Brevet FR2815720A1 — publié le 20020426

Système de détection d'arrachement de câbles dans les réseaux moyenne tension, et procédé de modification d'un système existant L'invention concerne un système de détection d'arrachement de câbles dans les réseaux moyenne tension, tels les réseaux HTI (Haute Tension Intermédiaire de 3,2 à 5,5 kV) pour l'éclairage public, encore appelés réseaux HT. EP (Haute Tension Eclairage Public, norme NFC 17 200). Le terme "arrachement de câble"est considéré au sens large et inclut tout dommage à caractère bref causé à un câble, même sans coupure du câble. La fonction de détection procurée par le système est destinée à être opérante lorsque le réseau surveillé n'est plus en fonctionnement, c'est à dire généralement en période diurne pour un réseau HT. EP. En complément de la détection d'un défaut éventuel, le système permet d'interdire le réenclenchement du réseau, c'est-à-dire son alimentation en moyenne tension après la période de surveillance. Un tel système est d'abord destiné à être installé comme équipement nouveau, mais peut aussi compléter un système existant de détection de défaut d'isolement par la mesure classique de l'impédance ou de la résistance d'isolement du réseau. Il convient de rappeler que les réseaux HTI sont économiquement justifiés lorsque il faut fournir une puissance électrique importante sur des espaces étendus entre l'utilisation et la livraison de l'énergie par le distributeur. Il en est ainsi pour de nombreuses catégories d'éclairage public, mais aussi pour d'autres usages et notamment pour des sites industriels où l'absence de réseau basse tension BTA nécessite la construction d'un réseau de distribution créé spécialement. Tout réseau HTI est électriquement isolé des réseaux basse tension BTA qu'il alimente en énergie par l'intermédiaire de transformateurs HTI/BTA. L'impédance d'un réseau HTI est donc très élevée, de l'ordre du MQ, contrairement à celle d'un réseau BTA comprenant des appareils dissipateurs de courant tels des candélabres. De façon générale, un réseau HTI comprend plusieurs postes de distribution répartis sur le réseau, chaque poste alimentant plusieurs départs, un départ consistant classiquement en une conduite de réseau alimentée par une cellule du poste et pouvant se ramifier en plusieurs branches. Ces branches peuvent mener à des terminaisons du réseau ou au contraire interconnecter des conduites parallèles, permettant de réaliser un maillage du réseau. La résistance d'isolement d'un réseau moyenne tension HTI n'est pas infinie, principalement du fait qu'il existe toujours des courants de fuite à la terre, même minimes, au niveau des bobinages dans les transformateurs HTI/BTA. La résistance d'isolement des câbles en eux-mêmes est quant à elle quasiment infinie en l'absence de défauts. En effet, il n'y a normalement pas de courant de fuite possible entre l'âme conductrice d'un câble et l'écran de blindage de sa gaine relié à la terre. Afin de contrôler la résistance d'isolement ou l'impédance d'un réseau moyenne tension, il est couramment utilisé des dispositifs de contrôle pendant la période où le réseau est mis hors tension, généralement en période diurne pour un réseau d'éclairage public. Pour mesurer la résistance d'isolement, une basse tension le plus souvent continue est appliquée sur une phase d'une conduite de réseau, généralement au niveau d'un conducteur de phase dans une cellule d'un poste alimentant cette conduite. Un courant est mesuré en retour par la terre, permettant de déduire la valeur de la résistance du réseau. Celle-ci est régulièrement comparée à une valeur de référence déterminée. Si la valeur mesurée sort d'une marge de tolérance déterminée autour de cette valeur de référence, en particulier si cette valeur descend sous un seuil déterminé, le dispositif de contrôle en déduit qu'il y a eu une dégradation de l'isolement du réseau. En complément, ce dispositif de contrôle interdit la mise en service du réseau jusqu'à ce que le défaut ait été localisé et réparé. La demanderesse a pourtant constaté que certains défauts tels que des claquages de câbles ou des coupures de branches de réseaux pouvaient survenir alors que le dispositif de contrôle n'a pas détecté de défaut au préalable. Après analyse du problème, la demanderesse a découvert que ces défauts étaient la conséquence de certains types d'altération accidentelle de câble, à caractère bref, que les dispositifs de l'état de la technique ne parviennent pas à détecter. La demanderesse désigne ces altérations à caractère bref par le terme arrachement de câble . Un arrachement de câble tel que désigné dans la présente ne se manifeste que par une modification momentanée de la résistance du réseau, de sorte que la mesure survenant après l'arrachement ne permet pas de déceler une variation significative par rapport à la mesure précédente. Par exemple, lorsque un câble est soulevé par une pelle d'engin de chantier, l'âme métallique du câble peut se rompre à l'intérieur de la gaine sans que celle ci ne soit sectionnée. Si l'ouvrier manoeuvrant l'engin aperçoit le câble, son réflexe est de retirer la pelle en essayant de ne pas sectionner la gaine. La plupart du temps, il remet la terre sur le câble puisqu'il n'a pas constaté de dommages apparents, et l'exploitant du réseau n'est pas prévenu de l'incident. Lorsque le câble se rétracte suite à un tel étirement, il peut y avoir plusieurs types de repositionnement des deux bouts de l'âme sectionnée dans la gaine. Un cas possible est un repositionnement de ces bouts dans un alignement jointif assurant un contact électrique de section quasiment inchangée par rapport à celle de l'âme. La mesure suivante de la résistance du réseau ne permet alors pas de détecter de variation significative par rapport à la mesure précédemment établie avant l'incident. Le câble est donc affecté d'un défaut latent qui peut se manifester par un incident sur le réseau plusieurs jours voire plusieurs mois plus tard, par exemple sous la forme d'échauffement et d'arcs électriques entre les deux bouts sectionnés. Ce phénomène génère généralement un claquage du câble à cet endroit. La demanderesse a découvert que ce type d'incident se manifeste par une variation brusque de la résistance du réseau, même si l'amplitude de cette variation reste dans une marge de tolérance normale autour d'une valeur de référence déterminée. De plus, elle a pu observer que le signe positif ou négatif de la variation de la résistance mesurée permet d'obtenir une indication sur la nature probable de l'altération du câble qui a provoqué cette variation. L'invention a donc pour objet un système de détection de dommages aux câbles dans les réseaux moyenne tension, destiné à assurer une fonction de surveillance de réseau hors tension, comprenant des moyens pour effectuer la mesure dynamique de la résistance ou de l'impédance du réseau à une fréquence d'acquisition déterminée et des moyens d'enregistrement des valeurs mesurées, caractérisé en ce que ladite fréquence est fixée à un niveau suffisamment élevé pour permettre déterminer la forme de toute variation rapide de la grandeur mesurée pouvant se produire lors d'un incident sur le réseau. La demanderesse a en effet pu observer que la mesure de résistance d'un réseau en période diurne doit être effectuée de façon continue et avec une fréquence d'acquisition suffisamment rapide, par exemple d'une centaine de Hertz, afin de pouvoir déceler le caractère particulièrement bref d'un incident provoquant une altération de câble telle que décrite précédemment. Dans un mode de réalisation selon l'invention, des moyens sont agencés pour permettre de calculer la pente d'un front de variation rapide de la grandeur mesurée, cette pente étant comparée à au moins un seuil déterminé afin d'obtenir des indications sur l'existence d'un dommage. Dans un mode de réalisation selon l'invention, des moyens sont agencés pour analyser la forme d'un enregistrement de toute variation rapide de la résistance ou de l'impédance du réseau. Dans un mode de réalisation selon l'invention, lesdits moyens d'analyse permettent d'obtenir des indications sur la nature probable d'un dommage constaté. Dans un mode de réalisation selon l'invention, les moyens de mesure de la résistance ou de l'impédance d'un réseau monophasé ou polyphasé comprennent au moins un générateur de tension destiné à être installé dans une cellule d'un départ du réseau pour y appliquer chacun sur une phase une basse tension Ua. Dans un mode de réalisation selon l'invention, la sortie dudit générateur est reliée pendant la mesure à un système fonctionnant en outre comme diviseur de tension en période de fonctionnement du réseau. L'invention a également pour objet un procédé de modification d'un système existant de détection de dommages aux câbles dans un réseau moyenne tension, ledit système utilisant la mesure de la résistance ou de l'impédance du réseau afin de détecter une modification significative et durable de cette grandeur, caractérisé en ce qu'il consiste à : - effectuer ladite mesure par des moyens d'acquisition à une fréquence déterminée et suffisamment élevée pour permettre de déterminer la forme de toute variation rapide de la grandeur mesurée, - calculer la pente d'un front de variation, - introduire des seuils de pente déterminés afin de les comparer à la pente calculée, - introduire des moyens d'interprétation de dépassement des seuils de pente, en vue d'obtenir des indications sur l'existence d'un dommage. Dans un mode préféré de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, des moyens sont agencés pour analyser la forme de toute variation et obtenir des indications sur la nature probable d'un dommage constaté. Le système de détection d'arrachement de câbles selon l'invention procure en particulier une fiabilité que n'offrent pas les dispositifs de l'état de la technique, associée à la possibilité d'effectuer un diagnostic du type d'arrachement constaté. L'invention, ses caractéristiques et ses avantages sont précisés dans la description qui suit en rapport avec les figures ci dessous. La figure 1 est une représentation très schématique d'une conduite triphasée d'un départ de réseau HTI alimenté par une cellule comprenant un système de détection d'arrachement de câbles selon l'invention. Les figures 2 et 3 représentent des schémas électriques simplifiés équivalents au dispositif représenté à la figure 1. La figure 4 représente des courbes de détection de défauts de type arrachement de câble obtenues dans un système selon l'invention. La figure 5 représente un mode préféré de réalisation selon l'invention, dans lequel le système diviseur de tension peut être connecté alternativement à un appareil comparateur de tension ou à un générateur de basse tension. En figure 1 est représentée une cellule 1 en période de non-fonctionnement du réseau, c'est à dire en période de surveillance. De façon classique, cette cellule comporte par phase un interrupteur 4, les interrupteurs étant en général associés dans un appareil multipolaire appelé contacteur et permettant d'isoler la cellule de la moyenne tension. La fermeture du contacteur permet ici d'alimenter une conduite triphasée constituée de trois conducteurs de phase 10 transportant chacun une phase (pl, (p2 ou (p3. La cellule 1 comporte un dispositif d'application d'une basse tension UG délivrée par un générateur 2 connecté en période de surveillance à la sortie d'un système diviseur de tension 3 fonctionnant alors comme simple élément résistif, la fonction diviseur de tension étant assurée en période de fonctionnement du réseau. La basse tension UG est préférablement appliquée sur un seul conducteur de phase 10 d'une phase de la conduite, ici la phase (pl. Dans le mode de réalisation préféré représenté, le système diviseur de tension 3 est un pont RC comprenant une résistance Ro et une capacité C. La tension U est donc continue et est stabilisée à une valeur déterminée de façon à injecter un faible courant i normalement constant si la résistance d'isolement du réseau reste stable. Au niveau du pont diviseur RC, ce courant continu i ne peut bien sûr pas passer par la capacité C. Le système diviseur de tension 3 n'est cependant pas limité à un pont RC, et il est possible d'utiliser d'autres diviseurs de tension, par exemple un diviseur capacitif ou bien un transformateur de tension (diviseur inductif à bobinages) avec une tension U G alternative, sans sortir du cadre de l'invention. Pour des raisons de simplicité, la demanderesse a adopté le pont RC comme diviseur de tension, et seule cette solution est décrite dans la présente. Des transformateurs HTI/BTA (moyenne tension/basse tension) sont présents sur la conduite pour une alimentation en basse tension depuis le réseau HTI, par exemple vers des dispositifs d'éclairage public. Grâce aux bobinages primaires BI, B2 et B3 des transformateurs, chaque phase est bouclée avec chacune des deux autres, c'est à dire que chaque conducteur 10 est relié à ses voisins par lesdits bobinages de telle sorte que la tension U se trouve appliquée sur les trois conducteurs de la conduite. Pour simplifier la modélisation du réseau, on néglige la résistance linéique des conducteurs 10 (résistance de l'âme des câbles) par rapport aux résistances d'isolement des bobinages primaires des transformateurs. La résistance Roo d'isolement des câbles en eux-mêmes est considérée infinie, comme justifié en préambule. Il existe de faibles courants de fuite à la terre au niveau des bobinages dans les transformateurs HTI/BTA. Sur la figure, en supposant que la conduite alimente quatre transformateurs T1, T2, T3, T4, l'ensemble de ces courants revient à la masse de la cellule par la terre et les écrans de blindage des gaines de câbles. Le courant i délivré par le générateur 2 est donc intégralement bouclé. La mesure de la tension UG et du courant i, par des moyens classiques non représentés, permet d'obtenir la valeur de la résistance d'isolement du réseau. 1 La figure 2 illustre les courants de fuite il, i2 et i3 par les résistances d'isolement RI, R2 et R3 des bobinages primaires BI, B2 et B3 du transformateur Tl. Il apparaît clairement qu'à chaque passage de transformateur, le courant se partage en une première partie distribué sur les trois bobinages primaires du transformateur et une seconde partie alimentant le reste du réseau en aval. La figure 3 représente les résistances équivalentes d'isolement des transformateurs. La conduite triphasée est modélisée par une seule ligne transportant la somme des courants de chaque phase, par exemple i', + i'2 + i'3 après le transformateur Tl. Le courant i revient au générateur G par la terre. La résistance d'isolement du réseau peut être modélisée par une suite de résistances en parallèles. On comprend que le fait d'ajouter des transformateurs HTI/BTA à un réseau tend à diminuer sa résistance d'isolement. Inversement, un réseau dont une branche est coupée voit sa résistance d'isolement augmenter. Une modification de la résistance d'isolement d'un réseau peut être normale dans le cas d'une modification du maillage du réseau, ou anormale si elle est provoquée par un dommage causé à un câble. En figure 4, les courbes de détection de défauts de type arrachement de câble ont été obtenues lors d'un enregistrement de la résistance ou de l'impédance d'un réseau à une fréquence d'acquisition suffisamment élevé pour permettre de déterminer la forme de toute variation rapide de la grandeur mesurée. Les périodes Tl, T2 et T4 illustrent le fonctionnement du système sur un jour complet en l'absence de défaut sur le réseau, avec pour chacune une échelle de temps de l'ordre de quelques heures. La période T3 représente des enregistrements effectués dès l'apparition d'un défaut. La durée de T3 est ici de l'ordre de la seconde. La période Tl concerne le temps pendant lequel le réseau est alimenté sous moyenne tension et est typiquement une période nocturne pour un réseau d'éclairage public HT. EP. Durant Tl, le système de détection selon l'invention est désactivé. A la fin de Tl, l'alimentation du réseau est coupée et une tension continue U est appliquée sur le réseau au début d'une période de surveillance T2. Le système de détection est alors activé, à un instant représenté par tl sur la figure. En l'absence de défaut sur le réseau, la résistance ou l'impédance mesurée et représentée ici par la courbe varie très peu. Normalement, la valeur mesurée est quasiment constante jusqu'à une nouvelle période Tl de fonctionnement du réseau, démarrant ici à l'instant t4. Si par contre un incident survient sur le réseau, ici à un instant t2 suivi de la période T3, le fait de pouvoir détecter le défaut et interdire la réalimentation en moyenne tension présente un intérêt indéniable en terme de sécurité. Pour la majorité des incidents constatés, le défaut occasionne une variation significative et durable de la résistance d'isolement, de sorte que les dispositifs de l'état de la technique permettent par exemple de détecter si la valeur mesurée a franchi un seuil d'alarme SALSOI ou de défaut SD-isol, pouvant ainsi interdire le réenclenchement du réseau. Pourtant, pour un arrachement de câble tel que défini dans la présente, aucune variation significative et durable de la résistance d'isolement n'est constatée. Ce cas est illustré ici par les courbes C, et C2 enregistrées chacune à partir d'un arrachement de câble de nature particulière. Après une brusque variation positive ou négative au moment de l'incident, la résistance se stabilise à des valeurs normales pendant le restant T4 de la période de surveillance, alors que le câble présente un défaut latent. De ce fait, les dispositifs classiques ne détectent pas de défaut et autorisent par la suite le réenclenchement du réseau. Le système selon l'invention permet un enregistrement suffisamment précis des variations de la résistance ou de l'impédance pour que des moyens de calcul déterminent la pente d'un front de variation, par exemple ici la pente p, du front de la courbe C,. Celle ci est comparée à au moins un seuil de pente déterminé, par exemple à deux seuils Ps+ et Ps-, afin d'obtenir des indications sur l'existence d'un dommage à un câble, voire des indications sur la nature du défaut constaté. Ici, la courbe C, est typique d'un arrachement de câble avec sectionnement et recollement de l'âme du câble dans une gaine non sectionnée, tel que décrit en préambule. L'augmentation brusque de la résistance d'isolement du réseau correspond au sectionnement momentané de l'âme, tandis que la partie décroissante du pic enregistré correspond au recollement des bouts sectionnés. Le système permet de calculer la pente pl et d'analyser qu'elle est ici supérieure au seuil de défaut Ps+ afin d'interdire tout réenclenchement du réseau. La courbe C2 est quant à elle typique d'un arrachement de câble avec sectionnement partiel de la gaine par un outil métallique allant toucher l'âme du câble, tel un marteau piqueur. Il se produit au moment du sectionnement un défaut d'isolement du câble qui se traduit par le passage d'un courant entre la gaine et l'âme, via le tranchant de l'outil. Ce défaut se manifeste par une brusque chute de la résistance, jusqu'à un minimum se situant le plus souvent encore au dessus du seuil d'alarme SA-Iso), de telle sorte que la détection du défaut ne peut se faire de façon classique par l'observation du franchissement de ce seuil. Lorsque l'outil est retiré, la résistance d'isolement du câble remonte rapidement et ne décroît que faiblement par la suite (à cause de la remontée d'humidité entre un conducteur et sa gaine) en restant le plus souvent dans une plage normale pendant au moins quelques jours. De même que dans le cas précédent, le système permet de détecter le défaut en calculant le pente ici négative du front de la courbe C2 puis en analysant qu'elle est inférieure au seuil de défaut Ps-. En option, des moyens d'analyse fournissent des indications sur la nature de l'arrachement de câble, pouvant ainsi aider l'exploitant du réseau dans ses investigations juste après la constatation de l'accident. Les types de courbes C, et C2 ne sont pas limitatifs, et il n'est pas exclu que d'autres types d'arrachement de câble puissent induire des variations éphémères de résistance d'isolement se manifestant par des pentes supérieures en valeur absolue à des seuils de défaut déterminés. La figure 5 représente un mode préféré de réalisation selon l'invention, dans lequel la sortie du système 3 diviseur de tension peut être connectée par une commutation de type électronique ou mécanique 6, alternativement à un appareil comparateur de tension 5 ou à un générateur de basse tension continue 2. Ainsi, le système 3 utilisé dans l'invention peut assurer une fonction supplémentaire dans le cadre d'un dispositif global de surveillance et de protection de réseau incluant une fonction de surveillance de défauts de maillage. Ce système 3 permet de renvoyer au comparateur 5 une tension réduite lorsque la conduite est alimentée en moyenne tension, c'est à dire généralement en période nocturne Tl. De façon avantageuse, la cellule 1 utilise un module 7 de contrôle commande numérique (CCN) intégrant les moyens d'enregistrement de la résistance mesurée, et les moyens de calculs et d'analyse décrits dans la présente. Ce module CCN est relié à la commande du contacteur 4 afin de pouvoir interdire la fermeture en cas d'interprétation d'arrachement de câble par lesdits moyens. REVENDICATIONS 1/Système de détection de dommages aux câbles dans les réseaux moyenne tension, tels les réseaux d'éclairage public HT. EP, destiné à assurer une fonction de surveillance de réseau hors tension, comprenant des moyens pour effectuer la mesure dynamique de la résistance (R) ou de l'impédance (Z) du réseau à une fréquence d'acquisition déterminée et des moyens d'enregistrement des valeurs mesurées, caractérisé en ce que ladite fréquence est fixée à un niveau suffisamment élevé pour permettre de déterminer la forme (C,, CJ de toute variation rapide de la grandeur mesurée pouvant se produire lors d'un incident sur le réseau. 2/Système selon la revendication 1 dans lequel des moyens sont agencés pour permettre de calculer la pente (pol) d'un front de variation rapide de la grandeur mesurée, et dans lequel cette pente est comparée à au moins un seuil (sps+) déterminé afin d'obtenir des indications sur l'existence d'un dommage. 3/Système selon la revendication 1 dans lequel des moyens sont agencés pour analyser la forme (CI, C,) d'un enregistrement de toute variation rapide de la résistance ou de l'impédance du réseau. 4/Système selon la revendication 3 dans lequel lesdits moyens d'analyse permettent d'obtenir des indications sur la nature probable d'un dommage constaté. 5/Système selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel les moyens de mesure de la résistance (R) ou de l'impédance (Z) d'un réseau monophasé ou polyphasé comprennent au moins un générateur de tension (2) destiné à être installé dans une cellule (1) d'un départ du réseau pour y appliquer chacun sur une phase une basse tension DG. 6/Système selon la revendication 5 dans lequel la sortie dudit générateur (2) est reliée pendant la période de surveillance du réseau à un système diviseur de tension (3) fonctionnant comme tel uniquement en période de fonctionnement du réseau. 7/Système selon la revendication 6 dans lequel la basse tension DG appliquée est continue et stabilisée à une valeur déterminée, et dans lequel ledit système diviseur de tension (3) est un pont RC. 8/Système selon l'une des revendications 6 et 7 dans lequel la sortie du système diviseur de tension (3) peut être connectée à un appareil comparateur de tension (5) en période de fonctionnement du réseau. 9/Système selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel la fréquence d'acquisition de la mesure de la résistance ou de l'impédance du réseau est de l'ordre de 100 Hz. 10/Procédé de modification d'un système existant de détection de défaut d'isolement dans un réseau moyenne tension, tel un réseau d'éclairage public HT. EP, ledit système utilisant la mesure de la résistance ou de l'impédance du réseau afin de détecter une modification significative et durable de cette grandeur, caractérisé en ce qu'il consiste à : - effectuer ladite mesure par des moyens d'acquisition à une fréquence déterminée et suffisamment élevée pour permettre de déterminer la forme de toute variation rapide de la grandeur mesurée, - calculer la pente d'un front de variation, - introduire des seuils de pente détenninés afin de les comparer à la pente calculée, - introduire des moyens d'interprétation de dépassement des seuils de pente, en vue d'obtenir des indications sur l'existence d'un dommage. 11/Procédé selon la revendication 10 dans lequel des moyens sont agencés pour analyser la forme de toute variation et obtenir des indications sur la nature probable d'un dommage constaté.