Brevet FR2596912A1 — publié le 19871009

La présente invention concerne les dispositifs de contrôle de la température en général et, plus particulièrement, un dispositif de contrôle de la température qui est destiné à être utilisé avec des câbles de transport d'énergie 5 pour la surveillance, la production d'alarmes, la réponse à la présence de surchauffes dans les cables. Les câbles de transport d'énergie sont actuellement installés soit dans le sol, dans des conduites ouvertes dans lesquelles la circulation de l'air est variable, soit, lorsqu'il s'agit de villes importantes, au voisinage de conduites souterraines de vapeur. Toutes ces conditions ont pour effet de faire varier le profil de la température du câble impliqué. Les câbles de transport de l'énergie, tels qu'ils sont actuellement installés, ne comportent aucun moyen permettant de suivre la température de leurs conducteurs, en particulier lorsqu'ils sont soumis à des surcharges. L'expérience obtenue, plus particulièrement avec les câbles souterrains de transport de l'énergie, montre que les surcharges et par conséquent des températures anormalement élevées sont si 20 sévères que les cables eux-mêmes peuvent s'enflammer et brûler. On note ce même type d'incident avec l'inflammation des câbles de transport d'énergie dans les murs des bâtiments lorsqu'ils alimentent des équipements de puissance élevée. Pendant longtemps, on a fait un emploi intensif de 25 matériaux isolants vis-à-vis de l'électricité qui présentent - 2 une résistance ou une capacité fonction de la température pour la détection et la maîtrise des surchauffes. C'est ainsi que dans l'invention décrite et revendiquée dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 2 581 212 la protection contre les 5 surchauffes de couvertures électriques et articles similaires est assurée par l'emploi de ces matériaux de manière à obtenir le facteur essentiel de sécurité. Selon les enseignements de ce brevet, un matériau isolant est fonctionnellement associé à un moyen de commutateur et a la même longueur 10 que l'élement chauffant de sorte que lorsque la température d'un endroit quelconque de la couverture dépasse le maximum prédéterminé, il y a interruption de son chauffage. Comme ce matériau isolant n'est pas altéré physiquement ou modifié de manière irréversible dans son fonctionnement, on l'emploie 15 utilement de façon répétée à cet effet car il agit comme une sorte de commutateur électrique surveillant continuellement la limite de la température de fonctionnement de la couverture. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 2 581 213, 20 on propose en outre un dispositif, sensible à la température, de signalisation et de localisation, fondamentalement sous forme d'un câble sensible à la température, destiné aux connexions des boîtes de jonction classiques. Le matériau sensible à la chaleur de la structure provoque le fonctionne25 ment d'un circuit d'alarme et/ou d'indication avant que ce matériau ne soit définitivement endommagé. Le dispositif du brevet n 2 581 213 comporte trois conducteurs, le troisième ayant une résistance relativement faible, qui sont disposés dans un circuit de mesure de la tension. Lorsqu'un point 30 quelconque du câble atteint une température suffisamment élevée, la conduction du courant dans le matériau sensible à la chaleur qui sépare les premiers conducteurs complète un circuit de mesure, par exemple, par la déviation d'un aiguille ou l'actionnement d'une sonnerie ou autre type 35 d'alarme. On a ainsi l'indication d'une chaleur anormale dans -3 la zone sous contrôle. On n'a pas traité jusqu'ici les problèmes de surchauffe associés aux câbles de transport d'énergie, et ceux traités ci-dessus sont uniques. Il est apparu à la suite de récents incendies de câbles souterrains qu'il est nécessaire de disposer d'un dispositif capable de procéder à la surveillance, à la détection des surchauffes, de donner une alarme et de répondre à de telles surchauffes des câbles de transport d'énergie sur toute la longueur du câble. Selon la présente invention, un ensemble de détection des surchauffes peut être adapté aux câbles de transport d'énergie pour surveiller la température de la totalité de la longueur du câble et être en mesure d'interrompre l'énergie du câble lorsqu'une température prédéterminée est dépassée. Dans le cas des câbles de grande longueur, on peut utiliser un certain nombre d'ensembles de ce type de manière à identifier les points chauds locaux. L'ensemble de détection des-surchauffes comprend un fil 20 de détection, un dispositif de commande à corps solide, un dispositif de surveillance de la température et un circuit d'alarme. Le fil de détection court sur toute la longueur du câble de transport d'énergie en étant contigu à celui-ci. Le dispositif de commande à corps solide est adapté au fil de 25 détection et fournit à ce fil l'énergie dont il a besoin pour détecter les points chauds situés à l'intérieur du câble de transport. Le dispositif de commande est également adapté à un indicateur de température afin de surveiller la température du fil de détection et est d'une manière identique 30 adapté à un circuit à relais qui provoque le déclenchement du circuit d'alarme en cas d'atteinte d'une température maximum prédéterminée. Le fil de détection comporte deux conducteurs maintenus isolés l'un de l'autre en étant espacés d'une distance uniforme par un matériau organique flexible sensible 35 aux températures qui, aux températures ordinaires, est un -4 isolant, mais présente des variations suffisantes de sa résistance électrique aux températures élevées pour permettre le passage d'un courant intense à des tensions modérées. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1, une vue partielle, en élévation de côté, avec des parties enlevées, du fil de détection de la présente invention; Figure 2, une vue en coupe transversale du fil de 10 détection de la figure 1; figure 3, une vue en coupe transversale du fil de détection tel qu'il est adapté à un câble de transport d'énergie selon la présente invention; figure 4, un diagramme schématique du dispositif de 15 contrôle à corps solide selon la présente invention; figure 5, un schéma d'une variante de réalisation du dispositif de contrôle à corps solide selon la présente invention; et figure 6, un schéma d'un système de détection de 20 surchauffe adapté à un câble de contrôle d'énergie dans le but de détecter un point chaud sur la longueur du câble. Dans les dessins, et tout d'abord en liaison avec la figure 1, on a représenté un fil de détection 1 selon la présente invention, comportant un fil 2 de détecteur sur 25 lequel une composition d'un matériau polymère sensible à la chaleur, qu'on décrira ci-après, a été extrudée pour former une coiffe concentrique 3 de manière à être en contact direct avec le fil, sans être nécessairement liée à celui-ci, et à s'étendre sur la totalité de la longueur du fil 2. Un second 30 fil 4 de détecteur ou gaine tressée est appliqué sur la coiffe isolante 3 et une chemise 5 en vinyle est formée de manière à isoler et protéger le second fil 4. La relation symétrique des composants est illustrée en figure 2, qui est une vue en coupe transversale de l'ensemble formé par les 35 fils de détection. - 5 La figure 3 montre la position du fil de détection 1 à l'intérieur d'un câble de transport d'énergie 6 selon la présente invention. Le câble 6 comporte un ensemble de fils conducteurs 7 qui transmettent l'énergie électrique. Le fil 5 de détection 1 est noyé dans les fils conducteurs 7 et s'étend sur toute la longueur du câble 6. Une enveloppe isolante de protection 8 constitue l'isolant extérieur final. Dans la fabrication du câble 6, on peut placer le fil de détection 1 à tout emplacement se trouvant à l'intérieur 10 de l'ensemble des fils conducteurs 7 avant l'application de l'enveloppe de protection 8. Dans un mode de réalisation préféré, le fil de détection 1 est à proximité de l'enveloppe de protection 8, comme cela est représenté en figure 3. La figure 4 est un schéma des circuits électriques d'un 15 contrôleur 9 à corps solide qu'on emploie dans le dispositif de détection des surchauffes de la présente invention. Comme illustré en figure 4, le contrôleur 9 comporte une première porte 12 de comparateur, une seconde porte 14 de comparateur, une porte différentielle 16 et une alimentation 20 à courant continu ACC. La figure 5 est un schéma de circuit électrique d'une variante de réalisation du contrôleur à corps solide employant un contrôleur en pont dans l'ensemble de détection des surchauffes de la présente invention. Comme cela est illustré schématiquement en figure 5, le fil de détection 1 constitue une branche du pont monté en parallèle avec la charge ou câble de transport d'énergie 6. Le circuit comprend des résistances R3 et R4, un relais 20; un condensateur C3 et une bobine d'inductance L1. On équilibre le pont en réglant la bobine d'inductance variable pour donner une sortie nulle. S'il se produit une augmentation locale de la température, l'impédance du matériau polymère sensible à la température change, permettant le passage d'un courant et créant par conséquent un déséquilibre 35 du pont. Ce déséquilibre produit une tension de sortie aux i - 6 bornes du condensateur C3 qui ouvre le circuit de charge et/ou déclenche une alarme. La figure 6 est une représentation schématique du dispositif complet de détection de surchauffe pour des câbles 5 de transport d'énergie selon la présente invention. Le dispositif comporte le câble de transport 6 de la figure 3, le fil de détection 1 lui étant contigu et s'étendant sur toute sa longueur, un contrôleur 9 à corps solide avec un indicateur de température 10 et une alarme 11. L'alarme 11 10 peut être une alarme classique du type sonore et/ou visuel, c'est-à-dire une sirène, des voyants lumineux, etc. On peut utiliser la présente invention, dans son sens le plus large, avec tous les conducteurs à fil unique ou à fils multiples qu'on utilise pour les câbles de contrôle ou la distribution 15 d'énergie. L'ensemble de détection des surchauffes convient plus particulièrement pour les câbles souterrains capables de fournir une tension de service de 5 kV à 138 kV, de préférence de 15 kV à 30 kV. Pour l'utilisation de l'ensemble de la présente inven20 tion, afin de détecter des conditions de surchauffe se produisant dans un câble de transport d'énergie, on se reportera à la figure 6. Pendant la fabrication du câble 6, on place le fil de détection 1 à l'intérieur de l'enveloppe isolante 8 de protection et l'étend sur toute la longueur du 25 câble. Le câble 6 avec son fil de détection 1 peut avoir n'importe quelle longueur appropriée, mais dans le cas des tronçons extrêmement longs, il est souhaitable d'incorporer un certain nombre de fils individuels de détection. Le fil de détection 1 comprend un fil de cuivre 2 ayant 30 un diamètre d'environ 0,8 mm, et une coiffe 3 en polymère sensible à la température ayant une épaisseur sensiblement uniforme d'environ 0,05-2,5 mm, de préférence de 0,25 mm qu'on extrude sur son dessus. La structure du fil de détection employé dans la présente invention est décrite dans 35 ses grandes lignes dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n 548 376, qui est incorporée ici à titre de référence. En général, comme cela est discuté dans ce brevet des Etats-Unis, la coiffe concentrique 3 de la figure 1 peut être 5 en matériau polymère tel qu'en résine de polyamide, en chlorure de polyvinyle et en esters de cellulose contenant des additifs qui confèrent les caractéristiques électriques désirées. Ces matériaux sensibles à la chaleur ont tous un coefficient de conductivité inductive spécifique (CIS) de 10 valeur négative élevée, ou un coefficient de température positif pour la résistance (CTP). Cependant, ce brevet propose l'utilisation de caoutchouc d'acrylonitrile-butadiène qui a un rapport CIS entre 90 C et la température ambiante 2 à 3 fois plus grande que celui des matériaux connus dans 15 l'art antérieur. De plus, le caoutchouc d'acrylonitrilebutadiène ne contient pratiquement aucun soufre libre ou élémentaire, dont la présence peut provoquer la corrosion des conducteurs en cuivre. Dans ce brevet on a en outre trouvé que ces substances sont thermodurcissables et donc non 20 enclines à se déformer ou à subir un migration additive qui serait néfaste pour l'objet ou la fonction auxquels on les destine. De plus, ces compositions peuvent être mélangées a des additifs renforçant leur sensibilité à la température. En particulier, dans le cas o les compositions contiennent au 25 moins 0,5% en poids d'unités carboxyliques, la résistance au vieillissement à haute température est améliorée comme le sont les propriétés physiques ainsi que le rapport de la variation de la réponse électrique pour CIS lorsque la température passe de la température ambiante à 9O0. D'autres 30 additions, par exemple de chlorure de polyvinyle ou d'argile, peuvent être introduites dans les compositions pour améliorer les caractéristiques des formulations. Le matériau de la coiffe 3 est de préférence choisi dans le groupe constitué du caoutchouc d'acrylonitrile35 butadiène vulcanisé contenant au moins une partie pourcent -- 8 -d'acrylonitrile et exempt pratiquement de soufre libre, du caoutchouc d'acrylonitrile-butadiène vulcanisé contenant au moins 0,5 pourcent d'unités monomères d'acide carboxylique et des mélanges polyvinyliques de ces caoutchoucs. Lors de l'installation du câble 6 de transport d'énergie, on connecte les fils 2 et 4 de détecteur au contrôleur 9 à corps solide. On relie le fil 2 à la première porte 12 du comparateur, constituée d'un condensateur C1, d'un transistor Q1 et d'une résistance variable R1. On connecte le second fil 4 que comprend le fil de détection 1 à la seconde porte 14 du comparateur, constituée d'un condensateur C2, d'un transistor Q2 et d'une résistance variable R2. On applique la tension à courant continu au circuit du contrôleur et la résistance des fils 2 et 4 est 15 surveillée en permanence. A la température ambiante ou température de départ, on règle les portes 12 et 14 à la même tension en ajustant les résistances variables RI et R2, respectivement. A une température de 35 C, on ajuste de nouveau les deux portes a 20 une tension de référence commune de valeur différente de manière à établir la sensibilité et l'étalonnage du dispositif. La porte différentielle 16 comporte quatre diodes, deux transistors, et quatre résistances. La porte 16 fonctionne 25 pour surveiller les différentiels de potentiel entre les portes 12 et 14, et lorsqu'un différentiel de tension préétabli, compris entre 0,1 et 10 volts et de préférence égal à 0,7 volt, est atteint, elle déclenche le dispositif d'alarme 11. De plus, on peut prévoir un relais qui shunte le circuit 30 d'alimentation du câble 6 de manière à éviter les surchauffes et par conséquent les incendies souterrains. Le dispositif d'alarme 11 peut être constitué de n'importe quel dispositif classique, dont une alarme audible, un voyant clignotant, etc. - 9 REVENDICATIONS 1. Ensemble de détection comprenant un dispositif de détection des surchauffes destiné à procéder à une surveil5 lance, à une détection, au déclenchement d'une alarme et d'une manière générale à répondre à un état de surchauffe et un conducteur à fil unique ou à fils multiples, caractérise en ce qu'il comprend: (a) un fil de détection (1) contigu au conducteur à 10 fil unique ou à fils multiples (6) et de même longueur que ce dernier à l'intérieur d'une enveloppe de protection (5), le fil de détection comprenant un premier fil de détecteur (2) et un second fil de détecteur (4), tous deux connectés à une source d'alimentation électrique (ACC), les premier et 15 second fils de détecteur étant espacés d'une même distance sur toute leur longueur par un matériau polymère (3) sensible à la chaleur et extrudé pour former une coiffe concentrique au premier fil de détecteur et de même longueur que ce -Fie (b) un dispositif de contrôle (9) à corps solide, 20 comportant deux bornes dans un circuit électrique relié au câble de transport d'énergie (6) et un moyen pour surveiller en permanence et afficher (10) les variations de la résistance électrique par l'intermédiaire de la coiffe sensible à la chaleur; et (c) un moyen d'alarme (11) relié fonctionnellement au dispositif de contrôle afin d'identifier une surchauffe se produisant dans le câble (6). 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau polymère sensible à la chaleur est choisi 30 dans le groupe constitué d'une résine de polyamide dite nylon, du chlorure de polyvinyle, des esters de cellulose, du caoutchouc d'acrylonitrile-butadiène vulcanisé contenant au moins entre 1% d'acrylonitrile et pratiquement exempt de soufre, du caoutchouc d'acrylonitrile-butadiène vulcanisé 35 contenant au moins 0,5 % d'unités monomères d'acide carboxy- - 1 0 lique et des mélanges desdits caoutchoucs avec du chlorure de polyvinyle. 3. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau polymère est un caoutchouc d'acrylonitrile5 butadiène contenant 25 a 45 % d'unités monomères d'acrylonitrile. 4. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau polymère est mélangé et préparé, l'oxyde de zinc est l'agent de vulcanisation et le mélange contient au 10 moins 7 % d'argile Catalpo, le matériau polymère préparé ayant un rapport de la capacité inductive spécifique à 90 et à la température ambiante supérieur à 30. 5. Ensemble selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle à 15 corps solide (9) comprend une première porte de comparateur (12) dans un circuit électrique formé avec le premier fil de détecteur (2) afin de mesurer la résistance de ce premier fil, une seconde porte de comparateur (14) dans un circuit électrique formé avec le second fil de détecteur (4) pour 20 mesurer la résistance de ce second fil, une porte différentielle (16) pour mesurer des différentiels de tension entre les portes (12) et (14) de façon que, lorsqu'un différentiel de tension préétabli de 0,1 à 10 volts est atteint entre les portes, un relais actionne le moyen d'alarme (11) alors qu'il 25 y a simultanément shuntage du circuit électrique fournissant le courant électrique au câble de transport d'énergie (6).