Brevet FR2696836A1 — publié le 19940415

DISPOSITIF DE SIMULATION ET D'EVALUATION DES RISQUES DE CONTOURNEMENT DUS A LA POLLUTION D'UN ISOLATEUR ELECTRIQUE La présente invention concerne un dispositif de simulation et d'évaluation des risques de contournement dûs à la pollution d'un isolateur électrique en fonctionnement. Elle trouve une application particulièrement importante bien que non exclusive dans le domaine d'aide à la maintenance des isolateurs pour lignes conductrices haute tension (HT) ou très haute tension (THT). La couche de particules polluantes qui se dépose sur une enveloppe isolante peut provoquer à terme un contournement à sec ou sous pluie de l'isolateur, ce qui entraîne des court-circuits de la ligne HT qu'il supporte, et l'arrêt de l'alimentation en électricité des utilisateurs connectés à cette ligne. Les risques de contournement varient dans le temps en fonction de l'accumulation de la pollution, des cycles journaliers d'humidification dus à la rosée, etc. I1 est important de connaître ces risques et il existe déjà des dispositifs permettant de les évaluer. Les dispositifs connus présentent cependant des inconvénients. En effet, ils sont soit d'une grande rusticité, et donc peu précis, comme le dispositif permettant de faire un contrôle ponctuel sur la surface externe de l'isolateur par prélèvement ou par contamination d'un papier humidifié dont on mesure la résistance électrique, soit coûteux et difficiles à mettre en oeuvre, comme les dispositifs reproduisant sur site et de manière prédéterminée les cycles d'humidification et d'assèchement d'un isolateur témoin. En effet, si ces dispositifs, inspirés des techniques de laboratoire, permettent un contrôle sur la totalité de l'isolateur, ils nécessitent cependant un appareillage important et donc coûteux. La présente invention vise à fournir un dispositif de simulation et d'évaluation des risques de contournement d'un isolateur électrique dus à la pollution, répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet d'effectuer des mesures fiables sur un isolateur de simulation dont on pourra ensuite tirer les enseignements nécessaires à l'appréciation des risques sur les isolateurs existants, de façon simple, peu coûteuse et aisée à mettre en oeuvre. Dans ce but, la présente invention propose notamment un dispositif de simulation et d'évaluation des risques de contournement du fait de la pollution, d'un isolateur électrique en fonctionnement, pour conducteur haute tension ou très haute tension, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe creuse en matériau isolant, étendue autour d'un axe, de configuration externe et de matériau identiques ou sensiblement identiques à ceux de l'isolateur à simuler, des moyens de simulation répartis à l'intérieur de ladite enveloppe, agencés pour générer à l'intérieur de ladite enveloppe une répartition du champ électrique voisine de la répartition du champ électrique réel obtenu dans l'isolateur à simuler, dans les conditions normales de son fonctionnement, et des moyens de détection internes à ladite enveloppe, sensibles à une variation entre le champ électrique généré par les moyens de simulation et le champ électrique qui tend à prendre naissance sous l'effet des conditions externes d'environnement ou de pollution, ou les deux à la fois. Par conditions normales de fonctionnement d'un isolateur, on entend les conditions normales de mise sous tension externe de l'isolateur, tenant compte de son mode d'installation et des contraintes électriques auxquelles l'isolateur est soumis en nominal, de l'état normal de l'enveloppe de l'isolateur, c'est-à-dire présentant une propreté normale, un degré d'hydrophobie normal des surfaces isolantes, etc, et de conditions climatiques correspondant à un air sec et non pollué. Avantageusement les moyens de détection comprennent des moyens de support internes agencés pour favoriser des déformations locales de champ électrique induites par lesdites conditions externes, à l'emplacement des détections. Les moyens de support agencés pour favoriser les déformations locales de champ électrique le sont notamment par leur forme, leur localisation et le choix de leur matériau constitutif, de façon connue, à la portée de l'homme du métier. Dans des modes de réalisation avantageux, on a de plus recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes - les moyens de détection comportent des moyens de mesure optique, par exemple à cristaux ou à fibres optiques - les moyens de détection comportent des éclateurs dont on détecte les effluves, c'est-à-dire les décharges électriques à faible luminescence - les moyens de détection comprennent au moins une fibre optique, l'enveloppe creuse étant remplie d'un gaz approprié à la production de lumière par les effluves - les moyens de detection comprennent au moins une fibre optique sensible aux effluves sur au moins une partie de sa longueur - les moyens de détection comportent de plus un circuit électronique de traitement des signaux emis par lesdits moyens de détection - les éclateurs producteurs d'effluves répartis à l'intérieur de l'enveloppe comportent des électrodes en regard deux à deux, de forme et de position favorisant la production desdites effluves à leur extrémité - au moins une partie des électrodes sont directement reliées aux moyens de simulation - les moyens de détection comprennent au moins une fibre optique munie d'une extrémité de détection située à proximité d'au moins une desdites extrémités d'électrodes - les moyens de simulation comportent des impédances connectées en séries, mises sous tension via des capots métalliques situés à chaque extrémité de l'enveloppe creuse - les impédances sont de nature capacitive - les impédances sont de nature résistive linéaire - les impédances sont de nature résistive non linéaire, par exemple à base de varistance à oxyde de zinc - les impédances de nature capacitive sont des disques métalliques identiques situés perpendiculairement à l'axe de l'enveloppe, et régulièrement répartis le long de ce dernier - l'enveloppe contient un gaz neutre comme de l'azote ou un mélange de gaz à base d'azote - le dispositif comporte des moyens de vidange et de renouvellement du gaz neutre de façon périodique - le dispositif comporte des moyens de mesure des courants de fuite externe pouvant apparaître entre au moins deux portions externes déterminées de l'enveloppe - le dispositif comporte des moyens de mesure externes du taux d'humidité et de la température ambiante de l'environnement du dispositif - le dispositif comporte des moyens de refroidissement ou de chauffage de l'enveloppe, agencés pour contrôler les phénomènes de condensation sur les surfaces externes de 1 'enveloppe. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement l'enveloppe d'un dispositif de simulation et d'évaluation selon un mode de réalisation de l'invention - la figure 2 est un schéma électrique équivalent illustrant le principe utilisé dans l'invention - la figure 3 est une vue partielle schématique de la partie interne d'une enveloppe de dispositif montrant deux modes de réalisation des moyens de simulation selon l'invention ; - la figure 4 est un schéma équivalent électrique partiel d'un mode de réalisation de la figure 3 ; - la figure 5 montre un schéma du dispositif de l'invention selon un mode particulier de réalisation - les figures 6A, 6B, 6C et 6D donnent des variantes de réalisation des moyens de simulation et de détection des dispositifs selon l'invention. La figure 1 montre l'enveloppe 1 d'un dispositif de simulation et d'évaluation selon le mode de réalisation de l'invention plus particulièrement décrit ici. L'enveloppe 1 est creuse, en matériau isolant. Elle est percée de part en part d'un alésage cylindrique étendu autour d'un axe 2 et présente une configuration externe schématisée par les ondulations 3 sur la figure 1, en forme d'anneaux empilés, de façon connue en elle-même. L'enveloppe 1 est fabriquée dans un matériau et présente une configuration externe identique ou sensiblement identique à ceux de l'isolateur à simuler. Elle est placée sur un support 4, et est fermée à chaque extrémité de façon étanche par des plaques d'obturation inférieure et supérieure 5 et 6. On a également représenté schématiquement les moyens 7 de simulation, régulièrement répartis à l'intérieur de l'enveloppe, agencés pour générer à l'intérieur de ladite enveloppe une répartition de potentiels voisine de la répartition de potentiels réelle obtenue dans l'isolateur à simuler, et représentée schématiquement en trait interrompu 8. La figure 2 est un schéma électrique équivalent illustrant le principe utilisé dans l'invention. L'enveloppe et les moyens de simulation à l'intérieur de l'enveloppe peuvent être schématisés par un réseau d'impédances 8, la pollution se traduisant par un shuntage résistif 9 du réseau d'impédances ainsi constitué. La ligne 10 d'impédance correspond à la répartition de potentiels internes à l'enveloppe, la ligne 11, à l'enveloppe elle-même et la ligne 12 à la répartition des potentiels externes à l'enveloppe. La figure 3 est une vue partielle schématique montrant deux modes 13 et 14 de réalisation de moyens de simulation selon l'invention. Les moyens de simulation correspondant au mode 13 comprennent une succession de disques métalliques 15, parallèles, perpendiculaires à l'axe longitudinal de l'enveloppe 16, par exemple de 1 mm d'épaisseur, de l'ordre de 15 cm de diamètre, légèrement inférieur au diamètre interne de l'alésage de l'enveloppe. Les disques sont par exemple en acier, espacés les uns des autres d'une distance de dix centimètres. Cette succession impose à l'intérieur de l'enveloppe une répartition de potentiels voisine de ce qu'elle serait pour un isolateur du type à contrôler, sans pollution. Les disques sont maintenus en place par des moyens de support interne isolant électriquement, par exemple comportant des cales isolantes, le tout étant maintenu longitudinalement en compression entre les plaques d'obturation 5 et 6. Les gradients élevés du champ électrique aux périphéries 17 des disques métalliques produisent des effluves détectées par des fibres optiques (non représentées) dont les extrémités sont placées directement à proximité. La répartition est appliquée sur les disques de potentiels par les impédances 18. A l'extrémité inférieure de la figure 3, un autre mode de réalisation 14 des moyens de simulation est représenté. La répartition de potentiels est obtenue au moyen de disques métalliques 19 de petit diamètre disposés axialement, perpendiculairement à l'axe 20 de l'enveloppe, à égale distance les uns des autres. Un dispositif annulaire sphérique 21 constitué par une bande sphérique équatoriale 22, par exemple d'un centimètre de largeur et muni d'un anneau plat 23 situé dans le plan de chaque disque de petit diamètre correspondant, est prévu. L'anneau plat est fixé à la partie interne médiane 24 du dispositif annulaire 21, vers l'intérieur de l'enveloppe. Sa périphérie interne 25 s'arrête à une distance déterminée de la périphérie externe 26 du disque de petit diamètre correspondant, par exemple à une distance de quelques millimètres. Les effluves advenant entre ces extrémités périphériques 25 et 26 sont détectées par des moyens par exemple à fibre optique, comme on va le voir. La figure 4 est un schéma électrique de principe correspondant au mode de réalisation 14 de la figure 3. Le réseau capacitif 27 correspond à l'enveloppe et ses moyens de simulation, la pollution étant schématisée par le réseau résistif 28. La ligne 29 correspond aux disques de petit diamètre 19, la ligne 30 à l'espacement entre disques 19 et anneau 22 du dispositif annulaire sphérique 21, la ligne 31 à l'enveloppe et la ligne 32 à la répartition externe des potentiels. La figure 5 est un schéma du mode de réalisation du dispositif 33 selon l'invention plus particulièrement décrit ici. Le dispositif 33 comporte une enveloppe 34 percée de part en part d'un alésage cylindrique, des moyens de simulation 35 (schématisés en traits interrompus), par exemple comportant une succession de disques comme décrit ci-avant, comprenant des premiers et derniers disques connectés au réseau HT ou THT ou à un générateur de tension (non représenté) pour simuler le fonctionnement de ce dernier. Des éclateurs producteurs d'effluves peuvent également et par ailleurs être installés. Des moyens de détection 36 internes sont prévus. Ils comprennent plusieurs fibres optiques 37 munies d'une extrémité 38 de détection située à proximité d'au moins un éclateur ou périphérie de disques génératrice d'effluves. Les différentes fibres optiques 37 sont rassemblées sous forme d'un câble optique 39 de transfert, lui-même raccordé à un dispositif 40 de mesure et de traitement des impulsions électriques détectées, de façon connue en elle-même. Une unité 41 de calcul et de restitution des résultats, par exemple constituée par un microordinateur et ses périphériques, ou par une station de travail est également prévue. Des moyens de mesure 42 et de traitement 43 des courants de fuites externes, connus en eux-mêmes, et des moyens 44 de mesure du taux d'humidité externe et de la température ambiante de l'environnement du dispositif, sont également prévus et connectés à l'unité 41. Des moyens 45, connus en eux-mêmes, de remplissage par un gaz neutre et de vidange de l'enveloppe sont prévus. Des moyens 46 (en traits interrompus sur la figure 5) de chauffage et/ou de refroidissement peuvent également être installés. Les risques de contournement sont appréciés en fonction de l'intensité et de la fréquence des effluves, ainsi que de leur localisation sur la colonne de l'enveloppe isolante, notamment à partir du traitement statistique des résultats des essais ayant aboutis au contournement, en laboratoire. Les figures 6A à 6D représentent de façon nullement limitative des variantes de réalisation des moyens de simulation et de détection selon l'invention. La figure 6A est une vue de dessus, en coupe d'un élément 50 de simulation placé dans une enveloppe dont la paroi interne de l'alésage cylindrique est représentée en 51. L'élément 50 comprend un anneau métallique externe 52 muni d'une pointe 53 sur sa périphérie interne 54, et un disque 55 de petit diamètre, excentré par rapport à l'axe 56 de l'enveloppe. La colonne composée par l'empilement des disques 55 séparés entre eux par des cales isolantes identiques (non représentées) assure le support mécanique des électrodes et des impédances de répartition de potentiels. Les impédances peuvent être différentes. Le disque 55 et la pointe 53 constitue les deux électrodes d'un éclateur, l'effluve à mesurer se situant en 57, emplacement où l'extrémité d'une fibre optique de détection (non représentée) est disposée. La figure 6B montre, toujours en vue de dessus et en coupe la partie interne d'un autre dispositif selon l'invention, montrant un élément 60 de simulation placé dans l'alésage cylindrique interne 61 de l'enveloppe. L'élément comprend trois disques 62 identiques métalliques en forme de croissant plat, ou de haricot plat, régulièrement répartis sur le pourtour de la paroi interne 63 de l'enveloppe, à distance égale les uns des autres. Chaque croissant comporte une pointe médiane 64 sur sa périphérie interne, dirigée vers l'axe longitudinal 65 de l'enveloppe. L'élément comprend également un disque circulaire central 66 de petit diamètre. Le disque 66 et les pointes 64 constituent les électrodes de trois éclateurs répartis à 120 , les effluves à mesurer se situant en 67. La figure 6C montre une autre variante, déjà décrite précédemment. Les moyens de simulation comportent des disques 70 circulaires, métalliques, d'axe identique à l'axe de l'enveloppe 71, et de diamètre un peu inférieur au diamètre interne de l'alésage de l'enveloppe. Les moyens de détection comprennent par exemple des fibres optiques 72 sensibles sur au moins une partie de leur longueur d'extrémité aux effluves. La figure 6D montre schématiquement, en coupe longitudinale, l'intérieur de l'enveloppe 80 d'un dispositif selon l'invention. Les moyens de simulation et de détection ne sont pas représentés. Les emplacements propices à l'apparition d'effluves (compte tenu de l'emplacement de moyens de simulation) figurent en 81, 82, 83 et 84, les zones 85, 86 et 87 (hachurées sur la figure 6D) étant alors les zones surveillées par les fibres optiques. On va maintenant décrire la mise en oeuvre du dispositif selon l'invention, en faisant notamment référence à la figure 5. L'enveloppe d'un dispositif selon l'invention et sa partie interne sont préparées en fonction de l'étude prévue, Par exemple, si l'on cherche à étudier la réaction à la pollution d'un isolateur déterminé dans sa partie supérieure, les capteurs (extrémité de fibre optique par exemple) seront placés en partie haute de l'enveloppe et fixés grâce aux moyens de support et de présentation des extrémités prévus à cet effet (non représentés sur les figures). L'enveloppe est ensuite purgée de son air et remplie de gaz neutre via les moyens 45. Les connexions sont ensuite réalisées entre les fibres optiques et la partie traitement 40, 41 du dispositif. Les moyens de simulation sont alors mis sous tension et l'état initial du dispositif est vérifié. Cet état initial doit être en tous points similaire à l'isolateur réel en fonctionnement dont on veut étudier le comportement. On soumet ensuite en réel le dispositif aux conditions de pollution ou d'environnement (lavage par la pluie par exemple) dont on veut mesurer les effets sur ledit isolateur correspondant au dispositif. Les émissions d'effluves, leurs fréquences, leur intensité sont détectées et mesurées grâce aux moyens décrits ci-dessus. De telles mesures permettent par exemple de déterminer le seuil de pollution au-delà duquel un isolateur risque d'être contourné. D'autres utilisations du dispositif selon l'invention sont bien entendu possibles, comme la recherche et le développement sur les mécanismes de contournement en laboratoire ou sur site, ou encore l'optimisation de nouveaux profils d'isolateurs vis-à-vis de la pollution, ou encore le développement de nouveaux matériaux synthétiques pour la fabrication d'enveloppe d'isolateur. REVENDICATIONS 1. Dispositif (33) de simulation et d'évaluation des risques de contournement du fait de la pollution, d'un isolateur électrique en fonctionnement, pour conducteur haute tension ou très haute tension, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe creuse (1,3,4) en matériau isolant, étendue autour d'un axe, de configuration externe et de matériau identiques ou sensiblement identiques à ceux de l'isolateur à simuler, des moyens de simulation (7,13,14,35) répartis à l'intérieur de ladite enveloppe, agencés pour générer à l'intérieur de ladite enveloppe une répartition du champ électrique voisine de la répartition du champ électrique réel obtenu dans l'isolateur à simuler, dans les conditions normales de son fonctionnement, et des moyens de détection (36) internes à ladite enveloppe, sensibles à une variation du champ électrique entre le champ électrique généré par lesdits moyens de simulation et le champ électrique qui tend à prendre naissance sous l'effet des conditions externes d'environnement ou de pollution, ou les deux à la fois. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détection (36) sensibles à un champ électrique comportent des moyens de mesure optique. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de détection (36) comprennent au moins une fibre optique (37,72), l'enveloppe creuse (34) étant remplie d'un gaz approprié à la production de lumière par les effluves. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite fibre optique (37,72) est sensible aux effluves sur au moins une partie de sa longueur. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des éclateurs (53,55 ; 64,66) producteurs d'effluves, répartis à l'intérieur de l'enveloppe, lesdits éclateurs comportant des électrodes en regard deux à deux, de forme et de position favorisant la production desdites effluves à leur extrémité. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de simulation (7,35) comportent des impédances capacitives ou résistives, ou les deux connectées en séries, mises sous tension via des capots métalliques (5,6) situés à chaque extrémité de l'enveloppe creuse. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les impédances comportent une composante résistive de nature non linéaire. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les impédances de nature capacitive sont des disques métalliques (15) situés perpendiculairement à l'axe de l'enveloppe, et régulièrement répartis le long de ce dernier. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enveloppe contient un gaz neutre comme de l'azote ou un mélange de gaz à base d'azote. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (45) de vidange et de renouvellement du gaz neutre de façon périodique. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (42,43) de mesure des courants de fuite externe pouvant apparaître entre au moins deux portions externes déterminées de l'enveloppe. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (46) de refroidissement ou de chauffage de l'enveloppe, agencés pour contrôler les phénomènes de condensation sur les surfaces externes de l'enveloppe.