Conception, modélisation et caractérisation d'un diviseur 400 kV de haute exactitude destiné à la mesure des impulsions nanosecondes

par Mohammad saif Khan

Projet de thèse en Génie électrique

Sous la direction de Yann Le Bihan.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Génie électrique et électronique de Paris (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    L'exploitation de très hautes tensions pulsées sans mobiliser des quantités considérables d'énergie est un moyen extrêmement efficace de provoquer certains phénomènes physiques intéressants. A partir d'une quantité d'énergie de 1 joule, c'est à dire, une puissance de 1 W pendant une seconde, on peut la convertir, à travers des dispositifs de commutation et d'adaptation adéquats, à une puissance de 1 GW pendant une ns. Le moyen le plus exacte pour mesurer ces types d'impulsions est un diviseur de tension associé à une station d'acquisition (oscilloscope ou analyseur de spectre) et à une station de traitement de données (logiciel de mesure). Les diviseurs doivent fournir précisément l'amplitude du signal avec un rapport de division connu mais aussi l'allure exacte du signal sans déformation. Leur bande passante doit être compatible avec la bande de fréquence du spectre du signal mesuré. Au niveau national et international, les possibilités d'étalonnage actuelles concernent seulement les impulsions dont le temps de montée est compris entre 500 ns et 250 µs. Les incertitudes de mesure atteignable au niveau mondial pour la mesure des tensions de 400 kV sont d'environ 3 % pour les impulsions les plus rapides (impulsions coupées à 500 ns) et d'environ 0,5 % pour les impulsions les plus lentes (1,2 µs et 500 µs). En dessous de 100 ns, Il n'existe aucun moyen ni de travaux de recherche métrologique pour caractériser les sources large bande alors que le besoin en traçabilité reste sans réponse. Afin de répondre aux besoins industriels ou en recherche pour mesurer les impulsions haute tension dans le domaine large bande (temps de montée d'une nanoseconde, la durée des impulsions pouvant atteindre 100 ns), ce sujet de thèse associant le laboratoire GeePs et le LNE (Laboratoire national de métrologie et d'essais) propose de développer, modéliser et caractériser un diviseur de tension 400 kV de haute exactitude. Les caractéristiques visées de ce diviseur seront, un temps de réponse sub-nanoseconde, une stabilité du rapport de division, une très bonne tenue à l'échauffement et à la température, une bonne immunité aux perturbations électromagnétiques, une bonne linéarité et une très bonne conservation de la forme d'onde. Ce diviseur sera associé à une chaine de transmission basse tension adaptée. Les incertitudes de mesures visées dépendent de la forme d'onde, sont de 3 % à 5 % pour les tensions de crête et de 1 ns pour les paramètres temporels. Ce sujet de thèse devra permettre d'étendre les possibilités d'étalonnage en France et en Europe et viendra proposer une solution aux industriels pour caractériser les sources nanosecondes. La thèse débutera par une étude bibliographique des différents technologies de diviseurs haute tension (matériaux utilisés, géométrie, techniques de simulation, adaptation d'impédance, comportement des champs électromagnétiques, technique de caractérisation de matériaux, chaine de mesure basse tension, avantage et inconvénients pour chacun) ainsi que des différentes techniques de mesure permettant leur étalonnage ou leurs caractérisations pour un fonctionnement optimum en haute tension. Dans un second temps le doctorant s'attardera sur la phase de simulation du diviseur : il aura à sa disposition des outils de simulation numérique (COMSOL, CST, GENESYS) et de calcul (MATLAB, LABVIEW). Dans un troisième temps le doctorant concevra le diviseur et sa chaine de mesure associée (chaine de transmission basse tension, oscilloscope et logiciel) : plans mécaniques, choix des matériaux, contacts et suivi des réalisations avec les sous-traitants. Le travail se poursuivra par une caractérisation approfondie des éléments développés : coefficient de température, coefficient de tension, dérive, bande passante, linéarité en fréquence, linéarité en tension, coefficient de puissance, rapport de division, dérive, perturbations, échauffement, vieillissement, stabilité. Des premiers essais seront effectués avec des générateurs de type Burst en basse tension (quelques kV). Une étude de linéarité, par analyse des caractéristiques du diviseur, permettra d'étendre les possibilités de mesure jusqu'à 400 kV. Finalement, le doctorant fournira un bilan d'incertitude détaillé justifiant l'atteinte des objectifs et proposer des perspectives d'évolution et d'amélioration en ciblant les paramètres d'influences majeures et leurs incertitudes.

  • Titre traduit

    Conception, modelization and characterization of a 400 kV high accuracy voltage divider for the measurement of nanosecond pulses


  • Résumé

    The exploitation of very high pulsed voltages without mobilizing considerable amounts of energy is an extremely effective means of provoking certain interesting physical phenomena. Energy of 1 joule, that is to say, a power of 1 W during a second, which can be converted, through suitable switching and adaptation devices, to a power of 1 GW during a ns. The most accurate way to measure these types of pulses is a voltage divider associated with an acquisition station (oscilloscope or spectrum analyzer) and a data processing station (measurement software). The dividers must provide precisely the amplitude of the signal with a known division ratio but also the exact form of the signal without deformation. Their bandwidth must be compatible with the frequency band of the spectrum of the measured signal. At national and international levels, the current calibration possibilities only concern pulses with a rise time between 500 ns and 250 µs. The globally measurable measurement uncertainties of 400 kV are about 3% for the fastest pulses (pulses cut at 500 ns) and about 0.5% for the slowest pulses ( 1.2 µs and 500 µs). Below 100 ns, there is no way or metrological research to characterize broadband sources while the need for traceability remains unanswered. In order to meet industrial or research needs to measure high voltage pulses in the broadband domain (rise time of a nanosecond, pulse duration up to 100 ns), this thesis subject associating the GeePs laboratory and the LNE (Laboratoire national de métrologie et d'essais) proposes to develop, model and characterize a high accuracy 400 kV voltage divider. The targeted characteristics of this divider will be, a sub-nanosecond response time, a stability of the division ratio, a very good resistance to heating and temperature, good immunity to electromagnetic disturbances, good linearity and a very good conservation of the waveform. This divider will be associated with a suitable low voltage transmission chain. The target measurement uncertainties depend on the waveform, are 3% to 5% for peak voltages and 1 ns for time parameters. This thesis subject will allow to extend the possibilities of calibration in France and in Europe and will propose a solution to the industry to characterize the nanosecond sources. The thesis will start with a bibliographic study of the different high voltage divider technologies (materials used, geometry, simulation techniques, impedance matching, behavior of electromagnetic fields, material characterization technique, low voltage measurement chain, advantage and disadvantages for each) as well as different measurement techniques for their calibration or characterization for optimum operation at high voltage. In a second phase the doctoral student will focus on the simulation of the divider: he will have at his disposal tools for numerical simulation (COMSOL, CST, GENESYS) and calculation (MATLAB, LABVIEW). In a third phase, the doctoral student will design the divider and its associated measurement chain (low-voltage transmission line, oscilloscope and software): mechanical plans, choice of materials, contacts and follow-up of the achievements with the subcontractors. The work will continue with a thorough characterization of the elements developed: temperature coefficient, voltage coefficient, drift, bandwidth, frequency linearity, voltage linearity, power coefficient, division ratio, drift, disturbances, heating, aging, stability . First tests will be performed with low voltage Burst generators (some kV). A linearity study, by analyzing the characteristics of the divider, will extend the measurement possibilities up to 400 kV. Finally, the PhD student will provide a detailed assessment of the uncertainty justifying the achievement of the objectives and propose prospects for evolution and improvement by targeting the parameters of major influences and their uncertainties.