Brevet FR2808332A1 — publié le 20011102

APPAREILLAGE ET PROCÉDÉ PERMETTANT DE MESURER, LOCALISER ET QUANTIFIER LES CHARGES ÉLECTRIQUES DANS UN DIÉLECTRIQUE SOUS CHAMP ÉLECTRIQUE EN APPLIQUANT UNE ONDE THERMIQUE. L'emploi des matériaux isolants est source de nombreux problèmes délicats lors de la conception ou de la réalisation des matériels électriques. il en est de même lors de leur utilisation. Une des principales causes de défaillance est en effet la rupture de l'isolation. Pour expliquer et prévoir les problèmes de défaillances et de baisse de performances de ces matériels électriques, il est nécessaire d'utiliser le critère charge d'espace (charge électrique résiduelle contenue dans le volume isolant). En effet, lorsqu'un isolant est soumis à de fortes contraintes (électriques, thermiques ou mécaniques), il apparaît localement des zones non neutres en surface et/ou en volume qui modifient l'état électrique du matériau, et induisent une distribution interne de champ électrique résiduel. Un certain nombre de travaux montre que l'accumulation des charges d'espace est à l'origine de la dégradation du matériau et conduit au claquage diélectrique de l'isolant. La présente invention concerne un appareillage et un procédé permettant de mesurer (localiser et quantifier) les charges électriques appelées charges d'espace contenues dans un diélectrique qui est soumis à un champ électrique en appliquant une onde thermique. 1. PRINCIPE Le procédé nécessite deux échantillons notés A et B composés de deux diélectriques (9) munis d'électrodes (8) conductrices ou semi-conductrices (figure 1). Les deux échantillons sont connectés à une source haute tension (1) et sont mis en opposition l'un par rapport à l'autre afin d'éliminer les courants de conduction et transitoires dus à l'application du champ électrique, l'amplificateur de courant (3) est mis en court - circuit grâce à un relais (4) (Figure 3). Pendant la mesure, la source haute tension (1) doit être impérativement déconnectée à l'aide d'un sectionneur (2) commandable à distance (les échantillons se comportent comme deux condensateurs en parallèle soumis à un champ électrique). Lors de la création "brutale" d'une variation de température, une onde thermique est créée sur l'électrode (8) d'un des échantillons (échantillon A) qui diffuse à travers le diélectrique (9) en contact. Si ce diélectrique possède des charges électriques, elles vont légèrement se déplacer sous l'effet de la contraction ou de la dilatation du matériau (selon le signe de l'onde qui lui est appliquée). Le rééquilibrage des charges d'influences aux électrodes donne naissance à un courant induit par l'onde thermique. Ce courant est mesuré à l'aide d'un amplificateur de courant (3) sur le deuxième échantillon (échantillon B) et enregistré dans un ordinateur (6). Son traitement mathématique permet la localisation et la quantification des charges électriques présentes dans le diélectrique A. L'onde thermique peut être générée de plusieurs façons différentes à l'aide d'un générateur d'onde thermique (7): Dans de le cas d'une onde thermique froide, il faut faire circuler un liquide froid ou détendre un gaz cryogénique dans un diffuseur thermique. Dans le cas d'une onde thermique chaude, celle-ci peut être générée par rayonnement, par induction, par effet joule (l'électrode conductrice est parcourue par un fort courant), en faisant circuler un liquide chaud ou en comprimant un gaz cryogénique dans un diffuseur thermique. Outre ces principales façons de générer une onde thermique, cette variation brutale de température peut être générée par d'autres procédés tels que l'effet Peltier par exemple. 2. APPLICATIONS Cette technique permet de mesurer les distributions de champ électrique et de charges électriques dans les matériaux isolants et peut être appliquée sur divers systèmes composés de deux échantillons isolants ou de deux composants diélectriques munis d'électrodes conductrices ou semi-conductrices. Les applications concernant les composants électriques : câbles de transport d'énergie électrique, barres d'alternateurs, transformateurs, condensateurs, disjoncteurs, plaques de circuits imprimés, capacités MOS, isolateurs et systèmes d'isolation... II est possible d'appliquer ce procédé sur des composants mécaniques, thermiques et chimiques constitués de parties isolantes. 2.1 APPLICATION AUX CÂBLES DE TRANSPORT D'ÉNERGIE SOUS CHAMP ÉLECTRIQUE APPLIQUÉ 2.1.1 TECHNIQUE DITE "LIQUIDE FRIGOPORTEUR OU CALOPORTEUR" Cette technique est basée sur la création d'un échelon thermique froid ou chaud depuis l'écran semi - conducteur extérieur jusqu'à l'âme centrale du câble (Figure 4). II faut pour cela envelopper un partie du semi-conducteur externe (18) du câble avec une jaquette (22) diffuseur de température. Pendant l'expérience, un liquide froid (ou chaud) généré par un cryothermostat circule dans la jaquette, une onde thermique traverse alors le câble entre l'électrode extérieure (18) et l'électrode intérieure (20) (Figure 2). Si le matériau isolant (19) possède de la charge d'espace, le déplacement relatif de celle-ci donne naissance à un courant que nous mesurons à l'aide d'un amplificateur de courant (13). Une fois l'acquisition (15) du courant faite, un programme informatique de calcul contenu dans un ordinateur (16) permet le traitement du courant et donne les distributions de champ électrique et de charge d'espace à l'intérieur du diélectrique (19). 2.1.2 TECHNIQUE DITE "CHAUFFAGE PAR INDUCTION" Dans ce cas, il s'agit de générer un échelon thermique sur l'âme centrale (20) du câble par effet Joule (Figure 5). Une élévation de température est obtenue grâce à la circulation d'un fort courant dans l'âme centrale obtenu par induction, en effet le câble en court-circuit faisant effet de circuit secondaire est enveloppé par le circuit primaire d'un transformateur (21). La température diffuse à travers l'isolant (19) depuis l'âme centrale (20) vers l'électrode extérieure (18) du câble (Figure 2). Comme dans le cas précédent, si le matériau isolant possède des charges d'espace, le déplacement relatif de celle-ci donne naissance à un courant que nous mesurons à l'aide d'un amplificateur de courant (13). Ces deux techniques permettent la mesure de charge d'espace dans les câbles sous champ électrique, mais la technique "liquide frigo ou caloporteur" nous informe seulement sur l'état électrique de la partie refroidie ou chauffée par le diffuseur thermique (dépend de la longueur du diffuseur) tandis que la technique "chauffage par induction" nous informe sur l'état électrique de toute la longueur du câble. 2.2 PRÉSENTATION DE LA PROCÉDURE EXPÉRIMENTALE L'expérience sous champ électrique nécessite l'utilisation de deux câbles 1A et 1B (figure 4 et 5) dont les électrodes extérieures (18) sont isolées l'une de l'autre, de façon à opposer les courants de conduction de chaque câble (ces courants sont supposés identiques si les deux câbles sont les mêmes). 2.2.1 CAS DU "LIQUIDE FRIGOPORTEUR OU CALOPORTEUR" L'expérience sera réalisée ainsi sur deux tronçons de câble (1A et 1B). Dans un premier temps les câbles seront soumis à un champ électrique comme le montre le schéma (figure 4), l'amplificateur de courant étant mis en court circuit grâce à un relais (14) (Figure 4). La deuxième étape consiste à mesurer un courant dû à l'application d'une onde thermique générée par un cryothermostat (17) grâce à une jaquette diffuseur de température (22) enveloppant une partie d'un des deux câbles sur une longueur de quelques centimètres (10 à 100 cm voire plus). La jaquette qui est reliée à la masse est placée sur le tronçon de câble à tester (Câble 1A), la mesure est faite à l'aide de l'amplificateur (13) de courant placé entre le semi conducteur extérieur (18) de l'autre câble (Câble 1 B) et la masse. Après la mise sous tension des câbles, pendant les mesures de courants, la source de tension (11) doit être déconnectée de l'âme centrale des câbles car le système doit impérativement rester isolé durant l'acquisition du signal. Ceci impose l'utilisation d'un sectionneur (12) commandable à distance depuis le pupitre de commande (23). Cette procédure expérimentale pourra s'appliquer sur chaque câble afin de pouvoir mettre éventuellement en évidence les différents états électriques des deux câbles et d'observer les différents niveaux de vieillissement de chaque câble par exemple. 2.2.2 CAS DU "CHAUFFAGE PAR INDUCTION" Comme précédemment, la procédure expérimentale se fait en deux étapes. Dans un premier temps les deux tronçons de câble sont soumis à un champ électrique. Ensuite, la source de tension est déconnectée, l'onde thermique est générée grâce à la circulation d'un fort courant, créé par induction (21), dans l'âme centrale du câble à tester (Câble 1 A), la mesure étant faite sur le second câble mis en opposition (Câble 1 B). Remarque : Pendant le temps de chauffe (quelques fractions de secondes) l'amplificateur de courant est en court-circuit grâce au relais (14), l'acquisition du signal (15) débute juste après le chauffage du câble. 3. DESCRIPTION DU BANC DE MESURE La mise sous haute tension des deux échantillons ou composants doit être totalement contrôlable à distance, d'ou la nécessité d'utiliser un sectionneur (2, 12) commandable à distance. Dans tous les cas ("liquide frigo ou caloporteur et chauffage par induction"), la fermeture ou l'ouverture du sectionneur est pilotée par les logiciels de commande et d'acquisition. Le banc expérimental utilisant une jaquette diffuseur de température (22) est constitué de deux parties principales distinctes, une partie appelée "FROID/CHAUD" et une partie appelée "ACQUISITION". La partie "FROID/CHAUD" (17) se compose de deux cryothermostats permettant de générer l'onde thermique, les consignes sont fixées en fonction de l'amplitude et du signe de l'onde thermique désirée mais aussi en fonction du liquide caloporteur choisi pour l'expérimentation. Les deux cryothermostats sont connectés à un système d'électrovannes pilotées par un ordinateur permettant la circulation soit du liquide "froid" soit du liquide "chaud" dans le diffuseur thermique. Le système est composé de deux sources de température afin de pouvoir après chaque acquisition de signal ramener le câble à son état initial. Enfin le système d'électrovannes est relié à une jaquette diffuseur de température dont la géométrie est fonction des câbles à mesurer ; cette jaquette doit envelopper la partie du câble sur laquelle l'onde thermique doit être appliquée. L'ensemble d'éléments constituant la partie "froid" est assemblé et monté sur un châssis Inox mobile afin de pouvoir être positionné à l'emplacement désiré. La partie "ACQUISITION" se compose d'un amplificateur de courant (3, 13) programmable (IEEE) permettant de mesurer les faibles courants dus à l'onde thermique, lequel est relié à une carte d'acquisition (5, 15) connectée dans un ordinateur (6, 16). Cet ordinateur permet de commander le système d'électrovannes et de visualiser les courants mesurés, il est muni d'une carte IEEE (24) qui permet le pilotage de l'amplificateur de courant à distance pour l'acquisition du signal. Le banc expérimental utilisant un transformateur de chauffage (21) par induction est constitué de deux parties principales distinctes, une partie appelée "INDUCTION" et une partie appelée "ACQUISITION". La partie "INDUCTION" est composée d'un enroulement de chauffage (21) inductif qui enveloppe le câble à chauffer, le temps de chauffage est préalablement calculé afin de générer une onde thermique suffisamment forte pour déplacer les charges électriques présentes dans l'isolant du câble. Cet intervalle de temps est obtenu en soumettant l'enroulement à une tension pilotée par deux thyristors montés en "tête-bêche", cet ensemble est noté bloc de commande de chauffe (25) . L'amorçage des thyristors est commandé à distance par un logiciel de commande, la fermeture des thyristors se fait au premier passage à zéro du courant après le temps de chauffe fixé en consigne. Le matériel nécessaire à la partie "ACQUISITION" est le même pour les deux techniques "liquide caloporteur" et "chauffage par induction", seuls les logiciels de commande du chauffage, d'acquisition du signal et de traitement du signal diffèrent. 4. DESCRIPTION DES LOGICIELS La partie "ACQUISITION" décrite ci-dessus nécessite l'utilisation de deux logiciels. Le premier permettant la commande de la partie "FROID/CHAUD" et l'acquisition du signal dû à l'onde thermique. Le deuxième est un programme de traitement numérique du signal permettant l'exploitation des courants mesurés afin d'obtenir les distributions de charges d'espace résiduelles de la partie de câble ayant subi l'échelon thermique. Ce dernier permet, pour des câbles dont les dimensions géométriques et les paramètres thermiques sont parfaitement connus, de donner après l'acquisition du signal les distributions de charge d'espace et de champ électrique résiduels. Deux autres logiciels sont nécessaires pour la technique "chauffage par le centre", le premier étant la commande du circuit de chauffage et l'acquisition du signal dû à l'onde thermique et le second concernant le traitement mathématique du signal mesuré. REVENDICATIONS 1. Procédé pour mesurer, localiser et quantifier les charges électriques dans un diélectrique sous champ électrique, caractérisé en ce qu'il consiste a) à prendre deux échantillons (A, B) diélectriques (9) l'un (A) d'entre eux étant celui dont ont cherche à connaître la distribution et la quantification des charges électriques qu'il contient ; b) à munir chaque échantillon diélectrique d'électrodes (8) conductrices ou semi-conductrices ; c) à connecter les deux échantillons (A, B) à une source haute tension (1) ; d) à mettre les échantillons (A, B) en opposition l'un par rapport à l'autre, afin d'éliminer les courants de conduction et transitoires lors de l'application d'un champ électrique ; e) à soumettre les échantillons à un champ électrique continu ; f) à appliquer une onde thermique sur l'échantillon (A) ; g) à mesurer le courant induit sur l'échantillon (B) ; h) à traiter mathématiquement le courant mesuré pour localiser et quantifier les charges électriques présentes dans l'échantillon (A) diélectrique. 2. Procédé selon la revendication 1, l'onde thermique froide ou chaude est générée par un diffuseur plan dans lequel circule un liquide caloporteur, l'échantillon sur lequel nous souhaitons appliquer l'onde thermique est posé sur un diffuseur de température. L'oncle thermique diffuse dans le diélectrique transversalement depuis l'électrode en contact avec le diffuseur vers l'électrode opposée. 3. Procédé selon la revendication 1, l'oncle thermique peut être générée soit en enveloppant une partie du câble d'une jaquette diffuseur de température clans laquelle circule du liquide chaud ou du liquide froid, soit en enveloppant une partie de câble d'un bobinage inductif qui permettra une élévation de la température par effet joule de l'âme centrale du câble. 4. Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1 sur deux échantillons sous forme de plaques (A et B) montées en opposition l'échantillon A est l'échantillon que nous désirons tester par la technique dite "Liquide Caloporteur" (figure 3), l'échantillon B est celui sur lequel nous mesurons ledit courant induit, caractérisé en ce qui comprend - des moyens pour soumettre les deux échantillons à un champ électrique continu : connexion et déconnexion de la source de tension continue (1). - des moyens de refroidissement ou de chauffage tel qu'un diffuseur thermique lequel est en contact avec une des deux électrodes de l'échantillon A dans laquelle circule un liquide froid ou chaud, l'électrode en contact avec le diffuseur thermique est reliée à la masse. - des moyens de mesure pour mesurer ledit courant induit par l'onde thermique branchés entre une électrode de l'échantillon B et la masse. L'autre électrode de l'échantillon B est reliée à l'électrode qui n'est pas en contact avec le diffuseur thermique de l'échantillon A et à la haute tension. - des moyens pour acquérir et enregistrer le signal représentatif de l'onde thermique. - des moyens pour calculer la quantité et la répartition spatiale des charges électriques dans la couche isolante ayant subit l'onde thermique. Dispositif pour mettre en ceuvre le procédé selon la revendication 1 sur cieux câbles (1 A et 1B) montés en opposition : le câble 1 A est le câble que nous désirons tester par la technique dite "Liquide Frigo ou Caloporteur" (figure 4), le câble 1 B est celui sur lequel nous mesurons ledit courant induit, caractérisé en ce qui comprend - des moyens pour soumettre les cieux câbles à un champ électrique continu connexion et déconnexion de la source de tension continue (1). - des moyens de refroidissement ou de chauffage pour envelopper l'électrode extérieure du câble avec une jaquette positionnée autour d'une partie du serai conducteur externe du câble 1A dans laquelle circule un liquide froid ou chaud, l'électrode extérieure du câble 1 A est reliée à la masse. - des moyens de mesure pour mesurer ledit courant induit par l'oncle thermique branchés entre l'électrode extérieure du câble 1 B et la masse. - des moyens pour acquérir et enregistrer le signal représentatif de l'oncle thermique. - des moyens pour calculer la quantité et la répartition spatiale des charges électriques dans la couche isolante ayant subit l'oncle thermique. 6. Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1 sur deux câbles (1A et 113) montés en opposition : le câble 1 A est le cible que nous désirons tester par la technique dite "Chauffage par Induction" (figure 5), le câble 1 B est celui sur lequel nous mesurons ledit courant induit, caractérisé en ce qui comprend - des moyens pour soumettre les deux câbles à un chai-ni) électrique continu connexion et déconnexion de la source de tension continue (1). - des moyens de chauffage pour envelopper l'électrode extérieure du cible avec un enroulement inductif positionné autour d'une partie du serai conducteur externe du cible 1A, l'électrode extérieure du câble 1A est reliée â la masse. - des moyens de mesure pour mesurer ledit courant induit par l'oncle thermique branchés entre l'électrode extérieure du câble 1 B et la masse. - des moyens pour acquérir et enregistrer le signal représentatif de l'oncle thermique. - des moyens pour calculer la quantité et la répartition spatiale des charges électriques dans la couche isolante ayant subit l'oncle thermique.