Cours HT - Chap02-1

27
Chapitre II: Générateurs de haute tension
La validation d’un nouveau système d’isolation nécessite de divers essais

en haute tension afin de vérifier son bon dimensionnement.
On distingue quatre catégories d’essais:
Les essais sous haute tension alternative à fréquence industrielle de 50
ou 60 Hz.
Les essais sous haute tension continue
Les essais de choc ou d’impulsion (choc de foudre et choc de
manœuvre)
Des essais spéciaux sous haute tension à haute fréquence : essais des
isolateurs, essais de vieillissement.
F.SADAOUI – M1 Electrotechnique Industrielle : Techniques de la haute tension28
1
Les générateurs de haute tension alternatives à fréquences comprises entre

quelques Hz à 1kHz sont de type :
Générateurs à transformateurs;
Générateurs à circuit résonnant.
Applications:
Ils sont destinés pour :
Les essais à haute tension alternative.
L’alimentation des redresseurs à courant continu, des générateurs à
circuit résonnant, des générateurs de choc.
Pour la génération de la tension alternative, on utilise soit:

Des transformateurs de puissance :
Utilisés pour le transport d’énergie électrique;
Puissance élevé;
Triphasés;
Rapport de transformation modéré.
Des transformateurs d’essai:
Utilisés au niveau des laboratoires de recherche ou industriels pour
les tests diélectriques;
Faible puissance: faible courant électrique;
Monophasés;
Très grand rapport de transformation.
2
Ce sont généralement des transformateurs élévateurs de tension. Ils

transforment la basse tension du réseau (primaire) en une haute tension
(secondaire du transformateur).
HT
Is
Ip
Haute tension Objet d’essais
Us
BT
Tension du réseau Up
Figure II. 1 : Représentation d’un transformateur d’essai
On peut trouver deux types de transformateurs d’essai:

a. Transformateurs asymétriques
b. Transformateurs symétriques
HT HT
Cas Cas
Réseau
général particulier
Réseau
HT
(a) (b)
Figure II. 2 : Types de transformateurs d’essai
3
Conception de l’isolation
Le facteur de conversion d'un transformateur

d'essai (rapport de transformation) est très grand
Un bon dimensionnement de l’isolation est

primordial pour un assurer un fonctionnement
normal du transformateur .
Conception de l’isolation(suite)
La chute de tension entre deux spires est

faible donc ce type d’isolation (entre
spires) ne présente pas de problème
d’isolation.
Par contre, l’isolation devra être

importante d’une couche de spires à la
couche suivante, puisque les chutes de
tension entre couches peuvent atteindre
plusieurs dizaines de milliers de volts. Figure II. 3 : L’isolation dans un transformateur d’essai
4
Conception de l’isolation(suite)
L’enroulements d’un transformateur d’essai est réalisé suivant deux techniques
d’isolation:
a. Enroulement à couches concentriques, technique dite européenne;
b. Enroulement en galettes, technique dite américaine.
Enroulement secondaire
Tension supérieure Enroulement primaire
Tension inférieure
Enroulement secondaire
Tension supérieure
Enroulement primaire
Tension inférieure
Circuit magnétique
Figure II. 4 : Techniques d’isolation
Couplage de transformateurs
Utilisé un transformateur d’essai pour produire des tensions

de l’ordre de centaine de kV
Surdimensionner le transformateur (la taille de l’isolation est

excessive).
Pour des raisons économique et technique, il est préférable de

mettre plusieurs transformateurs en cascade.
5
Couplage de transformateurs (suite)
UBT
3UHT
UBT
2UHT
Figure II. 5 : Cascade de transformateurs
UHT
UBT
Pour obtenir des tensions alternatives au bornes d’une charge

capacitive plus élevées (plus stables) que celle délivrées par un
transformateur d’essai, on associe a ce dernier des circuits résonants
qui peuvent être :
Circuit résonant série;
Circuit résonant parallèle.
6
Circuit résonant série

Une inductance série est rajoutée en série entre le transformateur d’essai
et la charge capacitive C (objet à tester).
Cette inductance est choisie de façon à être accordée avec C pour la
fréquence de la tension d’alimentation.
Inductance série
Figure II. 6 : Générateur
alternative à circuit résonant
Charge
série
capacitive
Transformateur d’essai
Schéma équivalent du circuit résonant série

Pour le transformateur, on a utilisé un schéma équivalent ramené au
secondaire.
Figure II. 7: Schéma équivalent du générateur à circuit résonant série
7
La fréquence de résonance
Le phénomène de résonance apparait lorsque :
Impédance capacitive du système = impédance inductive du système
Cela se produit pour une fréquence de la tension d’alimentation f égale à
Le diagramme vectoriel
A la fréquence de résonance (fréquence d’accord), le courant I est en phase
avec la tension d’alimentation du système
En notation complexe :
8
Calcul du facteur d’amplification de la tension

En appliquant l’hypothèse que :
et
On aura:
et
Le courant s’écrit:
Donc la tension Uc devient:
En final:
On a trouvé que le facteur d’amplification de la tension s’écrit:
Avec:
Q : Facteur de qualité de la bobine série d’inductance Ls.
En pratique, ce facteur peut aller de 5 à 200, par conséquent le facteur
d’amplification varie de 5 jusqu’à 200.
9
Exemple d’application:
Pour tester des câbles directement sur site, on utilise ces générateurs à
circuit résonant série. PROBLÉMATIQUES
1. Il n’est pas pratique de ramener un câbles souterrain au laboratoire

2. Il est pratiquement impossible de transporter un grand transformateur
d’essai
SOLUTION
Utiliser un transformateur d’essai relativement modeste associé à des

bobines d’induction
Principe :
Une inductance est rajoutée en parallèle avec la capacité C de l’objet en essai. Le

tout est en série avec le transformateur d’essai. La figure ci-dessous illustre le
principe de ce type de générateur.
Figure II. 8 : Générateur alternative

à circuit résonant parallèle
10
Schéma équivalent:
La figure II.6 représente le schéma équivalent d’un générateur haute tension
alternative à circuit résonant parallèle. Pour le transformateur, on a utilisé un
schéma équivalent ramené au secondaire en négligeant la résistance équivalente
Réqui.
Figure II. 9 : Schéma équivalent du générateur à circuit résonant parallèle
La fréquence de résonance et diagramme complexe

Le phénomène de résonance apparait pour une fréquence de la tension
d’alimentation f égale à
A la fréquence de résonance f :
Avec :
On aura :
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11
Calcul du facteur de réduction de courant
En faisant l’approximation:
D’où :
Le facteur de réduction de courant est défini par :
En final:
Calcul du facteur de réduction de courant
On a trouvé que
Conclusion:
Le courant délivré par le transformateur I sera donc de 5 à 200 fois
plus faible que le courant Ic traversant l’objet en essai.
12
Redresseur à une alternance (monophasé)

Le redresseur à simple alternance est le moyen le plus simple (facile) pour obtenir une tension
continue à partir d’une tension alternative.
RL
Transformateur HT
Figure II.10 Schéma de principe d’un redresseur à une alternance
C: représente la capacité de lissage de du redresseur ainsi que la capacité de l’objet en essai;

R: représente la résistance de l’objet en essai et la résistance de fuite du condensateur de lissage;
RL: résistance de limitation de courant de charge.
Allure des tensions

Sans capacité de lissage
100
Uc 50
-50
Us
-100
UD
La tension maximale inverse que la diode doit supporter est égale à Usmax
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Allures de tension
Avec capacité de lissage
Uc
δUc
Us
tc
δUc: la profondeur d’ondulation UD

tc: durée de conduction de la diode.
La tension maximale inverse que la diode doit supporter est presque égale à 2Usmax
Diode haute tension:

Une diode haute tension est constituée de plusieurs diodes conventionnelles mises en série afin
de supporter la tension inverse appliquée à l’ensemble.
Profondeur d’ondulation:
Profondeur d’ondulation est l’écart entre la valeur maximale et minimale de la tension
redressée.
Amplitude d’ondulation
L’amplitude d’ondulation est la moitié de la profondeur d’ondulation.
Facteur d’ondulation:
Le facteur d’ondulation est le rapport de l’amplitude de l’ondulation à la valeur moyenne de la
tension Uc
avec:
14
Doubleurs de la tension continue:

Doubleur de Latour:
Le doubleur de Latour permet de doubler la tension continue de sortie par rapport la tension
maximale délivrée par le transformateur (Usmax) . Le schéma de principe de ce type de
doubleur est présenté sur la figure suivante:
Principe de fonctionnement
Deux condensateur en cascade C1 et C2
Le condensateur C1 se charge à
travers la diode D1 à la valeurs crête
Usmax pendant l’alternance positive.
Pendant l’alternance négative, le
condensateur C2 se charge a travers la
diode D2 à la valeur crête Usmax
Transformateur HT
A vide à savoir sans ondulation et sans chute de tension
Doubleur de la tension continue:

Doubleur de Latour:
Inconvénient du doubleur de Latour

Le doubleur utilise un transformateur
dont les deux bornes du secondaire sont
isolées de la terre:
L’une est soumise à la tension Uc
complète;
Transformateur HT
L’autre soumise à la moitié de la
tension Uc.
L’isolation entre le primaire et le secondaire du transformateur est

dimensionnée pour la pleine tension Uc
15
Doubleur de la tension continue (suite):

Doubleur de Schenkel:
Ce doubleur est schématisé sur la figure ci-dessous:
Pendant l’alternance négative le
condensateur C1 se charge à
travers la diode D1 à la tension
Usmax.
À l’alternance positive suivante,
cette tension s’ajoute à la tension
de transformateur d’essais donnant
ainsi une tension aux borne de C
égale à 2 Usmax Transformateur HT
Avantage du doubleur de Schenkel

Ce doubleur nécessité contrairement au doubleur de Latour que d’un transformateur avec
un point à la terre, isolé entre le primaire et le secondaire à la mi-tension de sortie Uc;
Il constitue l’élément de base du redresseur en cascade (multiplicateurs de tension).
Multiplicateur de tension
Cascade de Greinacher:
La cascade de Greinacher est constituée d’une
pile de n redresseurs de type Shenkel.
A vide, chaque étage délivre une tension

égale à 2Usmax.
La tension totale obtenue par le redresseur en
cascade vaut:
Transformateur HT
Figure II.11 : Cascade de Greinacher (3 doubleurs de

Schenkel n=3)
16
Introduction
Les générateurs de choc permettent d’obtenir des hautes tensions caractérisées par :
Valeur crête allant du kV à 10 MV ;
Temps de montée de la (ns) à la (ms) ;
Temps de descente de 100 ns à 1s.
Applications
Ces générateurs sont utilisés pour :
Effectuer des essais sur des isolants et appareils haute tension lors des surtensions ;
Simuler le phénomène de la foudre.
Choc normal
Définition
Un choc normal est une tension (ou un courant)
résultante de la différence de deux exponentielles. Il
croit rapidement jusqu’à une valeur de crête, puis
décroit plus lentement jusqu’à zéro
Où :
U0 : Facteur d’amplification ;
τq : Constante de temps de queue ;
τf : Constante de temps de front.
Les paramètres principaux d’un choc normal
La durée jusqu’à la valeur crête Tcr
La valeur de crête Ucr
La durée jusqu’à la mi-amplitude Th
17
Types de choc de tension normalisé :

On a deux types de choc normalisé :
Choc de foudre : simuler les phénomènes de foudre
: durée conventionnelle du front (temps de montée)

: durée conventionnelle de la queue (durée jusqu’à la mi-amplitude)
En général, on définit le choc par rapport à T1/T2 . Pour un choc de foudre:
Types de choc de tension normalisé (suite)

Choc de manœuvre normalisée:
Les surtensions de manœuvre proviennent essentiellement de l’enclenchement ou
déclenchement d’interrupteurs (relais, sectionneurs, disjoncteurs, fusible...etc.).
Pour designer la durée de choc de manœuvre, on introduit une autre grandeur td qui
représente le temps pendant lequel la valeur de la tension U(t) est au dessus de 0.9 Umax
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Génération de choc de tension de foudre et de manœuvre à un étage

Pour produire une onde de choc, on utilise le schéma de la figure ci-dessous, constitué de
transformateur, redresseur, résistances et capacités.
Génération de choc de tension de foudre et de manœuvre à un étage (suite)

Le générateur de choc fonctionne en deux étapes :
Première étape (t<0) :
l’interrupteur est ouvert, le condensateur de choc Cg de charge. Cette phase de charge dure
de quelques (ms) pour les petits générateurs (quelques joules) à quelques minutes pour les
gros générateurs (énergie de quelques centaines de kJ.
Deuxième étape (t≥0) :

l’interrupteur est fermé, le
condensateur Cg se décharge dans le
circuit contentant (Rs1, Rs2, Rp et Cc)
en donnant naissance à une onde de
choc.
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Générateur de choc multiétage de Marx

Le générateur de Marx permet de multiplier la tension de sortie . Il est constitué d’un
empilement de plusieurs générateur de choc à un étage montée en cascade.
Cg : Condensateur de choc
Rc : Résistance de charge
Rsi : Résistance série interne
Rse : Résistance série externe
Rpe : Résistance parallèle de queue
E : Eclateur de couplage
Rp,Cc : Objet en essai (charge)
Figure : Générateur de choc de Marx à 3 étages
Principe de fonctionnement d’un générateur de choc multiétage de Marx

Son principe est basé sur:
Première phase: Charge en parallèle des Deuxième phase: les condensateurs Cg
condensateurs Cg de chaque étage par se déchargent en série par l’intermédiaire
l’intermédiaire de la source de tension des éclateurs de couplage E.
continue à travers la résistance de charge
Rc et les résistances Rsi et Rpe
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21

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La validation d’un nouveau système d’isolation nécessite de divers essais

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Les générateurs de haute tension alternatives à fréquences comprises entre

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Chapitre II: Générateurs de haute tension

Pour la génération de la tension alternative, on utilise soit:

F.SADAOUI – M1 Electrotechnique Industrielle : Techniques de la haute tension30

Ce sont généralement des transformateurs élévateurs de tension. Ils

Haute tension Objet d’essais

Figure II. 1 : Représentation d’un transformateur d’essai

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Chapitre II: Générateurs de haute tension

On peut trouver deux types de transformateurs d’essai:

Figure II. 2 : Types de transformateurs d’essai

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Le facteur de conversion d'un transformateur

Un bon dimensionnement de l’isolation est

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Chapitre II: Générateurs de haute tension

La chute de tension entre deux spires est

Par contre, l’isolation devra être

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Figure II. 4 : Techniques d’isolation

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Chapitre II: Générateurs de haute tension

Utilisé un transformateur d’essai pour produire des tensions

Surdimensionner le transformateur (la taille de l’isolation est

Pour des raisons économique et technique, il est préférable de

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Couplage de transformateurs (suite)

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Chapitre II: Générateurs de haute tension

Pour obtenir des tensions alternatives au bornes d’une charge

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Circuit résonant série

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Chapitre II: Générateurs de haute tension

Schéma équivalent du circuit résonant série

Figure II. 7: Schéma équivalent du générateur à circuit résonant série

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Impédance capacitive du système = impédance inductive du système

Cela se produit pour une fréquence de la tension d’alimentation f égale à

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Chapitre II: Générateurs de haute tension

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Calcul du facteur d’amplification de la tension

Donc la tension Uc devient:

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Chapitre II: Générateurs de haute tension

On a trouvé que le facteur d’amplification de la tension s’écrit:

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1. Il n’est pas pratique de ramener un câbles souterrain au laboratoire

Utiliser un transformateur d’essai relativement modeste associé à des

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Chapitre II: Générateurs de haute tension

Une inductance est rajoutée en parallèle avec la capacité C de l’objet en essai. Le

Figure II. 8 : Générateur alternative