Brevet FR2864687A1 — publié le 20050701

TRANSFORMATEURS DE COURANT POUR DETECTION DE DECHARGES PARTIELLES SUR DES CÂBLES ET DES FILS DANS DES AERONEFS La présente description concerne d'une façon générale des systèmes et des procédés pour détecter des défauts dans des câblages d'aéronefs et, plus particulièrement, des systèmes et des procédés pour détecter des décharges partielles ou l'apparition d'arcs dans des fils ou des câbles. Les câblages sont un système critique dans les aéronefs, les navires, les applications industrielles et domestiques. On sait que les problèmes liés à l'état et la sûreté des câblages d'aéronefs sont graves et ils ont fait l'objet d'une grande attention après les accidents des vols suissair 111 Air et TWA 800. Par ailleurs, les feux sur installations électriques dans l'industrie sont responsables d'une grande partie des pertes matérielles, et les feux dans les appareils électriques domestiques représentent une grande partie des incendies survenant à domicile en menaçant les vies et en endommageant les biens. Pour des raisons d'allègement, l'isolation des câbles d'aéronefs est beaucoup plus mince que celle qu'on trouve dans des câblages de bâtiments. Cette mince isolation se dégrade avec le temps du fait de l'évolution de la composition chimique, des vibrations pendant les vols, des grands changements de température et de l'exposition à des agents tels que la poussière, le sel, l'humidité et des nettoyants chimiques. Ces câblages sont également exposés à d'autres contraintes mécaniques pendant l'entretien. Les effets évoqués ci-dessus contribuent à dégrader l'isolation, en provoquant des fissures et une usure par frottement. Ces défauts d'isolation risquent de provoquer l'apparition d'arcs entre des fils ou des métaux environnants. L'humidité, combinée avec des dépôts de sel et de poussière, peut rendre plus probable l'apparition d'arcs. La détection de défauts dans les câblages d'aéronefs est principalement réalisée par un examen visuel opéré par le personnel d'entretien. Cet examen visuel constitue un processus lent et sa fiabilité n'est pas satisfaisante. En outre, comme il nécessite une torsion des fils pour vérifier s'ils sont usés par des frottements, ce contrôle visuel provoque souvent plus de problèmes qu'il ne peut en identifier. Par conséquent, il existe un besoin de techniques pour détecter des défauts dans des fils ou des câbles, qui puissent être mises en oeuvre autrement que par un examen visuel et qui ne contribuent pas à aggraver l'état du fil ou du câble contrôlé. Une détection d'un signal de décharge partielle peut être utilisé pour caractériser l'état de câblages. Si une décharge partielle survient, la décharge provoquera la propagation de signaux électriques à haute fréquence le long du câble. Ce signal électrique à haute fréquence peut être détecté à l'aide de transformateurs de courant à haute fréquence (TCHF). Les transformateurs de courant actuellement commercialisés sont généralement encombrants et lourds et ne peuvent pas être utilisés comme moyens de détection installés en permanence pour surveiller l'état des câblages d'aéronefs. Les contrôles de décharges partielles (DP) constituent un procédé sensible, couramment utilisé pour caractériser l'état de matériaux d'isolation. Le signal électrique à haute fréquence généré par l'activité de DP peut être détecté avec des transformateurs de courant à haute fréquence (TCHF) à large bande. Dans les diverses formes de réalisation de la présente invention, les modèles de transformateurs de courant sont décrits comme pouvant être installés après coup sur des fils et des faisceaux de câbles. L'installation de plusieurs transformateurs de courant miniaturisés dans un connecteur, ou pour modifier une pièce intermédiaire entre connecteurs est également décrite. D'autres formes de réalisation peuvent également contenir des préamplificateurs et des composants électroniques de traitement de signaux de DP. Selon un aspect de la présente invention, un transformateur de courant à haute fréquence (TCHF) pour détecter des décharges partielles produites par des câbles et fils défectueux ou endommagés et un procédé de fabrication de celui-ci sont proposés. Le TCHF comprend au moins un motif conducteur en forme de bobine formé sur un matériau isolant souple, le matériau isolant comportant des fentes ménagées entre chaque spire de bobine et le motif en forme de bobine. Un noyau en matière souple est installé entre les spires de bobine à travers lesdites fentes. Dans un mode de réalisation, le TCHF est configuré pour détecter des décharges partielles de l'ordre de 10 à 900 picocoulombs. Dans un autre mode de réalisation, le noyau est un matériau magnétique à grande perméabilité utilisable avec des signaux électriques à haute fréquence. Dans un autre mode de réalisation, le matériau magnétique est un métal amorphe à base de cobalt ou un composite ferrite/polymère. Dans un autre mode de réalisation, le noyau est un matériau amagnétique utilisable avec des signaux électriques à haute fréquence. Dans un autre mode de réalisation, le noyau est un noyau à air. Dans encore un autre mode de réalisation, le TCHF comprend en outre un moyen pour monter d'une manière fixe le TCHF sur un câble, un fil ou un faisceau de fils. Dans un mode de réalisation, le matériau isolant est un film. Selon un aspect supplémentaire de la présente invention, il est proposé un système pour détecter des décharges partielles produites par des câbles et des fils défectueux ou endommagés. Le système comprend au moins un transformateur de courant à haute fréquence (TCHF) conçu pour détecter des transferts de charges entre 10 et 900 picocoulombs. Le TCHF comporte un noyau entouré par une bobine en matériau conducteur. En outre, il est prévu un boîtier dimensionné pour monter le TCHF autour d'un fil, d'un câble ou d'un faisceau de fils et pour supporter ledit/lesdits TCHF à proximité immédiate dudit fil ou faisceau de fil, et un processeur communiquant électriquement avec le TCHF, pour analyser les signaux électriques produits par et reçus du TCHF. Selon un autre aspect de la présente invention, il est proposé un procédé de fabrication d'un transformateur de courant à haute fréquence (TCHF) pour détecter des décharges partielles produites par des câbles et fils défectueux ou endommagés. Le procédé comprend les étapes consistant à réaliser sur un matériau isolant souple un ou plusieurs motifs très conducteurs analogues à des bobines, chaque motif ayant une pluralité de spires de bobine. Le matériau isolant souple est ensuite incisé entre chacune des différentes spires de bobine des motifs analogues à des bobines. Un matériau formant noyau souple est inséré à travers les incisions. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels: la Fig. 1 illustre une forme de réalisation d'un transformateur de courant selon la technique antérieure; la Fig. 2 illustre une forme de réalisation d'un transformateur de courant à haute fréquence (TCHF) pour rechercher des défauts dans un fil, à un stade intermédiaire de la fabrication; la Fig. 3 représente la fabrication achevée de la forme de réalisation d'un TCHF pour rechercher des défauts dans un fil, représenté sur la Fig. 2; la Fig. 4 représente le TCHF de la Fig. 3 installé sur un fil soumis à un contrôle et la Fig. 5 illustre une autre forme de réalisation d'un TCHF servant à rechercher des défauts dans un fil, configuré pour pouvoir être installé sur des broches de connecteur. En référence aux dessins annexés, on va maintenant décrire des formes préférées de réalisation de la présente invention. Dans la description ciaprès, les fonctions ou structures bien connues ne sont pas décrites en détail afin d'éviter de rendre l'invention moins compréhensible du fait de détails inutiles. L'état de l'isolation d'un fil, d'un câble ou d'un faisceau de câbles peut être contrôlé par des diagnostics de décharges partielles ou par l'apparition d'arcs. Des décharges électriques qui ne vont pas entièrement d'une électrode à une autre électrode adjacente sont appelées décharges partielles (DP). L'ampleur de telles décharges est généralement faible, la quantité de charge transférée est de l'ordre de 10 à quelques centaines de picocoulombs, par exemple de 10 à 900 pC. Pour un contrôle de décharge partielle, une tension alternative ou continue d'une valeur appropriée est appliquée à des conducteurs entourant le matériau d'isolation soumis à un contrôle. Selon une autre possibilité, la décharge peut être détectée dans des conditions de fonctionnement sous intensité/tension normale, selon les caractéristiques des défauts et des systèmes sous tension. Si une décharge partielle survient, la décharge génère des signaux électriques à haute fréquence circulant le long du câble. Ce signal électrique à haute fréquence peut être détecté à l'aide de transformateurs de courant à haute fréquence (TCHF). Le principe de base pour la mesure d'un courant alternatif à l'aide d'un transformateur de courant est illustré sur la Fig. 1. Des transformateurs de courant peuvent être utilisés pour mesurer d'une manière non intrusive le courant à haute fréquence dans des fils isolés 102. Un noyau magnétique cylindrique 101 entoure le fil 102. Le noyau magnétique 101 peut être en matériau à grande perméabilité convenant pour de hautes fréquences, ou encore il peut être amagnétique, par exemple un noyau à air tel qu'un enroulement de Rogovski. Un fil hélicoïdal 103 est enroulé autour du noyau magnétique cylindrique 101. Le courant alternatif (I) dans le fil 102 induit un champ magnétique alternatif dans le noyau magnétique 101. Ce champ magnétique dans le noyau 101 induit dans l'enroulement 103 une tension proportionnelle à l'intensité (I) du courant dans le fil 102. Un signal de courant généré par une décharge partielle peut être détecté à l'aide d'un seul TCHF autour du faisceau de câble ou, de même, un TCHF plus petit peut être utilisé autour d'un seul fil. Le détecteur de courant selon la présente invention a de préférence une forme plate de façon à ne pas accroître notablement le diamètre du fil. De plus, le TCHF est construit d'une manière permettant son installation et/ou son serrage sur un fil, un câble ou un faisceau de fils afin de permettre une installation sur des faisceaux de câbles montés, ou encore, peut être installé et fixé sur des fils, les deux extrémités des fils ayant déjà été connectées. En référence à la Fig. 2, un transformateur de courant plat et souple est fabriqué en réalisant sur un film 202 des motifs 201 analogues à des bobines. Le film 202 est de préférence en matériau isolant, par exemple du Kapton, et le motif 201 est réalisé en appliquant un ruban très conducteur, de préférence en matériaux métalliques tels que le cuivre, l'aluminium ou l'or, sous la forme du motif de bobine voulu à l'aide de procédés de dépôt bien connus dans la technique. Le motif 201 analogue à une bobine ne constitue qu'un exemple et plusieurs autres motifs peuvent être utilisés pour former la bobine. Pour former le système à bobine et noyau, le film 202 est incisé dans les "spires" 203 et un ruban de noyau magnétique souple plat 301 est installé comme illustré sur la Fig. 3. Pour un bon fonctionnement du TCHF 300, le noyau magnétique 301 est agencé pour former un cylindre fermé. Cependant, il n'est pas nécessaire que le fil hélicoïdal 201 forme un cylindre entièrement fermé, bien que la forme optimale soit un cylindre fermé. De préférence, le matériau 301 du noyau est un matériau souple, mince, à grande perméabilité, utilisable pour des fréquences atteignant 500 MHz, voire plus. Il est possible d'utiliser des matériaux tels que des films de métal amorphe à base de cobalt et des films de composite ferrite/polymère (CFP), ainsi que des noyaux à perméabilité égale à l'unité, par exemple la matière plastique. Plusieurs couches peuvent être superposées pour réaliser un noyau de dimensions voulues tout en restant souple. Le chevauchement des extrémités de la couche de noyau pendant l'installation fermera le circuit magnétique. De plus, le noyau peut être un noyau à air, par exemple un enroulement de Rogovski. La Fig. 4 représente un TCHF 300 utilisé de manière à envelopper un fil 402. Un signal généré par une décharge partielle est transmis par l'intermédiaire de fils conducteurs 403 à un système de traitement 404 de signaux dans lequel le signal est analysé pour déterminer l'existence et la gravité d'un défaut de câblage d'après les critères dont la forme d'onde et l'amplitude du signal. Les résultats de l'analyse peuvent être visualisés sur un tableau indicateur 405, à l'aide de DEL de diverses couleurs (normalisées: le vert pour le fonctionnement, le jaune pour l'alerte et le rouge pour le danger) ou sur un écran d'affichage (non représenté). En outre, un système d'alerte sonore 406 peut être déclenché si la gravité du défaut dépasse un seuil prédéfini. La commande du tableau indicateur 405 et du système d'alerte sonore 406, ainsi que les fonctions du système de traitement 404 de signaux, peuvent être intégrées dans n'importe quelle plate-forme informatique appropriée. Le TCHF 300 peut être noyé dans une structure en matière plastique. Cette structure en matière plastique peut servir de protection mécanique et peut avoir sur les côtés un système autoverrouillable à broches entières pour fixer la structure sur le fil. Le TCHF 300 peut également être préalablement formé et serré sur un fil à l'aide d'une technique d'habillage extérieur par un tube thermorétrécissable ou autre. En outre, un préamplificateur ou autres puces/circuits de traitement de signaux peuvent être montés directement sur le TCHF 300 lui-même. Les circuits supplémentaires peuvent assurer certaines ou la totalité des fonctions du système distant 404 de traitement de signaux, en réalisant donc une amplification et/ou une analyse du signal dans un dispositif autonome et compact. Par ailleurs, il est possible d'inclure des circuits pour communications radioélectriques, utilisant des protocoles normalisés tels que Bluetooth ou 802.11 a/b/g, ce qui rend inutile l'installation de conducteurs 403 pour transmettre les signaux à un processeur central ou à un moyen d'affichage. Le TCHF peut être blindé en mettant en place un blindage conducteur autour du TCHF pour réduire le bruit généré par les composants électriques environnants. De plus, des capteurs capacitifs de tension peuvent être utilisés comme procédés secondaires de détection de décharges partielles, lesquels, s'ils sont utilisés conjointement avec le transformateur de courant, peuvent constituer un moyen pour réduire encore le bruit du signal en comparant des résultats fournis par les deux capteurs. Dans une autre forme de réalisation possible, la bobine conductrice 201 peut être directement déposée sur le matériau du noyau 301. Si le noyau 301 est conducteur, une couche d'isolation appropriée sera prévue pour être utilisée sous le matériau du noyau 301. En outre, un TCHF peut être intégré dans un connecteur 500 (cf. Fig. 5). Dans la présente forme de réalisation, chaque broche 501 du connecteur est entourée par un TCHF 510, ce qui peut s'effectuer à l'aide d'une perle creuse de ferrite 502 enveloppée par un enroulement 503. Selon une autre possibilité, un ruban de film conducteur de forme hélicoïdale peut également être formé directement sur la perle de ferrite 502, avec une couche d'isolation appropriée sous le film. Les décharges partielles sont détectées par le TCHF 510, dans lequel un courant est induit dans la bobine 503, lequel peut être transmis à une unité de traitement pour déterminer l'ampleur de l'endommagement de l'isolation et déterminer les solutions possibles, à savoir la dérivation de l'alimentation électrique vers des systèmes de secours, la transmission d'indications visuelles à des opérateurs ou à du personnel d'intervention et une alerte sonore. LISTE DES REPERES 5 101 Noyau magnétique cylindrique 102 Fil 103 Enroulement de fil 201 Motifs en forme de bobine 202 Film 203 Spires de bobine 300 TCHF 301 Noyau magnétique 402 Fil 403 Fils conducteurs 404 Système de traitement de signaux 405 Tableau indicateur 406 Système d'alarme sonore 500 Connecteur 501 Broche de connecteur 502 Perle de ferrite 503 Bobine 510 TCHF REVENDICATIONS 1. Transformateur de courant à haute fréquence (TCHF) (300) pour la détection de décharges partielles produites par des câbles et des fils défectueux ou 5 endommagés, ledit TCHF comprenant: au moins un motif conducteur (201) en forme de bobine formé sur un matériau isolant souple (202), ledit matériau isolant ayant des fentes (203) entre chaque spire du motif (201) en forme de bobine; et un noyau en matériau souple (301) disposé entre les spires de bobine à 10 travers lesdites fentes (203). 2. TCHF selon la revendication 1, dans lequel ledit TCHF est configuré pour détecter des décharges partielles de l'ordre de 10 à 900 picocoulombs. 3. TCHF selon la revendication 1, dans lequel ledit noyau (301) est un matériau magnétique à grande perméabilité utilisable avec des signaux électriques à haute fréquence. 4. TCHF selon la revendication 3, dans lequel que ledit matériau magnétique est un métal amorphe à base de cobalt ou un composite ferrite/polymère. 5. TCHF selon la revendication 1, dans lequel ledit noyau (301) est un matériau amagnétique utilisable avec des signaux électriques à haute fréquence. 6. TCHF selon la revendication 1, dans lequel que ledit noyau (301) est un noyau à air. 7. TCHF selon la revendication 1, comprenant en outre un moyen pour monter d'une manière fixe ledit TCHF sur un câble, un fil ou un faisceau de fils. 8. TCHF selon la revendication 1, dans lequel le matériau isolant (202) est un film. 9. Système pour détecter des décharges partielles produites par des câbles et des fils défectueux ou endommagés, le système comprenant: au moins un transformateur de courant à haute fréquence (TCHF) (300) comprenant au moins un motif conducteur (201) en forme de bobine formé sur un matériau isolant souple (202) ledit matériau isolant ayant des fentes (203) entre chaque spire du motif en forme de bobine; et un noyau en matériau souple (301) disposé entre les spires de bobine à travers lesdites fentes; un boîtier dimensionné pour monter ledit/lesdits TCHF autour d'un fil ou d'un faisceau de fils et pour supporter ledit/lesdits TCHF à proximité immédiate dudit fil ou faisceau de fils; et un processeur (404) en communication électrique avec ledit/lesdits TCHF (300) , ledit processeur étant configuré pour analyser des signaux électriques produits par et reçus dudit/desdits TCHF. 10. Procédé de fabrication d'un transformateur de courant à haute fréquence (TCHF) (300) pour détecter des décharges partielles produites par des câbles et fils défectueux ou endommagés, ledit procédé comprenant les étapes consistant à : créer sur un matériau isolant souple (202) un ou plusieurs motifs très conducteurs en forme de bobines (201), chaque motif ayant une pluralité de spires de bobine; inciser ledit matériau isolant souple entre chacune des différentes spires des motifs en forme de bobines; et insérer un matériau de noyau souple (301) à travers lesdites incisions (203).