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IV

V





VI

SOMMAIRE

VII



Parafoudres a` moyenne tension HTAet a` haute tension HTB

par Frederic MACIELAIngenieur de lEcole Nationale Superieure dArts et Metiers (ENSAM)Ingenieur de lEcole Superieure dElectricite (SUPELEC) en Informatique AvanceeIngenieur-chercheur au Laboratoire de Materiels Electriques a` la Division Recherche etDeveloppement dElectricite de France (EDF R&D)

1. Rappels sur les eclateurs............................................................... D 4 755v2 21.1 Principe de fonctionnement ............................................................... 21.2 Avantages et inconvenients ............................................................... 2

2. Parafoudres au carbure de silicium et a` eclateurs .................. 32.1 Parafoudre moyenne tension (HTA)................................................... 32.2 Parafoudre haute tension (HTB)......................................................... 32.3 Parame`tres caracteristiques ............................................................... 4

3. Parafoudres a` oxyde de zinc ......................................................... 53.1 Constitution ........................................................................................ 63.2 Principe de fonctionnement ............................................................... 63.3 Caracteristiques des ceramiques ....................................................... 63.4 Dimensionnement .............................................................................. 73.5 Phenome`nes de pollution .................................................................. 73.6 Utilisation ........................................................................................... 83.7 Parafoudres a` enveloppe en materiau synthetique .......................... 93.8 Parafoudres de ligne HTB .................................................................. 123.9 Parafoudres pour applications speciales........................................... 133.10 Modelisation des parafoudres a` oxyde de zinc................................. 14

4. Diagnostic des parafoudres .......................................................... 154.1 Champ dapplication .......................................................................... 154.2 Mecanismes de degradation .............................................................. 154.3 Methodes de diagnostic sur site........................................................ 154.4 Methodes de diagnostic en laboratoire............................................. 16

5. Mise en uvre et installation des parafoudres ........................ 165.1 Distance de protection ....................................................................... 165.2 Ferroresonance ................................................................................... 165.3 Qualite de service............................................................................... 16

6. Dispositifs annexes et accessoires de parafoudres ................. 176.1 Limiteurs de surpression ................................................................... 176.2 Compteurs de fonctionnement .......................................................... 176.3 Anneaux de champ............................................................................. 176.4 Deconnecteurs .................................................................................... 176.5 Dispositifs de signalisation ................................................................ 18

7. Choix des parafoudres ................................................................... 18

Pour en savoir plus.................................................................................. Doc. D 4 755v2

Les dispositifs de protection des reseaux electriques a` courant alternatifcontre les surtensions sont generalement de deux types : leclateur et le

parafoudre.

Leclateur est encore utilise sur les reseaux de distribution et de transportdelectricite, partout ou` lisolation des materiels a` proteger est compatibleavec la protection fournie par les eclateurs, cest-a`-dire lorsquil sagit disola-tion dans lair ou de materiels pour lesquels il nest pas economiquement inte-ressant de rechercher de tre`s bas niveaux disolement : materiels a` haute ten-sion HTA ou moyenne tension (20 kV) et certains materiels a` haute tension HTB(63 ou 90 kV) tels que, par exemple, les reducteurs de mesure.

Toute reproduction sans autorisation du Centre francais dexploitation du droit de copieest strictement interdite. Editions T.I. D 4 755v2 1

Il est necessaire, en revanche, dutiliser des parafoudres de`s que lon veutreduire lisolement des materiels, renforcer leur protection vis-a`-vis des surten-sions ou ameliorer la qualite du service. Ces dispositifs presentent de meilleu-res caracteristiques de protection, moyennant toutefois un cout plus eleve. Ilexiste deux types principaux de parafoudres :

lun, dont la partie active est constituee declateurs et de varistances au car-bure de silicium (SiC), est appele dans la suite du texte parafoudre au carburede silicium et a` eclateurs ; lautre, dont la partie active est constituee uniquement de varistances a` base

doxyde de zinc (ZnO), est denomme parafoudre a` oxyde de zinc.

Ce dernier, apparu au debut des annees soixante-dix, est devenu tre`s sedui-sant, dans un premier temps, en haute tension, puis, assez rapidement, enmoyenne tension. Sauf tre`s rares exceptions, le marche des parafoudres nestaujourdhui plus constitue que des parafoudres a` oxyde de zinc.

Ces parafoudres sont, en effet, plus compacts, de conception plus simple,offrent des caracteristiques techniques superieures et permettent denvisager denouvelles applications. Leur cout est maintenant tre`s competitif. Enfin, signalonsque les progre`s technologiques dans le domaine des isolations externes, associesaux nouvelles perspectives de mise en uvre des varistances ZnO, ont permis,de`s le debut des annees quatre-vingt, le developpement dune nouvelle genera-tion de parafoudres, visant a` mieux exploiter les avantages de la technologie ZnO.Il sagit des parafoudres a` oxyde de zinc a` enveloppe en materiau synthetique.

1. Rappels sur les eclateurs

1.1 Principe de fonctionnement

Leclateur est le plus simple, le plus ancien, le plus robuste et lemoins cher des moyens de protection. Il est generalement consti-tue de deux electrodes, lune reliee a` lelement a` proteger, lautrea` la terre. Lintervalle dair entre les deux electrodes constitue unpoint faible dans linstallation du reseau, evitant ainsi quun amor-cage nait lieu en un point du reseau ou` il pourrait avoir des conse-quences graves. La distance entre ces deux electrodes est reglableet determine la tension damorcage.

La forme et la nature des electrodes sont tre`s variables, maissont generalement le resultat de campagnes dessais dielectriquespermettant de leur conferer des proprietes damorcage bien defi-nies pour des conditions denvironnement donnees (temperature,humidite, pression atmospherique de lair ambiant).

1.2 Avantages et inconvenients

Le principal avantage de leclateur est son faible prix. Il est aussitre`s robuste et tre`s facilement reglable de sorte que ses caracteris-tiques peuvent etre ajustees suivant sa fonction.

Malheureusement, ces avantages ne vont pas sans de nombreuxinconvenients.

Une fois amorce entre les deux electrodes, larc ne se desa-morce pas spontanement. Le defaut artificiel ainsi cree doit etre eli-mine par laction des protections et du ou des disjoncteurs asso-cies. De ce fait, leclateur ne doit surtout pas fonctionner lors de

surtensions de manuvres. Il est, par ailleurs, a` lorigine de coupu-res bre`ves tre`s genantes pour la qualite de service, specialement enHTA.

Le fonctionnement de leclateur conduit a` une onde de tensioncoupee a` front raide susceptible de provoquer des avaries au mate-riel bobine situe a` proximite.

Le niveau damorcage est tre`s fluctuant. Il depend de nombreuxparame`tres tels que les conditions atmospheriques, letat dionisa-tion de lair, mais surtout de la vitesse de montee de la surtensionappliquee. En particulier, lors de surtensions a` front raide, la tensionreellement atteinte sur lappareil a` proteger peut depasser le niveaudit de protection de leclateur. De ce point de vue, il est preferablede traduire les caracteristiques de protection des eclateurs par desreseaux de courbes plutot que par une simple valeur.

Les eclateurs sont sensibles aux agressions exterieures (neige,paille, animaux, etc.) pour les plus basses tensions (en particulierpour le reseau a` 20 kV) ou` les distances entre les electrodes deseclateurs sont faibles.

Malgre ses defauts et, surtout, a` cause de son faible prix, lecla-teur demeure, sur les reseaux de distribution et de transportdelectricite (jusqua` 225 kV), un dispositif de protection simpleet efficace, surtout lorsque la qualite de service nest pas un cri-te`re determinant. En tout etat de cause, leclateur reste un excel-lent moyen de protection des isolations dans lair, les niveauxdisolement du materiel a` proteger subissant les memes fluctua-tions que les niveaux de protection des eclateurs. En revanche, ilest moins bien adapte a` la protection des autres materiels deposte tels que les transformateurs, les cables, les traversees, lap-pareillage electrique sous enveloppe metallique, pour lesquels lacoordination disolement est un parame`tre fondamental. On estalors amene a` le remplacer par des parafoudres.

PARAFOUDRES A` MOYENNE TENSION HTA ET A` HAUTE TENSION HTB

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2. Parafoudres au carburede silicium et a` eclateurs

Moyennant un cout beaucoup plus eleve [en HTA (20 kV) rapportdenviron 3 et en HTB (400 kV) rapport de 100], le parafoudre per-met deviter la plupart des inconvenients inherents au principe deleclateur.

Ses avantages sur leclateur sont :

une dispersion beaucoup moins grande de la tensiondamorcage ; une extinction spontanee de larc ; une tension aux bornes du parafoudre, dite tension residuelle,

non nulle apre`s amorcage, evitant ainsi la transmission dune ondede tension coupee ; une insensibilite (jusqua` un certain point) aux agressions

exterieures.

2.1 Parafoudre moyenne tension (HTA)

2.1.1 Constitution

Ce parafoudre est constitue dune ou plusieurs varistances, ouresistances non lineaires, au carbure de silicium, associees enserie avec un ou plusieurs eclateurs (figure 1). Lensemble estplace dans une enveloppe isolante etanche remplie dun gaz sec(air ou azote). Letancheite est primordiale pour eviter la corrosiondes eclateurs, les contournements de la partie active et la modifica-tion des caracteristiques. En subdivisant lintervalle damorcage enplusieurs eclateurs elementaires, on stabilise les caracteristiquesdamorcage du parafoudre.

Les eclateurs sont constitues de disques de laiton emboutis,empiles et separes par de petites pie`ces isolantes en ceramique.

Les resistances variables sont constituees de grains de carburede silicium agglomeres par un liant et presses sous forme de dis-ques dont les faces paralle`les sont metallisees et le pourtour recou-vert dun revetement isolant destine a` eliminer les contournements.

2.1.2 Principe de fonctionnement

En fonctionnement normal, les eclateurs ne sont pas conduc-teurs. Lorsque survient une surtension superieure au niveaudamorcage (figure 2), les eclateurs samorcent et provoquentlecoulement du courant de decharge au travers des resistancesdont la valeur est dautant plus faible que la tension est elevee(caracteristique non lineaire), ce qui permet de limiter la surtension.

Apre`s le passage du courant de decharge, le parafoudre resteconducteur, mais la tension a` ses bornes diminue et la non-linearitedes resistances entrane une decroissance plus rapide du courantqui peut alors etre facilement interrompu par les eclateurs a` sonpremier passage par zero. Ainsi, la surtension est ecretee sans pro-voquer ni de defaut artificiel, ni donde coupee, puisque la presencedes resistances en serie avec les eclateurs evite leffondrement dela tension apre`s lamorcage.

2.2 Parafoudre haute tension (HTB)

2.2.1 Constitution

Le cout de lisolement etant dautant plus important que la ten-sion de service est elevee, on cherche a` ameliorer en haute tensionHTB et tre`s haute tension le niveau de protection des parafoudres.Cela veut dire quil faut reduire, dune part, les tensions damor-cage et, dautre part, la tension residuelle au courant nominal dedecharge, notions developpees dans le paragraphe 2.3).

& Pour diminuer, en toute securite, les tensions damorcage, il fautles stabiliser davantage. Pour ce faire, on adjoint au montage utiliseen HTA ( 2.1.1), des syste`mes de repartition de tension composesde resistances (figure 3) et de condensateurs. Ces syste`mes permet-tent de matriser la tension appliquee a` chaque eclateur individuel.Afin de diminuer les tensions damorcage, les eclateurs sont modi-fies et sont ici constitues de deux electrodes de cuivre en regard,places dans une chambre en ceramique de forme cylindrique pourfaciliter leur empilage avec les resistances non lineaires.

& La diminution de la tension residuelle au courant nominal dedecharge est obtenue par lemploi declateurs a` soufflage magne-tique. Les arcs, une fois allumes, sont etires dans la chambre enceramique sous leffet dun champ magnetique cree par une bobineparcourue par le courant traversant le parafoudre. Le profil cannelede la chambre en ceramique favorise lallongement de larc. Ainsi,la tension darc etant considerablement augmentee, le parafoudrese desamorce spontanement bien avant le passage par zero de la

Broche de raccordement la ligne

Soupape

Joint d'tanchit

clateur multiple(avec plusieurs clateurs)

Rsistancevariable au SiC

Ferrure de fixation

Dconnecteur

Borne de raccordement la terre

Capot

Enveloppe deporcelaine

Ressort decompression

Figure 1 Parafoudre HTA au carbure de silicium et a` eclateurs :constitution

Surtension crte

Tension aux bornes du parafoudre

Courant dans le parafoudre

Temps

Ten

sio

n o

u c

ou

ran

t

Figure 2 Parafoudre HTA au carbure de silicium et a` eclateurs :principe de fonctionnement


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tension de service, limitant ainsi lenergie a` dissiper par les resis-tances non lineaires et facilitant la desionisation de lair dans leschambres en ceramique.

2.2.2 Principe de fonctionnement

La figure 4 illustre le fonctionnement dun parafoudre HTB aucarbure de silicium et a` eclateurs.

& En regime permanent (figure 4a), le parafoudre est parcouru parle tre`s faible courant (de lordre du milliampe`re) draine par le sys-te`me de repartition de tension.

& Lorsque survient une surtension superieure au niveau damor-cage (figure 4b), les eclateurs samorcent et le courant augmentealors rapidement. La bobine presente vis-a`-vis de ce courant uneimpedance elevee et le courant secoule par lintermediaire desresistances non lineaires placees en paralle`le sur la bobine desoufflage.

& Apre`s le passage de la surtension (figure 4c), les eclateurs forte-ment ionises ne se desamorcent pas. Le courant traversant le para-foudre est alors issu du reseau. Son amplitude et ses variationssont beaucoup plus faibles, si bien que limpedance de la bobinediminue considerablement et celle-ci va etre, a` son tour, parcouruepar le courant. Sous leffet du champ magnetique cree par cettebobine, larc est etire dans la chambre en ceramique. La tensiondarc augmente.

& Lorsque la tension darc atteint la tension appliquee au parafou-dre, celui-ci se desamorce et retrouve le regime permanent(figure 4d).

2.3 Parame`tres caracteristiques

Nous ne rappelons ci-apre`s pour memoire que les parame`tresessentiels. Pour toutes les definitions se rapportant aux para-foudres, le lecteur se reportera utilement aux nonnes envigueur (NF C 65-100 ou CEI 60099-1).

& La tension assignee (ou tension dextinction) est la tensionmaximale a` frequence industrielle pour laquelle le parafoudre estcapable de se desamorcer spontanement.

Il est imperatif que la tension assignee soit strictement superieurea` la plus forte surtension temporaire susceptible dapparatre. En

effet, un parafoudre ne doit pas fonctionner lorsquil est soumis a`une surtension temporaire, car lenergie quil aurait a` dissiper luiserait alors fatale.

& On definit les tensions damorcage qui suivent.

Pour les surtensions a` la frequence industrielle, la tensiondamorcage a` frequence industrielle est egale a` la valeur efficacequa, au moment de lamorcage et a` cette frequence, une tensionappliquee au parafoudre dont lamplitude crot avec une vitessemoyenne, plusieurs secondes avant datteindre lamorcage.

En choc de foudre et en choc de manuvre, on conside`re latension la plus elevee qui ne produit jamais damorcage (tensionminimale, ou tension 0 %, damorcage) et la tension la plus bassequi produit toujours lamorcage (tension maximale, ou tension100 %, damorcage).

Il peut etre egalement interessant de connatre la valeur la pluselevee atteinte par la tension, lors dun essai damorcage effectueavec une tension croissant lineairement en fonction du temps(generalement 1 200 kV/ms) ; on la nomme tension damorcage surle front de londe.

& La tension residuelle au courant nominal de decharge est la ten-sion maximale qui apparat aux bornes du parafoudre lorsquil esttraverse par le courant nominal de decharge, valeur de crete duneonde de courant 8/20 ms de forme bi-exponentielle qui sert a` classerle parafoudre.

Rappelons quune onde 8/20 ms est une onde dont le temps demontee a` la valeur maximale est 8 ms et la duree jusqua` la mi-valeur en retombee 20 ms.

Conduit de dgazage

Membrane de surpression

Embase

Chemin des gazioniss expulss

en cas d'arcinterne

Chemin des gazioniss expulss

en cas d'arcinterne

Empilage d'clateurs,de rsistances non linaireset de bobines de soufflage d'arc

Rsistance de rpartition

CondensateurCale en porcelaine

Plaque d'assemblage

Chambre en cramique

Figure 3 Parafoudre HTB au carbure de silicium et a` eclateurs :constitution (doc. ASEA LA 81-3E)

Ten

sio

n o

u c

ou

ran

t

Surtension crte

I

II

III

IV

Temps

DA

A AmorageD Dsamorage

I Niveau de la tension d'insolement du matriel protgerII Niveau de protection garantir (2.3)III Tension aux bornes du parafoudreIV Courant dans le parafoudre

E

B

R

R2

B Bobine de soufflageE clateurR1, R2 Rsistances non linaires

ba dc

ba dc

Figure 4 Parafoudre HTB au carbure de silicium et a` eclateurs :principe de fonctionnement


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Insertion des lignes ariennesdans lenvironnement

par Guy LAURENT

et Denis GHIAZZAlectricit de FranceDirection des tudes et recherches

a construction des ouvrages ariens de transport dnergie lectriqueconnat, depuis la fin des annes 80, des difficults croissantes. Parmi les

arguments invoqus par les opposants aux lignes, la difficile intgration de cesdernires dans les paysages et la perte dagrment ou de valeur foncire quien rsulte figurent en bonne place.

Malgr les progrs effectus au fil des annes en matire de prise en comptede lenvironnement et dtude dimpact, il a sembl ncessaire dutiliser des outilsde plus en plus performants. Il sagit de simuler limpact des ouvrages dans leurenvironnement, puis de tester plusieurs variantes afin daider au choix dfinitifdu trac, en concertation avec les partenaires extrieurs EDF.

Ces outils permettront, au fur et mesure de leur mise en uvre, un meilleurdialogue avec les lus locaux et les administrations, tous les stades de la pro-cdure de construction.

1. Procdure pralable la construction dune ligne arienne....... D 4 445 - 21.1 Ltude dimpact........................................................................................... 21.2 La Dclaration dutilit publique ................................................................ 21.3 Mise au point du trac de dtail et conventions de passage................... 2

2. Prise en compte du paysage dans les tudes de trac ................. 32.1 Les principes dintgration ......................................................................... 32.2 La mise en pratique..................................................................................... 3

3. Photomontage et incrustation vido ................................................. 33.1 Principe......................................................................................................... 33.2 Ralisation.................................................................................................... 3

4. Simulation numrique en trois dimensions ..................................... 44.1 But................................................................................................................. 44.2 Le principe.................................................................................................... 44.3 Difficults de la mthode ............................................................................ 5

5. Prsentation du logiciel EVELINE ....................................................... 55.1 Fonctions ...................................................................................................... 55.2 Son utilisation.............................................................................................. 6

6. Visibilit et soumission la vue .......................................................... 66.1 Approche globale du paysage.................................................................... 66.2 Soumission la vue spcifique.................................................................. 7

7. Conclusions ............................................................................................... 7

Rfrences bibliographiques ......................................................................... 8

L

INSERTION DES LIGNES ARIENNES DANS LENVIRONNEMENT _________________________________________________________________________________

Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.D 4 445 2 Techniques de lIngnieur, trait Gnie lectrique

1. Procdure pralable la constructiondune ligne arienne

1.1 Ltude dimpact

La procdure pralable la construction dune ligne arienneconsiste tudier, sous le contrle des autorits administratives,les paramtres environnementaux susceptibles dtre affects parla construction dune ligne.

Ltude dimpact dbute par lenvoi, par EDF, dun dossier de jus-tification conomique de la ligne en projet accompagn dune pro-position daire dtude, la DIGEC (Direction du gaz, de llectricitet du charbon du Ministre de lindustrie) pour les lignes trs hautetension (THT) et la DRIRE (Direction rgionale de lindustrie, dela recherche et de lenvironnement) pour les lignes haute tension.

Si le projet est accept, une premire concertation est lance souslgide du prfet, en prsence des lus, des administrations, des res-ponsables dpartementaux et rgionaux, dans le but de sassurerque laire dtude propose est suffisamment large pour quaucundes tracs raisonnablement envisageables ne puisse tre exclu parun choix trop restreint. Elle aboutit une aire dtude dfinitive.

Puis, EDF ralise une tude de ltat initial de lenvironnementsur laire dtermine lors de la concertation. Cette tude a pourobjet lanalyse de tous les thmes susceptibles dtre affects parla ligne, cest--dire principalement lagriculture, les milieux natu-rels, le paysage, lhabitat, lurbanisme, les infrastructures, le patri-moine historique, le tourisme, etc.

Cette analyse est complte systmatiquement par une tudesur le terrain auprs des reprsentants locaux et des services admi-nistratifs pour collecter les informations manquantes, en particulierle recensement des projets programms.

Une carte de synthse est labore pour permettre EDF dedgager un certain nombre de cheminements possibles qui serontproposs, ce stade, sous forme de fuseaux.

Sur cette base, les prfets de dpartements ralisent une largeconcertation auprs des administrations et des lus locaux, dontlobjet est daffiner le recensement des contraintes, dvaluerlimpact sur lenvironnement et la faisabilit de chacun des chemi-nements proposs, dliminer les cheminements dont limpact surlenvironnement est jug le plus important et dexaminer les mesuresde rduction et de compensation pour les cheminements qui sub-sistent.

Un compromis sur un unique fuseau de passage (la bande demoindre impact), est recherch. Aprs dcision du prfet, le choixdu trac dans ce fuseau sera soumis ladministration pour laDclaration dutilit publique (DUP) de la ligne. En cas de dsaccordentre les parties, le prfet peut demander une contre-expertise unautre cabinet dtude dimpact, aux frais dEDF, ou un arbitrage dela DIGEC. (0)

Le trac soumis la demande de DUP est une bande dune cen-taine de mtres de large.

1.2 La Dclaration dutilit publique

La procdure de Dclaration dutilit publique comprend une ins-truction administrative, adresse au Ministre de lindustrie pour leslignes THT et aux prfets pour les lignes HT.

Lorganisation de la procdure est confie la DRIRE qui consulteles services administratifs et les maires concerns par le projet.

Un arrt prfectoral autorise la mise lenqute publique. Cetarrt fixe la date douverture, la dure de lenqute (en principe unmois) et indique les lieux, jours et heures o le public peut consulterle dossier, formuler ses observations et rencontrer le commissaireenquteur dsign par le tribunal administratif.

lissue de lenqute, le commissaire enquteur rdige, spar-ment, un rapport et ses conclusions. Le rapport relate le droulementde lenqute et analyse les observations et les contre-propositionsdu public. Les conclusions contiennent sa prise de position person-nelle avec un avis favorable, favorable avec rserves ou non favo-rable au projet.

Le dossier complet de lenqute est adress au prfet, puis EDFqui rpond aux observations.

Le prfet effectue une synthse entre les rsultats de lenquteadministrative et de lenqute publique. Il est comptent pour pro-noncer la DUP pour une ligne HT ; il transmet au Ministre de lindus-trie avec son avis pour les lignes THT.

1.3 Mise au point du trac de dtailet conventions de passage

Le trac rsultant de la DUP est le trac de principe qui laisse EDF la possibilit de prendre en compte des contraintes localises(limites de parcelles, chemins, proximits dhabitations, etc.). Cetrac doit donc tre affin afin de prendre en compte tous les dtailstechniques de louvrage. Les tudes sur le terrain et les informationsrecueillies auprs des administrations, maires et habitants, abou-tissent au projet dtaill de construction.

Sous lgide du prfet, un double contrle sur la ralisation delouvrage sexerce :

la DRIRE procde linstruction du projet dexcution afindassurer le respect des rglementations techniques auxquelleslouvrage est assujetti ; ce contrle aboutit lautorisation dexcu-tion ;

la DDE (Direction dpartementale de lquipement) procde linstruction de la demande de permis de construire ; ce contrleaboutit au permis de construire.

Au cours de ces deux procdures, les services administratifs etles maires sont nouveau consults sur le dossier comportant lalocalisation prcise de la ligne lectrique et ses caractristiques tech-niques.

Ds que la rpartition des pylnes de la ligne est exactementconnue, il est propos aux propritaires de signer avec EDF uneconvention assortie dune indemnit destine rparer le prjudicersultant des servitudes lies la prsence de louvrage.

LorsquEDF possde toutes les autorisations administratives, laconstruction peut dmarrer.

Sigles utiliss

Sigle Dfinition

DDE Direction dpartementale de lquipementDIGEC Direction du gaz, de llectricit et du charbon

du Ministre de lindustrieDRIRE Direction rgionale de lindustrie, de la recherche

et de lenvironnementDUP Dclaration dutilit publiqueEVELINE valuation visuelle et esthtique des lignesGPS Global Positioning SystemMNT Modle numrique du terrainTHT Trs haute tension


Condensateurs de puissance

par Charles HANTOUCHEDocteur s SciencesIngnieur-Chercheur au Service Matriel lectriquede la Direction des tudes et Recherches dlectricit de France

n lectrotechnique, les condensateurs de puissance sont utiliss essentiel-lement pour :

lamlioration du facteur de puissance ; la rduction des impdances en srie des lignes ;

1. Notion de puissance ractive ............................................................... D 4 710 - 21.1 Puissance ractive ....................................................................................... 21.2 Compensation de la puissance ractive .................................................... 3

2. Gnralits ................................................................................................. 42.1 Aperu historique ........................................................................................ 42.2 Puissance et pertes dilectriques ............................................................... 52.3 Emploi des condensateurs en HTB, HTA et BT.......................................... 6

3. Constitution et fabrication des condensateurs............................... 63.1 Principe et diffrentes techniques .............................................................. 63.2 Mise en uvre ............................................................................................. 73.3 Traitement : schage, dgazage et imprgnation ..................................... 83.4 Matriaux...................................................................................................... 9

4. Causes de dgradation des condensateurs ...................................... 124.1 Causes intrinsques..................................................................................... 124.2 Causes externes ........................................................................................... 14

5. Essais des condensateurs de puissance ............................................ 145.1 Gnralits ................................................................................................... 145.2 Essais de routine.......................................................................................... 145.3 Essais de type............................................................................................... 14

6. Batteries de condensateurs................................................................... 156.1 Types de batteries ........................................................................................ 166.2 Systmes dinstallation et de protection dune batterie shunt ................ 176.3 Scurit......................................................................................................... 226.4 Prvention de lenvironnement .................................................................. 22

7. Systmes de compensation .................................................................. 237.1 Compensation en BT ................................................................................... 237.2 Compensation en HTA................................................................................. 247.3 Compensation en HTB................................................................................. 247.4 Situation internationale............................................................................... 257.5 Conclusion.................................................................................................... 25

8. Autres types de condensateurs ........................................................... 258.1 Condensateurs pour installations de chauffage induction.................... 258.2 Condensateurs de couplage et diviseurs capacitifs .................................. 258.3 Condensateurs de disjoncteurs .................................................................. 258.4 Condensateurs de stockage dnergie ....................................................... 258.5 Condensateurs divers.................................................................................. 26

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. D 4 710

E

CONDENSATEURS DE PUISSANCE ________________________________________________________________________________________________________


la rgulation de la tension ; le filtrage des frquences harmoniques ; le circuit bouchon des rseaux ; le dmarrage des moteurs monophass ; la protection des moteurs lectriques ; le stockage de lnergie lectrique.

Cinq types de condensateurs permettent de satisfaire aux besoins des utilisa-teurs ; on distingue :

les condensateurs mixtes : ils sont constitus par une feuille de papier etdeux feuilles de plastique imprgnes par un dilectrique liquide non chlor ;

les condensateurs tout film : ils sont constitus par deux ou trois feuilles deplastique imprgnes par un dilectrique liquide non chlor ;

les condensateurs tout film mtallis : ils sont constitus par une feuille deplastique mtallise et non imprgne ;

les condensateurs tout film mtallis et imprgn : ils sont constitus parune feuille de plastique mtallise ; les bobines ainsi constitues sont impr-gnes par un dilectrique liquide ou gazeux ;

les condensateurs lectrolytiques.

Ces derniers, dont lemploi se limite au dmarrage des moteurs monophass,appartiennent plutt au domaine de llectronique [32]. Par contre, les autrestypes de condensateurs sont trs rpandus sur les rseaux haute tension(HTA et HTB) et basse tension (BT).

On traitera en dtail, dans cet article, des condensateurs destins fournirlnergie ractive aux rseaux lectriques ou aux installations industrielles.

On utilise la terminologie dfinie par la norme CEI 871-1, dont on rappelleci-aprs les principaux termes.

lment de condensateur (ou lment) : dispositif constitu essentiel-lement par deux lectrodes spares par un dilectrique.

Condensateur unitaire (ou unit) : ensemble dun ou de plusieurs lmentsde condensateur placs dans une mme enveloppe et relis des bornes desortie.

Batterie de condensateurs (ou batterie) : ensemble de condensateurs uni-taires raccords de faon agir conjointement.

Condensateur : le terme condensateur est employ lorsquil nest pasncessaire de prciser sil sagit dun condensateur unitaire ou dune batterie decondensateurs.

1. Notion de puissance ractive

Bien que lobjet principal de cet article soit la description techniquedes condensateurs de puissance utiliss sur les rseaux alternatifspublics et industriels, il semble opportun de faire rappel des phno-mnes lectrotechniques qui rendent indispensable leur emploi.Pour plus de dtails, le lecteur pourra se reporter en bibliographieaux articles rfrencs [33] [34] [35] [36].

1.1 Puissance ractive

Un rseau a pour fonction de transporter la puissance (ou lner-gie) depuis une source de production vers un centre de consom-mation appel charge ou rcepteur. La charge est caractrise par satension, son courant, son impdance et son facteur de puissance.

Tout systme lectrique fonctionnant sous tension alternativeconsomme de lnergie sous deux formes, lnergie active etlnergie ractive, puisque la tension et le courant sont rarement enphase.

En rgime sinusodal, la frquence industrielle (50 Hz), appelons :

U et I les valeurs efficaces respectivement de la tension u et du courant i,

________________________________________________________________________________________________________ CONDENSATEURS DE PUISSANCE


le dphasage entre v et i (compt positivement si le courant est en retard sur la tension).

La puissance apparente, fournie par la source de production

S = UI

impose les dimensions du gnrateur et du rseau de transport oude distribution.

Seule la puissance active, reue par la charge, se transforme ennergie mcanique, thermique, lumineuse, etc. Cest la puissanceutile qui transite par la charge et qui est :

P = UI cos = S cos Par rapport la puissance apparente S, la puissance active P est

rduite dun facteur de puissance cos entranant des pertesdefficacit du rseau.

La puissance ractive, non utilise, est :

Q = UI sin = S sin Ainsi, on obtient :

En ralit, la puissance ractive sert laimantation des circuitsmagntiques des machines lectriques (transformateurs et moteurs)et de certains appareils tels que les lampes fluorescentes. Mais, parcontre, la transporter en mme temps que la puissance active conduit surdimensionner les lignes de transport et de distribution et donc en augmenter le cot ou les faire fonctionner leurs limites, cequi peut conduire des instabilits nfastes pour la qualit deservice.

On montre que la puissance ractive a des proprits deconservation dans le rseau. Par convention, tout lment inductifdu rseau ( > 0) consomme de lnergie ractive et tout lmentcapacitif ( < 0) en produit. Il est ais de calculer ces consommationset productions.

La puissance ractive consomme par une inductance Lparcourue par un courant I est :

QL = L I2

La puissance ractive produite par une capacit C soumise unetension U est gale :

QC = C U2

avec = 2 pi f ( tant la pulsation du rseau en radians par secondeet f la frquence en hertz).

Comme pour la puissance active, on peut tablir, aux nuds durseau ou sur tout trajet du courant, des bilans quilibrs depuissance ractive. Le bilan global est le suivant :

les charges sont trs gnralement inductives, cest--direconsommatrices de puissance ractive ;

les lignes ariennes produisent de lnergie ractive du fait deleur capacit lorsquelles sont peu charges ; elles en consommentlorsquelles sont fortement charges ;

les cbles souterrains en produisent du fait de leur faibleinductance et de leur grande capacit ;

les transformateurs en consomment.

Globalement, le rseau et ses charges appellent de lnergieractive, sauf aux heures creuses.

Ainsi, il stablit, sur les rseaux, une forte circulation de puis-sance ractive, ce qui se traduit par des cos faibles en tout pointdu rseau, par consquent, de fortes pertes de rendement et un

surdimensionnement des rseaux. Lampleur du phnomne esttelle que, dans bien des cas, le rseau ainsi constitu deviendraitinexploitable.

1.2 Compensationde la puissance ractive

La figure 1 reprsente un rseau prpondrance inductive et sareprsentation de Fresnel, avec son impdance complexe

et sa tension aux bornes de la charge.

On propose damliorer le facteur de puissance par une compen-sation locale laide de condensateurs de puissance de capacit C.La figure 2 montre que, en calculant C pour que le courant ait lamme valeur que la composante ractive du circuit initial, cettecompensation rduit le courant transport par la ligne tout en assu-rant une alimentation correcte du rcepteur. Cette rduction peutatteindre 20 40 %.

Il faut remarquer que la portion AB de ligne alimentant la chargereste parcourue par la mme puissance apparente S.

S P2

Q2

+=

La solution consiste produire de la puissance ractive auvoisinage des lieux de consommation. Cest le rle des conden-sateurs de puissance. Placs prs des lments inductifs, cescondensateurs leur fournissent directement de la puissanceractive ; celle-ci na plus circuler sur le rseau dalimentation ;on limite ainsi les instabilits et les surdimensionnements desrseaux.

Figure 1 Circuit sans compensation : schma unifilaire

Figure 2 Circuit avec compensation ractive : schma unifilaire

Z R jX+= V2

I

I r



2. Gnralits

2.1 Aperu historique

La bouteille de Leyde (1745) est le premier condensateur de stoc-kage dnergie lectrique. Elle permet la ralisation de nombreusesexpriences de physique aux XVIIIe et XIXe sicles.

Les condensateurs ne sont utiliss industriellement pourlamlioration du facteur de puissance que vers 1920. Ces appareils,installs sur les rseaux, sont des units monocuves, dune puis-sance ractive denviron 500 1 000 kvar. Leur dilectrique estconstitu par des feuilles de papier imprgn dhuile minrale.

En France, cette technique subsiste jusquau dbut des annescinquante. cette poque, les units monocuves sont remplacespar des batteries de condensateurs monophases de technologietout papier imprgn dhuile minrale. Le champ lectrique estde 12 V/m avec une tangente dangle de pertes dilectriques tan denviron 3,5 W/kvar. Cette valeur de pertes autorise la fabricationdunits de puissance unitaire de 20 kvar.

Dans les annes soixante, la qualit des papiers samliore etlimprgnation seffectue par un liquide chlor appartenant augroupe des polychlorobiphnyles (PCB) ; le champ passe 16 V/met tan est rduite 3 puis 2 W/kvar. Les puissances unitairespassent 30, puis 50 kvar.

Une nouvelle volution technologique se manifeste avec la miseau point dun film de polypropylne (PP) dont les proprits dilec-triques sont performantes. Les pertes dilectriques sont rduitesdun facteur 3 (tan = 0,6 W/kvar) et le champ est multipli par plusde 2 (38 V/m). partir de 1968-1969, des units de 100 kvar dilectrique mixte (une feuille de papier entre deux feuilles de PP)imprgnes par le PCB commencent tre fabriques par lindustriefranaise.

Mais la toxicit et la persistance des PCB dans lenvironnement,mises en vidence par Jensen en 1966, provoquent des changementsimportants. Ds 1972, le gouvernement japonais interdit lutilisationdes PCB, les Amricains font de mme en 1975. La mme anne, laFrance restreint et rglemente les conditions demploi des PCB. Cettesituation conduit la mise au point de nouveaux imprgnants nonchlors et ne prsentant pas de danger pour lenvironnement.

Ces nouveaux liquides, mises part les amliorations apportesen matire dcotoxicit permettent de rduire de 10 % les pertesdilectriques (tan = 0,45 W/kvar) et daugmenter de 15 % le champ(45 V/m) sans nuire la fiabilit. Ainsi, la puissance unitaire estporte 200 kvar entre 1975 et 1978.

Paralllement, pour le rseau basse tension, la technique ducondensateur mtallis (autorgnrateur) dont les lments sontobtenus en bobinant du film de PP mtallis laluminium ou auzinc, fait son apparition.

Au dbut des annes quatre-vingt, les units de 200 kvarsont quipes de fusibles internes (figure 3), chaque lment ducondensateur tant protg par un fusible. Cette technique amliorela disponibilit des units sur les rseaux. Paralllement, la totalematrise de la fabrication des films de PP permet de raliser undilectrique solide constitu uniquement de films de PP imprgnspar des liquides non chlors. Les caractristiques lectriques decette technologie, vers 1990, sont plus performantes :

les pertes dilectriques sont 4 fois moindre (tan = 0,1 W/kvar) ; le gradient de potentiel dutilisation a augment de 30 %

(60 V/m) ; la puissance unitaire atteint 300 400 kvar avec des fusibles

internes. Actuellement (1996), les fabricants proposent des conden-

sateurs tout film (PP), de puissance ractive comprise entre 400 et500 kvar, voire plus, avec des fusibles internes ou sans fusibles maisdont le champ est denviron 75 V/m avec des tan de 0,1 W/kvar. Les diffrentes caractristiques de chacune de ces techno-logies sont rsumes dans le tableau 1.

(0)

En conclusion, le passage des condensateurs de la techno-logie tout papier celle de tout film a permis en 40 ans(figure 4) de :

multiplier par 6 le champ lectrique (de 12 75 V/m) ; multiplier par 25 la puissance ractive unitaire (de 20

500 kvar) ; multiplier par 11 la puissance massique (de 0,7 8 kvar/kg) ; diviser par 35 les pertes dilectriques (tan , de 3,5

0,1 W/kvar).

Tableau 1 volution des caractristiques des condensateurs de puissance

Annes DilectriquesPuissanceractiveunitaire

Champlectrique

Tangente de langlede pertes

tan Masse

(kvar) (V/m) (W/kvar) (kg)1950-1959 Papier/huile minrale 20 12 3,5 30

1960-1968 Papier/PCB 30 50 16 2 40

1969-1974 Mixte/PCB 100 38 0,6 45

1975-1983 Mixte/liquides non chlors 100 200 45 0,45 35 60

1984-1987 Mixte avec fusible interne (1) 200 45 0,45 60

1988-1993 Tout film avec fusible interne (1) jusqu 400 60 0,1 65

1994-... Tout film avec fusible interne (1) jusqu 600 75 0,1 65

(1) Ces condensateurs peuvent tre galement fabriqus sans fusible interne et le liquide dimprgnation est toujours non chlor.

________________________________________________________________________________________________________ CONDENSATEURS DE PUISSANCE


2.2 Puissance et pertes dilectriques

Un condensateur est caractris, dune faon gnrale, par lesvaleurs de sa capacit, de sa tangente de langle de pertes (tan )et de sa puissance ractive Q. Ainsi, un condensateur monophasde capacit C (exprim en F) aliment sous une tension U (V) estparcouru par un courant dintensit I(A) telle que :

I = 106 C U

avec :

o r et 0 sont respectivement la permittivit relative moyennedes isolants et la permittivit absolue du vide, la surface desarmatures (lectrodes) et d lpaisseur des isolants.

Le condensateur dlivre une puissance ractive Q (exprimeen kvar) :

avec E = U /d (V/m) champ lectrique appliqu.Ainsi, on obtient la puissance volumique (exprime en

kvar/dm3) :

La puissance volumique est proportionnelle au produit rE2. On

constate que plus le champ E est lev, pour une puissancedonne et avec les matriaux couramment utiliss (par exemple, ledilectrique PP imprgn, qui a une permittivit relative r delordre de 2,2), moins le condensateur sera encombrant.

Par ailleurs, le condensateur est parcouru par un courant I quinest pas tout fait en quadrature de phase avec la tension U.Langle de pertes correspondant (figure 5), est le compl-mentaire de langle , existant entre la tension et le courant. La puis-sance perdue Pp(en W), dissipe sous forme de chaleur, est lie Q (en kvar) par :

Pp = Q tan tan (W/kvar) est appele facteur de pertes ; on dit aussi pertesdilectriques.

C r0/d=

Q 2pi106C f U 2/ 103 2pi109C f U 2= =

2pi109r0f U2/ d=

2pi109r0f E2d=

Q / d 2pi109r0f E2

K rE2

==

Figure 3 Vue interne dun condensateur fusibles internes

Figure 4 volution des technologies des condensateurs



2.3 Emploi des condensateursen HTB, HTA et BT

Le rle de base des condensateurs de puissance est la compen-sation de la puissance ractive dans les rseaux lectriques et le fil-trage des harmoniques. Rappelons que, en France, les rseauxpublics sont rpartis en quatre niveaux :

les rseaux de transport trs haute tension (THT) : 225 kVou 400 kV ;

les rseaux de rpartition haute tension (HTB) : 63 kVou 90 kV ;

les rseaux de distribution moyenne tension (HTA) : 10 kVou 15 kV ou 20 kV ou exceptionnellement 33 kV ;

les rseaux de distribution basse tension (BT) : tensionsinfrieures ou gales 1 000 V.

On distingue trois types de compensation ractive.

Compensation shuntLes condensateurs de puissance sont installs en drivation sur

le rseau ( 6.1.1). Pratiquement, ils sont connects aux bornes durseau suivant un couplage toile (simple toile ou double toile)ou triangle. Le nombre de condensateurs connects dpend de lapuissance ractive totale ncessaire et de la puissance unitaire.

Les condensateurs shunt sont utiliss : soit en BT, souvent au plus prs des appareils dutilisation ; soit en HTA, o ils sont regroups en batteries ( 6.2) de

quelques mgavars ; soit en HTB, avec des batteries de plusieurs dizaines de

mgavars ; soit, enfin, en THT, avec des batteries de quelques centaines

de mgavars.

Compensation srieLes condensateurs de puissance sont placs en srie sur le rseau

dont ils compensent partiellement la ractance ( 6.1.2). Cettecompensation, employe sur certaines lignes HTB ou THT qui sont la fois trs charges et trs longues, contribue la stabilit de latension du rseau.

Ce type de compensation est assez exceptionnel en France.Mentionnons simplement que les principaux problmes rsidentdans la protection contre les surintensits qui traversent les batteriesde condensateurs lorsquun court-circuit se produit sur les lignes oelles sont installes.

FiltrageLes rseaux alternatifs sont le sige de phnomnes non

linaires, dus des quipements composs dlectronique de

puissance ou aux fours arcs, entranant la cration dharmoniquesde courant et de tension, qui ont des effets nfastes sur les matrielsdu rseau et les appareils dutilisation (vieillissement acclr ouclaquage). Pour les limiter, on installe des filtres dharmoniquescomportant des condensateurs [37]. Ces filtres sont, en gnral,associs des batteries fournissant de la puissance ractive. On lesutilise aussi pour filtrer les composantes harmoniques prsentessur le rseau courant continu.

Il faut mentionner que lon emploie les condensateurs depuissance pour dautres types dusage qui sont dcrits succinc-tement en fin darticle ( 8). On peut citer les condensateurs utilisspour le stockage dnergie, pour la multiplication de la tension etcomme diviseurs capacitifs. Les condensateurs de llectronique depuissance ne sont pas traits ici, mais dans larticle rfrenc [32].

3. Constitution et fabricationdes condensateurs

3.1 Principe et diffrentes techniques

Llment de condensateur (figure 6) est constitu de deuxarmatures mtalliques (aluminium ou zinc) minces (de 5 6 m),spares par un milieu isolant (plusieurs films de papiers et/ou defilms de PP imprgns ou non par un dilectrique liquide)dpaisseur d et de permittivit . Les lectrodes (de surface ) etles films sont enrouls et forment une bobine. Un condensateurunitaire est ralis partir dune association de plusieurs lmentsconnects en parallle et/ou en srie.

On distingue deux techniques de fabrication selon la tensiondutilisation.

3.1.1 Condensateur utilis en HT

Les premiers condensateurs taient fabriqus avec, commeisolant, des papiers Kraft (figure 7a ) imprgns avec des huilesminrales , puis avec des PCB ( 2.1). Certaines units(condensateurs de couplage) sont encore ralises avec des couchesde papier imprgn dhuile minrale. partir des annes soixante,on a utilis les condensateurs dilectrique mixte (figure 7b )imprgns par des PCB, puis par des liquides non chlors.

Signalons que lhuile de ricin imprgne, galement, les conden-sateurs pour le stockage dnergie ou pour un fonctionnementsous trs haute tension continue. Cette huile associe une bonnestabilit thermique une permittivit relative leve (r 5).

Actuellement, les condensateurs de puissance, utiliss en Francepour amliorer le facteur de puissance, sont dilectrique tout filmimprgn par un liquide non chlor avec ou sans fusiblesinternes. Le dilectrique solide est constitu par deux ou trois filmsdpaisseurs comprises entre 10 et 16 m. Ces films de PP sont leplus souvent rugueux. Cette rugosit est ncessaire pour permettreau dilectrique liquide dimprgner lintrieur du condensateur. Lesarmatures sont ralises avec des feuilles daluminium dontlpaisseur est denviron 5 6 m et qui peuvent tre dformes, siles films de PP sont lisses (figure 8a ), ou non, si les films de PP sontrugueux (figure 8b ).

Notons que la feuille daluminium doit tre parfaitement propre ;en particulier, un traitement adquat doit liminer tous les produitsde lubrification utiliss lors du laminage. De plus, elle doit avoirune bonne rgularit, une tenue mcanique satisfaisante, ne pasprsenter de plis, de dchirures, dasprits aux marges, etc.Actuellement, la technique de dcoupage au laser des armaturesest de plus en plus utilise.

Figure 5 Reprsentation de langle de pertes


Transformateurs de mesure

Gnralits. Thorie. Fonctionnement

par Jean-Pierre DUPRAZIngnieur de lcole Nationale Suprieure dlectronique et de ses Applications (ENSEA)et de lInstitut dAdministration des Entreprises (IAE)Responsable du Groupe de Recherches en lectroniquede la Direction Technique Haute Tension GEC ALSTHOMDivision Transport et Distribution dnergie

1. Prsentation gnrale............................................................................. D 4 720 - 21.1 Rle des transformateurs de mesure......................................................... 2

1.1.1 Environnement lectrique des postes haute tension ................... 21.1.2 Signaux exploitables par les quipements de mesure

et de protection................................................................................... 21.1.3 Ncessit du transformateur de mesure .......................................... 2

1.2 Grandeurs mesurer .................................................................................. 21.2.1 Niveaux de tension. Classification .................................................... 21.2.2 Grandeurs normales des courants et tensions en rgime

permanent ........................................................................................... 31.2.3 Rgime transitoire. Cycle de renclenchement automatique......... 3

1.3 Dfinition des erreurs.................................................................................. 31.3.1 Rapport de transformation thorique ............................................... 31.3.2 Erreur de rapport ................................................................................ 31.3.3 Erreur de phase................................................................................... 31.3.4 Relation entre les diffrentes erreurs................................................ 4

1.4 Prcision....................................................................................................... 41.4.1 Charge de prcision............................................................................ 41.4.2 Classes de prcision ........................................................................... 41.4.3 Rgimes transitoires........................................................................... 5

1.5 Fonctions annexes....................................................................................... 61.5.1 Dcharge de ligne............................................................................... 61.5.2 Injection de courants porteurs sur lignes HT ................................... 61.5.3 Limitation des courants secondaires ................................................ 6

2. Thorie et fonctionnement pour mesures en alternatif ............... 62.1 Transformateur de courant ......................................................................... 6

2.1.1 Principe. Modlisation........................................................................ 62.1.2 Fonctionnement en rgime permanent ............................................ 72.1.3 Fonctionnement en rgime transitoire ............................................. 82.1.4 Danger d louverture accidentelle du secondaire ....................... 11

2.2 Transformateur magntique de tension .................................................... 112.2.1 Principe. Modlisation........................................................................ 112.2.2 Fonctionnement en rgime permanent ............................................ 112.2.3 Fonctionnement en rgime transitoire ............................................. 132.2.4 Comportement en court-circuit et en circuit ouvert ........................ 18

2.3 Transformateur capacitif de tension .......................................................... 182.3.1 Principe. Modlisation........................................................................ 182.3.2 Fonctionnement en rgime permanent ............................................ 182.3.3 Fonctionnement en rgime transitoire ............................................. 202.3.4 Ferrorsonance ................................................................................... 212.3.5 Injection de courants porteurs........................................................... 22

2.4 Comparaison des transformateurs de tension.......................................... 23

Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. D 4 726

TRANSFORMATEURS DE MESURE _________________________________________________________________________________________________________


exploitation des rseaux de transport et de distribution dlectricit ncessitele comptage et la surveillance de lnergie transitant par les lignes et les

cbles.Les puissances installes tant considrables, le comptage, effectu en vue

de la facturation, doit tre prcis. Une incertitude de un pour mille sur la mesuredune puissance de 1 140 MW se traduit en effet, au bout dune anne, par unmanque gagner de 10 GWh !

Par ailleurs, tout dfaut en ligne, occasionnant des courants de court-circuitparfois considrables, doit tre dtect et limin temps pour viter ladestruction des quipements ou la dsarticulation du rseau. Une surveillancepermanente est donc indispensable pour assurer la protection des ouvrages, desmatriels et des rseaux.

Le lecteur pourra se reporter, dans ce trait, larticle Rgimes transitoiresdans les rseaux lectriques [D 4 410] pour les Gnralits sur les perturbationset larticle Lignes et postes. Choix et coordination des isolements [D 4 750]pour plus de dtails sur les Contraintes dilectriques appliques au matriel.

Les deux fonctions essentielles (mesure et protection) ne sont ralisablesque si lon dispose dune connaissance aussi prcise que possible de deuxgrandeurs de ligne, le courant et la tension.

Larticle Transformateurs de mesure fait lobjet de plusieurs articles : Gnralits. Thorie. Fonctionnement [D 4 720] ; Technologie. Dimensionnement. Essais [D 4 722] ; Transformateurs spciaux. volution [D 4 724] ;

et les sujets traits ne sont pas indpendants les uns des autres. Le lecteur devra assez souventse reporter aux autres articles.

L

1. Prsentation gnrale

1.1 Rle des transformateurs de mesure

1.1.1 Environnement lectrique des postes haute tension

Les postes haute tension (HT) sont le sige de perturbations lec-triques et lectromagntiques exceptionnelles, dues en particulieraux manuvres des appareillages. Les lignes sont exposes auxdcharges atmosphriques et transmettent les surtensions rapidescorrespondant aux quipements qui leur sont coupls.

En consquence, aux grandeurs nominales du courant et de latension se superposent des parasites de trs grande amplitude(plusieurs kiloampres, plusieurs centaines de kilovolts), dont lespectre de frquence va jusqu quelques mgahertz pour les postesouverts et jusqu une centaine de mgahertz pour les postes iso-lement gazeux.

1.1.2 Signaux exploitables par les quipementsde mesure et de protection

Les quipements chargs du comptage de lnergie et de la pro-tection du rseau sont des dispositifs de mesure basse tension (BT)prcis, rapides mais dlicats ; ils utilisent de plus en plus descomposants lectroniques et sont fonctionnellement relis desautomatismes numriques dont la fiabilit nest assure que par lamise en uvre dans un environnement lectrique et climatique sain.

Les grandeurs mesurables par ces dispositifs sont relativementfaible niveau, soit, typiquement, de lordre de 1 A pour les courantset de 100 V pour les tensions ; elles sont normalises, de faon les rendre indpendantes des rseaux, autorisant ainsi une standar-disation des quipements.

1.1.3 Ncessit du transformateur de mesure

Il est indispensable dutiliser un dispositif intermdiaire entre laligne (ou le cble) et les quipements basse tension, pour lesdeux raisons suivantes :

rduction des valeurs des courants et des tensions des valeurscompatibles avec les appareils de mesure et de protection ;

dcouplage de ces appareils vis--vis des hautes tensions,permanentes ou transitoires, des rseaux.

Ce dispositif, appel souvent rducteur de mesure, est charg dedlivrer aux quipements BT un courant ou une tension de basniveau, qui soit une image fidle du courant (respectivement, de latension) en ligne.

cette fonction normalisation des grandeurs sajoute videm-ment celle dassurer lisolement galvanique entre grandeursprimaires et secondaires.

1.2 Grandeurs mesurer

Nota : les titres des normes et publications sont donns dans la fiche documentaire[Doc. D 4 726].

1.2.1 Niveaux de tension. Classification

La CEI (Commission lectrotechnique Internationale), dans sapublication 71, dfinit la tension la plus leve pour le matriel, Um ,comme la tension efficace entre phases la plus haute pour laquellele matriel est spcifi et quil doit pouvoir supporter pendant unedure indfinie.

La norme distingue trois gammes : gamme A .............................. 1 kV < Um < 52 kV gamme B .............................. 52 kV Um < 300 kV gamme C .............................. 300 kV Um

________________________________________________________________________________________________________ TRANSFORMATEURS DE MESURE


La gamme A correspond aux matriels moyenne tension (MT),les gammes B et C aux matriels haute (HT) et trs haute (THT)tensions.

Les technologies des transformateurs de mesure varient videm-ment en fonction de la gamme de tension.

Nota : dans cet article, on traitera essentiellement les transformateurs de mesure desti-ns aux rseaux moyenne et haute tensions.

En basse tension, lventail des techniques utilisables est trs important et ces tech-niques nont, de plus, aucune spcificit ; nous ne ferons mention de la basse tension quedans le cas particulier des transformateurs effet Hall [D 4 724], en raison de leur intrtpour la mesure du courant continu.

1.2.2 Grandeurs normales des courantset tensions en rgime permanent

Grandeurs secondaires : les courants secondaires assigns sont de 1, 2 ou 5 A ; les tensions secondaires assignes sont gnralement :

Grandeurs primaires : on ne retiendra que les ordres de grandeur.

1.2.3 Rgime transitoire.Cycle de renclenchement automatique

En rgime de dfaut, les grandeurs de ligne sont susceptiblesdavoir des valeurs totalement diffrentes des valeurs assignes.

Un mode dexploitation des rseaux couramment utilis consiste ragir un dfaut en ligne de la faon suivante : lapparition dudfaut (courant lev), on ouvre le disjoncteur (courant nul), puison ferme le disjoncteur aprs une temporisation. Si le dfaut esttoujours prsent, on procde alors louverture dfinitive du disjonc-teur. Cela permet de ne pas perdre la continuit du service en casde dfaut fugitif. Le cas le plus frquent est le court-circuit phase-terreprovoqu par lamorage dun clateur dune ligne frappe par lafoudre. La mise hors tension de la ligne, un court instant, suffit gn-ralement pour teindre larc et restaurer lintgrit dilectrique delclateur.

Le comportement des rducteurs de mesure est alors test aumoyen de la squence dessais illustre par le diagramme de lafigure 1.

Le courant et la tension sont prsents durant les phases de ferme-ture F, et nuls dans les phases douverture O.

Durant la totalit de ce cycle, les transformateurs de mesuredoivent assurer correctement leur fonction, cest--dire donner ausecondaire une image fidle de la grandeur primaire mesure, celadans la limite des erreurs dont les dfinitions sont donnes dansle paragraphe 1.3.

1.3 Dfinition des erreurs

1.3.1 Rapport de transformation thorique

Cest le rapport entre les valeurs efficaces des grandeurs primaireset secondaires assignes. Dans larticle, il sera not Kn ; on a :

pour un transformateur de courant :

(1)

pour un transformateur de tension :

(2)

les symboles reprsentatifs des variables (I courant et U tension)primaires et secondaires tant respectivement indics p et s.

1.3.2 Erreur de rapport

Du fait des imperfections des transformateurs de mesure, lerapport de transformation rel K est diffrent du rapport thorique.

On dfinit alors lerreur de rapport K , exprime en pour-cent, quiest :


(3)


(4)

On dfinit, galement, lerreur compose c , qui est une estima-tion de la valeur efficace de lerreur, pour un transformateur decourant ; on a :

(5)

avec ip et is valeurs instantanes des courants primaire etsecondaire,

T priode du rseau (= 1/f , avec f frquence).

Cette erreur ne se dfinit pas pour un transformateur de tension.

1.3.3 Erreur de phase

Si les grandeurs primaires et secondaires sont exprimes ennotations complexes, cette erreur est :


(6)

Par exemple, en France, pour le rseau 420 kV, le courant assignest, en valeur efficace, typiquement de 3 000 A.

Par exemple, le courant de court-circuit du rseau franais 420 kVpeut atteindre, en valeur efficace, 63 000 A.

Figure 1 Cycle de renclenchement automatique

100

3---------- V ; 100 V ;

110

3

---------- V ; 110 V

Kn IpIs----assigns=

Kn UpUs-------assigns=

K 100 K

n I s I p

I

p

--------------------------=

K 100 K

n U s U p

U

p

-------------------------------=

c 100 1 I p ------ 1

T -----

0

T

K n i p i s ( ) 2 d t =

arg I s ( ) arg I p ( ) =


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D 4 720

4

Techniques de lIngnieur, trait Gnie lectrique


(7)

Le dphasage est habituellement exprim en minutes (dangle).

1.3.4 Relation entre les diffrentes erreurs

Soit les nombres complexes reprsentatifs des gran-

deurs instantanes primaires et secondaires. On peut dfinir un

rapport de transformation complexe et une erreur complexe :

(8)

(9)

Les erreurs de rapport et de phase [relations (3), (4), (5), (6) et (7)]sexpriment alors simplement, si elles sont faibles, par :

(10)

(11)

1.4 Prcision

1.4.1 Charge de prcision

Cest la valeur de la charge sur laquelle sont fondes des condi-tions de prcision. Elle est gnralement caractrise par la puis-sance apparente assigne Sn absorbe au secondaire, un facteurde puissance cos donn.

Pour lessai de rponse transitoire des transformateurs de tension,par exemple, la norme CEI 186 propose deux schmas de charge(figure 2).

Les puissances consommes par les dispositifs branchs auxsecondaires des rducteurs de mesure varient, selon leur techno-logie, dune valeur infrieure ou gale 1 VA pour les relais statiques 20 VA pour une protection de distance lectromcanique.

Il convient de tenir compte de la rsistance des cbles secondairesde liaison, particulirement pour les transformateurs de courant.

Les charges de prcision usuelles schelonnent de 2,5 30 VApour les transformateurs de courant et de 10 500 VA pour lestransformateurs de tension.

1.4.2 Classes de prcision

La classe de prcision est caractrise par un nombre (indice declasse) gal la limite suprieure de lerreur, exprime en pour-cent,pour la grandeur nominale primaire et la charge de prcision.

On peut distinguer deux classes de prcision : celles utilises pour la mesure, qui, en gnral, ont des erreurs

faibles appliques un domaine restreint (classes mesure ) ; celles utilises dans la protection, qui, en gnral, ont des

erreurs plus importantes mais dans un domaine trs tendu (classesprotection ).

Les tableaux 1, 2, 3, 4, 5 et 6 indiquent les limites de lerreur enfonction de la classe de prcision pour des transformateurs decourant et de tension, selon les normes CEI 185 et CEI 186.

arg U s ( ) arg U p ( ) =

Ap

et A s

K

KA pA

s

----------=

KnK------- 1 j += =

K 100 Re ( ) 100 = =

10,8 103

pi-------------------------- lm ( ) 10,8 10

3

pi -------------------------- = =

Figure 2 Charges normalises pour lessai des transformateursde tension en rgime transitoire

(0)

(0)

Tableau 1 Limites de lerreur pour les transformateurs de courant.Classe mesure

Classe

(%) [minute (dangle)]

I

/

I

n

I

/

I

n

0,05 0,2 0,5 1 1,2 0,05 0,2 1 1,2

0,1

0,4

0,2 ......................

0,1

0,1

15

8

5

5

0,2

0,75

0,35 ......................

0,2

0,2

30

15

10

10

0,5

1,5

0,75 ......................

0,5

0,5

90

45

30

30

1

3

1,5 ......................

1

1

180

90

60

60

3 ...................... ......................

3 ......................

3

5 ...................... ......................

5 ......................

5

K

________________________________________________________________________________________________________ TRANSFORMATEURS DE MESURE

Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie lectrique

D 4 720

5

(0)

(0)

(0)

(0)

Dans le cas des transformateurs destins la

protection

, lindicede classe est suivi de la lettre

P

et, sil sagit de transformateurs decourant, cette lettre est son tour suivie du

facteur limite deprcision

; ce facteur est le rapport entre la valeur la plus leve ducourant primaire pour laquelle le transformateur doit satisfaire auxprescriptions concernant lerreur compose et le courant primaireassign. Les valeurs normales du

facteur limite de prcision

, selonla CEI, sont :

5 - 10 - 15 - 20 - 30

Pour les transformateurs de tension, on dfinit le

facteur detension assign

, rapport entre la plus haute tension pour laquellela classe de prcision est requise et la tension primaire assigne.Les valeurs typiques sont 1,5 1,9, selon les rseaux, pour les trans-formateurs destins la protection, et 1,2 pour les transformateursdestins la mesure.

1.4.3 Rgimes transitoires

Le comportement des rducteurs de mesure en rgime transitoirefait gnralement lobjet de clauses particulires incluses dans lesspcifications techniques.

Elles visent sassurer que les rgimes transitoires propres auxrducteurs, et excits lors des variations brusques des grandeurs deligne, samortissent suffisamment rapidement pour ne pas perturberle fonctionnement des quipements destins la protection durseau.

Le cas des transformateurs de courant est particulirement dlicatet la CEI (publication 185) a dfini des

classes spciales

(TPS, TPX,TPY, TPZ) pour les appareils devant avoir une

prcision impose

enprsence de rgimes transitoires primaires particuliers [tableau

4

et 2.1.3.1].

Tableau 2 Limites de lerreur pour les transformateurs de courant.Classe mesure. Applications spciales

Classe


I

/

I

n

I

/

I

n

0,01 0,05 0,2 1 1,2 0,01 0,05 0,2 1 1,2

0,2S

0,75

0,35

0,2

0,2

0,2

30

15

10

10

10

0,5S

1,5

0,75

0,5

0,5

0,5

90

45

30

30

30

K

Tableau 3 Limites de lerreurpour les transformateurs de courant.

Classe protection

Classe

(1)


I

/

I

n

I

/

I

n

= 11

a

5 P

a

1

5

60

10 Pa 3 10(1) a facteur limite de prcision ( 1.4.2).

Tableau 4 Limites de lerreur pour les transformateursde courant TPX, TPY, TPZ

Classe

au courant primaire assign la condition

limite de prcision

Erreur instantane maximale

(%) [minute (dangle)] (%)

TPX 0,5 30 5

TPY 1 60 7,5

TPZ 1 180 18 10

Tableau 5 Limites de lerreurpour les transformateurs de tension. Classe mesure

Classe pour 0,8 < U/Un < 1,2 pour 0,8 < U/Un < 1,2


0,1 0,1 5

0,2 0,2 10

0,5 0,5 20

1 1 40

3 3

K

K

K

Tableau 6 Limites de lerreur pour les transformateursde tension. Classe protection

Classe (1) (1)


3 P 3 120

6 P 6 240

(1) b facteur de tension assign ( 1.4.2).

Exemple : un appareil de classe 5 P 20 est destin la protection ;son erreur de rapport doit tre infrieure 5 % pour toute valeur ducourant comprise entre une et 20 fois le courant nominal.

K

pour 0,05 U / U n b pour 0,05 U / U n b


Transformateurs de mesure

Technologie. Dimensionnement. Essais

par Jean-Pierre DUPRAZIngnieur de lcole Nationale Suprieure dlectronique et de ses Applications (ENSEA)et de lInstitut dAdministration des Entreprises (IAE)Responsable du Groupe de Recherches en lectroniquede la Direction Technique Haute TensionGEC ALSTHOM. Division Transport et Distribution dnergie

article Transformateurs de mesure fait lobjet de plusieurs articles : Gnralits. Thorie. Fonctionnement [D 4 720] ; Technologie. Dimensionnement. Essais [D 4 722] ; Transformateurs spciaux. volution future [D 4 724] ;

et les sujets traits ne sont pas indpendants les uns des autres. Le lecteur devraassez souvent se reporter aux autres articles.

1. Technologie ............................................................................................... D 4 722 - 21.1 Gnralits ................................................................................................... 21.2 Matriaux ..................................................................................................... 2

1.2.1 Isolation ............................................................................................... 21.2.2 Circuits magntiques.......................................................................... 2

1.3 Transformateurs de mesure pour rseaux moyenne tension .............. 31.3.1 Transformateurs de courant .............................................................. 31.3.2 Transformateurs de tension............................................................... 4

1.4 Transformateurs de mesure pour rseaux haute tension..................... 51.4.1 Transformateurs de courant .............................................................. 51.4.2 Transformateurs magntiques de tension........................................ 81.4.3 Combins de mesure courant-tension.............................................. 91.4.4 Transformateurs capacitifs de tension (TCT).................................... 10

2. Dimensionnement.................................................................................... 102.1 Isolement...................................................................................................... 112.2 chauffement ............................................................................................... 12

2.2.1 chauffement en rgime permanent ................................................ 122.2.2 chauffements dus aux rgimes anormaux..................................... 12

2.3 Tenue aux efforts lectrodynamiques........................................................ 122.4 Tenue aux efforts mcaniques dorigine extrieure ................................. 12

3. Essais........................................................................................................... 133.1 Essais individuels ........................................................................................ 13

3.1.1 Essais de prcision en rgime permanent ....................................... 133.1.2 Essais de tenue dilectrique frquence industrielle ..................... 13

3.2 Essais de type .............................................................................................. 13

Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. D 4 726

L



1. Technologie

1.1 Gnralits

La varit de construction des transformateurs de mesure estlie au niveau de tension auquel ils sont soumis et, dans le cas dela haute tension, la technologie de ralisation des postes danslesquels ils sintgrent :

postes ouverts (appels encore conventionnels), dans lesquelslisolement externe lappareillage est assur par de longues dis-tances dans lair ambiant ;

postes blinds, dans lesquels lappareillage est plac sousenveloppe mtallique et lisolement assur par de lhexafluorurede soufre (SF6) sous pression.

Quel que soit le niveau de tension, on peut distinguer trois partiesessentielles dans les transformateurs de mesure :

la partie active, comprenant les enroulements et les circuitsmagntiques ainsi que, le cas chant, lisolation ;

lenveloppe (souvent un isolateur), destine contenir et pro-tger la partie active, assurer sa tenue mcanique et permettrela fixation et les raccordements ;

lisolant de remplissage, assurant lisolement entre les diverslments internes lenveloppe.

Les transformateurs de mesure sont des appareils trs denses ovoisinent des tensions leves, des efforts lectromagntiquesconsidrables, etc. Ils sont, par nature, fragiles, do limportancedune conception et dune ralisation technologiques trs soignes.

1.2 Matriaux

1.2.1 Isolation

Nota : le lecteur pourra se reporter, dans ce trait, larticle Fonction isolation dans lesmatriels lectriques [D 2 302] et aux diffrents articles spcialiss indiqus dans les para-graphes suivants.

1.2.1.1 Isolateur

En haute tension (HT), le matriau le plus employ est la porce-laine. Cest un produit cramique dont les principaux constituantssont les argiles, les kaolins, les quartz et les feldspaths (article Mat-riaux isolants cramiques en lectrotechnique [D 274]). Son labora-tion, partir de ptes, autorise des formes trs varies. Robuste, trsstable dans le temps, capable de supporter des surpressions internesimportantes, il convient pratiquement tous les types dappareils.Toutefois, on notera que le prix de lisolateur constitue une part nonngligeable du prix total dun transformateur de mesure (il peutreprsenter 20 50 %).

Lisolateur en matriau composite a fait son apparition en haute tension la fin du sicle dernier [ND : rv. 2011]. Il est constitu dun cylindre en rsine charge de fibre de verre, et revtu dune enveloppe externe gnralement en silicone (rubrique Matriaux com posites dans le trait Plastiques et Composites). Cette enveloppe, selon la technique classique des ailettes (ou jupes), est destine augmenter la ligne de fuite externe.

Malgr les progrs accomplis, lisolateur composite est encorebeaucoup plus cher que son homologue en porcelaine (dun facteur 2 3). De plus, son vieillissement en milieu pollu et sous fort champlectrique nest pas encore bien matris. Ces lments suffisent en marginaliser lemploi.

1.2.1.2 Dilectriques solides

En basse (BT) et moyenne (MT) tensions, le mme matriau assuresouvent les fonctions de remplissage et denveloppe.

Les rsines poxydes (article Rsines poxydes. Composants etproprits [A 3 465] dans le trait Plastiques et Composites) chargesde quartz sont apprcies pour leurs bonnes proprits lectriqueset mcaniques, leur facilit de mise en uvre (moulage) et leurbonne conductivit thermique qui facilite lvacuation de lnergiethermique dgage par les parties actives.

Souveraines pour les matriels de type intrieur, elles sont moinsperformantes en extrieur. Pour viter le phnomne de dgradationde la rsine en utilisation extrieure, lorsquelle est soumise deschamps lectriques, la surface en contact avec les intempries estrecouverte dune couche quipotentielle raccorde une borneprimaire.

Cette solution ne convient videmment pas la ralisation delenveloppe complte, isolateur inclus. Pour les transformateurs toutrsine, on utilise les rsines cycloaliphatiques, dont la rsistance laction conjointe de lagression climatique et des champs lec-triques superficiels est trs bonne.

1.2.1.3 Dilectriques liquides

Les huiles constituent toujours limprgnant privilgi des trans-formateurs de mesure haute tension, en raison de leur trs granderigidit dilectrique (article Huiles et liquides isolants [D 230]).

Pour la fabrication de condensateurs, la ncessit de disposer depermittivits leves conduit utiliser des liquides isolants de syn-thse. Rappelons que les pyralnes, autrefois seuls utiliss, sontaujourdhui interdits.

Tous les autres transformateurs de mesure HT dilectriqueliquide utilisent des huiles minrales. Deux qualits dhuilesaffrontent :

les huiles naphtniques, qui contiennent environ autant demolcules de type naphtnique que de molcules de type paraf-finique ; seules homologues ce jour par lectricit de France, ellesont le meilleur comportement au froid ;

les huiles paraffiniques, contenant deux trois fois plus demolcules de type paraffinique que de type naphtnique, et rputes point trs controvers avoir un meilleur coefficient dabsorptiongazeuse.

1.2.1.4 Dilectriques gazeux

Lhexafluorure de soufre (SF6) (article Gaz isolants [D 2 530]) estutilis depuis plus de vingt ans pour la ralisation dappareillagessous enveloppe mtallique. Il constitue le dilectrique des transfor-mateurs de tension, capacitifs ou magntiques, qui rpondent desrgles de construction particulires. Les transformateurs de courantutiliss pour ce type dappareillage nont pas supporter lisolement,celui-ci tant assur par la cellule ( 1.4.1.5).

La grande stabilit dans le temps des proprits dilectriquesdu SF6 a encourag, peu peu, son emploi dans la ralisation detransformateurs de courant pour postes haute tension de typeouvert, leur prix tant le principal frein leur gnralisation.

1.2.2 Circuits magntiques

Les circuits magntiques sont raliss partir de tles empiles(transformateur de tension) ou roules (transformateur de courant).Un revtement isolant (Carlite ) isole la surface des tles, conditi

extrait_42267210.pdf

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