Brevet FR2501856A1 — publié le 19820917

L'invention concerne des capteurs à fibres optiques pour le déclenchement de la protection d'un circuit électrique par disjoncteur On connatt déjà de nombreuses utilisations des fibres optiques pour les transmissions d'informations diverses et pour les détections de présence ou d'absence d'objet. par des cepteurs qui renseignent des boitiers optoélectroniques détecteurs ayant en général également le rôle d'émetteur et chargé de transformer les modifications des signaux lumineux an informations électrique6 utilisables an aval dans des circuits d'exploitation. Les principes fondamentaux utilisés dans les dispositifs capteurs à fibres optiques sont déjà assez diversifiés dans l'état actuel des techniquss et l'objet du présent brevet est basé sur l'utilisation de plusieurs de ces principes physiques avec des procédés et des dispositifs d'application assez particuliers étant donné que le moyen d'influence utilisé dans las capteurs ci-aprè- est la variation tn-de l'intensité électrique du courant dans un conducteur et per conséquent la variation de son champ magnétique au moment de l'apparition d'un courant de défaut lors d'un court-circuit par exemple ou bien eu contraire au moment de l'arrêt intempestif du courant préalablement établi Le signal optique est utilisé par l'intermédiaire du détecteur opto-électronique, pour faire fonctionner un relayage de protection à action tout ou rien qui déclenche le mécanisme d'ouverture d'un disjoncteur de coupure du conducteur considéré. Oans tout le texte qui suit et dans les revendications déposées il ne peut être question d'utiliser cas procédée et dispositifs pour des mesures fines avec des appareils de mesure, nve mètre , wattmètre, compteur, ou autres. Selon le shéma de principe de la figure I dans tous les cas d'application, on a le capteur 2 placé sur le conduc 6 teur 1, la fibre optique d'amenée du faisceau lumineux S alimente le capteur qui emet l'information lumineuse qui transit par la Fibre optique de retour 7 vers le boitier opto-électronique 8 qui détecte, transforme et transmet son information électrique à un système de relais classiques C de protection, du type tout ou rien bien connu pour faire fonctionner le déclencheur 10 du disjoncteur de coupure Il du conducteur. Selon les figures 2, 2A, 2B, 2Q, qui shématisent quatre montages possibles de capteurs, l'information est procurée au détecteur par l'occultation du faisceau lumineux 5 entre les deux câbles à fibres optiques 6 et 7, le tout placé à proximité du conducteur électrique 1;; sous l'effet de la variation brusque du champ magnétique lors de l'Qtablissement du courant de défaut de court-circuit ou de l'arrêt brusque du courant normal dans le conducteur la masselotte ferromagnétique mobile 3 se déplece selon la loi du bonhomme d'Ampère et la loi du tire-bouchon de Maxwell et le faisceau 5 de lumière visible ou invisible selon la source choisie est coupe entre las extrémités 5A et 5B des deux fibres; le retour normal de la lumière ayant été intercepté la fibre de retour 7 informe le détecteur opto-électronique du boitier 8 qui alerte électriquement un ou des relais 9 de type électromagné- tique ou électronique qui ordonne au déolencheur 10 l'ouverture du disjoncteur il. L'utilisation du champ magnétique du courant peut extra directe dans la masselotte mobile 3 ou indirecte par l'intermédiaire d'un bobinnage d'induction 3A lequel est placé, soit autour du conducteur, soit sur le côté du conducteur et qui produit un champ magnétique d'attraction plus intense par l'intermédiaire d'un barreau magnétique 38 qui attire la masselotte 3. Dans la figure 2., le faisceau 5 est établi entre les deux fibres 6 et 7 placées en vis à vis; dans les figures 2A, 2B, ZC, le faisceau lumineux 5 est réfléchi dans un petit miroir solidaire de le masselotte 3 et qui dirige normalement le faisceau de la fibre 6 à la fibre 7 Les figures 3 et 4 représentent sucs internent le montage d'application d'un capteur 2 sur l e câble I selon le principe de la figure 2 le t4Ut, donné à simple titre d'exemple explicatif complémentaire, la mobilité de la masselotte 3 dans le champ magnétique utilisé directement ou indirectement pouvant être réalisée autrement pour l'occultation recherchée du faisceau lumineux 5. Selon la figure 5 pour l'application du principe de l'interception du rayon lumineux 5 on peut mettra en oeuvre dans le capteur un relais optique comme il en existe déjà dont la palette mobile 3 se déplacera sous l'action d'un noyau ferromagnétique 3A exité par le bobinnage d'induction placé dens la champ magnétique du courant et qui concentre localement la puissance d'attraction pour déplacer le lamelle fléxible 3 de se position normale et dans ce cas comme dans d'autres, l'équipement ne peut comporter qu'un seul câble à fibre, celui-ci étant composé des deux conducteurs optiques distincte 6 et 7 mais disposés concentriquement comme ce se fait assez couramment et la coupure du faisceau lumineux 5 se produit lors du déplacement du petit miroir porté par la lamelle 3; comme précédemment, le bobinnage inducteur peut être autour du conducteur I ou sur le côté de celuici. Selon les figures 6, 6A et 6B, le capteur est connu pour produire au maximum poseible une modification du couplage des modes dans les fibres sous l'action de contrainte extérieure qui est dans ce cas une modification de la pression mécanique P sous l'effet de la modification de l'attraction d'une pièce mécanique contre la fibre sous l'effet du champ magnétique du conducteur 1 On a par exemple un support 4 fixe que l'on peut appeler enclume, dont la surface utile ondulée ou en dents de scie pour etre déformante sur la fibre 6 qui épouse cette surface et revoit la pression P d'une masse ferromagnétique M que l'on peut baptiser marteau qui subit l'action d'attraction du champ magnétique du courent dans le conducteur I soit directement soit par l'intermédiaire d'un montage à électro-aimant comme déjà vu ci-dessus; sous les effets de la variation brusque de la pression P au moment du courant de court-circuit ou au moment de la coupure du courant normal établi on a une modification importante des constantes de propagation et en particulier une variation d'amplitude de l'intensité du faisceau lumineux 5 transmis en fonction de toutes les déformations subit par les fibres et l'augmentation ou la diminution des pertes qui s'ensuivent suivant le cas. Le cable de retour 7 transmet l'information au détecteur opto-électronique du boitier 8 qui transmet au relayage 9 qui emet vers le déclencheur 10 du disjoncteur 11. Selon les mêmes figures de principe 6, 6A, 68,et selon le processius des déformations de la fibre et de la modification des constantes de propagation on peut exploiter dans les éléments opto-électroniques du boitier 8 les modifica- tions des caractéristiques de phase de la lumière dans les modes des fibres optiques sous les effets des variations de la pression P et selon les caractéristiques intrinseques d'analyse des éléments opto-électroniques de l'équipement on détecte ces modifications,qui permettent d'émettre électriquement des ordres au relayage 9 qui commande le déclencheur 10 du disjoncteur Il. Selon les figures 7 et 7A on utilise le phénomène physique de la variation de la pôlarisation par effet Feraday de la lumière transmise visible ou invisible dans un cible à fibres optiques qui est soumis à des variations de champ magnétique. L'influence du champ magnétique sur le faisceau lumineux dans les fibres optiques peut hêtre obtenu soit dans un câble directement bobinné 6A sur le conducteur I et relié au câble d'amenée et de retour 6 et 7 par des connecteurs C soit parl'intermédiaire du champ magnétique d'un électro-aimant exité par le conducteur 1 à proximité. Ici encore, comme précédemment les modification de la palarisation dans le faisceau lumineux sont détectées par les éléments opto-électroniques du boitier 8 qui emet vers les relais 9 qui commandent le déclencheur 10 du disjoncteur Il. Selon la figure d pour la mise en application de l'effet Faraday il peut être fait appel à une technique et une technologie plus complexes, donc plus délicates dans la fabrication du capteur 2 si l'on désire utiliser directement le champ magnétique du conducteur 1 à l'aide d'un cepteur composé de deux demies coquilles 2A,2B à brider commodément pour leur pose sur le conducteur 1 La difficulté réside dans l'obtention de la plus extrême exactitude de supperposition des deux demies coquilles 2A, ZB, pour que toutes les extrémités telles que a/a', b/b' ... etc... de la fibre optique qui est bobinnée sur un support 12 se retrouvent les unes en face des autres pour assurer la continuité du faisceau lumineux au fur et à mesure des spires du câble à fibres entre le brin d'entrée 6 et le brin de sortie 7. Le principe du mode opératoire technologique de la fabrication des deux demies coquillas 2A et 2B est le suivant - sur un support cylindrique 12 choisi d'un diamètre légèrement plus grand que le diamètre du conducteur I la fibre optique est bobinnée en spires jointive serrées; on immobilisa et on noye ce bobinage par couches successives d'une matière polymérisante telle qu'une résine acrylique jusqu'à obtenir une protec tion mécanique satisfaisante et un volume de l'ensemble suffisant; lorsque la masse est bien prise et stabili sée on procède à un usinege des faces extérieures et on perce un minimum de quatre trous 17 avec la maximum de précision, un jeu minimum et des tolérances minimums et on procède à un repérage très soigneux des faces de l'ensemble par un système détrompeur absolu. On procède alors au sciage très fin de le masse obtenue, par exemple à l'aide d'un laser, selon son diamètre 18 et dans le sens longitudinal 19 du cylindre central; On procède à un polissage doux et soigneux sur chacune des surfaces ainsi séparées ZOA et 20B que l'on enduit ensuite d'un vernis protecteur spécial optique d'épais seur minimum. La mise en position d'un tel capteur 2 sur le conducteur 1 est facile et l'immobilisation aisée par des boulons amagnétiques dans les trous 17 avec un serrage adéquat sans aucun effort sur les surfaces 20A et 206 ni sur les extrémités a/a', b/b'... etc... pour éviter des déformations qui seraient néfastes. il est à noter que pour la cas ou cette Fabrication se révélerait par trop délicate et peu fiable, il est toujours possible de procéder à l'enfilage du capteur compact Cavant le sciage) sur le conducteur 1 et de l'immobiliser au point d'installation choisi mais cette méthode de pose nécessitera souvent sur chantier, des travaux préparatoires importants pour y parvenir et d'autres travaux de remontage ensuite. Pour les installations telles qu'elles existent déjà dans les postes électriques en 220 kV, 380 kV, 550 kv, 750 kV en type extérieur avec des conducteurs an faisceaux avec plusieurs cibles en parallèle par phase et pour les équipements du futur avec des phases composées chacune de 4, 6 ou plus de conducteurs en parallèle selon la très haute tension choisie et la puissance énergétique à transiter, un seul capteur placé sur l'un des brins tel que 1' de la figure 8eat suffisant en fonction de l'égale répartition de l'intensité transitée en des intensités fractionnées entre les différente brins conducteurs 1',1", " ', etc... composant le faisceau. Pour parfaire la qualité naturelle d'isolation galvanique des fibres optiques et de leurs gainages de protection mécanique contre les intempéries diverses et les actions de l'ambiance extérieure sous toutes les latitudes dans les postes électriques à très haute tension,il est nécessaire de maintenir en parfait état sec une assez longue partie des câbles à fibres optiques 6 et 7 sur leur parcour directement à proximité du capteur 2 et pour cela on équipe celui-ci quelque soit le procédé et le dispositif de fonctionnement choisis, d'un isolateur 13 craux,du type à jupes, soit du type suspendu selon figure 10 soit du type rigide 17 posé sur un châssis18 selon la figure Il , pour le passage à l'abri des fibres 6 et 7, et le canal central 14 est au moins partiellement rempli de produit déshydratant et soigneusement obturé à sa base. Les montages ci-dessus ont été décrits et figurés dans l'esprit des installations des postes électriques de type extérieur ou des éléments de réseaux aériens les capteurs 2 pouvant autre placés sur les conducteurs i en câbles suspendus entre des channes d'isolateurs ancrées sur des portiques ou bien sur des conducteurs rigides généralement réalisés en tubes et suportés par des isolateurs rigides pilars, mais cette technique de capteur à fibres optiques s'applique également, le cas échéant sur des câbles de feeders souterrains ou marins car les transmissions par fibres optiques peuvent être très longues sans grand inconvénient dans le cas présent de ce brevet; cette technique s'applique également intégralement dans la construction des postes blindés à enveloppe qui ont des volumes et des surfaces d'installation beaucoup plus restreints que les autres et les longueur--; des liaisons an câbles à fibres optiques an seront d'autant plus Courtes et permettront plus facilement de s'orienter dans un choix de fibres de qualités ordinaires moins onéreuses. Dans tous les Cas, ces capteurs 2 sont simples et robustes, économiques à fabriquer, de qualité certaine et Constante, d'un fonctionnement sur et fiable, sans vieillissement; ils sont également faciles et éConomiques à installer avec une parfaite conservation des informations transmises à l'abri des phénomènes d'induction parasitaires et pertur batoires habituels avec les cubes à conducteurs métalliques qui subissent des influences extérieures imparables. Revendications 1 - Procédé de transmission de l'information d'une variation brusque d'un courant électrique élevé dans un con ducteurilicaractérisé par l'utilisation du principe de l'occultation d'un faisceau lumineux(5)entre une fibre optique émettrice(6)et une fibre réceptrice(7)par un masque(3) agissant directement ou par l'intermédiaire d'un réflecteur, se déplaçant sous l'action des variations du champ maqnétique produites par les variations brusques du courant électrique dans le conducteur(l.) 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par l'utilisation du phénomène physique de la modification du couplage des modes dans les fibres optiques sous l'action de la variation de pression (P) subit par les fibres optiques sous l'action d'une masse ferromagnétique ( qui subit l'action d'attraction du champ magnétique du courant dans le conducteur (1). 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par l'utilisation du phénomène physique de la modification d'amplitude de l'intensité lumineuse de la lumière dans les fibres optiques sous l'action de la variation de pression (P) subie par les fibres optiques sous l'action d'une masse ferromagnétique (M) qui subit l'action d'attraction du champ magnétique du courant dans le conducteur (l). 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par l'utilisation du phénomène physique de la modification des caractéristiques de phases de la lumière dans les modes de fibres optiques sous l'action de la variation de pression (P) subie par les fibres optiques sous l'action d'une masse ferromagnétique (M) qui subit l'action d'attraction du champ magnétique du courant dans le conducteur (1). - - Procédé selon la revendication l, caractérisé par l'utilisation du phénomène physique de la modification de la polarisation de la lumière par effet Faraday dans les modes des fibres optiques sous l'action de la variation de l'intensité du champ magnétique du courant électrique dans le conducteur(l). 6 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par l'application dans un capteur (2) de la variation de la force d'attraction magnétique directe du conducteur (1) ou indirecte par l'intermédiaire d'un relais à induction (3A) d'un masque en matériau ferromagnétique (3) sous l'action de la variation du champ magnétique d'un courant, soit par augmentation de celui-ci lors d'un défaut de court-circuit, soit par annulation de celui-ci lors de l'arrêt intempestif du courant établi dans le conducteur (1), le déplacement qui s'en suit pour le masque (3) coupant le faisceau lumineux (5) entre le câble à fibres optiques émetteur (6) et le câble à fibres optiques récepteur (7), cette information étant détectée par des éléments opto-électroniques (8) classiques qui transmettent électriquement des ordres au relayage (9) qui commande le déclencheur (10) du disjoncteur (11) qui coupe le conducteur (1). 7 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par l'application dans un capteur (2) qui comporte un relais optique (2A) dont la palette mobile (3) se déplace sous l'action directe ou indirecte par l'intermédiaire d'un relais d'induction sous l'action des variations importantes du courant dans le conducteur (1) pour couper le faisceau lumineux visible ou invisible (5), cette information détectée par des éléments opto-électroniques (8) classiques qui transmettent électriouement des ordres au relayage (9) qui commande le déclencheur (10) du disjoncteur (11) qui coupe le conducteur (1). 8 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par l'utilisation dans un capteur (2) figures (6),(6A), (6B)du principe de la modification du couplage des modes dans les fibres optiques sous l'action de la variation de pression (P) subie par les fibres optiques du câble (6) sous l'action d'une masse ferromaqnétique (M) qui subit l'attraction directe ou indirecte par l'intermédiaire d'un relais d'induction, du champ magnétique du courant dans le conducteur (1), cette information détectée par des éléments optoélectroniques (8) qui transmettent électriquement des ordres au relayage (9) qui commande le déclencheur (10) du disjonc teur (11) qui coupe le conducteur (1). 9 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par l'utilisation dans un capteur (2) figures (6), (6A), (68), du principe de la modification de l'amplitude de l'intensité lumineuse de la lumière dans les modes des fibres optiques sous l'action de la variation de pression (P) subie par les fibres optiques du câble (6) sous l'action d'une masse ferromagnétique (M)qui subit l'attraction directe ou indirecte par l'intermédiaire d'un relais dtinduc- tion du champ magnétique du courant dans le conducteur (1), cette information détectée par des éléments opto-électroniques (8) aui transmettent électriquement des ordres au relayage (9) qui commande le déclencheur (10) du disionc- teur (ll) qui coupe le conducteur (l). 10 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par l'utilisation dans un capteur (2) figures (6), (ÇA), (68), du principe de la modification des caractéristiques de phase de la lumière dans les modes des fibres optiques sous l'action de la variation de la pression (P) subie par les fibres optiques du câble t6) sous l'faction d'une masse ferromagnétique (N) qui subit 11 attraction directe ou indirecte par l'intermédiaire d'un relais d'induction du champ magnétique du courant dans le conducteur (1), cette information détectée par es éléments opto-électroniques (8) qui transmettent électriquement des ordres au relayage (9) qui commande le déclencheur (10) du disjoncteur (11) qui coupe le conducteur (1). ll - Dispositif selon la revendicaiton 5, caractérisé par l'utilisation du phénomène de la pôlarisation par effet Faraday de la lumière visible ou invisible transmise dans les fibres optiques d'un câble émetteur (6) qui est soumis dans son bobinage (6A) directement autour du conducteur (l) ou autour d'un novau ferromagnétiQue d'un relais électromagnétique d'induction placé sous l'action des variations du champ magnétique du courant dans le conducteur (1), les variations de la p8larisation de la lumière transmise par le câble du retour (7) sont détectées par les éléments optoélectroniques (8) qui transmettent électriquement des ordres au relayage (9) qui commande le déclencheur (10) du disjoncteur (11) qui coupe le conducteur (1). 12 - Dispositif selon l'une des revendications 6 à 117 caractérisé par ses moyens de détection à partir d'un état électrique donné dans un conducteur de l'apparition d'un courant de court-circuit ou de l'arrêt brusque inopiné du transit du courant, et ce soit dans un conducteur unique, soit dans l'un des conducteurs constituant un faisceau de conducteurs qu'il soit dans un réseau aérien, souterrain ou sous-marin d'une liqne électrique de transport d'énerqie. 13 - Dispositif selon l'une des revendications 6 à 12, caractérisé par ses moyens d'utilisation tant en courant alternatif qu'en courant continu de transport de grosse énergie. 14 - Dispositif selon l'une des revendications 6 à 13, caractérisé par l'équipement complémentaire du capteur (2) avec un isolateur creux (13) suspendu au conducteur (1) et dans lequel passent les câbles à fibres optiques (6) et (7) avec des produits déshydratants (15) et une obturation (16) pour parfaire l'isolement galvanique naturel des câbles à fibres optiques et les maintenir au sec contre les intempéries atmosphériques et les influences climatiaues extérieures. 15 - Dispositif selon l'une des revendications 6 à 13, caractérisé par l'équipement complémentaire du capteur (2) avec un isolateur creux, rigide, type pilars, (17) posé sur un socle (18) et dans lequel passent les câbles à fibres optiques (6) et (7) avec des produits désydratants (15) et une obturation (16) pour parfaire l'isolement qalvanique naturel des câbles à fibres optiques et les maintenir au sec contre les intempéries atmosphériques et les influences climatioues extérieures.