Brevet FR2931310A1 — publié le 20091120

MESURE DE TEMPERATURE A L'INTERIEUR D'ENVELOPPES DE MATERIELS ELECTRIQUES SOUS TENSION DESCRIPTION L'invention porte sur la mesure de température à l'intérieur d'enveloppes de matériels électriques sous tension. De telles mesures sont utiles à la sécurité ou au suivi du bon fonctionnement des matériels. Les matériels de type PSEM (Portes sous Enveloppe Mécanique) sont constitués d'une enveloppe métallique externe et d'un ou plusieurs conducteurs primaires internes maintenus mécaniquement par des isolateurs assurant également la tenue diélectrique. Les contraintes d'exploitation des réseaux de transport et distribution d'électricité nécessitent de plus en plus la maîtrise des charges et des surcharges temporaires et de leurs effets sur les équipements. Comme les autres équipements des réseaux, les postes PSEM sont de plus en plus utilisés et chargés en courant alors que leur volume tend par ailleurs à diminuer pour les nouvelles générations de matériels. Les charges permanentes de courant transitant sont de plus en plus souvent proches des valeurs nominales de l'équipement PSEM. Les surcharges peuvent conduire à les dépasser temporairement, ce que peut accepter le PSEM dans certaines limites. Il devient donc utile de disposer de moyens de mesure adaptés afin d'informer l'exploitant sur la marge d'exploitation disponible. 2 Il se trouve que les isolateurs constituent de ce point de vue un organe critique. La matière des isolateurs, le plus souvent constituée de résine époxy et d'alumine, présente la particularité de présenter un seuil de température haut à ne pas dépasser, au risque de franchir le seuil de transition vitreuse de la matière. Les conséquences sur la matière du franchissement de ce seuil conduisent à une perte irréversible des caractéristiques diélectriques et mécaniques initiales. L'arrêt du PSEM est alors nécessaire pour maintenance lourde. Le seuil de transition vitreuse est relativement bas, de l'ordre d'une centaine de degrés, or la matière des isolateurs conduit très peu la chaleur. Les conducteurs des PSEM, formés des barres et des porte-contacts fixes et mobiles, présentent des résistances non nulles. Les isolateurs maintiennent dans leur partie centrale les porte-contacts des barres, les contacts des barres étant à proximité immédiate. En cas de fort courant, la chaleur générée dans les contacts des barres et dans les barres est conduite dans tout le conducteur primaire. En cas de dégradation de la qualité d'un contact, la chaleur libérée peut être importante. Cette chaleur est alors dirigée en particulier vers les isolateurs, exposés ainsi à une dégradation. Les isolateurs qui sont au contact du conducteur primaire sont donc exposés à des contraintes thermiques importantes entre l'intérieur au contact du conducteur primaire, et l'extérieur au contact des 3 enveloppes externes et de l'air ambiant. Plus particulièrement, il convient de veiller à ne pas atteindre le seuil de transition vitreuse à l'endroit du contact avec le porte-contacts de barre, qui est le point le plus chaud. Cela implique une mesure de la température. Une surveillance de ce type permet de réguler la charge électrique qui transite dans l'équipement primaire en fonction de son échauffement, et d'optimiser l'exploitation, en tolérant éventuellement des surcharges temporaires de 5, 10 ou 20 min qui n'attenteraient pas à la continuité d'exploitation ni à la durée de vie de l'équipement. Comme les isolateurs conduisent peu la chaleur, une mesure de température depuis la face externe de l'isolateur n'est pas exploitable en raison du manque de précision de la mesure et du retard excessif au diagnostic d'un échauffement. De même, une mesure de température à partir d'une sonde noyée dans la matière de l'isolateur n'apporte pas l'efficacité souhaitée. De plus, un tel concept pose des problèmes de fabrication lors de la phase de moulage de l'isolateur, dont les propriétés diélectriques peuvent aussi être affectées par exemple par la présence de bulles d'air prisonnières. Une mesure localisée dans la zone de maintien du porte-contacts, au point le plus chaud, est nécessaire mais reste difficile compte tenu des contraintes diélectriques (l'isolement entre le conducteur primaire et l'enveloppe externe doit être maintenu) et particulièrement difficiles à cet endroit : le capteur doit tenir à la température, aux 4 champs électriques et magnétiques, aux gaz ambiants, etc. Par extension, cette mesure de température à ce point précis peut être exploitée afin de détecter une éventuelle dégradation des contacts d'un sectionneur constitué de pièces mobiles, ces contacts étant proches. Les matériels électriques envisagés ici sont en général ceux qui possèdent une partie active sous tension entourée par une enveloppe de protection, parmi lesquels on peut citer les matériels de type GIS (Gas insulated switchgear) ou PSEM (Poste sous enveloppe mécanique), ou les câbles de transport de courant à haute tension. Ces mesures à l'intérieur de l'enveloppe sont délicates en raison des courants électriques qui parcourent les parties actives. L'intrusion de la mesure oblige à traverser l'enveloppe pour accéder à l'intérieur du matériel. On a déjà employé des fibres optiques pour mesurer des températures dans de tels matériels, ou encore des faisceaux laser ou infrarouges. De telles techniques sont coûteuses en raison de la nécessité de modifier les matériels en créant des points de traversée de l'enveloppe pour les fibres ou des hublots pour les faisceaux. Il faut aussi souligner que ces ouvertures de l'enveloppe sont susceptibles de réduire la durée de vie du matériel en l'affaiblissant, ou de favoriser des fuites du gaz spécial qui emplit souvent l'enveloppe. L'invention répond à ces diverses exigences de mesure fiable, précise et suffisamment rapide malgré les conditions difficiles. Elle a pour objet une façon différente de mesurer la température, reposant sur l'emploi d'un capteur sans piles, sans fil d'alimentation ou de communication, sans fibre optique 5 et localisé directement sur les parties actives du matériel à mesurer, malgré les courants électriques et les échauffements correspondants. Le capteur caractéristique de l'invention est un capteur à ondes acoustiques de surface (transpondeur ou SAW). Il s'agit d'un capteur sans fil comprenant un substrat à réflexion d'ondes et une antenne émettrice et réceptrice jointe à ce substrat et qui communique avec l'installation de mesure. Les ondes qu'elle reçoit sont transmises au substrat, modifiées en fonction de la valeur de la température sous forme d'un changement de fréquence ou de phase et lui reviennent. Tout cela ne suffit cependant pas à donner une installation pleinement satisfaisante, à cause de la double nécessité d'utiliser un nombre de capteurs assez important pour suivre le fonctionnement de toute l'installation en mesurant la température à un nombre de points suffisant, et d'obtenir des mesures fiables. En l'absence de communication par fil ou par un moyen analogue, on est confronté à un encombrement de la bande passante disponible pour les communications. Et certains capteurs à onde acoustique de surface n'ont pas une sensibilité suffisante ou possèdent des dérives excessives. Une autre difficulté qu'on a rencontrée est l'apparition de décharges électriques partielles quand 6 un capteur est posé sur le conducteur. Une disposition subsidiaire de l'invention permet d'y remédier. L'invention concerne donc un matériel électrique comprenant une partie active sous tension électrique et une enveloppe entourant la partie active, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur fixé sur la partie active, le capteur étant à ondes acoustiques de surface, sans fil et comprenant un substrat à réflexion d'ondes et une antenne émettrice et réceptrice jointe au substrat, le substrat étant en tantalate de lithium et comportant deux résonateurs placés à des directions de propagation différentes, par exemple Y + 112° et Y + 130°; ou, sous une forme un peu différente pour laquelle les mêmes difficultés sont résolues par des moyens identiques, un matériel électrique comprenant une partie active sous tension électrique, une enveloppe entourant la partie active et un support isolant reliant la partie active à l'enveloppe, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur fixé sur la partie active ou sur le support isolant reliant la partie active à l'enveloppe, le capteur étant à ondes acoustiques de surface, sans fil et comprenant un substrat à réflexion d'ondes et une antenne émettrice et réceptrice jointe au substrat, le substrat étant en tantalate de lithium et comportant deux résonateurs placés à des directions de propagation différentes. On verra comment ce capteur particulier améliore les caractéristiques de la mesure, à la fois quantitatives en permettant d'employer un grand nombre de capteurs à la fois, et quantitatives en améliorant la qualité des mesures. 7 Le risque de décharges électriques partielles est supprimé si le capteur est logé dans la partie active ou le support de façon à ne pas en saillir. Pouvoir placer un capteur directement sur la partie active qui est le siège de l'échauffement est évidemment très avantageux puisque les mesures sont plus précises et qu'elles concernent les parties réellement à surveiller du matériau. Une disposition préférentielle consiste à monter le capteur entre le conducteur primaire et l'isolateur, qui est pourvu d'un perçage central traversé par le conducteur primaire ; il est alors avantageux que l'antenne du capteur s'étende en direction angulaire du perçage central. Plus précisément, l'élément conducteur qui traverse le cône en position centrale est le plus souvent un porte-contacts qui supporte des deux côtés une extrémité d'une barre à haute tension (HT) : c'est donc contre lui que le capteur est placé. Une difficulté réside dans l'impossibilité de démontage du matériel PSEM à seule fin de réparation du capteur. Le capteur doit donc être aussi durable que l'équipement primaire. Pour cela une conception robuste est nécessaire. Les capteurs envisagés ici sont d'un seul bloc, sans partie mobile ou exposée. Il est aussi nécessaire que le capteur ne risque dans aucun cas de sortir de son logement en exploitation, car il pourrait rompre l'isolation entre les parties actives et l'enveloppe du matériau et provoquer un défaut majeur. Les mises en oeuvre préférées, décrites plus loin, ne présentent aucun 8 risque de ce point de vue puisque le capteur est mécaniquement coincé entre le conducteur et l'isolateur. Un point délicat de la mise en oeuvre du capteur reste la phase de montage. La conception longiligne et fine obtenue avec un substrat en position centrale par rapport à deux antennes permet la fabrication d'un capteur souple qui est courbé lors de la mise en place dans la gorge avant d'être recouvert par l'isolateur. Cette conception permet une auto-adaptation à différents diamètres de barres. Par ailleurs, la disposition du capteur autorise un usinage simplifié du conducteur central au moyen d'une simple gorge dont la profondeur de quelques millimètres (typiquement 2,5 mm) ne porte pas atteinte à la bonne conduction du courant primaire. Les bords latéraux de la gorge usinée dans le porte-contacts pourraient être pourvus d'arrondis afin de préserver un champ électrique homogène dans la zone du capteur. Une autre possibilité de montage possible est de créer une gorge dans l'isolateur plutôt que sur le porte-contacts. Les barres ont un diamètre typiquement 25 proche de 10 cm, ce qui conduit à une circonférence proche de 30 cm. Une difficulté consiste à loger dans cette longueur l'antenne du capteur. Comme une antenne ordinaire est plus particulièrement efficace pour 30 recevoir et émettre un signal radioélectrique à la longueur d'onde divisée par deux, cela conduit 9 théoriquement à une longueur dépliée de 0,3 m à 1 GHz. Nous voyons ainsi que la circonférence de la gorge à cet emplacement est compatible avec des antennes fonctionnant autour de 1 GHz. Pour fonctionner, l'antenne n'est pas en contact direct du conducteur principal. Un isolant de faible épaisseur (environ 1 mm) recouvre l'antenne. Cet isolant, de matière Duroid (marque déposée) par exemple, peut supporter directement l'antenne, constituée d'une piste en surface. Le Duroid, permettant une production à faible coût, est caractérisé par la stabilité de ses propriétés à haute fréquence. Dans ce cas, l'antenne pourrait avoir une forme de type dipôle replié ou à fente. L'utilisation d'une antenne conformée à cet endroit est donc un des aspects innovants, rendant possible la liaison avec le capteur lui-même ; l'utilisation d'une matière à faible constante diélectrique (par exemple Duroid 5880 Er 2.2) comme diélectrique entre conducteur primaire et antenne étant un autre de ces aspects. Une autre façon de réaliser l'antenne consiste à utiliser le conducteur à haute tension comme plan de masse de l'antenne qui dans ce cas est de type planaire (patch). L'invention va maintenant être décrite plus en détail dans ces aspects et d'autres au moyen des figures suivantes : - la figure 1 représente une coupe longitudinale de l'invention, 10 - la figure 2 représente une vue agrandie de l'implantation du capteur et de ses parages, la figure 3 représente une coupe transversale illustrant une disposition intéressante du capteur, - et la figure 4 est un agrandissement de la figure 2. La figure 1 représente un câble 1 isolé à haute tension de structure coaxiale comprenant une barre 2 conductrice au centre et une enveloppe isolante 3 l'entourant, avec des isolateurs 5 en forme de cônes en résine époxy servant de supports à la barre 2 dans l'enveloppe 3. Le dispositif comprend encore une antenne de communication 5 établie à travers une traversée 6 de l'enveloppe 3, destinée à la détection de décharges partielles dans le câble 1. La forme de l'antenne de communication 5 est connue et peut comprendre, après une tige 7, une extrémité 8 en forme de disque à l'intérieur de l'enveloppe 3. La tige 7 s'étend dans le sens du câble 1 et elle est retenue dans le perçage d'un couvercle 9 fermant la traversée 6 et maintenant donc le confinement du câble 1, qui peut être empli d'un gaz isolant et notamment d'hexafluorure de soufre. Un distributeur électrique 11 permet de relier chaque antenne de communication 5 à un appareil de mesure 17 par l'intermédiaire de fils hors du câble 1. L'invention repose sur l'emploi de tels capteurs à ondes acoustiques de surface 12, appelés aussi capteurs SAW ou transpondeurs. Ils sont affectés, 11 dans cet exemple, à la mesure de la température du câble 1 et plus précisément de la barre 2, sur laquelle ils sont placés. Certains des capteurs 12 sont fixés sur la barre 2 entre deux supports isolants 4, alors que d'autres sont placés entre la barre 2 et un perçage central 13 des supports isolants 4 ou toute autre partie active, ainsi qu'on le représente bien aux figures 2 et 3 ; ces derniers capteurs 12 sont logés dans des gorges établies à la périphérie de portes- contacts 14 joignant des tronçons consécutifs de la barre 2, qui sont retenus dans les perçages 13. La figure 3 montre que les capteurs 12 comprennent un substrat 15, et au moins une antenne 16 jointe au substrat 15 beaucoup plus longue et s'étendant, dans la gorge du porte-contacts 14, dans la direction angulaire. Une seconde antenne peut être adjointe au substrat 15, chaque résonateur pouvant avoir sa propre antenne, ou l'émission et la réception peuvent être faites par des antennes différentes. La réalisation représentée notamment à la figure 3 comporte deux antennes 16 s'étendant dans deux directions opposées dans la gorge à partir du substrat 15, sur des portions de demi-cercles respectifs et opposés. Cette conception permet d'ajuster facilement la courbure du capteur 12 au diamètre du porte-contacts 14, ou de toute autre pièce autour de laquelle il est installé. Pour un substrat d'environ 1,8 mm d'épaisseur, de 3 mm de largeur et 6 mm de longueur environ, une gorge 21 (figure 4) de 2,5 mm de profondeur et 15 mm de largeur peut être pratiquée dans le porte-contacts 14. La gorge 21 perturbe la conduction de l'électricité, mais une 12 profondeur pouvant aller jusqu'à 5 mm environ est admissible pour des équipements usuels. La gorge 21 peut être pourvue d'arrondis 26 à ses bords latéraux externes pour ne pas perturber à l'excès la forme du champ électrique. Un support diélectrique 22 comprenant une empreinte dans laquelle le capteur 12 est logé est collé par un joint 23 au fond de la gorge. Le support diélectrique 22 peut être en Duroid (marque déposée) ou un autre polymère souple. Le capteur 12 lui est intégré par fabrication et y adhère. Une flexion du support diélectrique 22 conforme l'antenne 16 automatiquement et sans difficulté à l'état de montage en la fléchissant elle aussi. La manipulation et le montage du capteur 22 sont alors aisés. Le support diélectrique 22 peut être ajusté aux dimensions de la gorge 21, par découpage ou tout autre moyen, et sa position de montage peut aussi être ajustée. Un couvercle 24 diélectrique protège le capteur 12. Une disposition analogue, avec une gorge (25 sur la figure 2) axiale ou angulaire, pourrait être prévue pour les capteurs 12 disposés sur la barre 2 ou un autre conducteur, afin qu'ils ne saillent pas à sa surface extérieure et ne contribuent pas à des décharges électriques partielles. Les dimensions des gorges ne sont par ailleurs pas critiques tant qu'elles n'affaiblissent pas trop la résistance ou la conductivité de leur support. Le capteur 12 a une souplesse suffisante pour qu'on puisse le monter dans de telles conditions. Comme il fonctionne à des fréquences élevées, ses antennes 16 sont courtes, et il est de petites dimensions, si bien qu'il est facile à monter à de nombreux exemplaires. En 13 variante, la gorge 21 pourrait être creusée dans le support isolant 4, même si la détection pouvait devenir moins précise. Les capteurs 12 à ondes acoustiques de surface travaillent comme suit. Ils sont chacun munis d'au moins une antenne 16 et d'un substrat 15 cristallin contenant un ou plusieurs résonateurs fonctionnant chacun dans une plage de fréquence donnée. Il sert la faculté de convertir les ondes électromagnétiques en ondes acoustiques propagées dans le substrat 15 par piézoélectricité, et vice-versa. L'antenne 16 conduit l'onde incidente dans le substrat 15, à chacun des résonateurs, qui renvoient l'onde avec un décalage en fréquence variable en fonction de la température du capteur. Ils fonctionnent dans la bande passante du matériel électrique, pour laquelle les enveloppes 3 fonctionnent en guides d'ondes. Des essais ont montré que les enveloppes métalliques des matériels blindés, d'un diamètre de 400 mm par exemple, se comportent comme des filtres passe-haut avec une fréquence de coupure à 440 MHz. Les antennes de communication 5 présentent ordinairement une bande passante comprise entre 100 MHz et 2 GHz. Dans ce cas de figure, il est donc possible d'utiliser la bande de 440 MHz à 2 GHz pour communiquer entre l'antenne de communication 5 et un ou plusieurs capteurs 12 à ondes acoustiques de surface par l'intermédiaire de l'enveloppe 3 servant de guide d'ondes. L'utilisation pour les capteurs 12 de substrats 15 en tantalate de lithium fonctionnant à une fréquence utilisable entre 900 MHz et 2 GHz environ est 14 particulièrement adaptée pour bien occuper la bande passante, puisque usuellement on voudra disposer d'un grand nombre de points de mesure. Le choix de ce matériau pour les substrats 15 caractérise donc l'invention. Un exemple va être donné. Chacun des capteurs 12 comporte deux résonateurs réglés à des fréquences de résonance différentes, afin de pouvoir corriger les dérives en fonction du temps, ce qui est un élément important dans cette application où les démontages et l'entretien devraient être limités et où la vie de l'équipement devrait être de plusieurs dizaines d'année. On s'est particulièrement intéressé à des résonateurs aux directions de propagation des ondes acoustiques de Y + 112° et Y + 130° sur une surface à coupe en X du substrat en tantalate de lithium. Des directions différant de quelques degrés (entre Y + 128° et Y+132° pour le second résonateur par exemple) donneraient des résultats satisfaisants. L'écart de ces fréquences doit être d'au moins 5 MHz environ au milieu de la plage de fonctionnement (ici 75°C) pour qu'il reste à au moins 1 MHz dans toute la plage (0°C à 150°C) de façon à pouvoir les distinguer à la détection, puisque les fréquences de résonance varient avec la température. On pourra choisir un écart de fréquence de 7 MHz entre les résonateurs de chaque capteur 12, et de 15 MHz entre les résonateurs respectifs de deux capteurs 12 successifs. Une quarantaine de tels capteurs 12 pourra donc être installée dans l'appareillage, ce qui est suffisant pour nombre d'applications. De plus, le coefficient de 15 variation de la fréquence avec la température est linéaire, alors qu'il est parabolique (de polynôme de deuxième degré) dans le cas du quartz, qui est le matériau le plus ordinaire pour construire les capteurs à ondes acoustiques de surface, ce qui réduit la plage de températures dans laquelle on peut les employer, et peut compliquer la détection ou la rendre moins précise. Un autre critère, encore plus important, à considérer est la sensibilité des capteurs 12, c'est-à-dire la surtension qu'ils possèdent. On a vérifié que le substrat en tantalate de lithium était encore très satisfaisant sous cet aspect. Des essais ont démontré que cet agencement était satisfaisant. Les antennes de communication 5 se prêtent bien à l'envoi de signaux aux capteurs 12 et à la réception de signaux de retour provenant de ceux-ci. Les ondes occupent tout le volume dans l'enveloppe 3 le long de quelques mètres ou quelques dizaines de mètres et peuvent ainsi desservir plusieurs capteurs 12 éloignés. Aucune communication par fil n'est donc nécessaire. REVENDICATIONS1. Matériel électrique comprenant une partie active (2) sous tension électrique et une enveloppe (3) entourant la partie active (2), caractérisé en ce qu'il comprend un capteur (12) fixé sur la partie active, le capteur (12) étant à ondes acoustiques de surface, sans fil et comprenant un substrat à réflexion d'ondes et une antenne émettrice et réceptrice jointe au substrat, le substrat étant en tantalate de lithium et comportant deux résonateurs placés à des directions de propagation à Y + 112° et Y + 130°. 2. Matériel (1) électrique comprenant une partie active (2) sous tension électrique, une enveloppe (3) entourant la partie active et un support isolant (4) reliant la partie active (2) à l'enveloppe (3), caractérisé en ce qu'il comprend un capteur (12) fixé sur le support isolant (4) reliant la partie active à l'enveloppe, le capteur étant à ondes acoustiques de surface, sans fil et comprenant un substrat (15) à réflexion d'ondes et une antenne (16) émettrice et réceptrice jointe au substrat (15), le substrat étant en tantalate de lithium et comportant deux résonateurs placés à des directions de propagation à Y + 112° et Y + 130°. 3. Matériel électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie 17 active est une barre conductrice et l'enveloppe est cylindrique. 4. Matériel électrique selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le capteur est disposé en étant retenu entre la barre conductrice et le support, le support (4) étant pourvu d'un perçage central traversé par la barre. 5. Matériel électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'antenne du capteur s'étend en direction angulaire du perçage central. 6. Matériel électrique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une seconde antenne, le substrat étant en position centrale par rapport aux antennes, qui s'étendent sur deux portions opposées de demi-cercles. 7. Matériel électrique selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que le capteur à ondes acoustiques de surface est logé dans une gorge creusée dans la partie active. 8. Matériel électrique selon la revendication 7, caractérisé en ce que la gorge a au plus 5 mm de profondeur. 5 9. Matériel électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le capteur 12 est intégré à un support diélectrique (22) souple. 10. Matériel électrique selon les revendications 7 et 9, caractérisé en ce que le support diélectrique (22) souple est ajusté et collé dans la gorge. 10