Cours de haute tension

CHAPITRE 6
Mesure en haute tension
A. Mesure des charges statiques
B. Mesure des tensions
a.
b.
c.
Éclateurs
Diviseurs de tension
Transformateurs de tension
C. Mesure des courants
D. Caractéristiques des matériaux isolants
a.
b.
c.
Résistance électrique
Capacité et facteur de pertes
Rigidité diélectrique
d.
Décharges partielles
Suite
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1
Mesure en haute tension (suite)
E. Mesures de terre
a.
b.
c.
d.
Principes de la mise à terre
Effets physiologiques des courants
Résistivité de la terre
Impédance des prises de terre
F.
Mesure des champs électriques et magnétiques
a.
b.
c.
d.
Champs magnétiques
Champs électriques
Équipements
Effets biologiques des champs et protection des personnes
G. Autres mesures
a.
b.
c.
Distribution des charges dans les isolants
Détection de défauts dans les câbles
Température des transformateurs
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2
6. Mesure en haute tension
Système de mesure en HT
Définition de la CEI 60060-2, Techniques des essais à haute tension
Définition : Un système de mesure en haute tension est un ensemble complet
de dispositifs utilisable pour réaliser une mesure de haute tension
continue, alternative ou de choc, ainsi que de courant impulsionnel,
lors d’essais mettant en œuvre de telles tensions ou de tels courants.
Les résultats de mesure devront préciser :
‐
l’incertitude sur les grandeurs mesurées ;
‐
l’aspect éventuellement aléatoires des phénomènes en jeu ;
‐
une éventuelle détérioration progressive de l’objet sous test, lors
d’une application répétée de la tension.
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3
6. Mesure en haute tension > A. Mesure de charges statiques
A. Mesure des
charges statiques
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4
6. Mesure en haute tension > A. Mesure de charges statiques
Voltmètre électrostatique
Le voltmètre électrostatique est un condensateur dont une des
plaques est mobile. Lorsque le condensateur est chargé, les
plaques s’attirent mutuellement et le mouvement de la plaque
mobile est agrandi et visualisé sur une échelle.
Le voltmètre électrostatique peut mesurer des tensions entre
50 V et 1 MV, avec une impédance d’entrée qui atteint 10 TW.

© EPFL - LRE 2008
Le voltmètre électrostatique permet la mesure
de potentiels élevés sous faible charge.
Les voltmètres électrostatiques sont aussi utilisables
en AC, jusqu’à quelques mégahertz.
Voltmètre électronique
+/- 10 kV, 1 GW.
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5
6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions
B. Mesure
des tensions
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6
6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > a. Éclateur
Éclateur à sphères
L’éclateur à sphères est la référence normalisée pour la
mesure des hautes tensions.
La norme CEI 60052 spécifie la conception et
l’utilisation des éclateurs à sphères pour la mesure :
‐ des tensions alternatives à fréquence industrielle ;
‐ des tensions de chocs de foudre et de manœuvre ;

Pour les chocs, les valeurs des tensions
d’amorçage dépendent de la polarité.

En DC, la CEI recommande plutôt
l’éclateur pointe – pointe.
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© EPFL - LRE 2008
‐ des tensions continues.
7
6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > a. Éclateur
Tensions de claquages
Tensions de claquage aux conditions atmosphériques standards, applicables en
AC 50 Hz, DC, ainsi que chocs de foudre et de manœuvre en polarité négative
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8
6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > a. Éclateur
Corrections atmosphériques
Les tensions de claquage données par les document CEI sont valables
aux conditions atmosphériques suivantes :
Température standard To : 293
Pression standard Po :
101,3
Humidité absolue standard Habs :
K (= 20°C)
kPa
8,7
g/m3 ( Hrel = 50% à Po et To)
Dans des conditions différentes, une valeur de tension Ud , tirée des tableaux
précédents doit être corrigée par une facteur de correction atmosphérique K.
La tension réelle Ur est donnée par : Ur = Ud . K, avec K  d  k :

P To

Po T
(densité)
k  1  0, 002


Habs


 8,5  (humidité)

P : pression atmosphérique [kPa] ; T : température [K] ;
Habs : humidité absolue [g/m3]
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[35]
9
6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > a. Éclateur
Éclateur pointe – pointe
Selon la norme CEI 60052 :
« L’éclateur pointe-pointe est recommandé pour la
mesure des tensions continues. »
Dans les conditions climatiques standards, la
tension disruptive est donnée par la relation
empirique (pour d > 250 mm) :
Ud,50 [kV]  2  0,534  d [mm]
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© IEC 60052
Les « pointes » sont en réalité des cylindres coupés
perpendiculairement à leur axe, avec des « bords
saillants » d’où la décharge va s’amorcer.
10
6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > b. Diviseurs de tensions
Le diviseur résistif
Dans la pratique courante, les hautes
tensions continues sont mesurées à l’aide
de diviseurs résistifs.
Deux problèmes apparaissent dans le
dimensionnement d’un diviseur résistif
destiné à la mesure des hautes tensions :
1.L’échauffement des résistances.
2.La résistance parasite des supports.

Un éclateur de protection est nécessaire pour protéger
l’instrument de mesure, en cas d’ouverture accidentelle
de la branche basse tension du diviseur.
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[36]
11
6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > b. Diviseurs de tensions
Le diviseur capacitif
Les hautes tensions alternatives peuvent être mesurées à l’aide de
diviseurs capacitifs.
L’avantage du diviseur capacitif est qu’il consomme très peu d’énergie active.
En pratique, le calcul du rapport de transformation d’un diviseur capacitif doit
prendre en considération les capacités parasites, contre terre et contre
l’électrode haute tension, la capacité du câble coaxial qui sert à la mesure de la
tension u2 , ainsi que la capacité de l’éclateur de protection.
[37]
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12
6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > b. Diviseurs de tensions
Le diviseur capacitif de crête
Les valeurs de crête des hautes tensions de choc peuvent être mesurées
à l’aide d’un diviseur capacitif combiné à une capacité de mesure.
La capacité de mesure CM , qui est chargée à la valeur de crête de la tension de
choc, doit être assez grande pour que sa décharge dans la résistance d’entrée
de l’instrument de mesure de U2 soit lente (constante de temps d’au moins dix
secondes).

Des dispositifs de mesure de la valeur de crête ont aussi été utilisés pour des
tensions alternatives. Dans ce cas, il suffit que la constante de temps soit
grande par rapport à la période.
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13
6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > b. Diviseurs de tensions
Le diviseur capacitif – résistif
Les tensions comportant des fréquences élevées, en particulier des
tensions de choc, sont mesurées à l’aide de diviseurs capacitif – résistif.
De tels diviseurs présentent l’avantage d’éliminer les oscillations dues aux
inductances parasites.
Diviseur C – R parallèle
Diviseur C – R série
[38]
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14
6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > c. Transformateurs de tensions
Le transformateur de tension
Définition :
le transformateur de tension est un
transformateur de mesure dans lequel
la tension secondaire est pratiquement
proportionnelle à la tension primaire et
déphasée par rapport à celle-ci d’un angle
approximativement nul.
Skipperseil
Dans les réseaux électriques, la tension est surveillée par des
transformateurs de mesure.
Transformateur de
tension 33 kV / 110 V

Le transformateur de tension est aussi appelé
transformateur de potentiel (TP).
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[39]
15
6. Mesure en haute tension > B. Mesure des tensions > c. Transformateurs de tensions
Transformateur de tension capacitif
Le transformateur de tension dit « capacitif », utilisé dans les réseaux
électriques, combine un diviseur capacitif à un transformateur de tension.
Le primaire du transformateur et la branche basse
tension du diviseur forme un circuit résonant.
Avantages du transformateur de tension capacitif
2. Le circuit résonant fonctionne comme un filtre
qui élimine les tensions transitoires.
3. Construction économique jusqu’à des niveaux
de tension très élevés (MV)
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1. La résonance permet d’obtenir un courant plus
important à la sortie, d’où une meilleure
immunité aux perturbations pour des
mesures transmises à grande distance.
16
6. Mesure en haute tension > C. Mesure des courants
C. Mesure
des courants
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6. Mesure en haute tension > C. Mesure des courants
Transformateur de courant
Dans les réseaux électriques, le courant est mesuré
par des transformateurs de mesure.
Définition :
le transformateur de courant est un
transformateur de mesure dans lequel le courant secondaire
est pratiquement proportionnel au courant
primaire et déphasée par rapport à celui-ci d’un
angle approximativement nul.

Les transformateurs de courant qui s’ouvrent sont
souvent appelé pince ampèremétrique.
Transformateur de courant
moyenne tension isolé à l’air
Transformateur de courant
isolé à l’huile 170 kV
Courant primaire < 4000 A
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6. Mesure en haute tension > C. Mesure des courants
Transformateur de courant HF
La mesure des courants impulsionnels (foudre, DES…) est possible
avec des transformateurs de courants dimensionnés pour les hautes
fréquences.

Les transformateurs de courant HF sont aussi appelé sonde de courant.
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19
6. Mesure en haute tension > C. Mesure des courants
Transducteur magnéto-optique
Les transducteurs magnéto-optiques (MOCT : Magneto-Optic Current
Transformer) fonctionnent selon l’effet Faraday.
Avantages
•Excellent précision, de quelques ampères à plusieurs kA.
•Linéarité parfaite (pas de noyau magnétique).
•Pas de secondaire  sécurité de l’utilisateur
•Encombrement et poids réduits.
ABB
Transducteur magnéto-optique, jusqu’à 800 kV
Courant primaire < 3150 A ; courant secondaire : 1 A
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20
6. Mesure en haute tension > C. Mesure des courants
Bobine de Rogowski
Mesures de courants alternatifs ou impulsionnels
La bobine de Rogowski
Ce dispositif est formé d’un fil enroulé en
spirale, et dont le retour se fait par le
centre de la spirale.
Avantages
Système ouvert, permettant de
mesurer un courant sans contact
galvanique. Possibilité de bobine
de très grandes dimensions.
Utilisation
• Courants dans les transformateurs
de puissance
• Courants de foudre
u(t)  o N A
di
dt
A : aire d’une spire
N : nombre de spires
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21
6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants
D. Caractéristiques
des matériaux
isolants
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
22
6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > a. Résistance électrique
Résistance électrique
Initialement, la notion de « résistance » a été définie pour les fils
conducteurs.
1. Les isolants présentent toutes sortes de géométries différentes :
- forme cylindrique (câbles) ;
- feuille mince (condensateurs) ;
- autres formes complexes.

http://news.thomasnet.com
2. La résistance transversale (résistance de
volume) est souvent du même ordre de
grandeur que la résistance de surface.
Pour optimiser la géométrie d’un objet, il
faut connaître séparément les deux
composantes de la résistance.
Éléments d’isolation électrique
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23
6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > a. Résistance électrique
Résistivité électrique des isolants
La mesure des résistivités transversale et superficielle.
Selon la norme CEI 60093, une électrode de garde sert à récupérer les courants
indésirables, soit :
 R o2 U
rt 

les courants de surface,
d It
lorsqu’on mesure la
avec :
résistivité transversale rt ;
R  R2
Ro  1
2
les courants de volume,
lorsqu’on mesure la
résistivité superficielle rs .
rs 
2 R o U

R 2  R1 I s
Échantillon en forme de disque (électrodes circulaires)
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
24
6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > a. Résistance électrique
Mesure de résistance d’isolement
La mesure de la résistance d’isolement est déterminante pour
évaluer le bon fonctionnement de l’isolation.
La résistance d’isolement est typiquement de l’ordre des GW.
Mesure à basse tension  courant très faible
Méthodes de mesure
• À l’aide d’un nanoampèremètre (très sensible et délicat)
• À l’aide d’un voltmètre réel, en
série dans le circuit. La résistance
d’entrée du voltmètre, qui est
typiquement de 1 MW,
fonctionne comme un shunt.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
25
6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > b. Capacité et facteur de pertes
Pont de Schering
Dans un condensateur haute tension, la permittivité et la résistivité de
l’isolant se traduisent par une capacité et un facteur de pertes.
Uni Hanovre
Ces deux grandeurs sont mesurées simultanément, à l’aide du
pont de Schering, qui est une variante du pont de Wheatstone.
À l’équilibre :
Cx 
R2
CN
R1
Harald Schering
(1880-1959)
tg x   R 2 C2
[40]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
26
6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > b. Capacité et facteur de pertes
Le pont de Schering du LRE
C2
R2
Pont de Schering
© EPFL - LRE 2008
Condensateur
étalon au SF6
6,5 atm, 103 pF
tg < 10-5
© EPFL - LRE 2008
R1

Normalisation :
CEI 60250, Méthodes recommandées pour la
détermination de la permittivité et du facteur de
dissipation des isolants électriques aux fréquences
industrielles audibles et radioélectriques
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
27
6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > c. Rigidité diélectrique
Mesure de rigidité diélectrique
La rigidité diélectrique d’un isolant liquide ou solide peut être
mesurée en tension continue, alternative ou de choc.
Le principe consiste simplement à appliquer une tension croissante sur l’objet
en essai, jusqu’à ce que le claquage diélectrique survienne.
Électrodes destinées à la mesure de la
rigidité diélectrique des échantillons
solides en forme de feuilles ou de plaques
Cellule d’essai destinées à la
mesure de la rigidité diélectrique
des échantillons liquides
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28
6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > c. Rigidité diélectrique
Rigidité diélectrique à 50 Hz
L’enregistrement de toute la montée en tension, sur un oscilloscope
possédant une mémoire suffisante, permet à la fois de vérifier la
vitesse de montée et la forme de la tension.
20 mS / div 
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© EPFL - LRE 2008
1 s / div 
[41]
29
6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > d. Décharges partielles
Mesure de décharges partielles
Mesure directe
Les décharges partielles, qui
correspondent à des courants
HF, donnent une tension
relativement élevée sur Zm ,
superposée à une faible
composante 50 Hz.

Cx : objet en essai ; Ck : condensateur de couplage (  Cx )
Ig , Ik et It : courants à 50 Hz. Ic : courants HF dû à une DP.
Zm : impédance de mesure.
Um : tension mesurée.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
30
6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > d. Décharges partielles
Variation en fonction de la tension
La tension appliquée est successivement croissante, puis décroissante.
Exemple d’un niveau de DP à
plusieurs seuils, sans hystérèse
Exemple d’un niveau de DP avec hystérèse
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
31
6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > d. Décharges partielles
Mesure de décharges partielles
Mesure en pont
Par rapport à la mesure directe, des éléments variables sont ajoutés dans les deux
branches (Cx et Ck). Le réglage de ces éléments permet de minimiser l’effet sur Um
des perturbations d’origine externe à l’objet en essai.
Circuit de mesure avec un pont comportant les
éléments variables Rx , Rv et Cv
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
[42]
32
6. Mesure en haute tension > D. Caractéristiques des matériaux isolants > d. Décharges partielles
Dispositif de mesure de DP au LRE
Détecteur
Condensateur
de couplage
1 nF, 200 kV
Pont
[Clip-3]
[Clip-4]
[Clip-5]
[Clip-6]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
© EPFL - LRE 2008
© EPFL - LRE 2008
<< Visualisation
Modules de filtrage
et de fenêtrage
33
6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre
E. Mesures
de terre
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
34
6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > a. Principes de la mise à terre
Principes de la mise à terre
La qualité d’une mise à la terre joue un rôle important dans son
aptitude à assurer la sécurité des personnes.
Deux sources de danger liées aux mises à la terre :
•
la tension de contact (ou de toucher)
•
la tension de pas.
Définitions : La tension de contact est la fraction de la tension de prise de terre
à laquelle est exposé le corps humain entre la main et le pied
(distance horizontale du point de contact : 1 m).
La tension de pas est la fraction de la tension de prise de terre à
laquelle on peut être exposé en faisant un pas de 80 cm.
La montée en tension de la prise de terre devient critique dans 2 cas :
•
en cas de défaut d’isolation d’un équipement ou d’une installation ;
•
en cas de foudroiement d’une installation.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
35
6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > a. Principes de la mise à terre
Efficacité de la mise à la terre
Le dispositif de mise à la terre doit assurer dans tous les cas la sécurité
des personnes.
Tension de contact
↓
Tension de pas
↓
Défaut d’isolation →
Surtension de foudre →
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
36
6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > a. Principes de la mise à terre
L’appareil et son utilisateur
Une connexion de terre n’est jamais parfaite :
La connexion comporte 2 impédances :
l’impédance de la ligne de connexion, ZL ;
l’impédance de contact avec la terre, Zt .

Tensions de contact. La personne est modélisée par :
l’impédance du corps, Zc ;
l’impédance de contact avec la terre, Zct .

Tension de pas. Le modèle comporte :
les impédances des jambes, Zc1 et Zc2 ;
lest impédances de contact, Zt1 et Zt2 .

La terre elle-même a une impédance :
impédance du sol, Zs
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
37
6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > a. Principes de la mise à terre
Les schémas complets
Cas de la tension de contact uc
Situation la plus critique : Zct = 0
Cas de la tension de pas up
(L’homme est à pieds nus dans l’eau)
Situation la plus critique Zct1 = Zct2 = 0
et Zs1 = 0 (proximité)
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
38
6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > a. Principes de la mise à terre
Schémas d’alimentation
Schémas d’alimentation du réseau électrique de distribution.
Schéma TT (terre-terre)
Schéma TN-C
(terre-neutre combinés)
Le choix d’un schéma dépend de la section des
conducteurs et des courants de court-circuit.
Chaque schéma conduit à des impédances
différentes par rapport à la terre.
Schéma TN-S
(terre-neutre séparés)
Compléments facultatifs
Liaisons équipotentielles
Cahier technique n°62
de Schneider Electric
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
39
6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > b. Effets physiologiques des courants
L’impédance de l’être humain
Mesures réalisées sur des personnes vivantes, trajet main à main
CEI 60479-1, Effet du courant électrique sur l’homme et les animaux domestiques.
Tension : 10 V
Comportement capacitif
Impédance non linéaire
Variabilité individuelle
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
40
6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > b. Effets physiologiques des courants
Les effets biologiques du courant
Seuils biologiques en courant alternatif
•
•
•
•
Seuil de perception
Seuil de douleur
Seuil de non-lâcher
Seuil de fibrillation
Courant impulsionnel
Impulsion de tension sur
la phase T  fibrillation
ventriculaire.
Seuil de fibrillation ventriculaire pour une impulsion
passant de la main aux pieds (selon CEI 60479-2).
Valeur efficace calculée sur 3 x la constante de temps
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
41
6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > b. Effets physiologiques des courants
Limites applicables en Suisse
Les valeurs de tensions de contact et de pas admissibles
sont fixées par l’Ordonnance fédérale sur le courant fort.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
42
6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > c. Résistivité de la terre
Mesure de résistivité de la terre
Mesure de la résistivité de la terre par 4 piquets équidistants.
•Courant injecté entre les piquets les plus éloignés
•Tension mesurée entre les piquets centraux.
4 L
U

 Résistivité : r 
2L
I
1
 L
L2  4p 2
L2  p 2
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
43
6. Mesure en haute tension > E. Mesures de terre > d. Impédance d’une prise de terre
Impédance d’une prise de terre
La détermination de l’impédance d’une prise de terre nécessite
l’installation de deux électrodes de terre supplémentaires.
ZX : impédance de la prise de terre étudiée
ZA et ZB : impédances des électrodes supplémentaires.
ZAX  ZA  ZX 

ZBX  ZB  ZX  
ZAB  ZA  ZB 

ZX 
ZAX  ZBX  ZAB
2
Dans cette formule, la résistance de la terre est négligée
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
[43]
44
6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques
F. Mesure de champs
électriques et
magnétiques
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
45
6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques
Champs électriques et magnétiques
Dans le cadre de la haute tension, on est amené à mesurer
principalement :
1. Le champ électrique statique au niveau du sol, en relation avec l’étude de la
foudre ou/et la prévention des dommages dus aux orages.
2. Les champs électriques et magnétiques sinusoïdaux à fréquence industrielle
ou redressés, engendrés par les installations du réseau électrique et par
l’alimentation des transports électrifiés.
3. Les champs impulsionnels rayonnés par la foudre et par les phénomènes
transitoires survenant dans le réseau électrique (chocs de manœuvre,
transitoires à front raide des installations au SF6 …) :
• perturbations CEM ;
• détection météo.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
46
6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > a. Champs magnétiques
Champ magnétostatique
Mesure du champ magnétique statique par effet Hall
Apparition d’une différence de potentiel VH perpendiculaire au
courant I, sous l’effet de la force de Lorentz due au champ B.
VH  R H
I B
d
Edwin Herbert Hall
(1855-1938)
RH est la constante de Hall qui vaut 6·10-11 m3/C dans le cuivre et dépend de la densité des
porteurs de charges.

En pratique, les sondes de Hall sont constituées de semiconducteurs,
dans lesquels la relation ci-dessus n’est plus valable (conduction par les
électrons et par les trous) et qui présentent un effet Hall plus marqué.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
47
6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > a. Champs magnétiques
Champ magnétostatique
Mesure de la densité
de flux magnétique
statique dans le
quartier de Saint-Jean
(Genève)
Champ mesuré au-dessus
du tunnel où passe le TGV
alimenté en DC (locaux
publics).
Pics de 40 T environ, lors
du départ d’un train.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
48
6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > a. Champs magnétiques
Champs magnétiques variables
Mesure de champ magnétiques à l’aide d’une boucle : capteur « B dot »
Équation de Faraday :

C
E  dl    n 
S
B
dA
t
En supposant le champ B uniforme et perpendiculaire à la surface S de la boucle,
la tension mesurée u(t) est donnée par la loi de Faraday-Lenz :
u(t)   S
d B
dt
En champ sinusoïdal : B(t)  Bo cos t , et : u eff  2 f Beff
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
49
6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > b. Champs électriques
Champ électrostatique
Mesure du champ électrostatique à l’aide d’un « moulin à champ ».
Dans le moulin à champ, une électrode fixe et une électrode tournante ont
entre elles un capacité variable. La tension de charge présente des oscillations
qui peuvent être amplifiées électroniquement.
A-Tech.net (p.104)
JCI

Ordre de grandeur : les moulins à champ exploités par la NASA pour la
surveillance des zones orageuses comportent 8 secteurs
et tournent à 1800 tours par minute.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
50
6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > b. Champs électriques
Champs électriques variables
Mesure de champ électrique par sonde capacitive : capteur « E dot »
u(t)  i(t) 
Flottant
dQ dE

dt
dt

Référencé
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
Avec un matériau
diélectrique :
capteur « D dot »
51
6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > b. Champs électriques
Champ magnétique 50 Hz
Profil de la densité de flux magnétique sous une ligne à haute tension
Ligne 380 kV
Conducteurs en nappe
Courant : 1500 A
Densité de flux magnétique au niveau du sol
Réduction possible à
l’aide d’une boucle de
compensation passive
Courant induit dans la
boucle : 538 A
Electra, n°242, fév. 2009, p. 80
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
52
6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > c. Équipements
Équipements du groupe CEM
Tête E – B triaxiale
Fibre optique
BF ( 5 Hz  100 kHz )
Spécifications de la tête de mesure
Champ électrique : 0,1 V/m – 100 kV/m
Densité de flux :
10 nT – 10 mT
Modes : MIN – MAX, SPECTRE, LOGGER
(8000 pts)
HF ( 150 Hz  150 MHz )
Spécifications
Système de capteurs actifs interchangeables
Dynamique : ~ 100 dB
Capteur magnétique
Capteur électrique
Conditionneur
Fibre optique
Récepteur
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
Oscilloscope
53
6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > c. Équipements
© D. Pavanello – Thèse EPFL N° 3713 (2007) p. 87
Mesures de foudre à la CN Tower
[Clip-7]
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
[Clip-8]
54
6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > c. Équipements
Champ électrique à front raide
Exemple de champ électrique rayonné par une installation au SF6 , lors de la
fermeture d’un sectionneur.
Sectionneurs Disjoncteur
© D. Tabara – Thèse EPFL N° 1970 p. 4
Emax ~ 4 kV/m , f ~ 70 MHz
© D. Tabara – Thèse EPFL N° 1970 (1999) p. 155
Installation au SF6 125 kV

Limite ORNI : 28 V/m
( Limite SUVA : 61 V/m )
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
55
6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > c. Équipements
Autres principes de mesure
Systèmes fondés sur des effets magnéto- / électro-optiques
•L’effet Kerr électro-optique. Biréfringence induite par le champ électrique.
•L’effet Pockels. Biréfringence induite par le champ électrique.
•L’effet Faraday. Activité optique non réversible induite par le champ
magnétiques
•L’effet Kerr magnéto-optique.
champ magnétique
Polarisation par réflexion, induite par le
•La magnétorésistance.
Variation de la résistance électrique induite par le
champ magnétique
•Etc.

Paramètres importants : - la bande passante
- la sensibilité
- l’immunité au bruit
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
[44]
56
6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > d. Effets biologiques et protection
Limitation préventive des champs
Les champs électriques et magnétiques non ionisants font l’objet de
limitations légales.
Recommandations émises par l’ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing
Radiation Protection).
1. Les restrictions de base portent sur :
• les courants induits à basse fréquence (jusqu’à 10 MHz) ;
• l’échauffement des tissus à haute fréquence (de 100 kHz à 300 GHz).
2. Les niveaux de référence portent sur les intensités des champs électriques et
magnétiques.

La relation entre restrictions de base et niveaux de référence est établie par
modélisation du corps humain.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
57
6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > d. Effets biologiques et protection
Limites d’exposition par fréquence
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
58
6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > d. Effets biologiques et protection
Limites d’exposition par sommation
Les sommations tiennent compte des effets combinés de plusieurs
champs de différentes fréquences.
Limitation de courants
induits à basse fréquence
1 MHz

1 Hz
E(f )

Elim (f )
65 kHz

1 Hz
10 MHz
B(f )

Blim (f )

1 MHz
E(f )
1
87
10 MHz

65 kHz
B(f )
1
6, 25
Limitation de l’échauffement
à haute fréquence
1 MHz
2
300 GHz
 E(f ) 
 E(f ) 

f

  87 
  E (f ) 

100 kHz
1 MHz  lim
1 MHz
2
 B(f ) 
2

f

 0,92 

100 kHz 

300 GHz

1 MHz
Ces limites sont fixées par l’ORNI
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
2
 B(f ) 
 B (f ) 
 lim 
1
2
 1
[45]
59
6. Mesure en haute tension > F. Mesure de champs électriques et magnétiques > d. Effets biologiques et protection
Limites SUVA
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
60
6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures
G. Autres
mesures
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
61
6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures > a. Distribution des charges dans les isolants
Distribution des charges
Mesure par la méthode de l’onde de pression.
Principe de la mesure
‐Application d’un choc de pression sur
une face d’un échantillon isolant chargé.
‐Mesure du courant entre les électrodes.
L’onde de pression déplace les charges au
cours de sa propagation. La mesure du
courant en fonction du temps permet de
reconstituer la distribution spatiale des charges.
L’échantillon peut être :
‐préalablement soumis à une tension durant un certain temps ;
‐sous tension durant la mesure (méthode de Lipp).
L’onde de pression peut être produite :
‐par un élément piézoélectrique ;
‐par une impulsion laser à travers un liquide.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
62
6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures > a. Distribution des charges dans les isolants
L’onde de pression
La mesure de la distribution spatiale de la charge dans un isolant permet :
‐ de vérifier l’homogénéité du matériau ;
‐ de déceler d’éventuels défauts dans la structure ;
‐ de contrôler la qualité des interfaces, dans les isolants composites.
Source : R. J. Fleming, Braz. Space charge in polymers,
J. Phys. 29-2 (1999)
Densité de charge dans une isolation de
câble au polyéthylène réticulé
Densité de charge dans une isolation
formée de deux couches de
polyéthylène basse densité
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
63
6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures > b. Détection de défauts dans les câbles
Défauts dans les câbles
Mesure par réflectométrie
La défaillance d’un câble haute tension enterré pose le problème de la
localisation du défaut et de la durée de mise hors service qui en résulte.
Principe de la mesure
1.Application d’une impulsion de haute tension à l’une des extrémités du câble,
l’autre extrémité étant laissée en circuit ouvert.
2.Deux impulsions secondaires sont générées au niveau du défaut et se
propagent en sens inverses.
3.Détection de l’impulsion directe et de l’impulsion réfléchie.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
64
6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures > b. Détection de défauts dans les câbles
Localisation de défauts
Paramètres mesurables
1.L’atténuation de l’amplitude des décharges
2.L’augmentation de leur largeur temporelle, qui donnent des informations sur le
comportement fréquentiel de l’isolation.
3.L’écart temporel Dt entre les décharges directe et réfléchie, qui permet de
calculer la position x du défaut par rapport au générateur / détecteur :
x  D
v Dt
2
Source : E. Lemke, Procedure for evaluation of dielectric properties …,
IEEE Symposium Montréal (1996) p.387
D = longueur totale du câble
v = vitesse de propagation
La vitesse de propagation se déduit
de la capacité et de l’inductance
linéiques du câble C’ et L’ :
1
v
L C
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
65
6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures > c. Température des transformateurs
Température des transformateurs
Un défaut localisé dans l’un des enroulements d’un transformateur de
puissance peut conduire à un échauffement ponctuel critique (hot spot).
Un échauffement excessif de l’isolation papier – huile peut conduire à un claquage
et à l’arrêt du transformateur.
Principe de la mesure
Mesure des points chauds par fibre optique comportant des réseaux de Bragg.
Un réseau de Bragg consiste en une modulation périodique localisée de l’indice
de réfraction n du matériau, avec un pas L.
Un tel réseau :
‐ se comporte comme un miroir pour une longueur d’onde lB = 2 n(T) L,
appelée longueur d’onde de Bragg (T = température) ;
‐ est sensible à l’échauffement, par l’intermédiaire de la dépendance en
température de l’indice de réfraction.
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
66
6. Mesure en haute tension > G. Autres mesures > c. Température des transformateurs
Réseaux de Bragg
Une fibre optique peut comporter jusqu’à 1000 réseaux de Bragg,
accordés sur des fréquences li toutes différentes.
Principe de la mesure
‐Inscriptions des réseaux de Bragg en différents points de la fibre (laser).
‐Enroulement de la fibre dans le bobinage du transfo, lors de la construction.
‐Injection de lumière blanche dans la fibre : chaque réseau de Bragg réfléchit
une raie de lumière correspondant à sa fréquence propre.
Exemple de spectre réfléchi, avec un point chaud au niveau du réseau de Bragg
correspondant à la longueur d’onde lk .
EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1
67