute puissance pulsée OUVERT (c. à d. qui n’est pas en influence totale comme un coaxial) rayonne typiquement entre 100 kHz et 1 GHz. Ce rayonnement peut se coupler avec tout autre circuit par couplage inductif (inductance mutuelle) et lui transférer de l’énergie pulsée, c. à d. de la puissance. Les électrons placés sous vide en présence d’un champ électrique élevé sont accélérés jusqu’à l’énergie correspondant au potentiel présent, typ. 100s de keV à MeV. Lorsqu’ils bombardent une surface métallique, ces électrons produisent des rayonnements X de freinage (continuum + raies caractéristiques) dont l’énergie peut atteindre celle des électrons incidents, typ. 100s de keV à MeV. Dans les deux cas, un blindage par écrans spécifiques (métal, béton) est nécessaire AU PLUS PRES DE LA SOURCE mais ce n’est possible que pour les petits systèmes.

25 M2 Fusion PTF 5-6 2009-10 J. Larour LPP 25 Face au rayonnement électromagnétique pulsé d’un système HPP, il faut réduire au minimum les possibilités de couplage inductif, donc réduire voire annuler l’inductance mutuelle. Si le blindage de la source a été réalisé au mieux des possibilités, il existe quatre principaux remèdes pour diminuer les effets parasites: 1.suppression des conducteurs libres, des boucles inductives, des orifices 2.distance pour exploiter la décroissance en 1/r 2 3.Faradisation d’un volume (cage, salle, …) 4.insertions de limiteurs de tension (parasurtenseurs, surge arresters) Compatibilité électromagnétique CEM E bloquéE passant r ~ OK