Brevet FR2663427A1 — publié le 19911220

L'invention concerne un procédé d'évaluation automatique sous tension alternative du vieillissement des isolations-masse des machines tournantes fonctionnant sous moyenne tension et pouvant être utilisé aussi bien quand la machine est en fonctionnement que lorsqu'elle est à l'arret. L'invention concerne également un dispositif d'évaluation automatique sous tension alternative du vieillissement des isolations-masse des machines tournantes fonctionnant sous moyenne tension lorsque la machine est en fonctionnement et un dispositif analogue d'évaluation du vieillissement des isolations-masse lorsque la machine est à l'arrêt. D'une façon classique, les machines tournantes fonctionnant sous moyenne tension se composent de trois éléments principaux : Une carcasse métallique généralement reliée à la terre, plusieurs enroulements de conducteurs terminés par des connections électriques, et des matériaux isolants composant l'isolation entre les deux premiers éléments. Ces isolants reliés à la carcasse métallique elle-même reliée à la terre sont désignés dans la présente demande sous le terme d'isolations-masse. Lors de l'utilisation de la machine, les isolations-masse se dégradent progressivement jusqu'à leur destruction pouvant se présenter sous la forme d'un percement de l'isolation masse mettant la machine hors d'usage. Or, il a été démontré que la durée de vie de l'isolation est prépon- dérante par rapport à la durée de vie de la machine comportant cette isolation. On s'est vite apperçu que les raisons d'une détérioration de l'isolation-masse d'une machine n'étaient pas dûes à une seule cause. Classiquement, et d'une façon relativement empirique, les techniques les plus anciennes pour évaluer le vieillissement des isolants consistent à étudier la composante sinusoïdale fondamentale linéaire qui est en fait une caractéristique du courant qui traverse l'isolation-masse comme si celle-ci se comportait comme un condensateur. L'énergie qui est alors stockée dans l'isolation masse est stockée d'une part sous forme capacitive mais aussi, puisque l'isolant n'est pas parfait, sous forme résistive. La mesure classiquement effectuée consiste à observer le paramètre tan g , qui est une grandeur sans dimension correspondant au rapport, à une fréquence donnée du courant sinusoïdal alternatif, de la quantité d'énergie perdue dans l'isolant sous forme de chaleur sur la quantité d'énergie stockée dans l'isolant sous forme capacitive.Cette mesure est effectuée grâce à un pont de Schering. Ce paramètre ne constitue cependant qu'un facteur de qualité qui ne varie pas de façon significative avant la détérioration imminente de l'isolant et ne permet pas de localiser les défaillances. I1 ne permet donc pas de prévoir et d'évaluer de façon fiable le vieillissement de l'isolation. Les études menées sur le sujet ont ensuite permis de constater que le vieillissement de l'isolant était lié à l'apparition à l'intérieur ou en surface de l'isolant d'occlusions gazeuses, communément appelées vacuoles. On a constaté que ces vacuoles étaient le siège de l'apparition de décharges générant un courant impulsionnel. Ces impulsions de courant correspondent à de faibles réductions quasi instantanées de la capacité de l'isolation-masse. La demande de brevet EP 038 790, propose une méthode de détection d'une tenue diélectrique insuffisante de l'isolation de bobinages. La méthode décrite met en oeuvre un pont de mesure dans lequel les bobinages et la carcasse sont reliés pour mesurer la capacité et la résistance de l'isolation-masse.Ce pont, qui correspond à un pont de Schering est de plus équipé d'un dispositif de mesure à haute sélectivité de fréquence prédéterminée. I1 permet de mesurer l'amplitude maximale de la composante constituant la queue des impulsions de courant dû aux décharges partielles dans l'isolation du bobinage. La méthode utilisée dans cette demande de brevet constitue une amélioration à la technique précédente mais ne peut prendre en compte que les impulsions de courant dont l'amplitude est la plus grande. Or, les études ont montré que ce n'était pas uniquement ce genre d'impulsions qui étaient nocives et donc, cette méthode ne propose pas un moyen d'évaluer complètement l'état de vieillissement de l'isolation-masse. Outre le fait que le procédé décrit dans la demande de brevet EP 038 790 ne permet pas de discriminer les impulsions, elle ne peut être employée que sur une machine à l'arrêt. La présente invention a pour objet de proposer un procédé d'évaluation automatique sous tension alternative des isolations-masse des machines tournantes sous moyenne tension. La présente invention a également pour objet de proposer des dispositifs pouvant être utilisés pour la mise en oeuvre du procédé pour l'évaluation sous tension alternative des isolations-masse des machines tournantes, à l'arrêt, ou en fonctionnement. En particulier, l'objet de la présente invention est de fournir un procédé et des dispositifs permettant d'évaluer à long terme le vieillissement des isolations-masse de ces machines. En effet, si les procédés et les dispositifs de l'état de la technique prennent en compte pour l'évaluation du vieillissement d'un procédé d'une part la composante sinusoïdale du courant alternatif et d'autre part la composante impulsionnelle, ils ne prennent jamais en compte la composante non linéaire du courant alternatif. La demanderesse a constaté que le courant traversant l'isolationmasse soumise à une tension sinusoidale, se décomposait en plusieurs composantes de caractéristiques distinctes - la composante sinusoïdale fondamentale linéaire dont la fréquence est celle de la tension appliquée, - la composante impulsionnelle, dûe aux décharges partielles dans la masse de l'isolation, ainsi qu'aux décharges à la surface de cette isolation.Cette composante impulsionnelle se compose d'impulsions de courant correspondant à de faibles réductions quasi-instantanées de la capacité de l'isolation et ayant différentes composantes fréquentielles dont la valeur varie en fonction de la conductivité superficielle de l'isolant subissant la décharge, - la composante non linéaire du courant alternatif, dont les composantes fréquentielles se répartissent principalement entre la fréquence fondamentale et son harmonique 2. Cette composante non linéaire est dûe à des phénomènes de conduction non linéaire, de migrations d'ions. Le procédé d'évaluation automatique, sous tension alternative, du vieillissement des isolations-masse des machines tournantes sous moyenne tension consiste à mesurer à la fois - l'amplitude et la phase de la composante sinusoïdale fondamentale linéaire du courant traversant l'isolation, par rapport à la tension appliquée, - les amplitudes et les fréquences caractéristiques de la composante impulsionnelle du courant traversant l'isolation dûes aux décharges partielles, puis à discriminer les impulsions, en fonction de leurs composantes fréquentielles, de leur amplitude et de la phase de la tension appliquée, - la fréquence et l'amplitude de la composante non linéaire du courant traversant l'isolation. Selon une variante le procédé d'évaluation automatique sous tension alternative du vieillissement des isolations-masse des machines tournantes sous moyenne tension est effectué lorsque la machine est à l'arrêt et consiste à appliquer une tension alternative donnée à 1 'i- solation-masse, à annuler la composante sinusoïdale linéaire du courant traversant l'isolation grâce à un générateur de courant de compensation, de façon à connaitre la phase, la fréquence et l'amplitude de la composante sinusoidale linéaire, à associer une chaine de mesures se composant d'un convertiseur analogique - numérique couplé à un calculateur réalisant une transformée de Fourier rapide du signal dans la bande de fréquence utile de façon à mesurer la fréquence, l'amplitude et la phase de la composante non linéaire, à mesurer la fréquence propre l'amplitude de chaque impulsion et la phase de la tension appliquée pour chaque impulsion grâce à un réseau de filtre passe-bande de fréquences différentes mises en forme avant d'être acquis par ladite chaine de mesure numérique puis à discriminer selon leurs fréquences et la phase de la tension appliquée les impulsions grâce à un moyen informatique de calcul d'acquisition et de représentation des données. Selon une variante préférentielle de l'invention, le procédé d'évaluation automatique sous tension alternative du vieillissement des isolations-masse des machines tournantes sous moyenne tension est effectué lorsque la machine est en fonctionnement. Le procédé préférentiel consiste à suivre l'évolution de la composante linéaire sinusoïdale résiduelle, à mesurer la fréquence, l'amplitude et la phase de la composante non linéaire grâce à une chaine de mesure se composant d'un convertiseur analogique-numérique couplé à un calculateur réalisant une transformée de Fourier rapide du signal dans la bande de fréquence utile, à mesurer la fréquence propre, l'amplitude et la phase de chaque impulsion par rapport à la tension appliquée sur l'une des phases grâce à l'utilisation de plusieurs filtres passe-bande de fréquences différentes mises en forme avant d'être acquis par une chaîne de mesure numérique puis à discriminer selon leurs fréquences les impulsions grâce à un moyen informatique de calcul d'acquisition et de représentation des données. Dans le cas où la machine est arrêtée à partir des valeurs d'amplitude et de phase de la composante linéaire mesurée pour des tensions appliquées croissantes, on calcule la capacité et la résistance de l'isolation ainsi que la tan S . Bien sûr, la connaissance de ces valeurs n'est pas suffisante pour savoir l'état de dégradation de l'isolationmasse. Les informations contenues dans le spectre de la composante no- linéaire représentant les phénomènes de conduction ionique et en particulier la mesure de la composante fréquentielle sont essentielles pour la prédiction de la durée de vie résiduelle d'une isolation-masse et en conséquence d'une machine. La composante non-linéaire qui représente les phénomènes de conduction ionique limités par les interfaces entre les différentes couches du matériau composite formant l'isolation peut révéler que le champ électrique se trouve renforcé au point d'initier des dégradations irréversibles de l'isolation à ces interfaces et donc être un très bon indicateur de vieillissement. En ce qui concerne la composante impulsionnelle, chaque impulsion est comptabilisée en fonction de trois valeurs caractéristiques : Sa phase par rapport à la tension appliquée, son amplitude et sa fréquence propre. La phase permet de repérer la tension appliquée à l'instant de la décharge. Elle permet aussi de discriminer les impulsions en fonction de leur type (décharge de surface sur les développantes, décharge dans des vacuoles incluses dans l'isolation, ...). L'amplitude correspond à la charge apparente de la décharge. C'est le paramètre principalement retenu dans les mesures classiques des décharges partielles. Elle peut être considérée en tant que telle ou bien exprimée en terme d'énergie. Un graphe pouvant être obtenu à partir du moyen d'acquisition et de calcul informatique utilisés, et présentant le nombre de décharges en fonction de la phase et de l'amplitude donne immédiatement une image exploitable des mesures effectuées. La prise en compte de la fréquence propre des impulsions permet de distinguer les décharges de courte durée de celles dont la durue est plus importante. La durée d'une impulsion dépend de la conductivité des parois de la vacuole dans laquelle se produit la décharge. Si les parois sont dégradées alors la durée des impulsions augmente avec la coi=tivi- té. La mesure de la fréquence propre est donc un moyen de connaître l'état de dégradation des parois des vacuoles et d'estimer la concentration des produits de dégradation. Cette mesure est à relier aux mesures de la composante non-linéaire. La présente invention concerne également un dispositif d'wvalua- tion automatique sous tension alternative des isolations-masse d'une machine tournante sous moyenne tension pour la mise en oeuvre du pre-sédé précédemment décrit, dispositif pouvant être utilisé lorsque la machine est à l'arrêt. L'invention concerne également un dispositif analogue pouvant être utilisé lorsque la machine est en fonctionnement. Le dispositif d'évaluation automatique sous tension alternative des isolations-masse des machines tournantes sous moyenne tension l'ar- rêt comprend - une alimentatiqn alternative moyenne tension contrôlée cn amplitude reliée par une inductance de découplage L et une capacit C exempte de décharges partielles à un transformateur d'intensité différentiel à trois enroulements, - une source de courant contrôlé compensant la composante sinusoïdale fondamentale linéaire du courant traversant l'isolationmasse reliée au transformateur différentiel, - un réseau de filtres constitué d'un filtre à bandes étroites accordé sur la fréquence fondamentale permettant de déterminer le courant de compensation, d'un filtre passe-bas avec un amplificateur pour la mesure des courants non impulsionnels et de plusieurs filtres passe-bande pour la discrimination des impulsions, ce réseau de filtres étant relié d'une part au transformateur différentiel et d'autre part à une chaîne de mesure comprenant un convertisseur analogique numérique couplé à un calculateur réalisant une transformée de Fourier rapide du signal dans la bande de fréquence utile couplée à un moyen de mesure et de discrimination des décharges partielles, ladite chaîne de mesure étant contrôlée par un moyen informatique de calcul, d'acquisition et de représentation des mesures. Le dispositif analogue d'évaluation automatique sous tension alternative des isolations-masse d'une machine tournante sous moyenne tension en fonctionnement comprend - trois inductances de découplage L et de trois capacités C exemptes de décharges partielles reliés d'une part à la source de courant alternatif et d'autre part à un transformateur d'intensité différentiel à quatre enroulements, - un réseau de filtres constitué d'un filtre passe-bas avec un amplificateur pour la mesure des courants non impulsionnels et de plusieurs filtres passe-bande pour la discrimination des impulsions, ce réseau de filtres étant relié d'une part au transformateur différentiel et d'autre part à une chaîne de mesures comprenant un convertisseur analogiquenumérique et à un calculateur réalisant une transformée de Fourier rapide du signal dans la bande de fréquence utile couplée à un moyen de mesure et de discrimination des décharges partielles, ladite chaîne de mesure étant contrôlée par un moyen informatique de calcul, d'acquisition et de représentation des mesures. L'invention ainsi que les nombreux avantages qu'elle présente seront plus facilement compris grâce aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente le schéma fonctionnel d'un dispositif d'évaluation automatique sous tension alternative du vieillissement de l'isolationmasse d'une machine tournante sous moyenne tension à l'arrêt et la figure 2 représente un schéma fonctionnel d'un dispositif d'évaluation automatique sous tension alternative de l'isolation-masse d'une machine tournante sous moyenne tension en fonctionnement. Selon la figure 1, une machine en essai 1, munie d'un bornier 2 est à l'arrêt. Cette machine 1 est reliée à un dispositif selon l'invention représentée schématiquement pour des raisons de compréhension. Ce dispositif est constitué d'une alimentation alternative moyenne tension contrôlée en amplitude, d'une inductance L de découplage 4, d'une capacité C exempte de décharge partielles 5, d'un transformateur d'intensité différentiel 6 à trois enroulements, d'une source de courant 7 contrôlé qui compense la composante sinusoïdale fondamentale linéaire du courant traversant l'isolation, d'un filtre à bandes étroites 8 accordé sur la fréquence fondamentale (50 hertz) permettant de déterminer le courant de compensation, d'un filtre passe-bas 9 muni d'un amplificateur pour la mesure de la composante non-linéaire, un réseau de plusieurs filtres passebande 10 pour la discrimination des impulsions, d'une chaîne de mesure 11 constituée d'un convertisseur analogique numérique couplé à un calculateur réalisant une transformée de Fourier rapide du signal dans la bande de fréquence utile 12 c'est-à-dire, O à 10 fois la fréquence de la source moyenne tension, d'un moyen de mesure et de discrimination des décharges partielles 13 et d'un moyen informatique 14 d'acquisition de calcul et de représentation des mesures constitué dans le présent exemple par un microordinateur. Le dispositif est relié aux connections de la machine 1 à l'arrêt. Le transformateur différentiel 6 est relié au réseau de filtres 8, 9, 10 et, à l'alimentation alternative 3 compensée par le générateur de courant 7 et au bornier 2. Une chaîne de mesure 11 est reliée directement au moyen 14 d'acquisition de calcul et de représentation des mesures et au réseau de filtre 8,9, 10. La figure 2 représente un dispositif d'évaluation du vieillissement de l'isolation-masse d'une machine en fonctionnement I constitué de trois inductances L de découplage 20, de trois capacités C exemptes de décharges partielles 21, d'un transformateur d'intensité différentielle à quatre enroulements 22, d'un filtre passe-bas 23 muni d'un amplificateur pour la mesure de la composante non-linéaire 23, de plusieurs filtres passe-bande pour la discrimination des impulsions 24, d'une sonde de mesure de la tension appliquée 29, d'une chaîne de mesure 25 constituée d'un convertisseur analogique-numérique couplé à un calculateur 26 réalisant une transformée de Fourier rapide du signal dans la bande de fréquence utile (0 à 10 fois la fréquence du réseau), d'un moyen de mesure et de discrimination des décharges partielles 27 et d'un moyen 28 informatique d'acquisition de calcul et de représentation des mesures constitué par un micro-ordinateur dans le cas du présent exemple. Le dispositif est relié au bornier 2 de la machine 1 et à la source de courant alternatif alimentant la machine 1 en fonctionnement. Le transformateur différentiel 22 est relié à cette source de courant par les trois inductances 20 et les trois capacités 21 et est par ailleurs relié au bornier 2 et au réseau de filtres 23, 24. Ce réseau de filtre est relié à la chaîne de mesure 25 qui est elle-même directement relié au moyen informatique 28 d'acquisition, de calcul et de représentation des mesures. REVENDICATIONS 1. Procédé d'évaluation automatique, sous tension alternative, du vieil lissement des isolations-masse des machines tournantes sous moyenne tension caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer à la fois - l'amplitude et la phase de la composante sinusoidale fondamentale linéaire du courant traversant l'isolation, par rapport à la tension appliquée, - les fréquences et les amplitudes caractéristiques de la composan te impulsionnelle du courant traversant l'isolation dûes aux décharges partielles puis à discriminer les impulsions, en fonction de leurs composantes fréquentielles, - la fréquence et l'amplitude de la composante non linéaire du cou rant traversant l'isolation. 2. Procédé d'évaluation automatique sous tension alternative du vieillis sement des isolations-masse des machines tournantes sous moyenne ten sion selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est effectué lorsque la machine est à l'arrêt. 3. Procédé d'évaluation automatique sous tension alternative du vieillis sement des isolations-masse des machines tournantes sous moyenne ten sion selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste - à appliquer une tension alternative donnée à l'isolation-masse, - à annuler la composante sinusoïdale linéaire du courant traversant l'isolation grâce à un générateur de courant de compensation, de façon à connaître la phase, la fréquence et l'amplitude de la composante sinusoïdale linéaire, - à associer une chaîne de mesures se composant d'un convertis seur analogique-numérique couplé à un calculateur réalisant une trans formée de Fourier rapide du signal dans la bande de fréquence utile de façon à mesurer les fréquences amplitudes et phases de la compo sante non linéaire, à mesurer la fréquence propre, l'amplitude de chaque impulsion et la phase de la tension appliquée pour chaque im pulsion grâce à un réseau de filtres passe-bande de fréquences dif férentes mises en forme avant d'être acquis par ladite chaine de mesure numérique puis à discriminer les impulsions selon leurs fré quences leurs amplitudes et la phase de la tension appliquée grâce à un moyen informatique de calcul, d'acquisition et de représentation des données. 4. Procédé d'évaluation automatique sous tension alternative du vieil lissement des isolations-masse des machines tournantes sous moyenne tension selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est effec tué lorsque la machine est en fonctionnement. 5. Procédé d'évaluation automatique sous tension alternative du vieil lissement des isolations-masses selon la revendication 4, caractéri sé en ce qu'il consiste à suivre l'évolution de la composante linéaire sinusoidale résiduelle, à mesurer les fréquences, amplitudes et phases de la composante non linéaire grâce à une chaîne de mesure comprenant un convertisseur analogique-numérique couplé à un cal culateur réalisant une transformée de Fourier rapide du signal dans la bande de fréquence utile, à mesurer la fréquence propre et l'ampli tude et la phase de chaque impulsion par rapport à la tension appli quée sur l'une des phases grâce à l'utilisation de plusieurs filtres passe-bande de fréquences différentes mises en forme avant d'être acquis par une chaîne de mesure numérique puis à discriminer selon leurs fréquences les impulsions grâce à un moyen informatique de calcul, d'acquisition et de représentation des données. 6. Dispositif d'évaluation automatique sous tension alternative des isolations-masse d'une machine (1) tournante sous moyenne tension pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 à 3, ca ractérisé en ce qu'il comprend - une alimentation alternative moyenne tension (3) contrôlée en amplitude reliée par une inductance de découplage L (4) et une ca pacité C (5) exempte de décharges partielles à un transformateur d'intensité différentiel (6) à trois enroulements, - une source de courant contrôlé (7) compensant la composante si nusoidale fondamentale. linéaire du courant traversant l'isolation masse reliée au transformateur différentiel (6), - un réseau de filtres constitué d'un filtre à bandes étroites (8) accordé sur la fréquence fondamentale permettant de déterminer le courant de compensation, d'un filtre passe-bas (9) avec un ampli ficateur pour la mesure des courants non impulsionnels et de plusieurs filtres passe-bande (10) pour la discrimination des impulsions, ce réseau de filtres étant relié d'une part au transformateur diffé rentiel (6) et d'autre part à une chaîne de mesure (ll) comportant un convertisseur analogique numérique couplé à un calculateur (12) réalisant une transformée de Fourier rapide du signal dans la bande de fréquence utile couplée à un moyen de mesure et de discrimina tion (13) des décharges partielles, ladite chaîne de mesure étant contrôlée par un moyen informatique (14) de calcul, d'acquisition et de représentation des mesures. 7. Dispositif d'évaluation automatique sous tension alternative des isolations-masse (2) d'une machine tournante (1) sous moyenne tension pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendi cations 1, 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend - trois inductances de découplage L (20) et trois capacités C (21) exemptes de décharges partielles reliés d'une part à la source de courant alternatif et d'autre part à un transformateur d'intensité différentiel (22) à quatre enroulements, une sonde de mesure de la tension appliquée (29), - un réseau de filtres constitué d'un filtre passe-bas (23) avec un amplificateur pour la mesure des courants non impulsionnels et de plusieurs filtres passe-bande (24) pour la discrimination des impulsions, ce réseau de filtres étant relié d'une part au transfor mateur différentiel (22) analogique-numérique couplé à un calculateur (26) réalisant une transformée de Fourier rapide du signal dans la bande de fréquence utile couplée à un moyen de mesure (27) et de dis crimination des décharges partielles, ladite chaîne de mesure étant contrôlée par un moyen informatique (28) de calcul, d'acquisition et de représentation des mesures.