Brevet FR2680417A1 — publié le 19930219

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR MESURER ET CONTROLER LA REPARTITION SPATIALE DES CHARGES ELECTRIQUES DANS UN CABLE ELECTRIQUE ISOLE La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour mesurer et contrôler la répartition spatiale des charges électriques dans un câble électrique isolé. Elle est plus particulièrement applicable aux câbles de transport de énergie électrique pour moyenne et haute tension. Dans les isolants solides soumis à des contraintes électriques élevées, un certain nombre de mécanismes encore mal connus conduisent très souvent à l'installation d'une charge d'espace qui rompt la neutralité électrique de certaines régions de l'isolant. Cette non-neutralité persiste même si on supprime la contrainte électrique extérieure qui lui a donné naissance. Cette charge d'espace, qui s'accumule dans certaines régions de l'isolant, a pour effet d'augmenter le champ électrique local, ce qui réduit la tenue en tension, donc la rigidité diélectrique et la durée de vie des dispositifs travaillant sous tension élevée comme les câbles et les condensateurs. Depuis longtemps, les problèmes de fiabilité et de durée de vie des câbles de transport de l'énergie électrique préoccupent les constructeurs et les utilisateurs. I1 est donc ressorti la nécessité de faire des études sur la mise en évidence des charges d'espace et leur influence dans les matériaux destinés à être utilisés dans les câbles. En effet, les phénomènes tels que la fiabilité et le vieillissement semblent être corrélés avec l'apparition et le développement de la charge d'espace. Depuis quelques années, de nombreuses études ont été entreprises pour élucider les mécanismes qui régissent l'installation de cette charge d'espace afin de tenter d'en inhiber le processus ou du moins d'agir sur sa cinétique. Le principe à la base de l'invention consiste à produire une onde thermique dans l'isolant du câble qui, par un processus de diffusion dans l'épaisseur de l'isolant, provoque une dilatation non uniforme de celui-ci. Suite à cette dilatation, les charges électriques se déplacent, de façon différente les unes des autres, dans le temps et dans l'espace, modifiant l'équilibre électrique des électrodes constituées notamment par deux couches semi-conductrices entre lesquelles est interposé l'isolant, et donnant lieu à un courant (courant de court-circuit) détectable dans un circuit extérieur par un appareil dont l'impédance est faible. L'analyse de ce courant permet de situer et d'évaluer les charges d'espace dans l'isolant, et d'en déduire d'autres grandeurs électriques telles que les champs électriques ou les potentiels associés. L'invention concerne donc un procédé pour mesurer et contrôler l'état électrique d'un câble ou d'une portion de câble électrique comprenant une âme conductrice centrale entourée d'une couche isolante, la couche isolante comportant une pluralité de charges électriques réparties dans son volume, caractérisé en ce que l'on chauffe l'âme conductrice pendant une durée déterminée jusqu'à atteindre une température déterminée de la couche isolante, de façon à produire une onde thermique centrifuge traversant par diffusion la couche isolante et apte à provoquer un déplacement desdites charges électriques. Avantageusement, on chauffe l'âme conductrice en faisant passer dans celle-ci un courant électrique à partir de deux extrémités du câble. Une première application de l'invention consiste à modifier l'étant électrique d'un câble qui, à l'usage, a accumulé une quantité de charges électriques susceptible de mettre en cause sa tenue diélectrique. Dans ce cas, ladite température déterminée est choisie de façon que sensiblement toutes les charges électriques sont évacuées de la couche isolante. I1 s'agit d'une température de l'ordre de quelques dizaines de degrés Celsius, par exemple d'environ 70 OC. Une seconde application de 1 ' invention consiste à vérifier l'état électrique d'un câble, sans modifier son équilibre électrique actuel. I1 s'agit dans ce cas seulement de mesurer la valeur de la densité de charges d'espace. Ladite température déterminée est choisie de façon que sensiblement aucune charge électrique n'est évacuée de la couche isolante. I1 s'agit d'une température de l'ordre de quelques degrés Celsius. Dans cette seconde application, on enregistre avantageusement un signal représentatif de l'onde thermique produite, on mesure un courant induit par tonde thermique et traversant le câble entre l'âme conductrice et une surface extérieure de la couche isolante , et on en déduit une image de la répartition spatiale des charges électriques dans la couche isolante. D'autres détails et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'un mode de réalisation préféré mais non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est un schéma de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, appliqué à une éprouvette constituée d'un tronçon de câble de courte longueur la figure 2 est une vue en coupe longitudinale de l'éprouvette ; et les figures 3 et 4 illustrent la mise en oeuvre du procédé appliqué à un câble de grande longueur disposé sur site. L'éprouvette 1 représentée sur les figures 1 et 2 est constituée d'un tronçon de câble électrique de longueur inférieure au mètre, ce câble étant constitué de façon connue en soi d'une âme conductrice centrale 2, recouverte, tel qu'observé radialement de l'intérieur vers l'extérieur par rapport à un axe 6 de l'éprouvette, par une couche intérieure semi-conductrice 3, une couche isolante 4, et une couche extérieure semi-conductrice 5. A deux extrémités de l'éprouvette 1, l'âme conductrice 2 forme un cône 7, 8 concave, coaxial à l'éprouvette 1. A ces mêmes extrémités de l'éprouvette 1, la couche isolante 4 s'étend au-delà des couches semi-conductrices intérieure et extérieure 3, 5 selon deux couronnes coaxiales à l'éprouvette 1 et présentant une épaisseur un peu inférieure à la partie de couche isolante située entre les extrémités de l'éprouvette. Sur la figure 1 est symbolisé un transformateur élévateur de courant 13 comprenant un primaire 14 constitué d'un grand nombre de spires non représentées, juxtaposées selon une colonne, et un secondaire 15 constitué par un câble de puissance formant une spire unique autour du primaire 14. Le câble de puissance 15 comprend une âme conductrice 16 recouverte d'une couche isolante 17. A deux extrémités, le câble de puissance 15 est dénudé et l'âme 16 présente un cône convexe de même angle que les cônes concaves 7, 8 de l'éprouvette 1. Des moyens non représentés sont prévus pour permettre de maintenir les cônes convexes du câble de puissance 15 plaqués contre les cônes concaves 7, 8 de l'éprouvette 1. Un écran 18, constitué d'un tube conducteur, entoure l'éprouvette 1 et les extrémités dénudées du câble de puissance 15. Cet écran ainsi que l'âme de l'une des extrémités du câble de puissance 15 sont reliés à la masse. Des moyens d'alimentation en énergie électrique non représentés permettent d'alimenter le transformateur 13 pendant quelques secondes, produisant ainsi au secondaire de celui-ci un courant intense traversant l'âme conductrice 2 de l'éprouvette 1. Des moyens de mesure de la densité de charges d'espace au sein de la couche isolante 4 de l'éprouvette 1 sont prévus et comprennent un détecteur de courant 20, tel qu'une pince ampèremétrique, entourant le câble de puissance 15 et un picoampèremètre 21 branché entre la couche extérieure semi conductrice 5 de l'éprouvette 1 et la masse. Le détecteur de courant 20 mesure donc l'intensité du courant de chauffage traversant l'éprouvette 1 tandis que le picoampèremètre 21 mesure l'intensité du courant induit, dans la couche isolante 4 de l'éprouvette 1, par l'onde thermique provoquée par le passage du courant de chauffage. Le détecteur de courant 20 et le picoampèremètre 21 sont reliés à un convertisseur analogique/numérique 22, lui-même relié en sortie à un ordinateur 23. L'ordinateur 23 inclut un logiciel permettant, à partir de la connaissance du courant de chauffage et du courant induit, de déterminer la valeur de la densité de charges d'espace au sein de la couche isolante 4 de l'éprouvette 1, selon la formule suivante où 1 : longueur utile de l'éprouvette ; ri : rayon interne de la couche isolante de l'éprouvette ; r2 : rayon externe de la couche isolante de l'éprouvette ; r : un rayon compris entre ri et r2 ; t : le temps ; a : un coefficient dépendant du coefficient de dilatation linéaire et de la permittivité du matériau constituant la couche isolante ; g(r,t) : fonction définissant l'onde thermique produite, dépendant ici du courant de chauffage p(r) : densité de charges d'espace ; I(t) : courant induit par l'onde thermique. Il s'agit d'une équation intégrale où p(r) est l'inconnue et g(r,t).r le noyau. Le dispositif décrit ci-dessus est utilisé de la façon suivante. Dans le cas où l'éprouvette 1 contient des charges d'espace soit parce qu'elle a déjà été mise sous tension, soit en raison de son processus de fabrication, une mesure de la densité de charges d'espace peut être effectuée directement. Dans le cas contraire, cette mesure doit être précédée d'une opération dans laquelle on fait apparaître des charges d'espace par polarisation suivant les conditions d'exploitation dans l'éprouvette 1. On injecte alors un courant de chauffage dans l'âme de l'éprouvette pendant quelques secondes, ce qui a pour effet d'élever la température de 1 l'âme de quelques degrés C. Simultanément, le courant induit par l'onde thermique ainsi produite est mesuré et enregistré. Il s'agit d'un essai dit "non destructif" en ce sens que l'on peut procéder à plusieurs mesures identiques successivement, qui conduiront à une même valeur de la densité de charges d'espace. Une autre utilisation du procédé selon l'invention consiste à régénérer un câble électrique après un certain temps de fonctionnement pour ramener sa densité de charges à une valeur sensiblement nulle. Sur site, un câble électrique emmagasine en effet des charges électriques sous l'effet d'une part des cycles de fonctionnement électrique répétés et d'autre part du vieillissement du câble. La présence de ces charges électriques se traduit par un champ électrique résiduel qui, s' ajoutant au champ électrique de fonctionnement résultant de la mise sous tension du câble, peut conduire à un claquage de la couche isolante de celui-ci. La régénération du câble est obtenue en chauffant celuici au moyen du câble de puissance 15 pendant un temps suffisant et sous une intensité suffisante pour produire un échauffement de l'âme égal à plusieurs dizaines de degrés C, par exemple 70 OC. L'essai est dit "destructif" en ce sens que la densité de charges électriques a été modifiée au cours de celui-ci puisqu'elle est passée d'une valeur déterminée à environ 0. Les figures 3 et 4 sont relatives à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention pour un câble de grande longueur installé sur un site, c'est-à-dire de longueur allant de quelques centaines de mètres à quelques kilomètres. On considère ici un câble électrique comprenant au moins deux conducteurs 31, 32 correspondant à deux phases dans un fonctionnement en courant alternatif ou bien à l'aller et au retour dans un fonctionnement en courant continu. Chaque conducteur 31, 32 est de constitution semblable à celle de l'éprouvette 1 des figures 1 et 2 et présente des extrémités préparées de la même façon. Dans ce cas, il n'est pas prévu d'écran rapporté. La couche extérieure semi-conductrice de chaque conducteur, ou l'écran de ce conducteur si celui-ci en comporte un, disposé autour de la couche extérieure semiconductrice, est reliée à la masse, notamment par contact direct avec le sol. A une extrémité du câble, les conducteurs 31, 32 sont reliés entre eux par un câble de liaison 33. A l'autre extrémité du câble, les conducteurs 31, 32 sont reliés respectivement aux deux extrémités d'un câble de liaison 34 constituant le secondaire d'un transformateur 35. Cette partie du montage est illustrée sur la figure 3. La partie du montage constituant le circuit de mesure est illustrée sur la figure 4. Deux nanoampèremètres 35, 36 sont respectivement reliés entre l'extrémité des conducteurs 31, 32 reliée au transformateur 35 et la masse. Une sortie des nanoampèremètres 35, 36 est reliée à un convertisseur analogique/numérique 37 lui-même relié en sortie à un ordinateur 38. Par ailleurs, un détecteur de courant 39 détecte le courant dans le câble de liaison 34 et est relié au convertisseur analogique/numérique 37. En utilisation, une première phase consiste à effectuer seulement le montage de la figure 3 pour injecter un courant de chauffage dans les deux conducteurs 31, 32 montés en série. Dans une seconde phase suivant immédiatement la première, par une commutation rapide on passe du montage de la figure 3 à celui de la figure 4 pour enregistrer deux courants induits dans les deux conducteurs 31, 32. Compte tenu de la longueur importante des conducteurs, la densité de charges électriques mesurée n'est qu'une valeur moyenne de la densité de charges existant le long du conducteur. L'intensité du courant de chauffage et la durée du chauffage dépendant du type de câble testé. Suivant notamment la longueur du câble, l'épaisseur d'isolant, le diamètre et la nature de l'âme centrale, le courant de chauffage peut varier de quelques centaines d'Ampères à quelques kiloampères pour une élévation de température variant de quelques degrés à quelques dizaines de degrés. Le tableau suivant illustre un exemple de chauffage "non destructif" de deux câbles de longueur 600 mètres, ayant une âme en aluminium, l'un ayant une section double de celle de l'autre. On y indique les courants et temps de chauffage pour l'obtention d'une élévation de température de la couche isolante des câbles égale à 50C. Les notations suivantes sont utilisées I = courant de chauffage traversant l'âme du câble, P = puissance fournie au câble, W = énergie totale fournie au câble. type de Câble N0 1 Cable N0 2 câble section = 600 mm2 . section =1200 mm2 temps de chauf- . masse = 970 kg . masse = 1943 kg fage t . résistance électrique . R = 0,0133 Q (s) de l'âme : R = 0,0266 Q I = 5,72 KA I = 11,46 KA 5 P = RI2 = 871 KW P = 1,74 MW W = RI2t = 4,35 MJ W = 8,7 MJ I = 4,04 KA I = 8,1 KA 10 P = 435 MW P = 873 KW W = 4,35 MJ W = 8,73 MJ I = 3,30 KA I = 6,62 KA 15 P = 290,5 MW P = 582 KW W = 4,35 MJ W = 8 73 MJ La valeur du courant induit est en relation avec la longueur du câble testé : elle se mesure en picoampères pour des câbles de quelques mètres, en nanoampères pour des câbles de plusieurs centaines de mètres, et en microampères pour des câbles de plusieurs kilomètres. En ce qui concerne le choix de la température dans le cas d'un essai non destructif, il est conseillé de produire une augmentation de température de l'ordre de 300C pour une éprouvette de courte longueur, faisant passer sa température par exemple de -100C (état réfrigéré) à +200C, et de l'ordre de 50C pour un câble de grande longueur disposé sur site et initialement à la température ambiante. Une valeur de 400C constitue une valeur maximale de température atteinte, au-delà de laquelle l'essai devient "destructif". Quant au temps de chauffage, il devra être petit devant le temps de mesure du courant induit, notamment pas supérieur à 10 % du temps de mesure. Le temps de mesure est lui-même fonction de la valeur de la constante de temps de propagation de la chaleur dans l'isolant considéré, celle-ci étant proportionnelle au carré de l'épaisseur de l'isolant. Ainsi, pour un isolant d'épaisseur 16 mm en polyéthylène, le temps de mesure sera de l'ordre de 300 secondes : le temps de chauffage devra donc être inférieur à environ 30 secondes. En ce qui concerne maintenant l'essai destructif, la température à atteindre sera comprise entre 400C et 900C, de préférence entre 500C et 750C, de préférence encore vers 700C. Le temps de chauffage sera au moins égal à plusieurs heures, et de préférence égal à environ 24 heures. Le procédé décrit en regard des figures 3 et 4 est applicable à un câble de grande longueur enroulé sur un touret, dont les deux extrémités seront reliées successivement au transformateur 35 puis aux manoampèremètres. On notera que le présent procédé permet de traiter des câbles électriques dont l'isolant présente une épaisseur allant de quelques millimètres à quelques centimètres. Il présente une sensibilité remarquable, puisqu'il permet de mesurer des densités volumiques de charges d'espace de l'ordre de quelques millicoulombs/m3. L'invention s'applique non seulement à des câbles dont l'isolant est massif tel qu'en une matière plastique extrudée, mais également à des câbles dont l'isolant est en papier imprégné, voire à des câbles à isolation fluide dans la mesure où le fluide est assez visqueux pour ne pas entraîner de phénomène du type convection ou autre, rendant la mesure impossible (viscosité supérieure à 100). En variante, la mesure du courant de chauffage pourra être remplacée par une mesure de la température atteinte par l'âme du câble, effectuée au moyen d'un thermocouple relié au convertisseur analogique/numérique par l'intermédiaire d'un voltmètre. Par ailleurs, bien que l'utilisation du courant électrique soit un mode préféré de chauffage de l'âme du câble, on peut envisager d'autres procédés, notamment l'injection de liquide chaud dans une éprouvette présentant une âme creuse. REVENDICATIONS 1. Procédé pour mesurer et contrôler l'état électrique d'un câble ou d'une portion de câble électrique comprenant une âme conductrice (2) centrale entourée d'une couche isolante (4), la couche isolante comportant une pluralité de charges électriques réparties dans son volume, caractérisé en ce que l'on chauffe l'âme conductrice (2) pendant une durée déterminée jusqu a atteindre une température déterminée de la couche isolante (4), de façon à produire une onde thermique centrifuge traversant par diffusion la couche isolante et apte à provoquer un déplacement desdites charges électriques. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on chauffe l'âme conductrice (2) en faisant passer dans celle-ci un courant électrique à partir de deux extrémités du câble. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 pour modifier l'état électrique du câble, dans lequel ladite température déterminée est telle que sensiblement toutes les charges électriques sont évacuées de la couche isolante (4). 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2 pour vérifier l'étant électrique du câble, dans lequel ladite température déterminée est telle que sensiblement aucune charge électrique n'est évacuée de la couche isolante (4). 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel on enregistre un signal représentatif de l'onde thermique produite, on mesure un courant induit par l'onde thermique et traversant le câble entre l'âme conductrice (2) et une surface extérieure de la couche isolante (4), et on en déduit une image de la répartition spatiale des charges électriques dans la couche isolante. 6. Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend - un transformateur élévateur de courant (13) ; et - des moyens de contact agencés pour appliquer des extrémités de l'âme conductrice (6) du câble contre des extrémités conductrices d'un secondaire du transformateur. 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel les extrémités de l'âme conductrice (6) du câble et les extrémités conductrices du secondaire du transformateur présentent des surfaces coniques imbriquées (7, 8). 8. Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 5 sur une éprouvette (1) d'un câble électrique comprenant une couche extérieure (5) au moins faiblement conductrice entourant la couche isolante (4), caractérisé en ce qu'il comprend - un écran (18) entourant à espacement l'éprouvette (1) ; - des moyens de chauffage (13, 15) pour faire passer un courant de chauffage entre deux extrémités de l'éprouvette ; - des moyens de mesure (20) pour mesurer ledit courant de chauffage ; - des moyens de mesure (21) pour mesurer ledit courant induit, branchés entre l'âme conductrice (2) et ladite couche extérieure (5) ; et - des moyens de calcul (22, 23) pour fournir une image de la répartition spatiale des charges électriques en fonction desdites mesures. 9. Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 5 sur un câble disposé sur site et comportant au moins deux conducteurs (31, 32) juxtaposés, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens pour relier entre elles deux âmes conductrices desdits conducteurs (31, 32) à une première extrémité du câble ; - des moyens de chauffage (34, 35) pour faire passer un courant de chauffage, branchés entre les âmes conductrices à une seconde extrémité du câble ; - des moyens de mesure pour mesurer ledit courant de chauffage ; - des premiers (35) et seconds (36) moyens de mesure pour mesurer ledit courant induit, branchés à ladite seconde extrémité du câble respectivement entre l'une desdites âmes conductrices et la masse ; et - des moyens de calcul (37, 38) pour fournir une image de la répartition spatiale des charges électriques en fonction desdites mesures.