Fiche de révision : Introduction à la haute tension

📋 Plan du Cours

1. Pourquoi utiliser la haute tension
2. Domaine d’application et laboratoire haute tension
3. Circuit d’essais et cage de Faraday
4. Classes de tension et gammes normalisées
5. Générateurs haute tension et types de tensions
6. Ondes de choc et générateurs Tesla Marx

📖 1. Pourquoi utiliser la haute tension

🔑 Notions clés & Définitions

• Lignes à haute tension : Systèmes de transport d’énergie conçus pour acheminer l’électricité sur de longues distances avec des niveaux de tension élevés.
• Effet Joule : Phénomène de pertes électriques dû au courant qui se traduit par une puissance dissipée proportionnelle à la résistance et au carré du courant.

📝 Points essentiels

• Le recours à la haute tension s’impose pour transporter l’énergie sur des distances de quelques kilomètres et plus afin de réduire les chutes de tension et les pertes en ligne.
• Les pertes en ligne suivent $P=R\,I^2$ et, à puissance transportée équivalente $P=U\,I$, augmenter $U$ permet de diminuer $I$ donc les pertes.
• La haute tension améliore aussi la stabilité des réseaux et s’étend à de nombreux équipements (lignes, isolateurs, transformateurs, disjoncteurs, parafoudres, mises à la terre, condensateurs, alternateurs, SF6, CEM).

📖 2. Domaine d’application et laboratoire haute tension

🔑 Notions clés & Définitions

• Très haute tension (THT) : Catégorie de tension définie par des valeurs de 220 kVeff et 400 kVeff dans le cadre SONELGAZ.
• Isolement : Aptitude d’un ouvrage ou d’un appareil électrique à supporter la tension et les contraintes électriques qui lui sont appliquées.
• Décharge disruptive : Phénomène de défaillance de l’isolation sous contrainte électrique, entraînant une chute de tension et le passage d’un courant.

📝 Points essentiels

• La haute tension étudie des systèmes soumis à de fortes tensions et à de faibles courants, avec un effet du champ électrique généralement dominant sur le champ magnétique.
• La haute tension vise à concevoir et réaliser des produits et systèmes capables de générer et supporter des champs électriques élevés.
• La disruption se manifeste selon l’état de la matière : amorçage dans les gaz, claquage dans les liquides, perforation dans les solides.

📖 3. Circuit d’essais et cage de Faraday

🔑 Notions clés & Définitions

• Cage de Faraday : Cage de protection réalisée avec un matériau conducteur maillé, reliée à la terre, pour éviter que le fonctionnement du laboratoire perturbe l’environnement.
• Circuit d’essais haute tension : Schéma de laboratoire pour essais haute tension, combinant transformateurs et interrupteurs afin d’appliquer une tension contrôlée à l’objet testé.

📝 Points essentiels

• La cage est dimensionnée selon le niveau de tension des stations et elle sépare une zone de travail d’une zone de manipulation par un grillage avec porte.
• La porte coupe la tension du circuit d’essais à l’ouverture et déclenche généralement des signaux lumineux et sonores de mise sous tension.
• Le circuit d’essais comprend un transformateur d’isolement (souvent rapport 1), un transformateur de réglage (rapport variable), un transformateur de haute tension (rapport élevé constant) et trois interrupteurs à déclen

📖 4. Classes de tension et gammes normalisées

🔑 Notions clés & Définitions

• Très Haute Tension : Très Haute Tension désigne le domaine de tension entre phases allant de 60 à 800 kV, avec des projets jusqu’à 1 200 kV.
• Gammes CEI 71 : Les gammes CEI 71 classent les tensions du matériel en gammes A, B et C selon des intervalles croissants de U.

📝 Points essentiels

• Les réseaux triphasés de transport sont sans conducteur de neutre, avec des fréquences typiques de 50 ou 60 Hz (quelques cas à 16 2/3 Hz).
• Le décret français du 14 novembre 1988 définit HTA pour 1 kV < U < 50 kV et HTB pour U > 50 kV, tandis que le CENELEC (27/07/1992) donne MT pour 1 kV < U < 35 kV et HT pour U > 35 kV.
• Les installations sont réparties en cinq domaines (TBT, BTA, BTB, HTA, HTB) selon la valeur efficace Un, avec des limites différentes en courant alternatif et en courant continu.

📖 5. Générateurs haute tension et types de tensions

🔑 Notions clés & Définitions

• Transformateur haute tension : Transformateur conçu et isolé pour produire des hautes tensions, avec une isolation adaptée aux contraintes électrique, chimique, mécanique et thermique.
• Tension de choc : Tension unidirectionnelle très élevée appliquée pendant un temps bref (quelques µs), qui monte rapidement jusqu’à une valeur crête puis retombe vers zéro.

📝 Points essentiels

• Les chutes de tension entre spires peuvent atteindre plusieurs dizaines de kV, d’où l’exigence d’une isolation électrique, chimique, mécanique et thermique.
• Pour des tensions > 750 kV, on utilise des transformateurs en cascade pour limiter coût, transport et encombrement.
• L’onde de choc standard est 1,2/50 µs (T1=1,2 µs, T2=50 µs) et la surtension de manœuvre est 250/2500 µs (T1=250 µs, T2=2500 µs).

💡 Astuce mémo

Choc standard : 1,2/50 = front rapide (1,2) puis queue longue (50).

📖 6. Ondes de choc et générateurs Tesla Marx

🔑 Notions clés & Définitions

• Choc normal : Choc normal : forme d’onde impulsionnelle caractérisée par une durée jusqu’à la crête et une relation avec la demi-amplitude.
• Générateur EMarx : Générateur EMarx : générateur de haute tension basé sur la charge en parallèle de n condensateurs puis leur décharge en série via des éclateurs.
• Générateur de Tesla : Générateur de Tesla : générateur haute tension à couplage résonant qui charge un condensateur puis produit une décharge oscillante amortie.

📝 Points essentiels

• Choc normal : la valeur de crête est déterminée à partir de la durée jusqu’à la demi-amplitude $T_h$ et de la durée jusqu’à la crête $T_{cr}$ via la relation $1{,}0U(t)$ et $0{,}5U(t)$ sur la figure.
• Choc de foudre (1,2/50 µs) : le front et la queue sont définis par des temps conventionnels $T_1$ et $T_2$, et l’onde $u_c(t)$ est modélisée par une différence de deux exponentielles à constantes de temps différentes.
• Générateur EMarx : en négligeant les pertes, la tension obtenue vaut n fois la tension redressée du secondaire, grâce à la charge parallèle puis la décharge série des condensateurs par étages d’éclateurs.

📅 Repères chronologiques

1. 1912Mise en service de la première ligne de tension supérieure à 100 kV (évolution des réseaux AC)
2. 14 novembre 1988Décret français définissant HTA (1 kV < U < 50 kV) et HTB (U > 50 kV)
3. 27 juillet 1992Circulaire CENELEC précisant MT (1 kV < U < 35 kV) et HT (U > 35 kV)
4. 1985Ekibastouz - Elektrostal : mise en service d’un réseau 1200 kV (table d’ordres de grandeur)
5. 2009Jindongnan - Jingmen : mise en service d’un réseau 1100 kV (table d’ordres de grandeur)

📊 Tableaux de synthèse

Domaines de tension (AC et DC)

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre pertes en ligne et effet Joule : les pertes suivent P = R·I², pas directement P = U·I.
2. Mélanger isolement et isolation : l’isolement est l’aptitude à supporter la tension, l’isolation est l’élément matériel qui assure cet isolement.
3. Inverser contournement et perforation : la tension de contournement produit une décharge le long de l’isolation externe, la perforation traverse l’isolant interne.
4. Croire que la porte de la cage/grillage ne sert qu’à l’accès : dans le circuit d’essais, l’ouverture arrête la tension et déclenche des signaux lumineux/sonores.
5. Se tromper sur les ondes de choc : 1,2/50 µs correspond à la foudre (front/queue), tandis que 250/2500 µs correspond à la surtension de manœuvre.
6. Oublier que le choc normal est modélisé par une différence de deux exponentielles et que la crête dépend des durées jusqu’à la demi-amplitude et jusqu’à la crête.
7. Penser que le générateur EMarx change de transformateur : il augmente la tension par charge parallèle puis décharge en série via éclateurs (n fois la tension redressée).

✅ Checklist Examen

1. Expliquer pourquoi la haute tension réduit les pertes en ligne en reliant P = R·I² et P = U·I à puissance transportée équivalente.
2. Citer au moins 4 équipements/applications où la haute tension est utilisée dans le cours (réseaux, électricité statique, physique, médecine, électronique).
3. Donner la définition de l’isolement et distinguer isolement vs isolation (élément matériel).
4. Décrire la disruption et ses formes selon l’état de la matière : amorçage (gaz), claquage (liquides), perforation (solides).
5. Relier contournement et perforation aux notions de tension de contournement et tension de perforation/claquage, et préciser l’ordre de grandeur attendu (tenue > contournement).
6. Présenter la méthodologie de la haute tension : coordination d’isolement, choix des matériaux, dimensionnement théorique, prototype, essais types, contrôle en exploitation.
7. Décrire le laboratoire haute tension : cage de Faraday reliée à la terre, deux zones (travail/manipulation) et rôle de la porte (arrêt tension + signaux).
8. Lister les éléments du circuit d’essais et leur rôle : transformateur d’isolement (rapport ~1), transformateur de réglage (variable), transformateur de haute tension (rapport élevé constant), et trois interrupteurs (séqu
9. Donner les domaines de tension (TBT, BTA, BTB, HTA, HTB) pour le courant alternatif et continu à partir des valeurs Un du cours.
10. Donner les gammes CEI 71 (A, B, C) et l’idée de révision (I et II) telle qu’énoncée dans le cours.
11. Expliquer la tension de choc : unidirectionnelle, très brève (quelques µs), montée rapide jusqu’à une valeur crête puis retombée vers zéro, et associer les ondes standard 1,2/50 µs et 250/2500 µs.
12. Décrire le choc normal (paramètres Tcr et Th, relation via 1,0U(t) et 0,5U(t)) et le principe de production d’une onde de choc (charge C1 puis décharge à travers le circuit).
13. Expliquer le principe du générateur EMarx (n condensateurs en parallèle puis décharge en série via éclateurs) et celui du générateur de Tesla (3 étapes : charge, décharge oscillante, oscillation libre amortie).