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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
A. Le réseau
électrique
2
7. Applications > A. Le réseau électrique
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.

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]
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.

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
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
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
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
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
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
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
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]
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 )
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
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
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
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
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
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]
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
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
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]
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
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
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.
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
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
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.

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
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.
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)
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
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.
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.
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
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
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
B. Autres
applications
39
7. Applications > B. Autres applications
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).

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
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
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
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 
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
  
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
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
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.
Caractéristiques
49
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
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
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
Aspects techniques
52
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
Impulsions
53
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.
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.
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.
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.
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.
Contrôle des gouttelettes
58
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
Imprimante à jet d’encre
59
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
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).
Caractéristiques des tasers
61
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
Générateur d’impulsions
62
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
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  • 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 49 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 52 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 53 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 58 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 59 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 61 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 62 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

Notes de l'éditeur

  1. Synchro + monitoring, Garzon pp. 382 sq. Cycle OFO, selon favori Internet: Zelson: http://www.zensol.com/VF/share_timing4.htm
  2. http://stungunreviews.tripod.com/stun-gun-schematics.html