Brevet FR2552882A1 — publié le 19850405

Procédé et dispositif de mesure des décharges électriques dans une grande machine tournante à courant alternatif en charge La présente invention concerne un procédé de mesures des décharges électriques dans une grande machine à courant alternatif en charge. Elle concerne également un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé. La présente invention peut s'appliquer à tous les types de machines tournantes à courant alternatif de grande puissance, comme par exemple, les alternateurs hydrauliques, les alternateurs thermiques ou nucléaires, les compensateurs synchrones, les groupes pompes, les grands moteurs synchrones ou asynchrones. Il faut tout d'abord distinguer deux types de décharges electri- ques, les décharges partielles et les décharges d'encoches. Les décharges partielles ont fait l'objet de nombreuses études dans tous les types de matériels électriques, et leurs origines sont bien connues. Ces décharges partielles sont aussi appelées capacitives car elles transportent un courant en quadrature avec la tension qui leur donne naissance, et sont à l'origine de pertes diélectriques. Mais l1e'volution récente des systèmes d'isolation haute tension devenus thermodurcissables donc rigides, et la montée en puissance unitaire des grandes machines tournantes ont fait évoluer les techniques pour obtenir un bon serrage des barres dans les encoches, tandis que l'intensité du courant traversant l'encoche allait croissante. I1 en résulte une plus grande susceptibilité des machines à l'apparition dans le temps, de vibrations des barres dans les encoches, susceptibles dsen- gendrer un phénomène de décharges d'encoches conduisant, s'il n'est pas stoppé à temps, à l'électroérosion plus ou moins rapide du mur isolant. Les difficultés des mesures des décharges électriques en tension induite, et particulièrement en charge, résultent du niveau élevé de parasites ambiants, particulièrement à certaines fréquences, interdisant les mesures globales avec un mesureur à bande étroite dans plusieurs bandes de fréquences, et de l'apparition dans les grandes machines modernes d'excitations statiques à thyristors et diodes engendrant des signaux importants, souvent vingt décibels plus élevés que les niveaux des plus grandes décharges électriques. Les dispositifs antérieurs utilisent des capacités de valeur comprise entre 100 et 10000 picofarads, branchées côté phase du générateur. D'autre part, le document FR 2.433.847, décrit un procédé et un dispositif de mesure du calage des barres dans les encoches, la mesure s'effectuant à l'arrêt de la machine, à l'aide d'accéléromètres, et sous excitation d'un courant supérieur au courant nominal. Par contre, la présente invention s'applique à la mesure simultanée de toutes les décharges électriques, qu'il s'agisse de décharges partielles capacitives prenant naissance dans les vides du diélectrique ou en surface aux extrémités de barre et ayant pour facteur d'origine la tension appliquée à l'isolant, ou de décharges d'encoches résistives dues à la f.é.m. induite dans le circuit résistant constitué par le revêtement conducteur des barres dans l'encoche, les tôles magnétiques et leurs pièces métalliques de maintien et ayant pour facteur d'origine les vibrations éventuelles, c'est-à-dire l'intensité élevée du courant traversant l'encoche. En effet, Si les décharges partielles capacitives peuvent se produire à l'arrêt en appliquant une haute tension alternative sur l'enrou- lement, par contre, les décharges d'encoches ne peuvent se produire que lorsque la machine fonctionne et que les barres vibrent, c'est-à-dire en charge. Or, il est très important de pouvoir porter un diagnostic sur l'apparition de ces décharges et ceci dès l'origine et si possible sans arrêter la machine et sans examens visuels ou manuels quelconques qui sont toujours subjectifs. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que - on connecte un transformateur de potentiel sur une phase quelconque de la machine, - on connecte une capacité sur le neutre de la machine, cette capacité étant suivie d'un élément basse tension et d'un adaptateur d'impédance, - on rentre dans un oscilloscope à fenêtre un signal global sortant de l'adaptateur d'impédance et un signal de repère de phase sortant du transformateur de potentiel, - on repère sur la fenêtre de l'oscilloscope les décharges électriques, - on agrandit la fenêtre de l'oscilloscope pour différencier les décharges électriques en décharges partielles et en décharges d'encoches, - on mesure ces différentes décharges. Le dispositif selon l'invention, branché sur une machine présentant une impédance d'ensemble de liaison à la terre et un transformateur de potentiel branché sur une phase quelconque, est caractérisé en ce qu'il comporte une capacité de mesure connectée au neutre de la machine, cette capacité étant suivie d'un élément basse tension et d'un adaptateur d'impédance, un oscilloscope à fenêtre et un mesureur. De préférence, la capacité a une valeur comprise entre 0,1 et 0,3 F. Avantageusement, l'élément basse tension est relié à la terre, et l'oscilloscope à fenêtre permet de n'appliquer une mesure qu'à une fraction faible du signal global. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence aux figures du dessin annexé, un dispositif de mesure selon l'invention. La figure 1 représente une vue d'ensemble d'une machine munie d'un dispositif de mesure selon l'invention. La figure 2 représente plus en détail certains éléments du dispositif de mesure. La figure 3 représente des courbes de repérage de phase en fonction du temps. La figure 4 représente un signal global lu sur l'oscilloscope. La figure 5 représente une vue agrandie d'une partie du signal global de la figure 4. Dans la figure 1, représentant une vue d'ensemble d'une machine 1 munie d'un dispositif de mesure 10, chaque enroulement A, B, C de la machine, est couplé séparément à une phase A', B', C' du réseau d'utilisation R, la machine 1 fonctionne donc en charge. Une impédance 2 d'une valeur de quelques dizaines à quelques centaines d'ohms représente une impédance d'ensemble de liaison à la terre de la machine en fonctionnement, et un transformateur de potentiel 3 mesure la tension de sortie d'une phase. Le dispositif de mesure 10 comporte - une capacité haute tension 4, branchée sur le neutre du générateur, et de valeur comprise par exemple entre 0,1 et 0,3 # F (1. à 3.10 7 Farad). Cette capacité doit être dépourvue de décharges partielles, c'est-à-dire que celles-ci doivent être inférieures à 10 18 coulomb-carré par seconde jusqu'à une tension de 15 kilovolts. Cette capacité assure donc un niveau de protection au moins égal à la tension simple de la machine, tension induite entre phase et masse, pour toutes les machines de tension assignée, inférieure ou égale à 26 kV. - un élément basse tension 5 relié au point basse tension de la capacité 4, et comportant une mise à la terre 5'. - un adaptateur d'impédance 6 relié à l'élément basse tension 5, - un oscilloscope 7 à large bande d'entrée relié à l'adaptateur d'impédance 6 et au transformateur de potentiel 3. - un mesureur de décharges partielles 8 disponible dans le commerce. La figure 2 représente plus en détail, deux éléments du dispositif de mesure 10, à savoir, l'élément basse tension 5 et l'adaptateur d'impédance 6. L'élément basse tension 5 comprend une self d'écoulement 12 de 0,8 millihenry environ et pouvant supporter une intensité d'au moins 2 ampères avec en parallèle sur cette self deux parafoudres de protection 11, 11'. Le parafoudre 11 est un parafoudre néon amorçant en dessous de 200 volts et le parafoudre 11' est un parafoudre mica-charbon ou d'un autre type pouvant écouler un courant de plusieurs dizaines d'ampères pendant un temps limité en cas de défaut provoquant une surtension de neutre et un amorçage ou claquage sur la capacité 4. L'adaptateur d'impédance 6 est destiné à ramener à 50 ohms l'impédance de mesure aux bornes de l'oscilloscope. Il comporte d'abord un circuit bouchon pour l'harmonique 3 de la fréquence fondamentale, 50 ou 60 Hz, composé d'une self 13 de 5 millihenry et d'une capacité 14 de 225 ou 156 microfarad suivant le cas, 50 ou 60 Hz. Il comporte ensuite un transformateur d'impédance 16 à noyau ferromagnétique et deux enroulements 16A, 16B. L'enroulement primaire 16A côté prise de signal est court-circuité par une résistance 15 de valeur voisine de 5 ohms. L'enroulement secondaire 16B côté mesure, est court-circuité par une résistance 17 de valeur voisine de 100 ohms. L'élément basse tension 5 et l'adaptateur d'impédance 6 sont interconnectés par leur blindage 6' (représentés schématiquement) et reliés à la mise à la terre 5'. La figure 3~représente les courbes de repérage de phase A', B', C' en fonction du temps, ce repérage étant effectué par le transformateur de potentiel 3. La figure 4 représente une courbe lue sur l'oscilloscope 7 pouvant être par exemple un oscilloscope de 100 mégahertz à 2 ou 3 voies, et muni d'un dispositif à surbrillance. Cet oscilloscope permet de découper le signal et de n'appliquer la mesure qu'à une fraction aussi faible qu'on le désire du signal global, 1/10 à 1/200 ou moins, et d'étudier ainsi les caractéristiques d'un foyer de décharges partielles ou de décharges d'encoche à l'aide d'un mesureur classique. Dans les grandes machines modernes, les excitations statiques à thyristors et diodes engendrent des signaux importants, souvent 20 décibels plus élevés que les niveaux des plus grandes décharges électriques. La référence 20 représente un signal engendré par un thyristor, et la référence 21 par une diode. La référence 22 représente alors une fraction seulement du signal global, et en se plaçant de telle façon que les signaux importants dus aux thyristors ou diodes ne soient pas pris en compte. Les deux caractéristiques de la capacité 4, c'est à dire une capacité de très forte valeur branchée sur le neutre du générateur, permettent un abaissement sensible du niveau parasite ambiant et une bonne linéarisation du signal fondamental. La figure 5 représente donc la fraction du signal global 22, agrandie par exemple 10 fois, permettant de visualiser les décharges partielles 23 et les décharges d'encoches 24, et de mesurer à l'aide du mesureur 8, les grandeurs caractéristiques des impulsions de décharges partielles 23 et de décharges d'encoches 24 soit - le débit quadratique moyen de décharges partielles, - l'amplitude maximale de la plus grande décharge apparente en picocoulomb ou en millivolts, - l'énergie moyenne des décharges, - ou tout autre grandeur permettant de caractériser les décharges de les compter ou de les classer en décharges partielles ou en décharges d'encoches. Sans sortir du cadre de l'invention le dispositif selon l'invention peut par exemple, être installé rapidement ou même sans arrêt obligatoire de la machine moyennant certaines mesures de sécurité, et ainsi équiper une ou plusieurs machines en permanence. Certaines grandeurs peuvent donc être soit enregistrées, soit mesurées périodiquement avec un appareillage portatif et ce, sans aucune modification du programme d'exploitation, réalisant ainsi un dispositif de surveillance permanent qui permet un diagnostic sur l'état du calage de l'enroulement dans les encoches et sur son évolution dans le temps, par la distinction visuelle du type des décharges électriques observées ou par la comparaison des mesures en un point donné du signal à courant fort et à courant faible en faisant varier la charge de la machine. REVENDICATIONS 1/ Procédé de mesure des décharges électriques dans une grande machine tournante à courant alternatif en charge, caractérisé en ce que : - on connecte un transformateur de potentiel (3) sur une phase quelconque de la machine (1), - on connecte une capacité (4) sur le neutre de la machine, cette capacité étant suivie d'un élément basse tension (5) et d'un adaptateur d'impédance (6), - on rentre dans un oscilloscope à fenêtre (7) un signal global sortant de l'adaptateur d'impédance (6) et un signal de repère de phase sortant du transformateur de potentiel (3), - on repère sur la fenêtre de l'oscilloscope les décharges électriques (22), - on agrandit la fenêtre de l'oscilloscope pour différencier les décharges électriques (22) en décharges partielles (23) ou en décharges d'encoches (24), - on mesure ces différentes décharges. 2/ Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, la machine (1) présentant une impédance (2) d'ensemble de liaison à la terre et un transformateur de potentiel (3) branché sur une phase quelconque, caractérisé en ce qu'il comporte, une capacité de mesure (4) connectée au neutre de la machine (1), cette capacité étant suivie d'un élément basse tension (5) et d'un adaptateur d'impédance (6), un oscilloscope à fenêtre (7) et un mesureur (8). 3/ Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que la capacité (4) a une valeur comprise entre 0,1 et 0,3)11F. 4/ Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément basse tension est relié à la terre. 5/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'oscil- loscope à fenêtre permet de n'appliquer une mesure qu'à une fraction faible du signal global.