Brevet FR2656931A1 — publié le 19910712

i TRANSFORMATEUR DE MESURE UTILISANT DES MOYENS OPTIQUES La présente invention concerne un transformateur de mesure utilisant des moyens optiques pour la mesure de la tension et du courant. On connaît un transformateur d'intensité de type optique qui est destiné à mesurer le courant dans un con- ducteur primaire par l'utilisation d'un capteur optique de champ magnétique. La figure 4 est une représentation partiellement en coupe montrant un transformateur d'intensité optique de type classique qui est décrit dans le document 1989 Natio- nal Convention IEE, Japon " 1245 Development for Apparatus for detecting fault section of a substation". Sur la figure 4, un potentiel élevé est présent sur un conducteur primaire 1 dans lequel circule un courant à mesurer Un tore en fer 2 présentant un entrefer établi un circuit magnétique en couplage avec le conducteur pri- maire 1 Un capteur optique de champ magnétique 3, tel qu'un élément à effet magnéto-optique, est placé dans l'en- trefer 2 a du tore en fer 2 Un boîtier 4 contient le tore en fer 2 et le capteur optique de champ magnétique 3, et il supporte et fixe ces éléments Une douille 5 comporte une bride supérieure 5 a et une bride inférieure 5 b, en métal, à ses extrémités respectives, et elle isole le boîtier 4 vis- à-vis de la terre en le supportant à son extrémité supé- rieure, par l'intermédiaire de la bride supérieure 5 a La 2 N structure qui se trouve entre la bride inférieure 5 b, à l'extrémité inférieure de la douille 5, et la masse, est omise sur la figure 4 Des fibres optiques 6 a, 6 b traver- sent la douille, et des premières extrémités de ces fibres sont connectées au capteur optique de champ magnétique 3, tandis que leurs secondes extrémités sont connectées à un équipement de traitement de signal 7. On va maintenant expliquer le fonctionnement du transformateur d'intensité de type optique classique Lors- qu'un courant circule dans le conducteur 1, un flux magné- tique proportionnel au courant circule dans le tore en fer 2 et dans l'entrefer 2 a Un signal lumineux qui est émis par un élément émetteur de lumière de l'équipement de trai- tement de signal 7, se propage à travers la fibre optique 6 a, et il est appliqué au capteur optique de champ magnéti- que 3 Le signal lumineux appliqué est modulé proportion- nellement au champ magnétique que produit le flux magnéti- que précité Le signal lumineux modulé se propage à travers la fibre optique 6 b et il est appliqué à un élément de ré- ception de lumière de l'équipement de traitement de signal 7 L'équipement de traitement de signal 7 convertit le si- gnal lumineux modulé en un signal électrique qui est pro- portionnel au courant qui circule dans le conducteur pri- maire 1 Ainsi, le courant, à un potentiel élevé, du con- ducteur primaire 1 peut être mesuré dans le circuit qui est au potentiel de la terre. Le transformateur d'intensité de type optique comportant le capteur optique de champ magnétique pour la mesure d'un courant a une structure relativement simple. Cependant, lorsqu'on désire mesurer le potentiel du conduc- teur primaire, il est nécessaire d'ajouter au transforma- teur de potentiel optique, pour la mesure, un transforma- teur de potentiel de type inductif, un transformateur de potentiel à condensateur de couplage ou un transformateur optique approprié Une telle configuration fait apparaître un problème qui consiste en ce que l'équipement capable de mesurer à la fois le courant et la tension devient volumi- neux et d'un coût élevé. L'invntion a pour but & résoudre le problème précité et de procurer un transformateur de mesure optique qui permet- te de mesurer à la fois le courant et la tension. Ce but est atteint au moyen d'un transformateur de mesure optique qui comprend: un tore en fer avec un entrefer, qui forme un circuit magnétique en couplage avec un conducteur primaire, un capteur optique de champ magnétique qui est maintenu dans l'entrefer du tore en fer, un élément conducteur en un matériau conducteur qui supporte le tore en fer et qui est connecté électrique- ment au conducteur primaire, une douille qui présente une bride à son extrémi- té supérieure et qui isole la bride vis-à-vis de la terre, des moyens de support isolants qui sont placés entre la bride en un matériau conducteur et l'élément con- ducteur, un capteur optique de champ électrique qui est placé entre l'élément conducteur et la bride, et un équipement de traitement de signal en couplage optique avec le capteur optique de champ magnétique et avec le capteur optique de champ électrique, au moyen de fibres optiques, qui émet un signal lumineux vers le capteur opti- que de champ magnétique et vers le capteur optique de champ électrique, qui reçoit un signal lumineux modulé par les capteurs, et qui mesure la tension et le courant du conduc- teur primaire. Dans le transformateur de mesure optique de l'in- vention, la mesure du courant s'effectue par l'effet de modulation d'un signal lumineux par le capteur optique de champ magnétique, et d'une manière similaire à la mesure qui est effectuée dans le transformateur d'intensité opti- que classique. Un potentiel qui est proportionnel à la tension appliquée au conducteur primaire est induit simultanément dans l'élément conducteur de support Autrement dit, le po- tentiel induit qui est divisé par un rapport de division déterminé à la fois par la première capacité entre l'élé- ment conducteur et la bride supérieure de la douille, et la seconde capacité entre la bride supérieure et la terre, apparaît entre l'élément conducteur et la bride supérieure de la douille Le capteur optique de champ électrique qui est placé entre l'élément conducteur et la bride supérieure module le signal de lumière proportionnellement au poten- tiel induit La mesure de la tension s'effectue donc par la mesure de l'intensité de modulation. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs La suite de la description se réfère aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une représentation partiellement en coupe d'un premier mode de réalisation d'un transforma- teur de mesure optique conforme à l'invention. La figure 2 est une représentation partiellement en coupe d'un second mode de réalisation d'un transforma- teur de mesure optique conforme à l'invention. La figure 3 est une représentation partiellement en coupe d'un troisième mode de réalisation d'un transfor- mateur de mesure optique conforme à l'invention. La figure 4 est une représentation partiellement en coupe qui montre le transformateur d'intensité optique classique. On notera que certaines au moins des figures sont des représentations schématiques qui sont présentées dans un but d'illustration et qui ne représentent pas nécessai- rement les tailles ou les emplacements relatifs des élé- ments considérés. Sur la figure 1, un potentiel élevé est présent sur un conducteur primaire 1 dans lequel circule un courant à mesurer Un tore en fer 2 avec un entrefer forme un cir- cuit magnétique qui est en couplage avec le conducteur pri- maire 1 Un capteur optique de champ magnétique 3, tel qu'un élément à effet magnéto-optique, est placé dans l'en- trefer 2 a du tore en fer 2 Un boîtier 4 contient le tore en fer et le capteur optique de champ magnétique, et il constitue un moyen de support pour supporter et fixer ces éléments Le boîtier 4 est en un matériau métallique tel que l'acier inoxydable, et il est connecté électriquement au conducteur primaire 1 La partie inférieure du boîtier 4 constitue un élément conducteur 4 a Une douille 5 qui pré- sente une bride supérieure 5 a et une bride inférieure 5 b, en métal, à ses extrémités respectives, supporte le boîtier 4 par l'insertion d'un support isolant 8 entre la bride su- périeure 5 a et le boîtier 4 La structure qui se trouve en- tre la bride inférieure 5 b à l'extrémité inférieure de la douille 5 et la terre, est omise sur la figure 1 Un cap- teur optique de champ électrique 9 (dont un exemple est décrit par Kazuo Kyuma et col dans "Fiber-Optic Voltage Sensor Using Electro-Optic Bi 12 Ge O 20 Single Crystal" Pro- ceedings of the 2nd Sensor Symposium, 1982, pages 33-37), est disposé entre l'élément conducteur 4 a et la bride supé- rieure 5 a dans le support isolant 8 Des fibres optiques 6 a et 6 b passent à travers la douille 5, et des premières ex- trémités de ces fibres sont connectées au capteur optique de champ magnétique 3, tandis que leurs secondes extrémités sont connectées à un équipement de traitement de signal 7. Des fibres optiques 10 a et 10 b passent également dans la douille 5, et des premières extrémités de ces fibres sont connectées au capteur optique de champ électrique 9, tandis que leurs secondes extrémités sont connectées à l'équipe- ment de traitement de signal 7. On va maintenant expliquer le fonctionnement du transformateur de mesure optique Lorsqu'un courant circule dans le conducteur 1, un flux magnétique proportionnel au courant circule dans le tore en fer 2 et dans l'entrefer 2 a Un signal lumineux qui est émis par un élément émetteur de lumière de l'équipement de traitement de signal 7 se propage à travers la fibre optique 8 a et il est appliqué au capteur optique de champ magnétique 3 Le signal lumineux appliqué est modulé proportionnellement au champ magnétique que produit le flux magnétique précité Le signal lumineux modulé se propage dans la fibre optique 6 a et il est appli- qué à un élément récepteur de lumière de l'équipement de traitement de signal 7 L'équipement de traitement de si- gnal 7 convertit le signal lumineux modulé en un signal électrique qui est proportionnel au courant circulant dans le conducteur primaire 1 Le courant du conducteur primaire 1, qui est à un potentiel élevé, peut ainsi être mesuré dans le circuit qui est au niveau de potentiel de la terre. Le boîtier 4 en métal est au même potentiel que le conducteur primaire 1, et sa bride supérieure 5 a en est isolée, ce qui fait que la tension Vd de part et d'autre de l'élément conducteur 4 a et de la bride supérieure 5 a se présente sous la forme d'une tension qui résulte de la di- vision de la tension V du conducteur primaire 1, avec un rapport de division qui est déterminé par une capacité C 1 entre l'élément conducteur 4 a et la bride supérieure 5 a, et une capacité C 2 entre la bride supérieure 5 a et la masse. Autrement dit, la tension Vd s'exprime par l'expression ( 1) suivante: Vd = YC 1/(Cl+C 2)}x V = (rapport de division) x V ( 1) Les capacités C et C 2 sont déterminées par la structure (forme) du transformateur de mesure optique En outre, la tension Vd est proportionnelle à la tension du conducteur primaire, V, et le champ électrique qui est pro- duit par la tension Vd est appliqué au capteur optique de champ électrique 9. Le signal lumineux qui est émis par l'autre élé- ment émetteur de lumière dans l'équipement de traitement de signal 7 se propage à travers la fibre optique 10 a, et il est appliqué au capteur optique de champ électrique 9 Le capteur optique de champ électrique 9 module le signal lu- mineux appliqué, proportionnellement au champ électrique précité Le signal lumineux modulé se propage à travers la fibre optique 10 b, et il est appliqué à l'autre élément ré- cepteur de lumière de l'équipement de traitement de signal 7 L'équipement de traitement de signal 7 détermine la va- -leur de la modulation et il calcule la tension V du conduc- teur primaire sur la base de la valeur de la modulation et du rapport de division précité. La figure 2 est une représentation partiellement en coupe d'un second mode de réalisation d'un transforma- teur de mesure optique conforme à l'invention Les parties et les éléments qui correspondent à ceux du premier mode de réalisation sont désignés par les mêmes nombres et symboles de référence, et la description qui en est faite dans le premier mode de réalisation s'applique de façon similaire. Les caractéristiques qui différencient ce second mode de réalisation par rapport au premier sont les suivantes. Dans le second mode de réalisation, un isolateur il qui se présente sous la forme d'une pièce moulée, par exemple en résine synthétique ou en caoutchouc, supporte le tore en fer 2 et le capteur optique de champ magnétique 3, de façon à ne former qu'un seul bloc avec ces éléments. L'isolateur 11 comporte une partie conductrice lla qui est constituée par une plaque de métal située sous sa surface inférieure On obtient ainsi un transformateur de mesure optique intégré, léger et de plus petite taille En outre, du fait que le tore en fer 2 et le capteur optique de champ magnétique 3 sont formés en un seul bloc, un écart de posi- tion relative entre le circuit magnétique en fer 2 et le capteur optique de champ magnétique 3 peut difficilement se produire On obtient ainsi un effet qui consiste en ce que la précision de mesure est encore améliorée. La figure 3 est une représentation partiellement en coupe d'un troisième mode de réalisation d'un transfor- mateur de mesure optique conforme à l'invention Les par- ties et les éléments qui correspondent au premier mode de réalisation sont désignés par les mêmes symboles et nombres de référence, et la description qui en a été faite dans le premier mode de réalisation s'applique de façon similaire. Les caractéristiques qui différencient ce troisième mode de réalisation par rapport au premier sont les suivantes. Dans le troisième mode de réalisation, un divi- seur de faisceau 13 est placé à proximité des deux capteurs 3 et 9 Le diviseur de faisceau 13 divise en deux signaux lumineux séparés le signal lumineux qui se propage à tra- vers une fibre optique 12, à partir de l'équipement de traitement de signal Autrement dit, la fibre optique 12 est utilisée en commun à la place des fibres optiques 6 a et a qui sont représentées sur la figure 1, et l'élément émetteur de lumière de l'équipement de traitement de signal 7 est utilisé en commun pour le capteur optique de champ magnétique 3 et pour le capteur optique de champ électrique 9. Le nombre de fibres qui traversent la douille est ainsi diminué d'une unité On peut donc donner à la douille une taille plus petite que celle de la douille 5 qui est représentée sur la figure 1, ce qui conduit à un transfor- mateur optique de plus petite taille. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Transformateur de mesure optique, caractérisé en ce qu'il comprend: un tore en fer ( 2) ayant un entrefer ( 2 a), qui forme un circuit magnétique en couplage avec un conducteur primaire ( 1); un capteur optique de champ magné- tique ( 3) qui est maintenu dans l'entrefer ( 2 a) du tore en fer ( 2); un élément conducteur ( 4 a) en un matériau conduc- teur, qui supporte le tore en fer ( 2) et qui est connecté électriquement au conducteur primaire ( 1); une douille ( 5) qui comporte une bride ( 5 a) à son extrémité supérieure et qui isole cette bride ( 5 a) vis-à-vis de la terre; des moyens de support isolants ( 8) placés entre la bride ( 5 a) en un matériau conducteur, et l'élément conducteur ( 4 a); un capteur optique de champ électrique ( 9) placé entre l'élé- ment conducteur ( 4 a) et la bride ( 5 a); et un équipement de traitement de signal ( 7), en couplage optique avec le cap- teur optique de champ magnétique ( 3) et le capteur optique de champ électrique ( 9), au moyen de fibres optiques ( 6 a, 6 b, 10 a, lob), qui émet un signal lumineux vers le capteur optique de champ magnétique ( 3) et le capteur optique de champ électrique ( 9), reçoit un signal lumineux modulé par les capteurs précités ( 3, 9), et mesure la tension (V) et le courant du conducteur primaire ( 1). 2 Transformateur de mesure optique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce qu'un boîtier ( 4) est for- mé en une seule pièce avec l'élément conducteur ( 4 a), et ce boîtier contient le tore en fer ( 2). 3 Transformateur de mesure optique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que l'élément conducteur ( 4 a) porte une pièce moulée ( 11), et cette pièce moulée en- robe le tore en fer ( 2). 4 Transformateur de mesure optique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un diviseur de faisceau ( 13) pour diviser le signal lumineux qui est émis par l'équipement de traitement de signal ( 7).