Brevet FR2731520A1 — publié le 19960913

MESURE DE L'INTENSITE ELECTRIQUE DANS UN APPAREIL SUBISSANT UN ARC ELECTRIQUE La présente invention concerne les appareils ou installations électriques comprenant une enceinte à l'intérieur de laquelle sont disposés des conducteurs traversés par des courants électriques. L'enceinte est habituellement remplie d'un gaz d'isolement sous pression, par exemple l'hexafluorure de soufre (SF6), l'air comprimé ou l'azote. Ces appareils ou installations sont par exemple des disjoncteurs à moyenne et haute tension, des installations avec enveloppe métallique à la terre (connues aussi sous la dénomination d'installations blindées) ou des câbles de transport d'énergie isolés à l'azote. Ces appareils ou installation sont le siège d'arcs électriques, soit normaux, soit accidentels; Les arcs électriques normaux sont ceux qui se produisent lors de l'ouverture, et éventuellement lors de la fermeture, d'un appareil de coupure. Il est intéressant pour l'exploitant de pouvoir déterminer la durée de l'arc et l'intensité du courant d'arc, afin de déterminer l'usure de l'appareil et de déterminer son programme d'entretien. Les arcs électriques peuvent être accidentels, en raison d'un défaut d'isolement; généralement de tels arcs conduisent à la destruction de l'appareil qu'il faut remplacer; mais il est intéressant pour l'exploitant de connaître la durée et l'intensité de l'arc afin d'essayer d'en déterminer les causes et de prévenir de tels accidents dans le futur. Dans les brevets français n" 90 13049 et 91 12472, il a été signalé l'utilisation d'une fibre optique fluorescente associée à un photo-détecteur pour détecter la lumière émise par l'arc de coupure d'un disjoncteur, permettant ainsi de déterminer la durée de l'arc électrique et la plage approximative de l'intensité du courant. On rappelle qu'une fibre optique fluorescente est une fibre optique plastique dont le coeur est dopé à l'aide d'éléments fluorescents. Les photons traversant la fibre optique excitent ces éléments et provoquent l'émission de lumière, de plus grande longueur d'onde, proportionnelle au rayon incident. Contrairement à une fibre optique classique, qui guide uniquement la lumière introduite à son extrémité dans son cône d'acceptance, la fibre dopée absorbe l'intensité lumineuse par toute sa périphérie. Le faible rendement du phénomène de fluorescence (quelques ) est compensé par la grande surface d'excitation. On obtient un phénomène de concentration de lumière aux extrémités de la fibre. Les fibres dopées, en raison de leur technologie, possède une très forte absorption et leur utilisation est limitée à quelques dizaines de centimètres. Il est donc nécessaire de connecter à une extrémité de la fibre fluorescente une fibre optique classique qui assure le transport de l'information lumineuse, sans atténuation notable, vers le photo-détecteur. Un but de la présente invention est de définir une méthode et un dispositif pour déterminer avec une plus grande précision l'intensité du courant d'un arc électrique. L'invention est fondée sur l'observation qu'il y a concordance et proportionnalité entre l'intensité lumineuse d'un arc et l'intensité du courant de l'arc ou plus exactement la puissance électrique de l'arc. Cette observation a été corroborée par des essais décrits dans l'article wDC circuit breaking using electric arc oscillation", 2nd Middle East Power System Conference, MEPCON 92, 6-9 Jan. 1992 (Egypt). L'invention a pour objet un procédé pour déterminer l'intensité du courant d'un arc électrique survenant dans un appareil électrique déterminé ou dans un type déterminé d'appareil électrique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - on place dans ledit appareil déterminé ou dans un appareil dudit type déterminé une fibre optique fluorescente en un endroit où la fibre peut recevoir la lumière émise par un arc électrique éventuel sans être endommagée, ladite fibre étant reliée à un convertisseur opto-électronique fournissant les données numérisées à un ordinateur pilotant une table traçante, - on étalonne le convertisseur opto-électronique en provoquant dans l'appareil une série d'arcs pour des valeurs déterminées du courant d'arc et de durée d'arc et on mesure les réponses correspondantes du convertisseur optoélectronique, de telle sorte qu'on obtient une base de données fournissant les valeurs du signal du convertisseur opto-électronique en fonction du courant d'arc et de la durée de d'arc, l'ordinateur pouvant tracer l'onde de courant en corrélation avec l'onde de courant mesurée par une méthode classique, par exemple à l'aide d'un transformateur d'intensité, ou d'un shunt de courant. - lorsque survient un arc dans l'appareil, on recueille le signal fourni par le convertisseur optoélectronique, - on déduit le courant d'arc par un programme de comparaison utilisant la base de données précitée, en tenant compte de la puissance de l'arc. On observe que la tension d'arc Ua peut être considérée comme constante, de sorte que la puissance électrique P = UaI varie comme I. Cette tension d'arc est de valeur relativement faible, de quelques centaines de volts pour un disjoncteur à SF6. Lorsque l'appareil est un appareil triphasé à plusieurs pôles, on place une fibre optique dans chaque pôle, chacune des fibres étant reliée à un convertisseur optoélectronique. L'invention est précisée maintenant sur un exemple de mise en oeuvre du procédé appliqué à un disjoncteur triphasé comprenant trois pôles, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est un schéma d'un dispositif permettant de constituer pour un pôle de disjoncteur une base de données corrélant l'intensité du courant d'arc à l'intensité en sortie d'un convertisseur opto-électronique, - la figure 2 est un diagramme montrant les variations, lors d'une ouverture du disjoncteur, du courant mesuré d'une phase et le courant calculé à partir du signal lumineux. La figure 1 représente schématiquement un pôle de disjoncteur comprenant une chambre de coupure 1 au sommet d'une colonne isolante 2. Il n'a été représenté que les contacts d'arc fixe 3 et mobile 4, reliés respectivement aux prises de courant 5 et 6 du pôle; le contact d'arc mobile est relié par une tige de manoeuvre 8 à une commande 10. Une fibre optique fluorescente 14 est disposée en un endroit de la colonne isolante choisi de manière que la fibre puisse recevoir, sans être endommagée, la lumière émise par un arc électrique établi entre les contacts d'arc. La fibre optique fluorescente 14 est reliée, par une fibre optique ordinaire 15 à un convertisseur optoélectronique 16 situé à l'extérieur du pôle. Ce convertisseur comporte de préférence une photo-diode et un système d'enregistrement. Le disjoncteur 1 est alimenté lors des essais d'étalonnage en usine par un transformateur de puissance 19 lié à un alternateur 18. La valeur du courant I est réglée par une inductance 20 mesurée à l'aide d'un transformateur d'intensité 21. Les valeurs mesurés par les appareils 16 et 21 sont numérisées et envoyées à un ordinateur 22 pilotant une table traçante 23. On réalise les essais en fixant, à l'aide de la source 18, la valeur du courant crête injecté dans les contacts d'arc et en provoquant l'arc par la manoeuvre de la commande qui sépare les contacts d'arc et qui détermine aussi la durée d'arc. La table traçante permet d'enregistrer sur un même graphique les variation de l'intensité électrique et les variations du signal du convertisseur opto-électronique. On peut en déduire un facteur de correspondance K à multiplier à l'intensité lumineuse exprimée en millivolts par exemple, pour retrouver le courant exprimé en ampères. Selon la durée de l'arc, on aura une intensité lumineuse couvrant une alternance complète ou non. La figure 2 est un diagramme montrant un exemple de l'évolution de la valeur du courant I (mesuré par le transformateur d'intensité (21) et du courant calculé Id à partir de la mesure de l'intensité lumineuse. L'instant to est celui du début de l'ouverture des contacts, l'instant t'o est celui de l'ouverture complète des contacts, et l'instant tl est celui de l'extinction du courant dans le disjoncteur. L'intensité lumineuse apparaît à l'instant to et disparaît à l'instant tl. Dans cet exemple, la lumière atteint sa valeur maximale après la crête du courant mesuré à cause du temps d'arc insuffisant. Pour bien capter la lumière, il faut que la durée d'ouverture des contacts d'arc soit suffisante. Dans le cas de la coupure en charge triphasée, on aura trois temps d'arc différents, un temps d'arc long, un temps d'arc moyen et un temps d'arc court. La coupure dans la phase ayant un temps d'arc long permet de déterminer facilement la crête du courant. On peut aussi calculer la crête maximale Ic à partir de la dérivée du courant au zéro de courant. En effet, dans le cas du courant symétrique sinusoïdal, on a: di/dt = 2 n f Ic, f étant la fréquence du courant. En calculant la dérivée au zéro de courant, on aura Ic. Ainsi, avec la coupure triphasée symétrique, on aura les données suivantes: - valeur crête Ic de la phase ayant le temps d'arc le plus long, - les trois valeurs de di/dt, - les trois instants de passage du courant à zéro. Ces données permettent à l'ordinateur de tracer l'évolution des trois courants dans les trois phases. Pour mieux décrire la forme de l'onde de courant, surtout dans sa partie descendante, à partir de l'intensité lumineuse, afin de bien calculer le di/dt, on peut utiliser la méthode des moindres carrés employée souvent dans les logiciels de graphiques scientifiques et d'analyse des données; cette méthode est mise en oeuvre par exemple par le logiciel EASYPLOT de la société SPIRAL SOFTWARE. Dans le cas de la coupure triphasée asymétrique, connaissant la valeur crête du courant dans une ou deux phases, connaissant les pentes aux zéros du courant et les instants de passage par zéro du courant, l'ordinateur selon le programme établi peut reconstituer l'évolution des trois courants et en déduire les valeurs des intensités. On notera que l'onde lumineuse n'évolue que dans le même sens, que l'onde de courant soit positive ou négative. L'invention s'applique particulièrement aux appareils de coupure. REVENDICATIONS 1/ Procédé pour déterminer l'intensité du courant d'un arc électrique survenant dans un appareil électrique déterminé ou dans un type déterminé d'appareil électrique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - on place dans ledit appareil déterminé ou dans un appareil dudit type déterminé une fibre optique fluorescente (14) en un endroit où la fibre peut recevoir la lumière émise par un arc électrique éventuel sans être endommagée, ladite fibre étant reliée à un convertisseur opto-électronique (16) fournissant les données numérisées à un ordinateur (22) pilotant une table traçante (23). - on étalonne le convertisseur opto-électronique en provoquant dans l'appareil une série d'arcs pour des valeurs déterminées du courant d'arc et on mesure les réponses correspondantes du convertisseur optoélectronique, de telle sorte qu'on obtient une base de données fournissant les valeurs du signal du convertisseur opto-électronique en fonction du courant d'arc et de la durée d'arc, - lorsque survient un arc dans l'appareil, on recueille le signal fourni par le convertisseur opto-électronique, - on déduit le courant d'arc par un programme de comparaison utilisant la base de données précitée. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lorsque l'appareil est un appareil triphasé à plusieurs pôles séparés, on place une fibre optique dans chaque pôle, chacune des fibres étant reliée à un convertisseur optoélectronique.