Générateur de tension impulsionnelle L'essai d'impulsion est l'un des instruments de base utilisés pour tester la rigidité diélectrique des équipements haute tension en régime transitoire. Contrairement aux essais en régime permanent (CA ou CC), l'essai d'impulsion reproduit les surtensions transitoires provoquées par la foudre, les manœuvres de commutation et les défauts d'un réseau électrique. Ces incidents engendrent des charges électriques importantes en très peu de temps et déterminent généralement les limites de conception de l'isolation. C'est pourquoi l'essai d'impulsion est une étape obligatoire de la qualification des transformateurs, traversées, câbles, appareillages de commutation, parafoudres et autres équipements haute tension.
Dans les laboratoires, le générateur de tension impulsionnelle est souvent comparé à un générateur de surtensions haute tension utilisé pour les tests d'immunité CEM. Bien que les deux systèmes génèrent des tensions transitoires, leurs objectifs et la nature des formes d'onde diffèrent. L'évaluation de l'isolation est axée sur l'étude du comportement de claquage, le développement de générateurs d'impulsions et la capacité de tenue aux impulsions standard, et non sur l'immunité des équipements. La compréhension du mécanisme de construction et du principe de fonctionnement des générateurs d'impulsions est essentielle pour obtenir des données pertinentes sur la rigidité diélectrique.

Formes d'onde d'impulsion standard et configuration du générateur

Les essais de tension impulsionnelle reposent sur l'utilisation de définitions normalisées de formes d'onde qui reflètent la réalité du régime transitoire. La forme d'onde la plus courante est celle de l'impulsion de foudre, caractérisée par un temps de montée et de descente très rapide, généralement exprimé en microsecondes : 1.2 microseconde pour atteindre la crête et 50 microsecondes pour la demi-valeur. Les formes d'onde d'impulsion de commutation présentent des temps de montée et de descente plus longs et sont utilisées dans les dispositifs à très haute tension, où la foudre est comparable à des incidents de commutation.
Chacune de ces formes d'onde est générée par un générateur de tension impulsionnelle qui charge un banc de condensateurs à une tension spécifiée, puis le décharge dans un réseau de mise en forme d'onde composé de résistances et de condensateurs. Ce dispositif régule l'attaque et la décroissance de l'impulsion. La popularité des générateurs Marx s'explique notamment par leur capacité à empiler facilement des tensions de charge relativement faibles en série lors de la décharge, afin de produire des tensions de sortie extrêmement élevées.
Il convient de tenir compte des capacités, inductances et résistances parasites inhérentes à la conception des générateurs, car elles déforment la forme d'onde. Ces éléments parasites s'amplifient avec l'augmentation des niveaux de tension. Une conception physique rigoureuse et le choix des composants sont donc essentiels pour garantir que l'impulsion délivrée respecte les tolérances standard. Ceci contraste avec un générateur de surtensions haute tension à usage général, utilisé pour tester les systèmes d'impulsions CEM. Ces derniers sont optimisés pour la fidélité de la forme d'onde à très haute tension, et non pour la fréquence de répétition ou l'automatisation.

agencement du circuit de test et techniques de mesure

La détermination de la résistance de l'isolation ne se limite pas à la génération d'une impulsion. La configuration du circuit d'essai détermine la répartition des contraintes et permet d'identifier les défaillances du circuit. Le générateur de tension d'impulsion est relié à l'équipement haute tension par des câbles de test conçus pour réduire l'effet corona et les décharges partielles. Un dégagement et un blindage efficaces empêchent tout contournement à l'extérieur de l'objet testé, ce qui invaliderait les résultats.
Ces mesures sont généralement effectuées à l'aide de diviseurs de tension capacitifs ou résistifs reliés à des oscilloscopes à large bande. Ces diviseurs doivent être étalonnés et leur réponse impulsionnelle doit être optimisée (afin de garantir une reproduction fidèle du front d'onde rapide, sans atténuation excessive). Les mesures existantes peuvent également être utilisées pour identifier l'amorçage du claquage ou analyser le comportement de la décharge en cas de contournement.
La mise à la terre est essentielle. Le circuit de terre ou de retour doit présenter une faible impédance et une forte sélectivité afin d'éviter les réflexions qui déforment la forme de l'impulsion. Une mauvaise mise à la terre du plan de masse et des liaisons équipotentielles représente un coût important pour les petites usines, en raison des erreurs de mesure liées à la terre et du risque inhérent de défaillances de sécurité dans les laboratoires d'essais. Contrairement aux essais de surtension électromagnétique où des réseaux de couplage sont utilisés pour spécifier l'impédance, les essais de compatibilité électromagnétique (CEM) dépendent de configurations de champ libre et d'une géométrie physique optimisée.

Procédures d'essai et évaluation de la tenue d'isolation

Les procédures d'essais d'impulsion sont normalisées afin de permettre leur comparaison entre les laboratoires. Une séquence d'essai classique consiste à appliquer une série d'impulsions à des niveaux de tension croissants jusqu'à la tension d'essai requise. L'isolation est conçue pour résister à un nombre précis d'impulsions avant de se rompre. Des impulsions de polarité positive et négative sont utilisées, car la polarité influe sur la formation et l'intensité des streamers.
Il existe une différence dans les critères d'évaluation entre un claquage interne et un contournement externe. Dans certains cas, un contournement externe dans l'air ou sur des surfaces peut être acceptable tant qu'il n'endommage pas l'équipement. La défaillance survient suite à une défaillance interne de l'isolation, qu'elle soit solide ou liquide. Les signaux acoustiques et l'analyse de la forme d'onde, utiles lors de l'examen visuel, permettent de déterminer le type d'événement.
Un conditionnement est également observé lors de l'utilisation répétée d'impulsions. Certaines impulsions se renforcent après les premières, suite à un séchage ou une redistribution des charges, tandis que d'autres se dégradent progressivement. La documentation des paramètres des formes d'onde et du comportement de claquage tout au long de la séquence permet d'évaluer la qualité de l'isolation et la constance du processus de production.

Défis pratiques et comparaison avec les générateurs de surtension

Le fonctionnement d'un générateur de tension impulsionnelle présente des difficultés pratiques différentes de celles rencontrées lors de l'utilisation d'un générateur de surtension haute tension pour les essais de CEM. Les systèmes impulsionnels ont des tensions nominales beaucoup plus élevées, des fréquences de répétition généralement plus basses et des marges de sécurité et d'isolement plus importantes. Le temps de mise en place et le savoir-faire de l'opérateur sont donc des éléments essentiels.
La vérification des formes d'onde est plus complexe car, à des tensions de plusieurs centaines de kilovolts, des diviseurs de tension et des oscilloscopes spécifiques sont nécessaires. Le comportement en cas de claquage diélectrique dans l'air est déterminé par les conditions environnementales, notamment l'humidité, la pression et la température, et doit être consigné. Ces variables sont moins critiques lors des essais de surtension électromagnétique, où les tensions sont plus faibles et l'équipement est confiné.
Ce changement engendre un chevauchement conceptuel. Les générateurs d'impulsions et de surtensions reposent tous deux sur la décharge régulée d'énergie et la mise en forme des ondes. Des systèmes complémentaires, conçus selon une philosophie et des principes de sécurité similaires, sont souvent fournis par différents fournisseurs d'équipements de laboratoire. Par exemple : LISUN effectuer des tests de haute tension et de surtension, qui peuvent servir d'assistance au laboratoire opérant dans le domaine de l'évaluation de l'isolation et de la CEM sans enfreindre les exigences.

Figure : Générateur de tension impulsionnelle

Coordination de l'isolation

Les essais de générateurs de tension impulsionnelle sont directement intégrés au processus de décision relatif à la coordination de l'isolation. La résistance mesurée en laboratoire oriente le choix des dispositifs de protection et les marges de sécurité des réseaux électriques. Les résultats des essais sont comparés aux contraintes de surtension estimées afin de garantir une protection suffisante à un coût raisonnable.
Les résultats doivent être interprétés avec prudence. Les conditions en laboratoire diffèrent de celles rencontrées en service, où la pollution, le vieillissement et les contraintes mécaniques coexistent. Les essais d'impulsion ne remplacent donc pas les essais de vieillissement à long terme et de décharges partielles, mais les complètent. Ces méthodes permettent d'obtenir une vision globale de l'évolution des performances des isolants dans le temps.
La documentation et la traçabilité sont indispensables. Les rapports de test, qui contiennent des informations sur les paramètres de forme d'onde, les conditions environnementales et le comportement observé, sont essentiels. Ces documents sont utiles pour la certification et constituent une norme de référence lors de la remise à neuf ou de la mise à niveau d'un équipement.

Conclusion

L'utilisation de générateur de tension impulsionnelle Les techniques de mesure de la résistance de l'isolation des équipements haute tension restent essentielles. La reproduction du comportement diélectrique, inaccessible par les essais en régime permanent, passe par la reproduction de contraintes transitoires normalisées. Une configuration adéquate du générateur, des mesures précises et une interprétation rigoureuse des résultats garantissent des résultats favorables à la capacité d'isolation réelle. Bien que similaires dans leur principe à ceux d'un générateur de surtension haute tension, les systèmes d'impulsions ont un objectif différent, axé sur l'intégrité diélectrique. Leur mise en œuvre rigoureuse contribue à la conception sûre, fiable et économique des infrastructures électriques haute tension.