Brevet FR2389900A1 — publié le 19781201

La présente invention, résultant des travaux de Monsieur André PLANCHE NAULT, concerne un procédé et un appareillage de détection continue de décharges partielles sur un câble électrique pour tensions élevées, en cours de fabrication. Jusqu'à une époque récente, la fabrication des câbles à isolation extrudée, pour tensions élevées, s'effectuait le plus souvent en deux stades - extrusion de la couche semi-conductrice interne sur l'âme et extrusion de l'isolant sur une première boudineuse à double tête, - puis, dans un deuxième stade, application d'une couche semi-conductrice complétée par un rubanage de papier semi-conducteur. Ce procédé permettait une détection très simple des défauts d'isolation à la sortie de l'extrudeuse, au moyen d'un générateur à haute tension, à 50 Hz, alimentant des électrodes placées dans un tube rempli d'eau désionisée et dans lequel on faisait passer le câble dont l'âme était mise à la terre. Grâce à une deuxième paire d'électrodes, on pouvait déceler les défauts qui se manifestaient par des décharges partielles dans ou sur l'isolation - et, au moyen d'un montage symétrique, discriminer les signaux de décharges partielles des parasites extérieurs. L'apparition de nouveaux types de câbles dans lesquels la couche semiconductrice interne, l'isolant et l'écran semi-conducteur externe sont extrudés au cours de la même opération - soit dans une tête d'extrusion triple, soit dans deux têtes consécutives - ne permet plus un contrôle aussi simple. En effet, l'application directe d'une tension élevée sur le semi-conducteur externe dont la résistivité est de l'ordre de quelques dizaines d'ohms-centimètres, exige une puissance très importante et risque de l'échauffer de façon exagérée. Le procédé de détection continue de défauts d'isolements d'un câble électrique pour tensions élevées, en particulier en cours de fabrication, objet de l'invention, consiste à appliquer des impulsions successives brèves qui ont pour effet de provoquer des décharges partielles par ionisation, sur le câble extrudé, revêtu de son écran semi-conducteur externe, et dont l'âme conductrice est mise à la terre, à détecter le signal électrique émis par lesdites décharges, et, à traiter ledit signal de façon à le rendre perceptible sur un dispositif optique ou sonore et, éventuellement, utilisable pour inscrire une marque sur le câble à l'emplacement du défaut. L'appareillage de détection continue de défauts d'isolements des câbles électriques pour tensions élevées, permettant la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, et qui est également un objet de l'invention, est caractérisé par l'association d'un générateur d'impulsions à haute tension, d'un dispositif de détection des décharges partielles et d'un dispositif de traitement des signaux. Le principe de base consiste. à utiliser une technique d'impulsions qui permet de dissiper une puissance élevée pendant un temps très court, avec une énergie moyenne faible. Le câble à tester est soumis, entre deux électrodes en contact avec son écran semi-conducteur externe, à des impulsions positives ou négatives, ou successivement positives et négatives, dont la tension de crète correspond à la tension sous laquelle le câble doit être testé. Ces impulsions sont suffisamment courtes et espacées dans le temps pour limiter la puissance dissipée dans l'écran semi-conducteur du câble lorsque cet écran est utilisé menine résistance de fuite entre la haute-tension et la terre. La demanderesse a trouvé que les conditions optimales pour la détection des défauts des câbles étaient réunies lorsque les impulsions ont la forme d'une sinusolde très rapidement amortie, un temps de montée compris entre 0,1 et 10 millisecondes et une fréquence de récurrence comprise entre 1 et 10 Hertz. Ces caractéristiques permettent l'ionisation des gaz emprisonnés dans les défauts du câble y compris dans ceux qui n'auraient pas été le siège d'une ionisation sous l'effet d'une tension à 50 Hertz. Le moyen de détection est du type symétrique, ce qui permet d' éliminer les parasites industriels. En outre, le dispositif d'amplification des signaux détectés est synchronisé avec les impulsions. De cette façon, la détection nta lieu que pendant un temps très court et ajustable, pendant la durée de l'impulsion, ce qui élimine à peu près totalement le risque de capter des parasites. Les figures ci-jointes explicitent la mise en oeuvre de l'invention La figure 1 schématise l'ensemble du dispositif de détection, La figure 2 représente le détail d'une électrode de contact, La figure 3 schématise le générateur d'impulsion, La figure 4 représente la forme approximative d'une impulsion de mesure. Le câble (1) à la sortie de l'extrudeuse (2), représentée ici de façon très schématique, passe à une vitesse de l'ordre de la dizaine de mètres par minute, dans les zones de traitements (3) et (4) où s'effectuent, par exemple, la réticulation et le refroidissement des couches isolantes et semi-conductrices. Le câble passe ensuite dans une première électrode (5) de mise à la terre, puis dans un groupe de quatre électrodes (6), (7), (8), C9), les (6) et (9) amenant les impulsions d'essai, les (7) et (8) captant les signaux correspondant aux défauts, puis dans une électrode (10) de mise à la terre, les électrodes (5) et (10) ayant également pour fonction d'empêcher les impulsions de se propager en amont et en aval pour des raisons de sécurité. A la sortie de la zone d'essai, le câble (1) est enroulé sur le touret de réception (11). L'âme du câble est mise à la terre, de même que tous les dispositifs de guidage.Le générateur d'impulsion qui sera décrit un peu plus loin, applique les impulsions d'essai entre les électrodes isolées (6) et (9) et les électrodes de terre (5) et (10). Pour éviter les bruits électriques de contact entre les électrodes et le semi~conduc teur, il faut limiter le gradient longitudinal de tension à environ 1QO volts/ centimètre entre les électrodes (6) et (7) -et (9) et (10). La tension appliquée sur le semi-conducteur est croissante entre (5) et (6), constante entre (6) et (9) et décroissante entre (9) et (10). Les électrodes de mesure (7la(8) sont placées dans la zone à tension d'essai constante.En l'absence de claquage, la différence de potentiel entre (7) et (8) est pratiquement nulle et ne dépend que de la capacité linéaire du câble en cours d'essai et de son inductance entre les électrodes (7)-(8) et la mise à la terre de l'âme. La distance entre les électrodes (7) et (6) ou (8) et (9), compte tenu de ce qui a été dit plus haut, peut être d'environ dix fois le diamètre extérieur du câble. Les électrodes (5) à (10) peuvent être de formes très diverses, pou- lies, balais, chenilles, ou même pinces à déplacements successifs. La figure 2 représente en coupe un exemple de poulie de contact en aluminium, munie d'une gorge (12) et d'un enroulement (13) formant ressort tel que la "corde à piano" en acier inoxydable de 3,5 me de diamètre. Le contact électrique entre le câble et la poulie s'effectue par les spires du ressort (13) qui s'affaissent sous la tension du câble, et le contact électrique entre la poulie tournante et les connexions fixes, par des lames de contact en métal conducteur et élastique, tel que du bronze au béryllium, de façon connue. On améliore encore le contact en faisant passer le câble entre deux poulies. L'appareillage de mesure comporte un générateur d'impulsion haute tension (14), un préamplificateur (15), un dispositif de couplage avec l'amplificateur et de séparation entre la haute-tension et le signal, (16), unamplifica- teur de signal (17) et des dispositifs de visualisation tels qu'un oscilloscope (18) ou un indicateur optique (19), d'enregistrement (20), d'avertissement sonore et/ou de marquage des défauts sur le câble (21). En se limitant à la description de ses organes essentiels, le générateur comporte : un dispositif d'alimentation sur le secteur, protégé par des systèmes de sécurité (22), composé d'un autotransformateur à rapport continuellement variable (23), fournissant à un transformateur élévateur de tension (24) 380/1500 volts une tension de O à 380 volts, suivi d'un redresseur (25) à diodes silicium délivrant un courant redressé d'une tension maximale de 2000 volts. On charge, sous la tension du courant redressé, un condensateur (26) de 100 microfarads shunté par une résistance de décharge de valeur chimique élevée (27). Pour générer les impulsions de haute-tension, ce condensateur est déchargé grâce à un thyristor (28), dans le primaire d'un transformateur (29) élé-- vateur de tension de rapport 70/1. Les impulsions d'essai apparaissent à ltextrémité (30) du secondaire de ce transformateur. Leur tension de crête peut être réglée jusqu'à 100 kv et même aller au-delà de cette valeur si c'est nécessaire. Le déclenchement du thyristor est obtenu de façon connue en envoyant sur sa gachette (31t, au moyen du transformateur de couplage (32) des impulsions provenant d'un transistor unijonction (33) monté en oscillateur à relaxation et dont la fréquence de déclenchement est réglable entre 1 et 10 Hz, ou à des valeurs différentes, si c'est nécessaire, au moyen d'un potentiomètre (34). ges dispositifs d'amortissement (diode 35, inductance 36 et résistance 37 en parallèle sur le primaire du transformateur) permettent d'obtenir chaque impulsion sous la forme d'une sinusoïde très rapidement amortie, ayant sensiblement la forme indiquée sur la figure 4. Cette sinusoïde est spectralement pure et ne comporte pratiquement pas d'harmoniques. Les décharges partielles apparaitront sur la sinusoîde, sous forme de pics (38). En outre, le signal de déclenchement du thyristor est utilisé pour synchroniser 11 ouverture de la porte d'entrée de l'amplificateur, comme on le verra un peu plus loin. Les signaux, provenant de l'ionisation des gaz emprisonnés dans les vacuoles de l'isolant, sont captés par les électrodes symétriques (7) et (8). On peut, de façon non obligatoire, les traiter tout d'abord dans un préamplificateur différentiel (15) qui permet d'obtenir une sensibilité plus élevée. Mais, le fonctionnement en couplage direct sur le dispositif de détection est également possible. Le préamplificateur doit avoir une bande passante élevée. Le signal possède en effet un spectre continu qui peut dépasser 10 mégahertz. Il est donc facile de séparer les impulsions proprement dites, (impulsions de charge) dont le spectre ne dépasse pas quelques kilohertz, du signal utile, (décharges partielles) au moyen d'un filtre passe-haut, éliminant toutes les fréquences inférieures, par exemple en-dessous de 50 kilohertz. Les impulsions brèves dues aux décharges partielles, préamplifiées ou non, sont transmises à l'entrée de l'amplificateur au moyen d'un coupleur inductif à isolation galvanique entre primaire et secondaire, de façon à éviter toute pénétration de la haute-tension d'essai dans l'amplificateur. L'entrée de l'amplificateur possède une porte électronique, de structure classique, synchroni- sée avec le générateur d'impulsions. En outre, la durée d'ouverture de la porte peut être réglée à une durée égale ou inférieure à celle de l'impulsion de mesure et le moment de son ouverture peut être retardé par rapport au point de déclenchement de l'impulsion de mesure, ce qui améliore encore la sélectivité de la détection. Lsamplificateur peut être de tout type connu, avec un gain en tension de l'ordre de 104 et une bande passante permettant la transmission des fréquen ces comprises entre 50 Miz et 10 MHz. En fait la sensibilité dépend surtout du produit Gain x Bande passante. Une sortie à basse impédance, par exemple un transistor monté en "collecteur commun" permet d'envoyer le signal de sortie sur divers appareils de visualisation ou d'enregistrement sans risques d'affaiblissement ou de distorsions notables. La signalisation des défauts peut être réalisée soit sur l'écran d'un oscilloscope synchronisé sur la fréquence des impulsions d'essai, soit sur la bande de papier d'un enregistreur, ou sur tout appareil de visualisation optique tel qu'une lampe clignotante, ou un compteur enregistrant le nombre de défauts, ainsi que par une alarme sonore, par un dispositif de marquage projetant, par exemple, un trait de peinture à l'emplacement du défaut. L'utilisation de tensions de mesure élevées-impose~les précautions d'usage pour la sécurité du personnel. En particulier, tout défaut de mise à la terre des électrodes~(5) et (10), de l'âme du câble et de la tête d'extrusion soivent entraîneur une coupure immédiate de l'alimentation du générateur de haute-tension et le déclenchement d'une alarme. L'appareillage utilisé pour la mise en oeuvre du procédé de détection qui vient d'être décrit ne constitue qu'un mode particulier de réalisation et peut faire l'objet de quelques variantes, notamment dans la fréquence, la forme et le taux de récurrence des impulsions et dans le mode de détection et de signalisation des défauts sans sortir du cadre de l'invention. La mise en oeuvre de 1 tinvention permet, en ne consommant qu'unie puissance moyenne de l'ordre de 5 KVA, sans danger pour -le câble à tester, de détecter de façon particulièrement sûre, des défauts d'isolement très inférieurs au plus petit défaut susceptible d'altérer, à plus ou moins brève échéance, la fiabilité d'un câble pour haute-tension.A titre de.comparaison, les dispositifs de détection utilisés jusqu'à présent, qui utilisaient un courant permanent à 50 Hertz, nécessitaient une puissance de une à plusieurs centaines de KVA et provoquaient un échauffement du câble souvent proche de ses conditions de des traction La détection des défauts peut être effectuée en cours de fabrication du câble, dès sa sortie de l'extrudeuse, après refroidissement, mais également sur des câbles déjà extrudés et stockés, à condition qu'on puisse les dérouler et accéder à la couche semi-conductrice externe. De même, il serait possible, pour des cas particuliers, que le câble sous mesure soit fixe et que l'installation de détection se déplace le long du câble. La détection des défauts éventuels, dès le premier stade de fabrication, permet d'augmenter de façon considérable la fiabilité des câbles pour tensions élevées. REVENDICATIONS 10/ - Procédé de détection continue de décharges partielles sur un câble électrique pour tensions élevées, caractérisé en ce que l'on applique, au moyen d'un premier groupe d'électrodes, sur la couche semi-conductrice externe du câble, dont l'âme a été mise à la terre, des impulsions successives sous une tension correspondant à la tension d'essai du câble et qu'on recueille, au moyen d'un deuxième groupe d'électrodes, également appliquées sur la couche semiconductrice externe du câble, les signaux provenant des décharges partielles dues à l'ionisation des gaz emprisonnés dans les vacuoles correspondant à des défauts d'isolation. 20/ - Procédé de détection continue de décharges partielles sur un câble électrique pour tensions élevées, selon revendication 1, caractérisé en ce que les impulsions ont un temps de montée compris entre 0,1 et 10 millisecondes. 30/ - Procédé de détection continue de décharges partielles sur un câble électrique pour tensions élevées, selon revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de récurrence des impulsions est comprise entre 1 et 10 Hz. 4 / - Procédé de détection continue de décharges partielles sur un câble électrique pour tensions élevées, selon revendication 1, caractérisé en ce que chaque impulsion de mesure est constituée par une sinusoïde très rapidement amortie. 50/ - Procédé de détection continue de décharges partielles sur un câble électrique pour tensions élevées, selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les signaux électriques résultant des défauts sont séparés de l'impulsion puis amplifiés et utilisés pour déclencher des systèmes d'avertissement. 60/ - Procédé de détection continue de décharges partielles sur un câble électrique, pour tensions élevées, selon l'une des revendications 1 à 5, caractérise en ce que la porte d'entrée de l'amplificateur est ouverte en synchronisme avec le déclenchement des impulsions. 7 / - Procédé de détection continue de décharges partielles sur un câble électrique pour tensions élevées, selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le retard d'ouverture de la porte d'entrée de l'amplifi- cateur par rapport au déclenchement de l'impulsion est réglable. 80/ - Procédé de détection continue de décharges partielles sur un câble électrique pour tensions élevées, selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la durée d'ouverture de la porte d'entrée de l'amplificateur par rapport à la durée de l'impulsion est réglable. 9 / - Appareillage pour la détection continue de décharges partielles sur des câbles électriques pour tensions élevées, caractérisé en ce qu'il com porte un générateur de trains d'impulsions sous une tension correspcndant à la tension d'essai du câble, un moyen d'injection des impulsions sur la couche semi-conductrice externe du câble, un moyen -de captation des signaux produits par les défauts d'isolation, un moyen de séparation desdits signaux des impulsions de mesure, et un moyen d'amplification desdits signaux. 100/ - Appareillage pour la détection continue de décharges partielles sur des câbles électriques pour tensions élevées, selon revendication 9 > caractérisé en ce qu il comporte, en outre, au moins un moyen de signalisation des défauts du câble. 110/ - Appareillage pour la détection continue de décharges partielles sur des câbles électriques pour tensions élevées selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que les impulsions de mesure sont produites par la décharge d'un condensateur dans le primaire d'un transformateur-élévateur de tension, au moyen d'un thyristor qui reçoit sur sa gachette un signal de déclenchement.