Brevet FR2000836A1 — publié le 19690912

l'invention concerne un appareil rentrant dans le secteur des appareils de mesure électriques et en particulier un dispositif pour mesurer l'intensité du courant traversant une ligne électrique à l'aide de l'effet de rotation de Faraday dans un corps mag~ 5 néto-optique. Un tel dispositif est connu. Gomme corps magnéto-optique, on utilise par exemple de l'yttrium fer-grenat (YIG-), dont on connaît la perméabilité pour des rayonnements de longueurs d'onde déterminées dans les domaines infra-rouges. Certains matériau::, dé-10 duits du YIGm sont plus efficaces dans certains cas. De préférence, dans le dispositif connu, on utilise du YIG-, ou des matériaux déduits du YIG, en vue de la sensibilité assez élevée de ces matériaux aux champs magnétiques. L'invention fournit un dispositif du genre mentionné permettant de mesurer avec une précision rai^ 15 sgnnable l'intensité du courant, tant pour des courants assez faibles que pour des courants intenses. A cet effet, le dispositif , est remarquable ên ce * qu'il comporte au moins deux corps magnéto-optiques qui sont traversés successivement par un faisceau des rayons polarisé linéairement et qui sont disposés dans des 20 champs magnétiques différents dont les intensités sont proportionnelles au courant traversant le conducteur, et en outre des moyens de détection pour mesurer la rotation de Faraday totale que le faisceau de rayons a subi après le passage dans le corps. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, don-25 né à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de ladite invention. La fig. 1 représente, partiellement en perspective et partiel-30 lement sous forme de schéma, un conducteur de courant et un appareil de mesure de courant basé sur 1-'effet de Faraday. La fig. 2 est une variante de l'appareil représenté sur la fig. 1. La fig. 3 représente une autre forme de réalisation d'une par-35 tie de l'appareil représenté sur la fig. 1. Les fig. 4 et 5 sont des graphiques permettant d'expliquer le fonctionnement du dispositif conforme à. l'invention. Sur la fig. 1, un conducteur 1 est traversé par un courant alternatif sous une tension élevée de plusieurs kilovolts; ce con-40 ducteur est disposé en un endroit inaccessible et est traversé 69 01500 2 2000836 par des courants de grande intensité. Au point de contrôle, le conducteur est entouré d'un noyau magnétique annulaire ou torique sur lequel est enroulée une bobine secondaire 3. Les extrémités de cette bobine sont reliées aux bornes de sortie 4 et 5." -5 La tension se produisant aux bornes 4 et 5 se trouve donc dan3 une relation déterminée avec le courant traversant le conducteur 1» Deux bobines 6 et 7 sont montées en série h. l'aide des buxuoo 4 et 5. La bobine 6 comporte beaucoup plus de spires que la bobi^. ne 7. Des tiges de YIG sont insérées dans les champs magnétiques 10 des bobines 6 et 7 (en pratique, la bobine sera enroulée sur une tige nais, pour la clarté du dessin, la tige est représentée à. 1' extérieur de la bobine). Chaque bobine et la tige YIG correspondante se trouvent dans un boîtier 10, 11, en métal mu,^ma^nétique-ment blindé qui peut évidemment avoir une paroi de séparation/12. 15 Les parois sont percées d'ouvertures de traversée pour le^ conducteurs et pour le passage d'un faisceau lumineux polarisé linéairement, émergeant de la source lumineuse S (en fait de la lumiere infra-rouge étant donné que le matériau YIG est imperméable h' la lumiere visible). Le faisceau infrarouge se dirige, à 20 travers les tiges YIG 9 et 3, dans cet ordre de succession, vers un dispositif de mesure M. Le dispositif de mesure comporte des moyens pour déterminer la rotation totale du champ de polarisation de la lumiere de la source 3 le long du trajet à travers les deux tiges 8, 9. 25 II est supposé que les tiges YIG se trouvent dans le prolongement l'une de l'autre de sorte que la rotation totale peut être constatée sans qu'il soit nécessaire de déterminer les contributions individuelles de chacune des tiges. Les tiges ne doivent pas nécessairement se trouver sur une droite: dans ce cas, des mi-30 roirs ou des trajets optiques à fibres peuvent être nécessaires pour le passage du faisceau, chacun de ces éléments pouvant provoquer une rotation additionnelle du plan de polarisation. Aussi peut-il être nécessaire, dans des cas déterminés, suivant la géométrie de l'ensemble, de mesurer les cont^^u^ioijsindividuelles. 35 La fig. 2 ne différé de la fig. 1 queAes bobines 6 et 7, ■ représentées symboliquement sans les éléments de Faraday, .aouL baux-tées par des bobines secondaires individuelles 3 et 3', qui sont isolées électriquement. Cela implique que les bobines 6 et 7 peuvent non seulement comporter des nombres des spires différents, 40 afin d'influencer d'une maniéré différente les tiges correspon 69 01500 3 2000836 dantes 8 et 9» nais que la différenciation peut encore être augmentée par l'utilisation d'une bobine secondaire 3' dont le nombre de spires est beaucoup plus grand que celui de la bobine secondaire 3. 5 Les dispositifs représentés sur la fig. 1 et 2 comportent un transformateur de courant qui alimente une paire d'éléments de Faraday magnéto-optiques individuels avec bobines d'excitation. Un autre dispositif de ce type, représenté sur la fig. 3, offre l'avantage additionnel que les flux des bobines d'excitation sont 10" concentrés via les éléments de Faraday. Selon cette figure, les bobines d'excitation 6 et 7 sont alimentées en série, par e::omple à partir d'un enroulement secondaire séparé 3 d'un transformateur, via une paire de bornes 4 et 5 (voir la fig. 1), bien que le système d'alimentation double de la fig. 2 mérite parfois la. 15 préférence. Sur la fig. 3, les éléments de Faraday 8 et 9 sont montés dans les entrefers 13 et 14 qui sont tout juste suffisamment grands pour l'insertion des autres éléments qui sont montés dans des noyaux magnétiques en fer doux 15et lô^pour le reste feimeÊ et tori-20 «juesou annulaires et sur lesquels sont enroulées les bobines d' excitation 6 et 7. les extrémités libres des bobines peuvent être coniques près des éléments de Faraday ou avoir une forme telle que les éléments 8 et 9 puissent plus facilement être adaptés à la concentration d-u flux. 25 Dans la configuration représentée, les bobines 15 et 16 se trouvent, dans le même plan, dans des enveloppes de blindage en métal mu différentes. Un moyen (non représenté sur le dessin) réfléchissant le rayonnement infrarouge fait en sorte que le faisceau de mesure paisse traverser successivement les éléments 8 et 30 9 pour la détection suivante de la rotation totale du plan de polarisation. Comme le montre la fig. .1, les éléments peuvent également être disposés dans le prolongement l'un de l'autre, de sorte qu'un faisceau de mesure non dévié peut traverser les deux éléments de Faraday à travers une ouverture ménagée dans la paroi de 35 séparation 12. Indépendamment du système optique, le dispositif représenté sur la fig. 3 fournit une conversion plus effective de courant en rotations de Faraday,, mais il faut tenir compte du fait que des courants primaires d'intensité très,élevée peuvent se produire 40 dans le conducteur 1, de sorte qu'îil peut être superflu d'augmen 69 01500 4 2000836 ter la sensibilité par l'utilisation des noyaux magnétiques 15 et 16. Corne il sera explioué^ar la suite, les "bobines 6 et 7, les noyau:: 15 et 16 -et les bobines secondaires 3 et 3' de la fig. 2 peu-5 vent être identiques ou non, et être disposées de façon que les rotations du plan de -polarisation provoquées par chacun des-éléments 8. et 9 soient ajoutées ou soient soustraites. De mène, les éléments 8 et 9 peuvent avoir la même longueur ou être de longueur différente. 10 Le dispositif de mesure de polarisation II de la fig. 1 peut comporter un prisme d'analyse fixe qui atténue un faisceau lumineux suivant la position du plan de polarisation de celui-ci, tandis que des moyens peuvent être prévus pour comparer la sortie de l'analyseur avec un rayon direct de la source S pour compenser 15 des fluctuations éventuelles de la source S. Dans le cas d'utilisation de techniques optiques h, fibres, il peut éventuellement être nécessaire de recourir a un analyseur et à un fluxmètre photo-électrique qui sont disposés directement après le passage du faisceau a travers le premier élément de Faraday pour capter une 20 partie du faisceau, étant donné que les trajets d'optiques à fibres ont tendance à influencer de manière désavantageuse les plans de polarisation. Un avantage du dispositif représenté sur les fig. 1, 2, 3 sera, expliqué h. l'aide de la fig. 4 qui est un graphique de la rota^ 25 tion totale ?t du plan de -polarisation par deux éléments de Para-, day, dont les effets additionnés sont portés en ordonnées, en fonction de l'intensité I du courant à mesurer dans le conducteur 1, portée on abeisses. On constate que pour des courants d'intensité assec faible 30 jusqu'à l'intensité indiquée par la verticale en pointillé 15, la pente de la courbe est très grande comparativement à celle obtc- . nue pour des courants d'intensité plus élevée. Cela est dû à une excitation magnétique beaucoup plus intense par ampère pour l'un des éléments de Faraday que pour l'autre, de sorte que l'un des 35 éléments est saturé à l'intensité du courant dans le conducteur 1 indiquée par la verticale 15. Lès que l'élément est saturé, il ne contribue pratiquement plus a là réponse aux courants d'intensité plus élevée. L'autre élément peut cependant contribuer à la réponse aux courants d'intensité beaucoup plus élevée; le gra-40 phique le montre par la partie de la courbe de réponse se trou- * original 69 01500 5 2000836 vaht à droite de la verticale 15. Le dispositif décrit fournit une gamme multiple ou une sensibilité multiple sans qu'il soit nécessaire de commuter sur plusieurs organes ou de prévoir un couplage de surcharge, des monta-5 gos en parellele ou des interrupteurs, La saturation n'exerce aucune influence nuisible, car elle net uniquement hors circuit 1' un des élénents jusqu'à ce que I'intensité du courant tombe en-dessous de la valeur indiquée par la verticale 15» tandis que .la sensibilité additionnelle de l'autre élément fournit une eontri-10 bution dominante à la réponse totale. De mesures précises peuvent être effectuées jusqu'à 4000 ampères, et il est probable que ce dispositif permet de mesurer des intensités de courant jusqu'à 60.000 ampères. Il va de soi que l'on peut utiliser pluj de deux bobines d'excitation et d'éléments avec ou sans bobine secondaire 15 sur le noyau 2 pour couvrir d'autres gammes, chaque élément étant saturé à un niveau différent du courant à mesurer. Lorsque la sensibilité doit être augmentée sans saturation précédente d'un élément, le trajet lumineux qui le traverse T>eut être allongé par l'utilisation d'un mono-cristal plus long ou par 20 réflexion de la lumière (sans modification de la polarisation), ipaur que le faisceau traverse à plusieurs reprises l'élément. La rotation de Faraday totale dépend donc de la longueur effective du trajet lumineux de l'élément, de l'excitation magnétique par ampère et du niveau de saturation de l'élément. 25 Sur la fig. 4 il a été admis que les rotations au plan de polarisation du faisceau de rayons traversant les éléments sont additionnés. Toutefois, cela n'est pas indispensable. La fig. 5 représente un cas dans lequel la soustraction offre des avantages. Cette soustraction peut s'effectuer par voie électrique, magné-30..:tique ou optique. A titre d'exemple, la fig. 5 représente un exemple d'une courbe 16 pratiquement linéaire qui donne la rotation de Faraday d'un premier élément en fonction du courant, cet élément n'étant pas saturé au-delà de la gamme de courants mentionnée et une courbe 35 18 d'un second élément excité de manière opposée ou ti-aversé dans le sens inverse par la lumière, ce second élément étant également sensible à des courants de basse intensité jusqu'à une valeur limite 19 déterminée par la saturation magnétique. Au-.delà de la limite 19, cet élément ne contribue d'aucune, façon à la rotation 40 totale, comme il est d'ailleurs indiqué par la partie horizontale . BAÔ ORIGINAL 69 01500 6 2000836 17 do la courbe» le tracé en pointillé 20 de la courbe représente la.rotation combinée ou totale des deux éléments et montre qu'au-delà do l'intensité do courant 19» pour laquelle le second élément est saturé, la sensibilité est exactement la même que précé-5 donnent pour le premier élément. Ce dispositif réagit de manière linéaire aux ' courants dont l'intensité dépasse une valeur de seuil prédéterminée. Des courants à valeur de seuil inférieure peuvent être des courants inadmissibles, cas dans lequel un flux de courant fini peut provoquer le fonctionnement d'un dispositif 10 d'alerte ou d'un interrupteur, ou bien la gamme de courant peut ôtre telle que les courants d'intensité inférieure à la valeur de seuil n'aient plus d'importance. On peut.donc obtenir les avantages précités lorsque les cléments ont la môme sensibilité, mais des points de saturation différents. 15 Un autre avantage que permet d'obtenir la soustraction des réponses, mais probablement aussi l'addition des réponses dans ccrtrins cas, est la compensation des fluctuations de la température. Certains éléments de Faraday sont fortement tributaires de la température, ce qui peut constituer un inconvénient lorsqu'on 20 désire que les résultats soient indépendants de la température et lorsqu'il est difficile par exemple à proximité d'un câble haute tension d'utiliser, pour le maintien d'unç^empé rature constante, des enveloppes en un endroit qui est exposé à des conditions climatiques très divergentes. Pour compenser les fluctuations de 25 températures, on utilise deux ou un plus grand nombre d'éléments ~n matériaux différents, comme il a été décrit, avec une excitation différente, afin que, dans une gamme déterminée, les variations on fonction de la température de la combinaison soient aussi petites que possibles. 30 Dans une autre forme de idéalisation de l'invention, toutes les bobines d'excitation 6, 7» etc. et tous les éléments de Faraday S, 9, etc., ainsi que toutesles bobines secondaires 3, lorsqu'on en utilise plus d'une, sont identiques. On obtient ainsi, d'une manière trçs simple, une sensibilité "additionnée"du dispositif qui 35 bien souvent ne peut être augmentée d'une manière simple par l'utilisation d'éléments de Faraday plus longs par suite des difficultés inhérentes à la croissance de grands monocristaux, tandis que la traverséepar plusieurs faisceaux d'un seul élément peut être peu pratique ou entraîner trop de pertes lors des passages obli-40 ques bien souvent nécessaires. De plus, de grands blocs de Fara- SBÂD original 69 01500 7 2000836 day sont sujets à dépolarisation par suite de la formation de domaines de ï/eiss. Aussi peut-on utiliser un certain nombre de minces plaques élémentaires de Faraday identiques au lieu d'un seul élément épais, chaque plaque pouvant être excitée de la nome aa-5 nière, lorsqu'on exige uniquement une sensibilité majorée et que les autres particularités mentionnées conformes h. la présente invention ne sont pas imposées. Sien que l'on puisse utiliser pour les éléments Faraday n'importe quel matériau magnéto-optique, généralement sous forme de 10 monocristaux pour éviter une dispersion inadmissible de la lumière, on utilisera de préférence du YIG et des dérivés substitués de ce composé. La plupart des éléments sont saturés à environ 1500 oersteds, mais certains dérivés peuvent fournir une réponse pratiquement linéaire au-delà de cette valeur. 15 L'invention offre en outre l'avantage de permettre facilement la disposition d'une enveloppe anti-parasite magnétique autour du dispositif, comme il est décrit à l'aide des fig. 1 et 3. La bobine 3 est quasi entièrement blindée contre les champs extérieurs par l'utilisation d'un noyau magnétique, par exemple un noyau de 20 ferrite, entourant l'ensemble, ce qui élimine la plupart des problèmes de perturbation qui se posent lors d'une excitation directe d'un seul élément Faraday par le champ magnétique qui entoure le conducteur de courant à contrôler. Un autre inconvénient de l'excitation directe réside dans le 25 fait que des variations probables des gammes de courant seraient provoquées, par une variation de la distance entre l'élément de Faraday et le conducteur, ce qui compliquerait d'une manière inadmissible le fonctionnement optique. La forme de réalisation décrite à l'aide de la fig. 4.résout ce problème et élimine les 30 complications. Une excitation directe provoque en outre une variation indésirable de la distance entre l'élément de Faraday et le champ d'excitation qui est engendré par des vibrations de longs tronçons de câbles aériens par exemple par suite d'un vent violent. L'utilisation d'un noyau magnétique enveloppant ou d'un 35 tronçon absorbant le mouvement entre les conducteurs reliés aux bornes 4 et 5, comme décrit ci-dessus, élimine les fluctuations des niveaux de réponse dues aux vibrations du conducteur à contrôler. IBM) ORKSNAL 69- 01500 8 2000836 HEVarDI GATIONS I. Dispositif pour mesurer l'intensité du courant traversant une ligne électrique à l'aide de l'effet de rotation de Faraday-dans un corps magnéto-optique» caractérisé en ce qu'il comporte au 5 moins deux corps magnéto-optiques qui sont traversés successivement- par un faisceau de rayons polarisé linéairement, et qui sont disposés dans des champs magnétiques différents dont les intensités sont proportionnelles au courant traversant le conducteur, et en outre des moyens de détection pour mesurer la rota- 10 tion de Faraday totale que le faisceau de rayons a subi après le passage dans le corps. II. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le montage en série des bobines servant h engendrer les champs magnétiques différents est couplé à une bobine dans le champ mag- 15 nétique engendré par le courant traversant le conducteur. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des bobines servant à engendrer les champs magnétiques différents est couplée h une bobine individuelle dans le champ magnétique engendré par le courant traversant le conducteur et 20 les diverses bobines comportent un nombre différent de spires. 4. Dispositif selon les revendications 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que chacune des bobines servant à engendrer les champs magnétiques différents est enroulée sur un noyau magnétique et que, dans l'entrefer de chacun des noyaur magnétiques, est disposé un 25 corps magnéto-optique. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bobines servant h engendrer les champs magnétiques différents sont montées en opposition, de sorte que la rotation du plan de polarisation du faisceau polarisé linéairement s'effectue dans 30 des sens opposés dans les corps magnéto-optiques. î BAD ORIGINAL