Brevet FR2925987A1 — publié le 20090703

SYSTEME ET PROCEDE DE DETECTION ET DE SUPPRESSION D'UN DEFAUT ELECTRIQUE DANS UN EQUIPEMENT DE DISTRIBUTION ELECTRIQUE MOYENNE OU HAUTE TENSION ET DISPOSITIF DE MISE A LA TERRE D'UN CABLE ELECTRIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un système et un procédé de détection et de suppression d'un défaut électrique dans un équipement de distribution, et plus précisément dans le compartiment d'une des cellules d'un tableau de distribution électrique moyenne ou haute tension. L'invention concerne également un dispositif de mise à la terre d'un câble électrique moyenne ou haute tension. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Le domaine de l'invention est celui des systèmes de détection de défaut de court-circuit dans des postes de distribution d'énergie électrique moyenne ou haute tension sous enveloppes métalliques. Dans ce type de postes de distribution, l'apparition d'un défaut de court-circuit entre un conducteur et la terre ou entre conducteurs provoque un arc électrique de forte puissance qui génère une élévation de pression et de température importantes du milieu ambiant (air ou gaz SF6 par exemple)qui provoque des dégâts irrémédiables sur les pièces environnantes (appareil lui même, local où est installé l'appareil et également sur le personnel de maintenance ou d'exploitation qui se trouverait à proximité du poste de distribution lorsque le défaut se produit). Ces dégâts sont plus ou moins importants et localisés en fonction de la rapidité de la détection du défaut et de son élimination. La rapidité de la détection d'un défaut de court-circuit et son élimination sont donc essentiels pour limiter les dégâts. En cas de défaut électrique dans le compartiment d'une cellule électrique moyenne ou haute tension, dans un tableau composé de plusieurs cellules, les constructeurs de matériels proposent deux systèmes permettant de protéger les exploitants situés à proximité et de limiter les effets mécaniques et thermiques du défaut sur les autres compartiments du tableau: - un système de protection passive qui comprend un renforcement de la structure mécanique de chaque cellule et une évacuation des gaz chauds dans une aire protégée, où les exploitants ne sont pas sensés être, pendant la durée du défaut qui peut durer plusieurs secondes ; un système de protection active qui comprend la détection du défaut à partir de la lumière émise par l'arc puis l'actionnement d'un dispositif court-circuitant le défaut dans un temps très court, par exemple quelques dizaines de millisecondes, éteignant ainsi celui-ci. Le document référencé [1] en fin de description décrit un système pour éliminer un défaut de court-circuit dans un équipement de distribution électrique moyenne tension qui comprend : - un dispositif de détection de ce défaut en détectant la lumière émise par l'arc, et - un dispositif court-circuitant ce défaut. Ce système utilise des détecteurs de lumière qui sont positionnés dans les différentes cellules de l'équipement de distribution électrique. Ces détecteurs sont reliés par des fils électriques ou des fibres optiques à une unité centrale qui permet, lors de l'apparition d'un arc électrique, de commander la fermeture d'un dispositif court-circuitant les trois phases, éteignant ainsi cet arc électrique. Un tel système est peu fiable : - Si l'arc électrique touche un détecteur de lumière, celui-ci devient non opérationnel, ce qui rend la détection du défaut impossible. - Ce système peut malencontreusement être actionné si un détecteur de lumière est soumis à la luminosité d'un arc de coupure normale plus long ou plus intense que d'habitude. - Ce système est difficile à installer sur un tableau en cours d'exploitation : il faut, en effet, mettre hors service le tableau, le consigner, réaliser une intervention longue et pénible dans chaque compartiment et câbler les fils de transmission de l'information. L'objet de l'invention est de palier de tels inconvénients en détectant un défaut électrique par le bruit intense (comparable à celui d'une explosion) qu'il génère, puis en actionnant un sectionneur de terre, qui, en se refermant, court-circuite l'arc électrique de défaut. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un système de détection et de suppression d'un défaut électrique de court-circuit entre un conducteur et la terre ou entre conducteurs qui provoque un arc électrique de forte puissance dans le compartiment d'une des cellules d'un tableau de distribution électrique moyenne ou haute tension comprenant: - des moyens de détection de ce défaut, - des moyens de traitement du signal détecté, des moyens d'actionnement d'un sectionneur qui, en se refermant, court-circuite ce défaut, caractérisé en ce que les moyens de détection sont des moyens de détection du signal sonore généré directement par ce défaut électrique. Dans un premier mode de réalisation, les moyens de détection comprennent un microphone installé au niveau du compartiment basse tension du tableau. Dans un second mode de réalisation les moyens de détection comprennent un microphone placé face au tableau. Avantageusement les moyens de traitement comprennent: - des moyens de comparaison de l'amplitude du signal détecté à un seuil, ou des moyens de filtrage du signal détecté, et des moyens de comparaison du signal filtré à une gamme de fréquences déterminée, par exemple de 100 Hz et 300 Hz. Ces moyens de filtrage peuvent utiliser un filtre électronique de type � passe-bande � pour traiter le signal reçu. Ils peuvent, dans une variante de réalisation, utiliser une décomposition en série de Fourier. Les moyens d'actionnement d'un sectionneur 10 peuvent comprendre une ventouse magnétique à émission et un ressort. L'invention concerne également un procédé de détection et de suppression d'un défaut électrique de court-circuit entre un conducteur et la terre ou 15 entre conducteurs qui provoque un arc électrique de forte puissance dans le compartiment d'une des cellules d'un tableau de distribution électrique moyenne ou haute tension comprenant : - une étape de détection de ce défaut, 20 une étape de traitement du signal détecté, une étape d'actionnement d'un sectionneur qui, en se refermant, court-circuite ce défaut, 25 caractérisé en ce que l'étape de détection est une étape de détection du signal sonore généré directement par ce défaut électrique. L'étape de détection peut avoir lieu au niveau du compartiment basse tension du tableau, ou 30 face à ce tableau. Avantageusement le procédé de l'invention comprend en outre : - une étape de comparaison de l'amplitude du signal détecté à un seuil, ou une étape de filtrage du signal détecté, et une étape de comparaison du signal filtré à une gamme de fréquences déterminées. L'étape de filtrage peut utiliser un filtre électronique de type � passe-bande � pour traiter le signal reçu. Elle peut, dans une variante de réalisation, utiliser une décomposition en série de Fourier du signal reçu. L'invention concerne, enfin, un dispositif de mise à la terre d'un câble électrique moyenne ou haute tension, comprenant un sectionneur de mise à la terre et des moyens de commande de celui-ci, caractérisé en ce que ces moyens de commande comprennent une ventouse magnétique à émission associée à un ressort, ce ressort étant bandé lorsque la ventouse n'est pas alimentée, une bielle soumise à l'action du ressort, et un levier de verrouillage pour maintenir cette bielle en position, le levier de verrouillage étant mobile ou fixe suivant l'état de la ventouse (alimentée ou non en électricité). Le système et le procédé de l'invention permettent : - de détecter un défaut électrique (arc électrique) dans un appareillage électrique afin de supprimer ou de limiter ses effets et ainsi : • de protéger le personnel, • de protéger les locaux dans lesquels se situent les matériels en défaut, • d'améliorer la continuité de service du réseau électrique en réduisant la quantité de matériel endommagé et donc le temps d'indisponibilité du tableau, - de supprimer ce défaut électrique en mettant les phases au potentiel de terre à l'aide d'un sectionneur de terre dont le mouvement est déclenché par la détection sonore de l'arc électrique. - de détecter un défaut électrique de manière sûre et certaine par un dispositif à bas coût, - de diminuer le nombre de détecteurs dans un tableau électrique composé de plusieurs cellules, - de simplifier et de fiabiliser la 15 détection d'un défaut, et de faciliter la mise en place du dispositif de détection, - de réduire le temps d'indisponibilité du matériel (continuité du service améliorée). 20 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre schématiquement un microphone dynamique utilisé dans le système de l'invention. Les figures 2A et 2B illustrent un premier 25 mode de réalisation du système de l'invention respectivement dans une vue en coupe AA et dans une vue de face. La figure 3 illustre un second mode de réalisation du système de l'invention. Les figures 4A et 4B illustrent un exemple d'accrochage du système de l'invention. Les figures 5A et 5B illustrent schématiquement un exemple de réalisation du système de l'invention. EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS Le système de l'invention permet la détection et la suppression d'un défaut de court-circuit entre un conducteur et la terre ou entre conducteurs dans le compartiment d'une des cellules d'un tableau de distribution électrique moyenne ou haute tension, ce défaut provoquant un arc électrique de forte puissance dans cette cellule. Ce système comprend : - des moyens de détection du signal sonore généré directement par ce défaut, - des moyens de traitement du signal détecté, des moyens d'actionnement d'un sectionneur qui, en se refermant, court-circuite ce défaut. Le système de l'invention permet de détecter un arc électrique non pas dans le compartiment de la cellule dans lequel ce dernier est initié, comme cela est le cas habituellement, mais au niveau du tableau composé de plusieurs cellules. Un microphone permet ainsi de détecter le bruit généré par cet arc électrique, qui a une fréquence fondamentale proche du double de la fréquence du courant, donc proche de 100 Hz. Au-delà d'un niveau sonore et/ou après une étude de la fréquence du signal par filtrage à l'aide d'un filtre électronique de type � passe-bande � permettant d'éliminer toute perturbation externe, le système donne un ordre de fermeture à un sectionneur de terre qui court-circuite ainsi l'arc électrique. La théorie et la technologie d'un tel filtre passe-bande sont bien connues de l'homme de métier. L'extinction de l'arc est instantanée et ses conséquences sont limitées au compartiment où s'est initié l'arc ou à la seule cellule victime du défaut. Dans une variante de réalisation, le signal électrique en sortie du microphone est décomposé en série de Fourier à l'aide d'un logiciel bien connu de l'homme de métier, par exemple le logiciel MATLAB de la société The-Mathworks. Ce logiciel donnant ou non, en fonction du résultat obtenu, un ordre de fermeture au sectionneur de terre. Les dégâts engendrés par l'arc étant minimes et limités, la remise en service du tableau est rapide. Les moyens de détection ne sont pas altérés par le défaut et les sectionneurs de terre sont conçus et validés pour pouvoir fermer plusieurs fois sur court-circuit. On va, à présent, décrire plus précisément chacun des composants utilisés dans le système de l'invention en considérant, à titre d'exemple, un tableau à protéger du type décrit dans le document référencé [2] ou dans le document référencé [3]. Microphone 10 Le microphone utilisé est, par exemple, un microphone dynamique à bobine mobile illustré sur la figure 1, qui comporte une membrane 11 fixée à une bobine mobile 12. L'onde sonore 13 exerce une pression sur la membrane 11 qui, par l'intermédiaire de la force engendrée, provoque le déplacement de la bobine mobile 12 autour d'un aimant 14. La variation de flux du champ magnétique créée par l'aimant 14 au travers des spires de la bobine mobile crée une force électromotrice dont les oscillations sont égales à celles de la membrane 11. Le signal sonore est ainsi converti en tension électrique 15, dont la fréquence et l'amplitude retranscrivent l'onde sonore. Ce microphone peut avoir les caractéristiques suivantes : - réponse en fréquence : entre 60 Hz et 16 KHz, - sensibilité : -74 dB +/ - 3dB - impédance : 200 à 600 ohms environ Ce microphone peut être, par exemple : un microphone d'usage général de la 20 marque SHURE de référence RS25, un microphone unidirectionnel de la marque SHURE de référence MX421D/C, une cellule microphonique unidirectionnelle destinée à la réception de la voix 25 pour les applications en téléphonie, en interphonie, en sonorisation, etc, de la marque LEM industrie, de référence EM118. Dans un premier mode de réalisation illustré sur les figures 2A et 2B, le microphone 10 est 30 inclus sur le tableau moyenne tension à protéger 20. Le microphone 10 est installé au niveau du compartiment basse tension, ou compartiment contrôle commande, 21. Un perçage dans le capot de ce compartiment permet de fixer le microphone 10. La sortie du microphone, qui est une tension comprise entre 0 et 10 V, est reliée par un fil de connexion 24 à un circuit électronique de traitement 22 placé dans le compartiment basse tension 21. Sur ces figures 2A et 2B sont également représentés un compartiment mécanisme de commande 23, un compartiment jeu de barres 16, un compartiment appareillage de coupure ou d'isolement 17, et un compartiment câbles 18. Dans un second mode de réalisation illustré sur la figure 3, le microphone 10 n'est plus inclus dans le tableau à protéger. Le microphone 10 est placé face au tableau à protéger à une distance qui dépend de la place dont on dispose dans le local qui abrite le tableau moyenne tension, par exemple à 0,50 mètre. Le microphone, monté sur un trépied 26 à une hauteur de 1,5 mètre environ, est placé en face de la cellule à protéger. La sortie du microphone 10 est reliée par une liaison filaire 27 à un circuit électronique de traitement 22 placé dans le compartiment basse tension 21. Le microphone est alimenté par une tension auxiliaire issue du compartiment basse tension 21. Circuit électronique 22 Le signal électrique généré par le microphone 10 a la même fréquence que le son recueilli généré par l'arc électrique et une amplitude proportionnelle à l'intensité de celui-ci. Un filtre électronique de type � passe bande �, dont la bande passante est comprise entre 100 Hz et 300 Hz, permet d'éliminer tout signal dont la fréquence n'est pas comprise dans cette bande passante. Par contre un signal dont la fréquence est comprise entre 100 et 300 Hz est amplifié. Ventouse magnétique 33 Une ventouse magnétique à émission peut être disposée à la sortie du filtre passe-bande, avantageusement au travers d'un transistor NPN fonctionnant en bloqué-passant. Une telle ventouse à émission de courant agit comme un aimant permanent lorsqu'elle n'est pas sous tension. Dès que l'on applique à celle-ci une tension définie par le constructeur (24 ou 48 Vcc par exemple), son aimantation disparaît. Lorsqu'aucun son de fréquence comprise entre 100 et 300 Hz n'est présent, la ventouse n'est pas alimentée. Elle retient un ressort bandé c'est-à-dire comprimé, s'il s'agit d'un ressort de compression, ou tendu, s'il s'agit d'un ressort de traction bandé. La ventouse fournit un effort portant. Dès qu'un son de fréquence comprise entre 100 et 300 Hz apparait l'aimantation de la ventouse disparaît et le ressort (de compression ou de traction) libère son énergie pour mettre en mouvement des contacts mobiles reliés au potentiel de terre afin qu'ils viennent au contact des trois phases de l'appareillage moyenne tension, pour relier ces phases à la terre et ainsi court-circuiter l'arc électrique. Cette ventouse magnétique à émission peut être une ventouse référencée 21 VE fabriquée par la société LUXALP. Sectionneur de terre 42 Le ressort de compression ou de traction 30 met en mouvement un sectionneur de mise à la terre désigné � ST Arc Killer � 42. Ce sectionneur de terre 42 met les phases au potentiel de terre afin de court-circuiter l'arc électrique de défaut. Les figures 4A et 4B représentent un exemple d'accrochage mécanique. La figure 4A représente la configuration initiale dans laquelle le ressort 30 est bandé. Une bielle 31 est soumise à l'action du ressort (seule les extrémités du ressort sont présentées sur les figures 4A et 4B) mais est maintenue en position par un levier de verrouillage 32. Le levier de verrouillage 32 est lui-même maintenu en position par la ventouse magnétique 33. Lorsqu'on alimente la ventouse magnétique 33 suite à la détection du bruit généré par un arc électrique, on annule l'effort portant appliqué au levier de verrouillage 32. Le levier de verrouillage 32 n'assure plus le maintien en position de la bielle 31. La bielle 31, qui n'est plus alors soumise qu'à l'action du ressort 30, est entraînée en rotation. C'est le mouvement de rotation de la bielle 31 qui permet, par l'intermédiaire d'un dispositif non représenté, de fermer le sectionneur de terre et ainsi de court-circuiter le défaut. Exemple de réalisation Les figures 5A et 5B illustrent schématiquement un exemple de réalisation du système de l'invention, dans lequel on reprend les composants considérés ci-dessus. La figure 5A présente le système de l'invention en position initiale. Le microphone 10 reçoit des ondes sonores 13 qui ne correspondent pas à celles générées par un arc électrique. La ventouse 33, qui n'est pas alimentée, maintient en position le dispositif d'accrochage 40 du sectionneur � ST Arc killer � 42. Le ressort 30 est maintenu bandé. Sur cette figure sont également représentés : des liaisons filaires 41, un contact de mise à la terre � ST Arc killer � 42, un câble moyenne tension 43, et un bâti fixé 44 au potentiel de la terre. Comme illustré sur la figure 5B, lorsqu'un arc électrique survient, le signal électrique sortant du microphone 10 provoque une sortie à l'état haut du circuit de détection électronique, permettant d'alimenter La ventouse magnétique 33. L'effort portant de la ventouse 33 est annulé. Le ressort 30 se détend et provoque le contact entre le câble moyenne tension 43 et le contact de mise à la terre � ST Arc killer � 42. On a ainsi placé le câble moyenne tension au potentiel de terre. L'arc électrique est ainsi court- circuité. REFERENCES [1] WO 03/107374 [2] � FBX, Exploitation, Maintenance � (Instructions, AMT No T 132-01, AREVA T&D, 9/2006) [3] � FLUOKIT M247, Installation, Mise en service, Exploitation, Maintenance �, (Instructions, No T090-01, AREVA T&D, 2/2006) 16 REVENDICATIONS 1. Système de détection et de suppression d'un défaut électrique de court-circuit entre un conducteur et la terre ou entre conducteurs qui provoque un arc électrique de forte puissance dans le compartiment d'une des cellules d'un tableau de distribution électrique à moyenne ou haute tension comprenant . - des moyens (10) de détection de ce défaut, - des moyens de traitement du signal détecté, et - des moyens d'actionnement d'un 15 sectionneur (42) qui, en se refermant, court-circuite ce défaut, caractérisé en ce que les moyens de détection (10) sont des moyens de détection du signal sonore généré directement par ce défaut électrique. 20 2. Système selon la revendication 1, dans lequel les moyens de détection (10) comprennent un microphone installé au niveau du compartiment basse tension (21) du tableau. 3. Système selon la revendication 1, dans lequel les moyens de détection (10) comprennent un microphone placé face au tableau. 30 4. Système selon la revendication 1, dans lequel les moyens de traitement comprennent des moyens 25 17 2925987 de comparaison de l'amplitude du signal de sortie des moyens de détection à un seuil. 5. Système selon la revendication 1, dans 5 lequel les moyens de traitement comprennent des moyens de filtrage du signal détecté, et des moyens de comparaison du signal filtré à une gamme de fréquences déterminée. 6. Système selon la revendication 5, dans lequel les moyens de filtrage ne prennent en compte que le domaine de fréquence caractéristique d'un défaut interne. 7. Système selon la revendication 5, dans lequel la gamme de fréquences déterminée est comprise entre 100 Hz et 300 Hz. 8. Système selon la revendication 1, dans 20 lequel les moyens d'actionnement d'un sectionneur comprennent une ventouse magnétique à émission (33) et un ressort (30). 9. Système selon la revendication 8, dans 25 lequel les moyens d'actionnement du sectionneur (42) comprennent la ventouse magnétique à émission (33) associée au ressort (30), ce ressort étant bandé lorsque la ventouse n'est pas alimentée, une bielle (31) soumise à l'action du ressort, et un levier de 30 verrouillage (32) pour maintenir cette bielle en 10 15 18 2925987 position, le levier de verrouillage étant mobile ou fixe suivant que la ventouse est alimentée ou non. 10. Procédé de détection et de suppression 5 d'un défaut électrique de court-circuit entre un conducteur et la terre ou entre conducteurs qui provoque un arc électrique de forte puissance dans le compartiment d'une des cellules d'un tableau de distribution électrique moyenne ou haute tension 10 comprenant : - une étape de détection de ce défaut, - une étape de traitement du signal détecté, - une étape d'actionnement d'un sectionneur qui, en se refermant, court-circuite ce défaut, caractérisé en ce que l'étape de détection est une étape de détection du signal sonore généré directement par ce défaut électrique. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel l'étape de détection a lieu au niveau du compartiment basse tension du tableau. 12. Procédé selon la revendication 10, dans lequel l'étape de détection a lieu face au tableau. 13. Procédé selon la revendication 10 comprenant une étape de comparaison de l'amplitude du signal détecté à un seuil. 19 2925987 14. Procédé selon la revendication 10 comprenant une étape de filtrage du signal détecté qui conduit à une amplification de ce signal si celui-ci a une fréquence appartenant à une gamme de fréquence 5 déterminée. 15. Procédé selon la revendication 13, dans lequel l'étape de filtrage est réalisée par un filtre électronique � passe-bande �. 16. Procédé selon la revendication 13, dans lequel l'étape de filtrage est réalisée en utilisant une décomposition en série de Fourier. 17. Procédé selon la revendication 14, dans lequel la gamme de fréquences déterminée est comprise entre 100 Hz et 300 Hz. 18. Procédé selon la revendication 10, dans 20 lequel, des moyens d'actionnement du sectionneur (42) comprenant une ventouse magnétique à émission (33) associé à un ressort (30), ce ressort étant bandé lorsque la ventouse n'est pas alimentée, une bielle (31) soumise à l'action du ressort, et un levier de 25 verrouillage (32) pour maintenir cette bielle en position, le levier de verrouillage étant mobile ou fixe suivant que la ventouse est alimentée ou non, l'étape d'actionnement du sectionneur (42) comprend l'alimentation de la ventouse (33), ce qui entraîne la 30 fermeture du sectionneur (42). 10 15. Système selon la revendication 1, dans lequel le sectionneur (42) est un sectionneur de mise à la terre.