Brevet FR2719125A1 — publié le 19951027

! DISPOSITIF DE DETECTION D'ARC INTERNE POUR CABLE A HAUTE TENSION A ISOLATION GAZEUSE La présente invention concerne la détection des arcs internes dans les cables & haute tension & isolation gazeuse et en particulier pour les câbles enterrés. Pour les cables enterrés, il est absolument nécessaire de pouvoir localiser avec certitude le tronçon de câble endommagé lors d'un défaut entrainant un arc interne. Il a été décrit dans la demande de brevet français n*9315355 du 21 décembre 1993, un mode de réalisation de câble & isolation gazeuse, utilisable pour des liaisons électriques & longue distance, et comprenant des tronçons séparés par des compartiments étanches. Chaque tronçon comprend des conducteurs sous forme de tubes disposés parallèlement entre eux. L'enveloppe entourant ces conducteurs est une enveloppe cylindrique en acier; un écran magnétique constitué d'une enveloppe en aluminium est disposée entre les conducteurs et l'enveloppe d'acier. La longueur d'un tronçon est comprise entre 50 et 100 mètres. Il a été signalé dans le document précité l'utilisation possible de fibres optiques pour la transmission des informations; on a également mentionné l'utilisation de fibres optiques comme capteurs & 1 'intérieur du cable. Lors d'un défaut interne, il se produit un arc électrique qui endommage les éléments intérieurs au tronçon (conducteurs, écran) et m lme 1'enveloppe extérieure en acier; il est nécessaire alors de remplacer le tronçon endommagé. On note que le gaz, pollué par 1l'arc électrique, ne peut se propager au-delà du tronçon en défaut en raison de la présence des compartiments étanches. Un but de l'invention est de définir un dispositif de détection et de localisation d'un défaut dans un câble de grande longueur (plusieurs kilomètres). L'invention a pour objet un dispositif pour la localisation d'un tronçon en défaut dans un câble électrique & isolation gazeuse comprenant une pluralité de tronçons séparés par des compartiments étanches, chaque tronçon comprenant des conducteurs, une enveloppe extérieure en acier et un écran magnétique disposé entre les conducteurs et l'enveloppe extérieure, le cible étant isoé16 par un gaz sous pression, le défaut occasionnant l'apparition d'un arc électrique, caractérisé en ce qu'il comprend une fibre optique disposée selon une boucle dont les deux brins s'étendent chacun le long du cible en traversant de manière étanche les compartiments étanches, la boucle étant ouverte & l'une des extrémités du cible, un premier brin étant agencé pour recueillir et transmettre de la lumière générée par le défaut, l'autre brin étant gainé de manière & être opaque & la lumière, le dispositif comprenant des moyens pour recueillir la lumière & chacune des extrémités de la boucle et mesurer la durée séparant l'apparition de la lumière & l'extrémité de chacun desdits brins. Dans un premier mode de réalisation de 1 'invention, la lumière est celle de 1l'arc électrique apparaissant lors du défaut. Dans un second mode de réalisation de l'invention, la lumière est générée & partir de la surtension apparaissant lors d'un défaut entre ladite enveloppe extérieure et ledit écran. L'invention sera bien comprise & la lecture de la description de divers modes de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel: - - la figure 1 est une vue schématique d'un tronçon d'un cible électrique & haute tension à isolation gazeuse, - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II- II de la figure 1, - la figure 3 représente une fibre optique en boucle ouverte pour la détection et la localisation d'un défaut dans un cible à haute tension & isolation gazeuse, - la figure 4 est un schéma d'un dispositif pour le calcul de la distance du défaut & partir des informations données par les deux brins de la fibre optique, - la figure 5 représente une fibre.optique associée & un concentrateur de lumière selon un premier mode de réalisation, - la figure 6 représente une fibre optique associée & un concentrateur de lumière selon un second mode de réalisation, - la figure 7 représente une fibre optique associée & un concentrateur de lumière selon un troisième mode de réalisation, - la figure 8 illustre un dispositif capable d'émettre une lumière lorsqu'un seuil de tension est atteint entre l'enveloppe en acier du cAble et l'écran. La figure 1 représente un tronçon d'un cAble & haute tension & isolation gazeuse. Le tronçon i comporte une enveloppe extérieure 2 en acier, une enveloppe intérieure ou écran magnétique 3, de préférence en aluminium et des conducteurs 4 pour le passage du courant triphasé; les conducteurs sont maintenus par des bras supports isolants 5. Les conducteurs 4, l'écran 3 et 1l'enveloppe extérieure 2 sont formés d'éléments ayant par exemple une longueur de 10 mètres et qui sont soudés entre eux respectivement. Le tronçon a par exemple une longueur de 50 & 100 mètres; un cable peut avoir une longueur de plusieurs dizaines de kilomètres.25 Les bras isolants 5 servant au maintien des conducteurs 4, sont espacés par exemple tous les 10 mètres; ces bras laissent libre la circulation du gaz d'isolation qui remplit le volume intérieur 6 du tronçon; ils laissent également libre le passage de la lumière tout le long du tronçon. L'espace 6A entre 1l'enveloppe extérieure 2 et 1 'écran 3 est également rempli de gaz d'isolation. Le gaz d'isolation est de préférence de l'azote sous une pression de l'ordre de 12 hectopascals. Entre l'enveloppe extérieure 2 et l'écran 3 sont disposées des bandes 7 en téflon, qui permettent le centrage de 1 'écran thermique 3 et sa libre dilatation & l'intérieur de l'enveloppe 2. A chaque extrémité du tronçon est installé un compartiment de démontage référencé 8 pour le compartiment de gauche dans la figure 1 et 8' pour le compartiment de droite. Le compartiment comprend une cloison étanche formée d'une couronne métallique 10 & laquelle sont fixés trois cônes isolants fermés 11 étanches au gaz & travers lesquels passent les conducteurs 4; une extrémité 3A de l'écran 3 est10 soudée & l'enveloppe 2, l'autre extrémité 3B est libre et peut coulisser sur une chemise isolante 12. L'extrémité 3B est donc isolée de l'enveloppe en acier 2. L'écran magnétique en aluminium 3 permet de réduire, dans 1 'enveloppe extérieure 2, 1 'intensité du champ magnétique créé par les courants triphasés. Pour détecter l'arc apparaissant lors d'un défaut & la masse (arc 13 dans la figure 2) ou entre deux conducteurs (arc 13A dans la figure 2), on utilise une fibre optique disposée en boucle ouverte et dont les deux brins 14 et 15 s'étendent tout le long du cible (Fig.3). La fibre optique est de préférence en silice dans le cas des cibles de grande longueur, afin d'assurer une bonne transmission de la lumière. Les brins 14 et 15 traversent les couronnes métalliques 10 par des trous, l'étanchéité étant obtenue en25 bouchant les trous au moyen d'une résine époxy ou d'un silicone ou d'un presse-étoupe étanche. -L'un des brins 14 est destiné & recevoir de la lumière générée par le défaut, l'autre brin sert & acheminer l'information. Un dispositif électro-optique 16, relié aux30 extrémités respectives A1 et A2 des brins 14 et 15, permet de mesurer l'écart entre les instants d'arrivée du signal lumineux provenant respectivement des brins 14 et 15; cet écart permet de calculer la distance entre le dispositif 16 et l'endroit du défaut et par suite d'identifier le tronçon en défaut. Un exemple de réalisation du dispositif 16 est donné dans la figure 4. Les signaux issus des brins 14 et 15 sont reçus respectivement par des photodétecteurs D1 et D2, fournissant des signaux électriques amplifiés par des amplificateurs G1 et G2; les signaux issus des amplificateurs sont mis en forme d'impulsion de tension par des triggers T1 et T2. Le signal provenant du brin 14 (chemin optique le plus court) déclenche un comptage de temps par un compteur C; ce comptage est arrété par le signal provenant de la branche 15. La sortie numérique du compteur C donne la différence de temps At entre les deux signaux, qui est fonction du chemin parcouru et donc de 1 'endroit o s'est produit le défaut. Un calculateur CALC effectue le calcul de la distance entre le lieu du défaut et le dispositif 16. Si on désigne par xl l'endroit du défaut (voir figure 3), le signal émis en xl met tl secondes pour être détecté par D1. ce mame signal met un temps tl + 2t2 pour être détecté par D2, t2 étant le temps mis par la lumière pour aller du lieu xl & l'extrémité B de la boucle opposée & l'extrémité A1A2. La mesure fournit At. Par ailleurs, At = tl + 2t2 -tl = 2t2 Conme on connaît la longueur de la boucle, on connaîit tl + t2 et il est donc facile d'en déduire ti dont on tire x1. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, la lumière générée par le défaut est la lumière de l'arc électrique lui-mime. La lumière pénètre dans le coeur du brin 14 en un emplacement déterminé, par exemple au voisinage d'une extrémité du tronçon. A cet effet, la fibre est dénudée sur une petite portion de manière & faire apparaître le coeur de la fibre optique. Comme le montre la figure 5, un concentrateur de lumière 20, formé d'un cylindre transparent (en verre ou en plexiglass par exemple) muni d'une extrémité sphérique, est disposé au droit de la fibre; dans un premier mode de réalisation, la portion dénudée de brin 14 est fixée & un berceau 21 engagé dans une échancrure & la base du cylindre; la fixation de la pièce 21 au cylindre, ainsi que la continuité optique, sont obtenus au moyen d'un gel optique 22 de même indice que le coeur de la fibre. Le berceau est avantageusement bombé et convexe pour donner un certain rayon de courbure & cette partie de fibre dénudée afin de mieux capter les rayons lumineux parallèles & l'axe de 1 'enveloppe. En variante, représentée dans la figure 6, le brin 14 est coupé et les deux extrémités sectionnées 14A et 14B sont dénudées et collées par un gel optique 22 au concentrateur de lumière 20, en deux points diamétralement opposes. Dans une autre variante, représentée dans la figure 7, la fibre 14 est coupée et les deux extrémités sectionnées sont munies de connecteurs optiques 23A et 23B munis d'un filetage extérieur et s'engageant dans des trous tareaudés du concentrateur de lumière 20, disposés en des points diamétralement opposés. Le fond des trous est garni de gel optique 22. Les concentrateurs de lumière ont été représentés dans la figure 3, régulièrement disposes dans chacun des tronçons du brin 14 de la fibre optique.25 Le deuxième mode de détection et de localisation de défaut selon l'invention utilise un éclateur, par exemple un éclateur & gaz à paroi transparente en verre. On notera tout d'abord que ce deuxième mode de détection et de localisation de défaut peut être installé & la place du dispositif précédent, mais qu'il est préférable de le prévoir dans le câble avec le dispositif précédent, ce qui permet d'obtenir une redondance et une confirmation de la localisation déterminée par le dispositif précédent. Le second mode est fondé sur l'observation qu'en fonctionnement normal, la différence de potentiel entre l'écran 3 et l'enveloppe extérieure 2 est pratiquement nulle. Lorsque un défaut survient, il apparalt une surtension entre l' écran 3 et 1 'enveloppe 2 & la terre par la mise brusque à la haute tension de l'écran 3 par l'intermédiaire de l'arc électrique. Il suffit de connecter, entre l'écran 3 et l'enveloppe extérieure 2, un dispositif capable d'émettre une lumière lorsqu'un seuil fixé de surtension est atteint; comme précédemment, cette lumière est reçue par un brin d'une fibre disposée en boucle le long du câble et équipée comme il a été décrit plus haut. Dans ce mode de réalisation, on disposera de préférence la fibre optique en partie haute du câble, entre l'enveloppe extérieure 2 et l'écran 3; les deux brins 34 et d'une telle fibre sont représentés dans la figure 2. Un dispositif capable d'émettre une lumière lorsqu'un seuil de tension est détecté est représenté dans la figure 8. Il s'agit d'un éclateur & gaz 40 ( gaz rare tel qu'argon ou néon) connecté entre l'enveloppe métallique extérieure 2 du câble et l'écran 3. De tels éclateurs sont commercialisés et des modèles miniaturisés dont les dimensions n'excèdent pas 5mm sont disponibles. L'éclateur 40 à parois transparentes est logé dans la pièce 20 en plexiglass en face du brin 34 partiellement dénudé. Bien entendu, tous les dispositifs décrits précédemment sont protégés selon les techniques connues: les fibres optiques sont convenablement gainées et disposées avec jeu pour éviter tout risque de rupture, les dispositifs électroniques sont protégés contre les perturbations magnétiques. Il est à noter qu'avec cette disposition des fibres optiques, on peut revérifier, si c'est nécessaire après le défaut, 1' emplacement de 1 'endroit endoimagé. En effet l'arc électrique, par son intensité, détruira les fibres optiques dans le tronçon endommagé et il y aura donc une coupure des fibres optiques.35 Il suffira (voir figure 3) d'émettre un signal lumineux, soit & partir de l'extrémité A1-A2 de la ligne sur l'un ou l'autre des brins & l'aide de sources lumineuses S1 ou S2, soit & partir de l'extrémité B de la ligne & l'aide d'une source S3. La lumière se réfléchit & l'endroit du défaut et retourne & son origine. On mesurera alors le temps 5 aller et retour mis par la lumière pour localiser le défaut. L'avantage de cette technique, qui peut être mise en oeuvre avec un dispositif analogue & celui de la figure 4, est qu'elle ne nécessite pas une mesure et un enregistrement permanents.10 On dispose ainsi d'un troisième mode de localisation de défaut. L'invention trouve application, non seulement pour les c&bles & isolation gazeuse triphasés comme il a été décrit plus haut, mais aussi dans les liaisons électriques &15 isolation gazeuse dans lesquelles chaque phase possède sa propre enveloppe isolée au gaz. REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour la localisation d'un tronçon en défaut dans un cible électrique à isolation gazeuse comprenant une pluralité de tronçons (1) séparés par des compartiments étanches (8), chaque tronçon comprenant des conducteurs (4), une enveloppe extérieure en acier (2) et un écran magnétique (3) disposé entre les conducteurs (4) et l'enveloppe extérieure (1), le c&ble étant isolé6 par un gaz sous pression, le défaut occasionnant l'apparition d'un arc électrique, caractérisé en ce qu'il comprend une fibre optique (14-15, 34- 35) disposée selon une boucle dont les deux brins s'étendent chacun le long du cible en traversant de manière étanche les compartiments étanches, la boucle étant ouverte à l'une des extrémités du cible, un premier brin (14, 34) étant agencé pour recueillir et transmettre de la lumière générée par le défaut, l'autre brin (24, 34) étant gainé de manière à étre opaque & la lumière, le dispositif comprenant des moyens (16) pour recueillir la lumière à chacune des extrémités de la boucle et mesurer la durée séparant l'apparition de la lumière & l'extrémité de chacun desdits brins. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que la lumière est celle de l'arc électrique (13, 13A) apparaissant lors du défaut. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que la lumière est générée à partir de la surtension apparaissant lors d'un défaut entre ladite enveloppe extérieure (2) et ledit écran (3). 4/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit premier brin (14) est associé à un concentrateur de lumière comprenant un cylindre transparent (20) muni d 'une extrémité sphérique. 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit premier brin est partiellement dénudé, la partie dénudée étant fixée & un berceau (21) s'engageant dans une oo échancrure dudit cylindre (20), un gel optique (22) étant disposé entre ladite pièce (21) et ledit cylindre (20). 6/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le berceau (21) est bombé et convexe. 7/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit premier brin (14) est coupé et ses extrémités sectionnées (14A, 14B) partiellement dénudées et collées respectivement sur la paroi extérieure dudit cylindre (20) en deux points diamétralement opposés. 10 8/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit premier brin (14) est coupé, ses extrémités sectionnées étant partiellement dénudées et munies d'un connecteur optique (23A, 23B) & filetage extérieur, lesdits connecteurs étant engagés dans des trous taraudés pratiquées15 dans le cylindre (20) en deux endroits diamétralement opposés. 9/ Dispsitif selon la revendication 3, carectérisé en ce que ladite lumière est générée par un éclateur (40) connecté entre ladite enveloppe extérieure (2) et ledit écran (3).20 10/ Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit 6clateur est disposé dans un concentrateur de lumière (20).