Problèmes de conception dans les raccordements à haute tension

Les raccordements conçus pour de telles applications doivent répondre à des exigences de sécurité particulières et présentent des défis de conception spéciaux.

Qu'est-ce que la « haute tension » ?

La définition numérique de la haute tension dépend du contexte. Deux facteurs pris en compte pour classer une tension comme une « haute tension » sont la possibilité de produire des étincelles dans l'air et le danger de choc électrique par contact ou proximité. Ces définitions peuvent faire référence à la tension ente deux conducteurs d'un système, ou entre tout conducteur et la terre.

À l'extrémité basse, des tensions supérieures à 50 V appliquées à une peau humaine saine et sèche peuvent provoquer une fibrillation cardiaque si elles produisent des courants électriques dans les tissus au niveau de la poitrine. Par contre, dans les techniques de transmission d'énergie électrique, est généralement considérée comme une haute tension toute tension supérieure à ~35 000 V.

Le tableau 1 indique les définitions de l'IEC pour les basses et hautes tensions et les risques correspondants.

Plage de tensions IEC	CA	CC	Risque correspondant
Haute tension	> 1000 Vrms	>1500 V	Arc électrique
Basse tension	50 – 1000 Vrms	120 – 1000 V	Choc électrique
Très basse tension	50 Vrms	<120 V	Risque faible

Tableau 1 : Définitions des tensions de l'IEC (Source : Wikipedia)

Problèmes des conceptions à haute tension

Les hautes tensions imposent des contraintes sévères sur tous les composants de système de connexion. Une isolation parfaitement adéquate à 12 V, par exemple, peut se dégrader rapidement ou être complètement défaillante à 12 kV. En général, à mesure que la tension augmente, une couronne se forme autour du conducteur haute tension, suivie par un claquage diélectrique, conduisant à un arc ou une panne catastrophique.

Décharge par effet de couronne

Une décharge par effet de couronne est une décharge électrique provoquée par l'ionisation de l'air entourant un conducteur chargé électriquement. L'effet de couronne a lieu lorsque la force (gradient de potentiel) du champ électrique autour d'un conducteur est suffisamment élevée pour former une zone conductrice, mais pas assez pour provoquer un claquage électrique ou un arc vers les objets proches. Cela peut se produire à des tensions aussi basses que 300 V. Un effet de couronne peut aussi avoir lieu en raison de l'ionisation de l'air dans un vide dans un diélectrique ou une interface à l'intérieur d'un raccordement.

Si l'effet de couronne est un processus basse énergie, sur des périodes prolongées, cela peut considérablement dégrader les isolateurs, en entraînant la défaillance d'un système en raison d'un claquage diélectrique.

Pour minimiser les effets de couronne dans une conception de raccordement, il est important de maximiser la distance entre les conducteurs ayant des différentiels de tension élevés, d'utiliser des conducteurs avec des rayons importants, d'éviter des conceptions avec des pointes acérées ou des bords tranchants, et d'utiliser des diélectriques sans vide.

Arc et claquage diélectrique

Un arc électrique, ou décharge en arc, est un claquage électrique d'un gaz qui produit une décharge de plasma continue, provoqué par un courant à travers un support normalement non conducteur, comme l'air. Dans des conditions normales, l'air se décompose à environ 3 kV/mm.  

Dans le cas d'un support solide comme un diélectrique, un claquage diélectrique se produit lorsque la contrainte de tension est suffisamment importante pour provoquer un arc à travers le diélectrique entre le conducteur et la terre. Cette défaillance est catastrophique car le flux de courant dans le diélectrique laisse des vides remplis par du carbone et le diélectrique ne pourra plus résister à la tension requise.

Normes de sécurité applicables

Ces effets peuvent avoir des conséquences sérieuses, voire mortelles, dans les équipements à haute tension, y compris les raccordements. De ce fait, de nombreuses normes de sécurité ont été développées, selon l'application.

Normes de sécurité	Application
IEC/EN-61558-2-17	Transformateurs électriques, unités d'alimentation électrique, alimentations électriques à découpage
IEC/EN-60950	Équipement informatique
IEC/EN-60601-1	Équipement électrique médical
IEC/EN-60079	Appareils électriques pour atmosphères gazeuses explosibles
IEC/EN-60335	Appareils ménagers et dispositifs électriques similaires
IEC/EN-60065	Appareils audio, vidéo et dispositifs électriques similaires

Tableau 2 : Quelques normes de sécurité communes (Source : Feryster)

D'autres domaines, comme l'industrie automobile, possèdent leur propre ensemble de normes établies par des organisations comme le SAE.

Lignes d'air et lignes de fuite

Pour minimiser le risque de défaillance dans les équipements à haute tension et ménager une marge de sécurité adéquate, les conducteurs transportant des hautes tensions doivent maintenir une certaine distance minimale (séparation). Ces distances, appelées lignes d'air et lignes de fuite, varient selon les applications et sont spécifiées dans la norme de sécurité appropriée.

 

Figure 1 : Lignes d'air et lignes de fuite (Source : Feryster)

La distance de ligne d'air est la plus courte distance entre deux éléments conducteurs, comme des broches de raccordement, mesurée à travers l'air. Une distance de ligne d'air adéquate contribue à éviter le claquage diélectrique entre des broches, provoqué par l'ionisation de l'air. Le niveau de claquage diélectrique est également influencé par l’humidité relative et le niveau de pollution de l'environnement.

La distance de ligne de fuite est la plus courte distance entre deux éléments conducteurs (ou entre un élément conducteur et la surface de liaison de l'équipement) mesurée le long de la surface de l'isolation. Une distance de ligne de fuite appropriée protège contre le cheminement, un processus qui produit une piste partiellement conductrice sur la surface d'un matériau isolant suite à des décharges électriques sur ou à proximité d'une surface d'isolation. La distance de ligne de fuite est égale ou supérieure à la distance de ligne d'air.

L'indice de cheminement comparatif (Comparative Tracking Index, CTI) est utilisé pour mesurer les propriétés de claquage électrique (cheminement) d'un matériau isolant. Pour une application donnée, la distance de ligne de fuite requise par des organismes de sécurité, comme UL, dépend de la valeur d'indice de cheminement comparatif de l'isolant.

Niveau de pollution

Pour une tension et un matériau d’isolation donnés, les distances de ligne d'air et de ligne de fuite sont également affectées par la pollution sèche et la condensation présentes dans l'environnement (ou niveau de pollution). La classification des niveaux de pollution va du niveau 1 (extrêmement faible, équivalant à un environnement de salle blanche) au niveau 4 ( conductivité persistante provoquée par de la poussière, de la pluie ou de la neige conductrice). Le niveau de pollution peut avoir un impact majeur sur la connectivité. En effet, les distances de ligne d'air et surtout de ligne de fuite augmentent considérablement avec le niveau de pollution.

Par exemple, des raccordements D ultra-miniaturisés (Dsub) sont fréquemment utilisés dans de nombreuses applications. Ils sont disponibles auprès de nombreux fournisseurs et sont peu coûteux. La distance entre la broche de raccordement et le blindage de masse est d'environ 1,6 mm. Cette distance respecte les normes de sécurité de ligne de fuite UL pour les environnements de niveaux de pollution 1 (0,3 mm) et 2 (1,6 mm) à 150 V.

Par contre, pour un fonctionnement à 300 V, la distance de ligne de fuite pour le niveau de pollution 2 passe à 3,0 mm. Le raccordement ne respecte donc les normes de sécurité que s'il est utilisé dans un environnement de niveau de pollution 1. Par conséquent, dans un environnement de test classique (classifié en niveau 2), l'utilisation d'un raccordement DSUB au-dessus de 150 V n'est pas conforme aux normes de sécurité applicables et est considéré comme peu sûr.

Fabrication de raccordements à haute tension

Comment les concepteurs de raccordements à haute tension minimisent-ils les effets de la haute tension et optimisent-ils la sécurité ?

Les figures 2 et 3 illustrent un raccordement circulaire et un réceptacle conçus pour un fonctionnement à 27 kV. Généralement, un réceptacle femelle à puits profond, illustré à droite, est situé sur le côté haute tension. Les broches de raccordement mâles sont montées dans des canaux isolés individuellement.

 

Figure 2 : Raccordement circulaire à haute tension LGH (Source : TE Connectivity)  

La figure 3 montre la construction interne. Vous remarquerez comment les deux moitiés sont assemblées : l'anneau d'isolation mâle entoure complètement la partie femelle avant que les deux broches mâles établissent le contact électrique. Pour éviter un retour d'arc entre deux broches adjacentes sur le même boîtier, une masse de remplissage doit être ajoutée pour remplir les cavités arrière une fois que les broches sont insérées dans la coque de boîtier.

 

Figure 3 : Section transversale d'un raccordement LGH (Source : TE Connectivity)  

Pour se protéger contre un claquage diélectrique, les raccordements à haute tension comme celui-ci utilisent des matériaux à force diélectrique élevée comme le PTFE, également commercialisé sous la marque Teflon®. La force diélectrique de la résine de PTFE est très élevée (23,6 kV/mm pour une épaisseur de 1,5 mm, comme mesuré par le test court ASTM), et ne varie pas avec la température et le vieillissement thermique.

Sécurité au niveau système

Dans des situations où il est possible que le raccordement soit déconnecté alors que le système est toujours sous tension, il existe d'autres stratégies pouvant être utilisées pour assurer la sécurité. L'intégration d'un un circuit HVIL (High-Voltage Interlock) est une stratégie au niveau système pour améliorer la sécurité du raccordement. Un circuit HVIL est un circuit fermé séparé intégré à la conception du connecteur qui fait office de contact de précoupure.  

Lorsqu'un raccordement à haute tension commence à se déconnecter, le circuit HVIL détecte ce mouvement et envoie aux composants électroniques de puissance un signal les invitant à décharger les tensions élevées présentes au niveau de la borne en-dessous d'un niveau prédéterminé avant la déconnexion finale de la borne. Cette décharge doit généralement intervenir dans la demi-seconde qui suit la détection par le circuit HVIL de la perte de connexion à l'intérieur de l'unité électronique de puissance. Dans l'idéal, aucune tension élevée n'est ainsi présente au niveau des bornes à haute tension lors de la séparation complète du raccordement.

Cette stratégie est utilisé dans les raccordements à haute tension conçus pour une utilisation dans des véhicules électriques qui transportent des tensions potentiellement mortelles.

Raccordements à haute tension d'Arrow

La spécification de raccordements pour des applications à haute tension est un domaine spécialisé : Arrow et TE Connectivity offrent une gamme de raccordements à haute tension et l'assistance technique pour vous aider à faire le bon choix.