Le document présente diverses applications des réseaux électriques, y compris des composants tels que les isolateurs, les dispositifs de coupure, et les dispositifs de protection. Il détaille les caractéristiques techniques, les types de construction, et les normes associées pour chaque composant, ainsi que leurs rôles critiques dans le fonctionnement des systèmes électriques. Les dispositifs de protection, comme les parafoudres et les éclateurs, sont également abordés en termes de leur importance pour la sécurité contre les surtensions.

1. Applications
1
A –Réseaux électriques
a. Ligne aérienne
b. Isolateurs
c. Dispositifs de coupure
d. Dispositifs de protection
e. Coordination des isolements
f. Câbles
B – Autres applications
a. Xérographie
b. Dépoussiérage
c. Rayons X
d. Fragmentation sélective
e. Conservation alimentaire
f. Atomisation électrostatique
g. Taser
Réseaux électriques

2. A. Le réseau
électrique
2
7. Applications > A. Le réseau électrique

3. Ligne aérienne
3
7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs
1. Les conducteurs
Valeurs typiques min max
Courant nominal [A] 105 1150
Résistance [W/km] 1,88 0,043
Masse [kg/km] 62 2570
Diamètre total [mm] 5,4 36
Coefficient de dilatation [ °C-1] 2,310-4
Les espaces antivibration servent à
amortir les oscillations produites
par le vent.


4. Ligne aérienne
4
7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs
2. Suspension des conducteurs Lorsqu’un courant I circule dans
le câble, sa température TC est
supérieure à la température
ambiante Ta :
2
c a 2 3
I
T T
k 2 r

 

avec : r = rayon du conducteur
k = coef. de refroidissement
Sous l’effet de l’échauffement,
le câble s’allonge :
 c a c aL(T ) L(T ) 1 (T T )  
avec :  = coef. de dilatation
[52]

5. Les isolateurs
5
7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs
L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler
des éléments conducteurs d'un dispositif
Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de
matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties
conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique
d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.
L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude
d’une isolation à assurer sa fonction.
Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à
maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à
des potentiels différents.
Définitions :
( CEI )
La Commission électrotechnique internationale (CEI) a
édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.


6. Les isolateurs
6
Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)
Différents matériaux
Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone
Différentes fixations
Rotule et logement de rotule
( Ball and socket )
Chape et tenon
( Clevis and tongue )
Crochet et œillet
( Hook and eye )
Source : Verizon
7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

7. Les isolateurs
7
Isolateurs rigide (rigid insulator)
Différentes variantes
Isolateur rigide à tige
( Pin insulator )
HerculesBusinessDirectory
Isolateur rigide à socle
( Line-post insulator )ZhejiangHengdaElectric
Isolateur à fût massif
( Solid core insulator )
CjiPorcelain
7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

8. Dimensionnement électrique (1)
8
L’isolateur doit supporter la tension de service,
ainsi que les tensions transitoires :
‐ par temps sec (ligne de contournement)
‐ sous pluie, sous brouillards salins, en
présence de pollution (ligne de fuite)
Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la
plus courte, le long de la surface d'un
isolant solide, entre deux parties
conductrices.
La ligne de contournement Lc est la
distance la plus courte dans l’air, entre
deux parties conductrices d’un isolateur.
La ligne de perforation Lp est la
distance la plus courte dans la matière
isolante d’un isolateur, entre deux parties
conductrices.
7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

9. Dimensionnement électrique (2)
9
Critères
1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la
surface isolante  Lf >> Lc
2. Isolateur de classe A : Lp  ½ Lc ; Isolateur de classe B : Lp < ½
Lc
La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.
Exemples (CEI 60273)
Tension de tenue à Tension de tenue au Hauteur Diamètre*Ligne de
50 Hz sous pluie [kV] choc de foudre [kV] [mm] [mm] fuite [mm]
35 75 215 135 ~ 170 190
230 550 1220 170 ~ 250 1970
740 1675 3850 330 ~ 420 6700
* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée
7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

10. Dimensionnement électrique (3)
10
Influence des capacités parasites.
Dans la ligne haute tension, les
capacités parasites contre terre
et contre la ligne conduisent à
une distribution inhomogène
du potentiel le long de la chaîne
d’isolateurs.
Les anneaux / cornes de garde permettent :
‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité
supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;
‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de court-
circuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;
‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).
7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

11. Dimensionnement électrique (4)
11
Distribution de la tension sur
une chaîne de 10 isolateurs
suspendus :
sans anneaux de garde
avec anneau de garde


Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité
d’électricité vol. XXII, p. 312
7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

12. Autres dimensionnements
12
Dimensionnement mécanique
Sur une ligne à haute tension, les isolateurs :
‐doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs
kilogrammes par mètre ;
‐subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des
conducteurs sous l’effet du vent.
 Essais de rupture mécanique et électromécanique
Autres contraintes soumises à essais
Essai sous pluie Essai sous brouillard salin
Essai sous pollutionEssai au choc thermique
Essai de galvanisation des conducteursEssai d’absence de porosité
Essai de perturbations radioélectriques Essai de vieillissement
7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

13. Les dispositifs de coupure (1)
13
7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure
L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande
et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.
Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir,
de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions
normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une
durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions
anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.
Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide
Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.
Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en
position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des
conditions spécifiées.
Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.
Définitions :
( CEI )
La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure.
Il sert à assurer la sécurité des intervenants.
 [Clip-10] [Clip-11]

14. Les dispositifs de coupure (2)
14
7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure
Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir
par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à
cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque
celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.
Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur
spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur /
la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé
temps / durée conventionnel/le.
Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un
dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée
et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.
Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant
présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.
Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le
dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance
négligeable.
Définitions :
( CEI )

15. Les disjoncteurs
15
7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs
Différents types de construction
• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus
fabriqués aujourd’hui.
• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.
• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.
Disjoncteur à vide, 12 kV. Temps d’ouverture : 3 ms
Source: ABB

16. Types de disjoncteurs
16
CahiertechniqueSchneidern°171
Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV
Temps d’ouverture : 35 ms
ABB
7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs
Complément facultatif
Cahier technique n°101
de Schneider Electric

17. Disjoncteurs à vide
17
7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs
Joint Electrical Institutions (Sydney)
Courbe de Paschen pour les très faibles pressions
Au-dessous du minimum
de Paschen, la tension
disruptive augmente,
avant de se stabiliser à
une valeur comparable à
celle qui existe à pression
atmosphérique

18. Processus de coupure
18
Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui
apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement
après la coupure.
la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive
du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.
Coupure réussie Coupure ratée
Si la vitesse de régénération
(taux d’accroissement de la TTD)
est plus faible que la vitesse
d’accroissement de la TTR, il y
réamorçage de l’arc entre les
électrodes :
 la coupure échoue
7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

19. Le soufflage de l’arc
19
Différents types de soufflage à l’ouverture
• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.
7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteur pneumatique
 Disjoncteur à autoexpansion
Complément facultatif
Cahier technique n°171
de Schneider Electric

20. Le soufflage de l’arc
20
Différents types de soufflage à l’ouverture
•Soufflage magnétique. Le courant à couper
génère un champ magnétique qui étale l’arc et
le pousse vers les parois : soufflage radial,
soufflage à arc tournant.
•Soufflage combiné. Soufflage pneumatique et
magnétique simultané.
Complément facultatif
Cahier technique n°198
de Schneider Electric
7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs
Étirement de l’arc, comme dans l’échelle
de Jacob: [Clip-1]

21. Conditions de la coupure
21
La réussite de la coupure dépend :
• du type de charge à couper :
‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.
‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2  Û en une demi
période.
‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre
umax = 2  Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des
oscillations de tension.
• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper.
Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe
par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.
En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un
arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins
destructeurs.
7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

22. Les fusibles
22
7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles
Fusible 12 kV , 200 A
Pouvoir de coupure : 12’000 A
ABB
Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.
Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure :
l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est
absorbée par du sable entourant le conducteur, sous
forme de chaleur latente de vitrification.
Les fusibles sont caractérisés par leur courbe
courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion
t est très court et suit une loi adiabatique :
Pour des courants légèrement supérieurs au courant
nominal, le temps de fusion dépend du transfert de
chaleur vers l’extérieur.
2
thW I t 
Complément facultatif
Cahier technique n°128
de Schneider Electric

23. Caractéristique courant – temps
23
7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles
Fusibles 7,2 kV
Toyoaki OMORI, Development of a
high-voltage current-limiting fuse,
Fuji Electric Review (1967)
Conditions de coupure
• Le courant minimal de coupure
I3 est compris entre 2 et 6 x In .
• Pour un courant inférieur à I3
ou supérieur au pouvoir de
coupure I1 , la coupure échoue.
Échec de la coupure :
[Clip-9]

24. Les sectionneurs
24
7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs
Sectionneur horizontal, 252 kV
PEAG
Sectionneur - fusible, 38,5 kV
Driescher
Sectionneur vertical, 36 kV
ABB
Les combinaisons sectionneurs / fusibles
permettent de protéger un composant (par
exemple : transformateur) en cas de défaut (par
exemple : court-circuit), puis de le déconnecter
du réseau.

Complément facultatif
Cahier technique n°193
de Schneider Electric

25. Les éclateurs de protection
25
7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs
L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les
équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.
Inconvénients
•Tension d’amorçage mal définie : elle
dépend non seulement du type de
surtension mais aussi des conditions
atmosphériques.
•Extinction de l’arc non contrôlée : si l’arc se
maintient (alimenté par le réseau), il
provoquera le déclenchement d’une
protection (disjoncteur).
Les éclateurs sont de plus en plus souvent
remplacés par des parafoudres.
Complément facultatif
Protection des oiseaux

26. Protection des oiseaux
26
7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs
Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte
de l’envergure des grands oiseaux.

27. Les parafoudres
27
7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres
Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel
électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la
durée et souvent l’amplitude du courant de suite.
Types de construction : - parafoudre à éclateur.
- parafoudre à résistance variable (ZnO).
- parafoudre combiné.
L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes
du parafoudre.
La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension
efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.
La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête
présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.
Définitions :
( CEI )
©EPFL-LRE2008
Parafoudre à éclateur à soufflage
magnétique 52,5 kV , 10 kA

28. Caractéristiques des parafoudres
28
La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre
l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.
La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la
variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage
en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.
Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant
l’amorçage.
La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les
bornes du parafoudre pendant le passage du courant de
décharge
Le courant de suite est le courant débité par le réseau et
écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de
décharge.
Définitions :
( CEI )
Parafoudre ZnO
264 kV , 20 kA
ABB
7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

29. Prescriptions des parafoudres
29
• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être
supérieure à 1,5 x Un .
• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure
à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le
type de parafoudre), pour les deux polarités.
• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en
fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20
(durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et
90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).
• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.
7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres
Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également
soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.


30. Caractéristique tension – temps
30
Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.
Chocs de valeur de
crête donnée 
t court t long intervalle de t
Caractéristique
tension – temps
Différentes valeurs
de crête 
7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

31. Coordination de l’isolement
31
7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement
Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité
diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent
apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en
service et des caractéristiques des dispositifs de protection.
Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une
surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de
réparation et les pertes d’exploitation restent supportables
économiquement.
Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de
la surtension et la valeur efficace de la tension de service.
Surtensions d’origine externes
•Principalement due à la foudre : impact
direct ou indirect.
•Surtension induite intentionnelle (NEMP).
Surtensions d’origine internes
•Enclenchements et déclenchements de
diverses impédances.
•Mise sous/hors tension d’une ligne.
•Apparition de défaut dans le réseau.

32. Coordination de l’isolement
32
7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement
Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de
pré-enclenchement.
—— Tension —— Courant Échelle horizontale : 15 ms / div
Disjoncteur simple
M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004
Disjoncteur à résistance
de pré-insertion (80 W)

33. Coordination de l’isolement
33
7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement
Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la
coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.
Concept général de la
coordination de l’isolement
Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés
sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres
deviennent prépondérantes.

Complément facultatif
Cahier technique n°151
de Schneider Electric

34. Paramètres de la coordination
34
7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement
Source de la
surtension
•Valeur de crête.
•Durée du front.
•Durée à mi-valeur.
•Oscillations.
•Taux de répétition.
•Arrachage du courant.
•Type de défaut (PP,
PPP, PT, PPT).
•Instant du défaut.
…
Configuration
Choc de foudre
direct (ligne, pylône).
Choc indirect : au sol,
sur bâtiment, etc.
Longueur de la ligne.
Impédance de la ligne.
Distance des
transformateurs.
…
Réseau
Tension nominale.
Surtensions temporaires.
Type de mise à terre.
Qualité de la terre.
Puissance.
Type de charge.
Tension d’amorçage de
paraf
oudr
es
…
Autres
Température
Pollution
Érosion
Vieillissement
…
En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.

35. Les câbles
35
7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles
Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.
SILausanne
SILausanne
Conducteur cuivre multibrin
Semiconducteur interne
EPR
Semiconducteur externe
Ruban gonflant
XLPE
Ruban gonflant
Écran métallique
Gaine isolante
Réseau urbain :
[47]
Les rubans
gonflants
protège le
XLPE (sensible
à l’eau) en cas
de dommage
à la gaine
isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semi-
conducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.

36. Autres types de câbles
36
7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles
Nexans
Câble triphasé
suspendu, avec
corde d’acier (a)
Câble triphasé sous-marin,
avec fibre optique (b)
Nexans
Extrémité de câble
Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.

Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois
supérieure à celle d’une ligne aérienne

37. Câbles spéciaux
37
7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles
Siemens
« Câble » 380 kV isolé au SF6
L’isolant peut être renouvelé à volonté
ce qui résout le problème du
vieillissement
Câble monophasé supraconducteur
Pertes actives très faibles
Electra, n°243 avril 2009, p. 8

38. Énergie réactive dans les câbles
38
7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles
Puissance active transmise (en % de la
puissance apparente), en fonction de la
longueur du câble et de la tension.
M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“,
Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268
Sur de longues distances, il faut :
- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;
ou :
- convertir en DC

39. B. Autres
applications
39
7. Applications > B. Autres applications

40. Xérographie
40
7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie
La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.
Principe
1.Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec
l’éclairement.
2.Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.
3.L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour
 Les parties éclairées deviennent conductrices
 Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.
4.Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.
5.Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.
Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).
Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).


41. Impression par laser
41
7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie
IBM
Scorotron
Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV
Courant : 20 ~ 50 mA
Complément facultatif
IBM Info Color 70

42. Dépoussiérage électrostatique
42
7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.
Le dépoussiéreur comporte :
1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont
chargées par un champ électrique ionisant ;
2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées
par une électrode chargées en sens inverse
LTA

43. Dépoussiérage électrostatique
43
7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage
Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…
Endress+Hauser
Filtre à cendre de charbon
Efficacité: 99,9% des particules
de moins de 300 mm
Filtre à particules pour
chaudières à bois
Tension d’ionisation : 20 kV
Efficacité: jusqu’à 90% des
particules de moins de 10 mm
Consommation : 12 W
Ruegg

44. Rayons X
44
7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X
Principe de l’émission de rayons X
1.Thermo-émission d’électrons par un filament.
2.Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible
métallique tournante (tungstène).
3.Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)
Rayonnement de freinage
Avec Wc petit,   90°.
Pour Wc grand,   0.
Le rayonnement de freinage est en concurrence
avec d’autres modes d’interaction électron – atome.
La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en
rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc
et au numéro atomique Z de la cible :
En pratique, Z = 74 (tungstène)
Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical
Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]
cp W Z 

45. Tension d’accélération
45
7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X
La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !
Les transfos HF sont
compacts et légers.
Accélération des électrons
par une haute tension HF.
La haute fréquence f permet
d’éviter une grande capacité
de lissage CL :
(voir chap. 5, slide 43)
e
s
L
Û G
U cos
f C
  

46. Transformateur HF
46
7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X
Les « pertes fer »
La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux
facteurs :
1.Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault :
f fréquence
 résistivité du noyau
2.Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique :
Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le
noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le
carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.
Complément facultatif
Pertes par courants de Foucault et par hystérèse
2
JP f / p
hP f

47. Fragmentation sélective
47
7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective
Fragmentation de minerai par impulsions haute tension
SelFragLab
Minerai de silicate
Un minerai est généralement
formé de différents matériaux
présents sous forme d’inclusions.
Dispositif de
fragmentation
sélective par
impulsions HT

48. Principe de la fragmentation
48
7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective
Application d’impulsions à front raide
Impulsions de tension et de courant
Tension disruptive typique pour
un minerai et pour l’eau, selon
la forme des impulsions.

49. Caractéristiques
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7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective
Granit
Feldspath
Quartz
Mica
Source : selFrag-Lab
Par rapport aux autres techniques de frag-
mentation, la méthode des impulsions HT :
• sépare les grains selon les joints naturels ;
• produit très peu de poussières ;
• évite la contamination des minéraux par
du métal (absence de contact) ;
• etc.
Concasseur
à mâchoire
Complément facultatif
Concasseurs mécaniques

50. Conservation des aliments
50
7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire
Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en
détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.
Développement
1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries.
7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.
~ 2000 Premiers dispositifs opérationnels.
Utilisation
•Liquides relativement peu conducteurs :
jus de fruit, lait, yogourts…
•Traitement en continu.
Avantages
•Pas d’agents conservateurs.
•Pas d’altération du goût ou de l’aspect
comme avec la pasteurisation ou la congélation.
•Pas d’utilisation de sources radioactives.
OhioStateUniversity
Prototype industriel

51. Électroporation
51
7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire
Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane
d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre
la pénétration de certaines molécules.
Électroporation réversible : utilisée en génie génétique, etc.
Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule
Champ faible
Polarisation de la membrane
Champ moyen
Électroporation réversible
Champ élevé
Électroporation irréversible

52. Aspects techniques
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7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire
Champ électrique
Le champ électrique nécessaire
est de l’ordre du kV/mm.
Conditions à respecter :
•Pas de courant trop élevé.
•Pas de claquage diélectrique.
Puissances nécessaires
•Essai en laboratoire : 2 kW
•Essai en vraie grandeur : 75 kW
•Production industrielle : 3 MW
Le traitement est effectué en continu

53. Impulsions
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7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire
Générateur d’impulsions à polarité alternée
Commutateurs :
GTO (Gate turn-off thyristor),
IGBT (Insulated-gate bipolar
transistor),
SGCT (Symetrical gate-commuted
thyristor)
Circuit de
décharge
résistif :
biexponentielle
Circuit de
décharge
inductif :
pseudocarrée
Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter
un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.

54. Paramètres
54
7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire
Ordre de grandeur
•Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50
kV
•Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A
•Largeur des impulsions : 0,5 ~ 50 ms
•Fréquence de répétition : 10 ~ 100 kHz
Performance
Mesurée par la fraction de micro-organismes
survivants en fonction du champ électrique et
de la durée du traitement
Dépendances typiques de la
fraction de survivants en fonction
du champ et de la durée
Les valeurs réelles dépendent du
type de micro-organismes.

55. Atomisation électrostatique
55
7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation
Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation
d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.
Utilisation
•Imprimantes à jet d’encre.
•Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)
•Épandage de substance dans l’agriculture.
•Préparation de composants à nanoparticules.
On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de
poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.
Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)
• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).
• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.
• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

56. Principes de l’atomisation
56
7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation
L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle
1.Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une
instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.
La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension
superficielle du liquide.

57. Principes de l’atomisation
57
7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation
2. L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement
du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :
R < l/2
3. Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement
est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :
a. Le champ polarise le jet de liquide ;
b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ
électrique induit des forces radiales ;
c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du
liquide, le jet se fractionne.
Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a
tendance à se disloquer de manière irrégulière.

58. Contrôle des gouttelettes
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7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation
Création de gouttelettes pour l’épandage de
produits agricoles
J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4,
juillet 1982, pp. 355-362

59. Imprimante à jet d’encre
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7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation
La distribution de la taille
des gouttes est beaucoup
plus étroite si l’on soumet
l’orifice d’éjection à une
vibration dont la fréquence
est de l’ordre de 100 kHz.
Ordres de grandeur :
• diamètre du trou : 20 mm
• tension de charge : ~ 200 V
• tension de déflection : ~ 4 kV
• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm
Complément facultatif
Imprimante à jet d'encre

60. Taser
60
7. Applications > B. Autres applications > g. Taser
Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire
des muscles moteurs.
À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles
reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion
de courant.
Taser M26
Le taser M26 est remplacé
par le X26, en principe
moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles
(tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).

61. Caractéristiques des tasers
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7. Applications > B. Autres applications > g. Taser
Impulsions des courants sur une charge typique
Comparaison des modèles X26 et M26
Les tasers injecte des séries d’impulsions
Comparaison des modèles
M26 X26
Tension à vide [kV] 50 50
Tension en charge [kV] 5 1.2
Énergie par impulsion [J] 0,5 0,07
Puissance totale délivrée [W] 10 1.3
Cadence d’impulsions [/s] 20 19
Durée d’une série [s] 5 5

62. Générateur d’impulsions
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7. Applications > B. Autres applications > g. Taser
Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par
l’entreprise TASER.COM
Complément facultatif
Schéma de taser

63. 63
La ligne d’arrivée