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CHAPITRE 7 Applications A – Réseaux électriques B – Autres applications a. Ligne aérienne a. Xérographie b. Isolateurs b. Dépoussiérage c. Dispositifs de coupure c. Rayons X d. Dispositifs de protection d. Fragmentation sélective e. Coordination des isolements e. Conservation alimentaire f. Câbles f. Atomisation électrostatique g. Taser EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 1 7. Applications > A. Le réseau électrique A. Le réseau électrique EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 2 7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs Ligne aérienne 1. Les conducteurs Valeurs typiques min max Courant nominal [A] 105 1150 Résistance [W/km] 1,88 0,043 Masse [kg/km] 62 2570 Diamètre total [mm] 5,4 36 Coefficient de dilatation [ °C-1] 2,310-4 Les espaces antivibration servent à amortir les oscillations produites par le vent. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 3 7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs Ligne aérienne 2. Suspension des conducteurs Lorsqu’un courant I circule dans le câble, sa température TC est supérieure à la température ambiante Ta : I2 Tc Ta k 22 r 3 avec : r = rayon du conducteur k = coef. de refroidissement Sous l’effet de l’échauffement, le câble s’allonge : L(Tc ) L(Ta ) 1 (Tc Ta ) avec : = coef. de dilatation [52] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 4 7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs Les isolateurs Définitions : L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler ( CEI ) des éléments conducteurs d'un dispositif Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties. L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude d’une isolation à assurer sa fonction. Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à des potentiels différents. La Commission électrotechnique internationale (CEI) a édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 5 7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs Les isolateurs Chaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator) Différents matériaux Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone Différentes fixations Rotule et logement de rotule ( Ball and socket ) Chape et tenon ( Clevis and tongue ) Crochet et œillet ( Hook and eye ) Source : Verizon EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 6 7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs Les isolateurs Isolateurs rigide (rigid insulator) Isolateur rigide à tige ( Pin insulator ) Isolateur rigide à socle ( Line-post insulator ) Cji Porcelain Zhejiang Hengda Electric Hercules Business Directory Différentes variantes Isolateur à fût massif ( Solid core insulator ) EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 7 7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs Dimensionnement électrique (1) L’isolateur doit supporter la tension de service, ainsi que les tensions transitoires : ‐ par temps sec (ligne de contournement) ‐ sous pluie, sous brouillards salins, en présence de pollution (ligne de fuite) Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus courte, le long de la surface d'un isolant solide, entre deux parties conductrices. La ligne de contournement Lc est la distance la plus courte dans l’air, entre deux parties conductrices d’un isolateur. La ligne de perforation Lp est la distance la plus courte dans la matière isolante d’un isolateur, entre deux parties conductrices. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 8 7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs Dimensionnement électrique (2) Critères 1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la surface isolante Lf >> Lc 2. Isolateur de classe A : Lp ½ Lc ; Isolateur de classe B : Lp < ½ Lc La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B. Exemples (CEI 60273) Tension de tenue à 50 Hz sous pluie [kV] Tension de tenue au Hauteur choc de foudre [kV] [mm] 35 75 215 135 ~ 170 190 230 550 1220 170 ~ 250 1970 740 1675 3850 330 ~ 420 6700 Diamètre* Ligne de [mm] fuite [mm] * Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 9 7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs Dimensionnement électrique (3) Influence des capacités parasites. Dans la ligne haute tension, les capacités parasites contre terre et contre la ligne conduisent à une distribution inhomogène du potentiel le long de la chaîne d’isolateurs. Les anneaux / cornes de garde permettent : ‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ; ‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de courtcircuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ; ‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio). EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 10 7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs Dimensionnement électrique (4) Distribution de la tension sur une chaîne de 10 isolateurs suspendus : sans anneaux de garde avec anneau de garde Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité d’électricité vol. XXII, p. 312 EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 11 7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs Autres dimensionnements Dimensionnement mécanique Sur une ligne à haute tension, les isolateurs : ‐doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs kilogrammes par mètre ; ‐subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des conducteurs sous l’effet du vent. Essais de rupture mécanique et électromécanique Autres contraintes soumises à essais Essai sous pluie Essai sous brouillard salin Essai sous pollutionEssai au choc thermique Essai de galvanisation des conducteursEssai d’absence de porosité Essai de perturbations radioélectriques Essai de vieillissement EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 12 7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure Les dispositifs de coupure (1) Définitions : L’interrupteur est un composant ayant un organe de commande et des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit. ( CEI ) Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir, de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit. Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos. Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des conditions spécifiées. Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre. La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure. Il sert à assurer la sécurité des intervenants. [Clip-10] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 [Clip-11] 13 7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure Les dispositifs de coupure (2) Définitions : Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à ( CEI ) cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée. Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur / la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé temps / durée conventionnel/le. Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement. Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées. Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance négligeable. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 14 7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs Les disjoncteurs Différents types de construction • Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus fabriqués aujourd’hui. • Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension. • Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension. Disjoncteur à vide, 12 kV. Temps d’ouverture : 3 ms Source: ABB EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 15 7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs ABB Cahier technique Schneider n° 171 Types de disjoncteurs Disjoncteur à SF6 , 72,5 kV Temps d’ouverture : 35 ms Complément facultatif Cahier technique n°101 de Schneider Electric EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 16 7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs Disjoncteurs à vide Courbe de Paschen pour les très faibles pressions Au-dessous du minimum de Paschen, la tension disruptive augmente, avant de se stabiliser à une valeur comparable à celle qui existe à pression atmosphérique Joint Electrical Institutions (Sydney) EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 17 7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs Processus de coupure Définition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement après la coupure. la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive du milieu interélectrode immédiatement après la coupure. Si la vitesse de régénération (taux d’accroissement de la TTD) est plus faible que la vitesse d’accroissement de la TTR, il y réamorçage de l’arc entre les électrodes : la coupure échoue Coupure réussie Coupure ratée EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 18 7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs Le soufflage de l’arc Différents types de soufflage à l’ouverture • Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc. Disjoncteur pneumatique Disjoncteur à autoexpansion Complément facultatif Cahier technique n°171 de Schneider Electric EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 19 7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs Le soufflage de l’arc Différents types de soufflage à l’ouverture •Soufflage magnétique. Le courant à couper génère un champ magnétique qui étale l’arc et le pousse vers les parois : soufflage radial, soufflage à arc tournant. •Soufflage combiné. Soufflage pneumatique et magnétique simultané. Étirement de l’arc, comme dans l’échelle de Jacob: [Clip-1] Complément facultatif Cahier technique n°198 de Schneider Electric EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 20 7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs Conditions de la coupure La réussite de la coupure dépend : • du type de charge à couper : ‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période. ‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2 Û en une demi période. ‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre umax = 2 Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des oscillations de tension. • de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper. Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant. En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins destructeurs. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 21 7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles Les fusibles Les fusibles sont utilisés en moyenne tension. Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure : l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est absorbée par du sable entourant le conducteur, sous forme de chaleur latente de vitrification. Les fusibles sont caractérisés par leur courbe courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion t est très court et suit une loi adiabatique : Wth I2 t Pour des courants légèrement supérieurs au courant nominal, le temps de fusion dépend du transfert de chaleur vers l’extérieur. ABB Fusible 12 kV , 200 A Pouvoir de coupure : 12’000 A Complément facultatif Cahier technique n°128 de Schneider Electric EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 22 7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles Caractéristique courant – temps Conditions de coupure • Le courant minimal de coupure I3 est compris entre 2 et 6 x In . • Pour un courant inférieur à I3 ou supérieur au pouvoir de coupure I1 , la coupure échoue. Échec de la coupure : [Clip-9] Fusibles 7,2 kV Toyoaki OMORI, Development of a high-voltage current-limiting fuse, Fuji Electric Review (1967) EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 23 7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs Sectionneur horizontal, 252 kV Driescher PEAG Les sectionneurs ABB Sectionneur vertical, 36 kV Les combinaisons sectionneurs / fusibles permettent de protéger un composant (par exemple : transformateur) en cas de défaut (par exemple : court-circuit), puis de le déconnecter du réseau. Sectionneur - fusible, 38,5 kV Complément facultatif Cahier technique n°193 de Schneider Electric EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 24 7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs Les éclateurs de protection L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les équipements du réseau et les personnes contre les surtensions. Inconvénients •Tension d’amorçage mal définie : elle dépend non seulement du type de surtension mais aussi des conditions atmosphériques. •Extinction de l’arc non contrôlée : si l’arc se maintient (alimenté par le réseau), il provoquera le déclenchement d’une protection (disjoncteur). Les éclateurs sont de plus en plus souvent remplacés par des parafoudres. Complément facultatif Protection des oiseaux EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 25 7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs Protection des oiseaux Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte de l’envergure des grands oiseaux. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 26 7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres Les parafoudres Définitions : Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel ( CEI ) électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la durée et souvent l’amplitude du courant de suite. Types de construction : - parafoudre à éclateur. - parafoudre à résistance variable (ZnO). - parafoudre combiné. L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes du parafoudre. © EPFL - LRE 2008 La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz. La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois. Parafoudre à éclateur à soufflage magnétique 52,5 kV , 10 kA EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 27 7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres Caractéristiques des parafoudres Définitions : La durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre ( CEI ) l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage. La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage. ABB Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant l’amorçage. Parafoudre ZnO 264 kV , 20 kA La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les bornes du parafoudre pendant le passage du courant de décharge Le courant de suite est le courant débité par le réseau et écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de décharge. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 28 7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres Prescriptions des parafoudres • La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être supérieure à 1,5 x Un . • La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le type de parafoudre), pour les deux polarités. • La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20 (durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et 90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms). • Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms. Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 29 7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres Caractéristique tension – temps Le temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire. t court t long intervalle de t Chocs de valeur de crête donnée Caractéristique tension – temps Différentes valeurs de crête EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 30 7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement Coordination de l’isolement Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en service et des caractéristiques des dispositifs de protection. Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de réparation et les pertes d’exploitation restent supportables économiquement. Surtensions d’origine externes Surtensions d’origine internes •Principalement due à la foudre : impact direct ou indirect. •Enclenchements et déclenchements de diverses impédances. •Mise sous/hors tension d’une ligne. •Apparition de défaut dans le réseau. •Surtension induite intentionnelle (NEMP). Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de la surtension et la valeur efficace de la tension de service. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 31 7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement Coordination de l’isolement Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de pré-enclenchement. Disjoncteur à résistance de pré-insertion (80 W) Disjoncteur simple —— Tension —— Courant Échelle horizontale : 15 ms / div M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004 EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 32 7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement Coordination de l’isolement Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la coordination de l’isolement dans les réseaux électriques. Concept général de la coordination de l’isolement Complément facultatif Cahier technique n°151 de Schneider Electric Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres deviennent prépondérantes. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 33 7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement Paramètres de la coordination Source de la surtension Réseau Tens Ch • ion oc nom de inal fo e. ud • Surt re ensi di ons re tem ct pora (li ires. gn e, • Type py de lô mise ne à ). terr e. • Ch En rouge : les paramètres non contrôlables oc • et aléatoires. Qual in ité di de re tension , Master semestre la 1 EPFL – STI – SEL. Cours de haute ct terr : e. •Valeur de crête. •Durée du front. •Durée à mi-valeur. •Oscillations. •Taux de répétition. •Arrachage du courant. •Type de défaut (PP, PPP, PT, PPT). •Instant du défaut. •… Configuration • Autres • • • T e m p é r a t u r e P o l l u t i o n É34 r 7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles Les câbles Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré. Semiconducteur interne EPR [47] SI Lausanne SI Lausanne Conducteur cuivre multibrin Réseau urbain : XLPE Semiconducteur externe Ruban gonflant Écran métallique Ruban gonflant Gaine isolante Les rubans gonflants protège le XLPE (sensible à l’eau) en cas de dommage à la gaine isolante. Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semiconducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 35 7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles Nexans Nexans Autres types de câbles Câble triphasé suspendu, avec corde d’acier (a) Câble triphasé sous-marin, avec fibre optique (b) Extrémité de câble Tensions disponibles jusqu’à 600 kV. Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois supérieure à celle d’une ligne aérienne EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 36 7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles Siemens Câbles spéciaux Câble monophasé supraconducteur « Câble » 380 kV isolé au SF6 L’isolant peut être renouvelé à volonté ce qui résout le problème du vieillissement Pertes actives très faibles Electra, n°243 avril 2009, p. 8 EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 37 7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles Énergie réactive dans les câbles Sur de longues distances, il faut : - ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ; ou : - convertir en DC Puissance active transmise (en % de la puissance apparente), en fonction de la longueur du câble et de la tension. M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“, Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268 EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 38 7. Applications > B. Autres applications B. Autres applications EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 39 7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie Xérographie La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser. Principe 1.Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec l’éclairement. 2.Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne. 3.L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour Les parties éclairées deviennent conductrices Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées. 4.Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges. 5.Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique. Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987). Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968). EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 40 7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie Impression par laser Scorotron Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kV Courant : 20 ~ 50 mA Complément facultatif IBM Info Color 70 IBM EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 41 7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage Dépoussiérage électrostatique Élimination de poussières et de particules fines dans l’air. Le dépoussiéreur comporte : 1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont chargées par un champ électrique ionisant ; 2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées par une électrode chargées en sens inverse LTA EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 42 7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage Dépoussiérage électrostatique Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée… Filtre à cendre de charbon Efficacité : 99,9% des particules de moins de 300 mm Endress+Hauser Filtre à particules pour chaudières à bois Tension d’ionisation : 20 kV Efficacité : jusqu’à 90% des particules de moins de 10 mm Consommation : 12 W Ruegg EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 43 7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X Rayons X Principe de l’émission de rayons X 1.Thermo-émission d’électrons par un filament. 2.Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible métallique tournante (tungstène). 3.Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung) Le rayonnement de freinage est en concurrence avec d’autres modes d’interaction électron – atome. La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc et au numéro atomique Z de la cible : p Wc Z Rayonnement de freinage Avec Wc petit, 90°. Pour Wc grand, 0. En pratique, Z = 74 (tungstène) Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 44 7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X Tension d’accélération La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image ! Accélération des électrons par une haute tension HF. La haute fréquence f permet d’éviter une grande capacité de lissage CL : Us Ûe G cos f CL (voir chap. 5, slide 43) Les transfos HF sont compacts et légers. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 45 7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X Transformateur HF Les « pertes fer » La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux facteurs : 1.Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault : f fréquence résistivité du noyau 2.Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique : PJ f 2 / p Ph f Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc. Complément facultatif Pertes par courants de Foucault et par hystérèse EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 46 7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective Fragmentation sélective SelFrag Lab Fragmentation de minerai par impulsions haute tension Dispositif de fragmentation sélective par impulsions HT Minerai de silicate Un minerai est généralement formé de différents matériaux présents sous forme d’inclusions. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 47 7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective Principe de la fragmentation Application d’impulsions à front raide Tension disruptive typique pour un minerai et pour l’eau, selon la forme des impulsions. Impulsions de tension et de courant EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 48 7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective Caractéristiques Par rapport aux autres techniques de fragmentation, la méthode des impulsions HT : • sépare les grains selon les joints naturels ; • produit très peu de poussières ; • évite la contamination des minéraux par du métal (absence de contact) ; • etc. Source : selFrag-Lab Mica Granit Complément facultatif Concasseurs mécaniques Concasseur à mâchoire EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 Quartz Feldspath 49 7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire Conservation des aliments Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité. Utilisation •Liquides relativement peu conducteurs : jus de fruit, lait, yogourts… •Traitement en continu. Avantages •Pas d’agents conservateurs. •Pas d’altération du goût ou de l’aspect comme avec la pasteurisation ou la congélation. •Pas d’utilisation de sources radioactives. Ohio State University Développement 1960 ~ 80 Recherches sur la destruction de différentes bactéries. 7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé. ~ 2000 Premiers dispositifs opérationnels. Prototype industriel EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 50 7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire Électroporation Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre la pénétration de certaines molécules. Électroporation réversible : utilisée en génie génétique, etc. Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule Champ faible Polarisation de la membrane Champ moyen Électroporation réversible Champ élevé Électroporation irréversible EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 51 7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire Aspects techniques Le traitement est effectué en continu Champ électrique Le champ électrique nécessaire est de l’ordre du kV/mm. Conditions à respecter : •Pas de courant trop élevé. •Pas de claquage diélectrique. Puissances nécessaires •Essai en laboratoire : 2 kW •Essai en vraie grandeur : 75 kW •Production industrielle : 3 MW EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 52 7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire Impulsions Générateur d’impulsions à polarité alternée Commutateurs : GTO (Gate turn-off thyristor), IGBT (Insulated-gate bipolar transistor), SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor) Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs. Circuit de décharge résistif : biexponentielle Circuit de décharge inductif : pseudocarrée EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 53 7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire Paramètres Ordre de grandeur •Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50 kV •Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10 A •Largeur des impulsions : 0,5 ~ 50 ms •Fréquence de répétition : 10 ~ 100 kHz Performance Mesurée par la fraction de micro-organismes survivants en fonction du champ électrique et de la durée du traitement Dépendances typiques de la fraction de survivants en fonction du champ et de la durée Les valeurs réelles dépendent du type de micro-organismes. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 54 7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation Atomisation électrostatique Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques. On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique. Utilisation •Imprimantes à jet d’encre. •Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…) •Épandage de substance dans l’agriculture. •Préparation de composants à nanoparticules. Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation) • Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération). • La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement. • Les gouttelettes peuvent être triées par taille. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 55 7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation Principes de l’atomisation L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle 1.Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l. La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension superficielle du liquide. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 56 7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation Principes de l’atomisation 2. L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que : R < l/2 3. Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal : a. Le champ polarise le jet de liquide ; b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ électrique induit des forces radiales ; c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du liquide, le jet se fractionne. Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a tendance à se disloquer de manière irrégulière. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 57 7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation Contrôle des gouttelettes Création de gouttelettes pour l’épandage de produits agricoles J. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4, juillet 1982, pp. 355-362 EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 58 7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation Imprimante à jet d’encre La distribution de la taille des gouttes est beaucoup plus étroite si l’on soumet l’orifice d’éjection à une vibration dont la fréquence est de l’ordre de 100 kHz. Ordres de grandeur : • diamètre du trou : 20 mm • tension de charge : ~ 200 V • tension de déflection : ~ 4 kV • diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm Complément facultatif Imprimante à jet d'encre EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 59 7. Applications > B. Autres applications > g. Taser Taser Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire des muscles moteurs. À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion de courant. Taser M26 Le taser M26 est remplacé par le X26, en principe moins dangereux. Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles (tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift). 60 7. Applications > B. Autres applications > g. Taser Caractéristiques des tasers Les tasers injecte des séries d’impulsions Comparaison des modèles M26 X26 50 50 5 1.2 Énergie par impulsion [J] 0,5 0,07 Puissance totale délivrée [W] 10 1.3 Cadence d’impulsions [/s] 20 19 Durée d’une série [s] 5 5 Tension à vide [kV] Tension en charge [kV] Impulsions des courants sur une charge typique Comparaison des modèles X26 et M26 EPFL - STI – Cours de haute tension – SEL, Bachelor semestre 5 61 7. Applications > B. Autres applications > g. Taser Générateur d’impulsions Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par l’entreprise TASER.COM Complément facultatif Schéma de taser EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 62 La ligne d’arrivée EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1 63
