Brevet FR2947053A1 — publié le 20101224

DISPOSITIF DE SURVEILLANCE D'UN POSTE ELECTRIQUE HAUTE TENSION ISOLE AU GAZ PAR MESURE DE DECHARGES PARTIELLES ET POSTE ELECTRIQUE HAUTE TENSION ISOLE AU GAZ METTANT EN îUVRE CE DISPOSITIF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif de surveillance d'un poste électrique haute tension isolé au gaz par mesures de décharges partielles, et un poste électrique haute tension isolé au gaz mettant en oeuvre ce dispositif. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Le domaine de l'invention est celui de la surveillance d'appareillages électriques de type blindé, avec une isolation gazeuse comme par exemple de l'hexafluorure de soufre ou SF6. La mesure de décharges partielles permettant la surveillance d'équipements haute tension isolés au gaz est largement utilisée. Mais il existe aujourd'hui un besoin de capteurs de faible prix avec un grand gain et une large bande passante : par exemple de 100 MHz à 2 GHz. En plus on trouve le besoin de mesurer des signaux a des fréquences industrielles simultanément à des signaux a des fréquences UHF (� Ultra High Frequencies �). Le document référencé [1] en fin de description décrit un dispositif de mesure d'impulsions de tension dues à des décharges partielles dans un 2 appareillage électrique isolé au gaz, au moyen d'un diviseur de tension capacitif, ce dispositif étant disposé dans une ouverture existant dans cet appareillage électrique. Ce dispositif de forme conique comprend une électrode en forme de disque et une plaque intégrée dans une bride de fixation à l'appareillage électrique. Ses caractéristiques sont données par la capacitance entre la bride et l'électrode et par la capacitance entre un conducteur interne à l'appareillage électrique et l'électrode et par le rapport des diamètres des pièces de raccord de la bride et de l'électrode. L'électrode ne fait pas saillie dans l'enceinte de l'appareillage. L'utilisation d'une bride de fixation spéciale prouve qu'un tel dispositif de mesure est influencé par l'environnement. Or, une telle bride spéciale n'est ni économique ni intéressante pour la remise à neuf d'équipement électrique ancien. D'autres capteurs de l'art connu, installés directement dans l'enceinte d'un poste électrique isolé au gaz nécessitent une modification de toute l'enceinte en cas de maintenance ou de remise à neuf. Dans le domaine de la transmission des ondes électromagnétiques, les antennes monopolaire (ou � monopôle �) ou dipolaire (ou � dipôle �) de forme conique sont connues pour être de bonnes antennes large bande. Leur impédance d'entrée peut être ajustée en jouant sur leur angle d'ouverture. Leur longueur définit leur sensibilité pour des fréquences basses. Pour des fréquences élevées, seuls leurs premiers centimètres contribuent à la sensibilité. 3 L'invention a pour objet de palier les inconvénients des dispositifs de l'art connu en adaptant la théorie des antennes coniques monopôle pour construire un capteur de champ électrique large bande, par exemple entre 100 MHz et 2 GHz, utilisable simultanément comme diviseur de tension capacitif pour des fréquences industrielles, et bien adapté pour une application à un poste électrique isolé au gaz, plusieurs composants de ce capteur étant des composants commerciaux haute fréquence, à faible coût. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif de surveillance d'un poste électrique haute tension isolé au gaz par mesure de décharges partielles comprenant un capteur, caractérisé en ce que ledit capteur est un capteur de champ électrique apte à être fixé sur la paroi de l'enceinte dudit poste, qui comprend une partie conique métallique fermée dans sa partie évasée par un couvercle et débouchant, de l'autre coté, sur une traversée, ce dispositif étant connectable à un appareil de mesure et d'affichage via un câble coaxial. Dans différents modes de réalisation avantageux le capteur peut être fixé dans une ouverture existant dans l'enceinte du poste. Le capteur peut comprendre une plaque métallique, la traversée traversant alors cette plaque métallique. Le capteur peut comprendre un connecteur relié à cette traversée. Le couvercle peut avoir une forme sphérique, ou une forme plate. L'impédance du capteur, celle de la traversée et celle du câble de connexion peut être est 4 la même. L'angle d'ouverture du cône, formé par la partie conique, peut être compris entre 10° et 47°. La hauteur du capteur peut être comprise entre 20 mm et 250 mm. Le capteur peut faire saillie dans l'enceinte du poste électrique. Le capteur peut être fixé sur la plaque métallique. La traversée peut comprendre une partie isolée, plus longue que son conducteur interne de manière à rejoindre et à fixer la partie conique. Le dispositif de l'invention peut comprendre un élément court circuit connecté au travers une ligne de transmission de longueur À/4, À étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale du capteur, en parallèle au connecteur et à la borne de raccordement du câble. Le dispositif peut comprendre une résistance ohmique connectée en parallèle au connecteur et à la borne de raccordement du câble. Tous les éléments de transmission de signal, tels que le capteur, la traversée, le connecteur et le câble, peuvent avoir la même impédance. L'invention concerne également un poste électrique haute tension isolé au gaz mettant en oeuvre au moins un tel dispositif, connecté à un appareil de signalisation et de contrôle. L'invention présente les avantages suivants . - L'impédance d'entrée du dispositif de l'invention peut être ajustée en modifiant l'angle d'ouverture de la partie conique, ce qui rend facile l'adaptation d'impédance au câble coaxial sans réflexion en entrée. - La forme conique rend le dispositif de l'invention indépendant de l'environnement de l'installation à l'intérieur du poste électrique isolé au gaz parce qu'il y a assez de place entre la paroi 5 métallique de l'enceinte et le capteur lui-même. - L'antenne conique ainsi constituée présente une très grande largeur de bande. Il n'y a pas de limite supérieure pour les fréquences. La gamme de fréquences basses est seulement donnée par la hauteur de la partie conique. - La sensibilité du dispositif de l'invention peut être ajustée en modifiant la longueur du capteur et l'angle d'ouverture (p. - Dans un premier mode de réalisation de l'invention, tel qu'illustré sur la figure 1, on obtient un dispositif très linéaire qui permet de calculer le champ électrique incident à partir des données mesurées. Ce dispositif peut donc être utilisé comme une sonde champ électrique. - Le capteur est de petite taille, facile à fabriquer et à assembler et particulièrement bien adapté pour une remise à neuf de vieux postes électriques isolés au gaz. - Le couvercle de la partie conique, lorsqu'il est arrondi et due à des procédés de coupe/tournage, est bien adapté à un environnement haute tension. - Le dispositif de l'invention peut être utilisé pour de faibles fréquences, ou fréquences industrielles, (par exemple 50/60 Hz et les ondes harmoniques) pour lesquelles il travaille comme un 6 diviseur de tension capacitif. Il peut aussi être utilisé pour des fréquences plus élevées. S'il est seulement utilisé dans la gamme de fréquences UHF, les faibles fréquences peuvent être supprimées en utilisant un transformateur en X/4 placé sur le connecteur. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre un premier mode de réalisation du dispositif de l'invention. La figure 2 illustre un second mode de réalisation du dispositif de l'invention. La figure 3 illustre la mise en oeuvre du dispositif de l'invention dans une application triphasée. La figure 4 illustre la mise en oeuvre du dispositif de l'invention avec un transducteur À/4 utilisé dans la gamme des fréquences UHF. La figure 5 illustre le dispositif de l'invention intégré directement dans l'enceinte ou le revêtement d'un poste électrique isolé au gaz, sans utiliser de plaque métallique. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Un poste électrique haute tension isolé au gaz standard comprend au moins un conducteur disposé dans une enceinte 11. Cette enceinte peut comporter des ouvertures pour permettre notamment la fixation de dispositifs de sûreté, et de fenêtres. Comme illustré sur la figure 1, dans un 30 premier mode de réalisation, et sur la figure 2, dans un second mode de l'invention comprend (� E-field sensor �) métallique 13 apte à 5 l'enceinte du posteréalisation, le dispositif de un capteur de champ électrique 10, comportant une plaque être fixée sur la paroi 11 de électrique haute tension, une partie conique métallique 12 fermée, dans sa partie évasée, par un couvercle et débouchant, de l'autre coté, sur une traversée 14 traversant la plaque métallique 13, qui sert d'arrière-plan à l'antenne 10 conique ainsi formée, et un connecteur 15 relié a la traversée 14. Ce connecteur 15 permet de raccorder la traversée 14 à un appareil de mesure et d'affichage via un câble coaxial, non représentés sur les figures. La figure 5 illustre un autre mode de 15 réalisation, le capteur 10 étant fixé directement à l'enceinte 11 d'un poste électrique isolé au gaz (sans plaque métallique). Le manchon 14a et le conducteur intérieur 14b de la traversée 14 forment une bague. Ils peuvent être poussés de l'extérieur de l'enceinte 11 20 dans un trou de perçage. Le capteur 10 est fixé sur la traversée 14 à partir de l'intérieur de l'enceinte 11. Le conducteur intérieur 14b a une partie filetée (non montrée sur la figure) qui peut être vissée dans le capteur 10. La partie intérieure 15a du connecteur 15 25 est équipée avec une broche élastique 15b pour faire le contact avec le conducteur intérieur 14a. Le rapport des diamètres du manchon 14a et du conducteur intérieur 14b reste constant de façon à maintenir une impédance d'onde constante le long de ce conducteur intérieur 30 14b. 8 Dans ces différents modes de réalisation, la partie conique métallique fermée 12 forme une antenne monopôle (12a à 12c) normalement disposée dans la direction radiale de l'enceinte du poste électrique isolé au gaz. La partie conique du capteur peut ainsi faire saillie dans l'enceinte du poste électrique isolé au gaz et avoir une plus faible distance jusqu'à un conducteur interne à ce poste électrique isolé au gaz parce que le capteur est fabriqué avec une surface lisse (faible rugosité de surface due à des procédés de coupe/tournage), contrairement à des batis soudés ou moulés. Le capteur 10 et la traversée 14 au travers de la paroi 11 de l'enceinte sont adaptés à l'impédance du câble coaxial de mesure. L'angle d'ouverture cp de la partie conique 12 est compris entre 10° et 47°. La hauteur h du capteur par rapport à la plaque d'arrière-plan 13 est comprise entre 10 mm et 250 mm en fonction de l'emplacement du capteur à l'intérieur de l'enceinte du poste électrique isolé au gaz et de sa distance au conducteur haute tension le plus proche. La sensibilité du capteur 10 peut être influencée en changeant l'angle d'ouverture cp et la hauteur h. Le dispositif de l'invention est spécialement conçu pour des fréquences situées entre 100 MHz et 2 GHz, mais il peut être utilisé en même temps ou de façon indépendante dans une application à fréquences industrielles et ondes harmoniques pour laquelle il fonctionne comme un diviseur de tension capacitif. 9 Dans une application monophasée, la hauteur h est typiquement de 45 mm (référence 12c), de telle sorte que la distance au conducteur haute tension le plus proche est réduite à environ 20 mm contre la paroi 11 de l'enceinte qui a une plus grande rugosité. Dans une application triphasée, la hauteur h peut être beaucoup plus grande (référence 12a) en fonction des conducteurs 20 véhiculant les phases à l'intérieur de l'enceinte, illustrés sur la figure 3. Le rayon r du couvercle de la partie conique 12 est au moins égal à 5 mm et la distance D du capteur à la partie de la paroi 11 de l'enceinte mise à la terre la plus proche est inférieure à ce rayon r. Dans un mode de réalisation avantageux, la traversée 14, étanche au gaz, se compose d'un manchon 14a et un conducteur intérieur 14b. Le manchon 14a est réalisé en un matériau isolant avec un permittivité relative Er comprise entre 2 et 4. Le diamètre du conducteur intérieur 14b est typiquement 6 mm. Le diamètre du matériau isolant dépend de l'impédance de la traversée 14 et l'impédance du connecteur 15. La traversée 14, le connecteur haute fréquence 15 (par exemple de type N), l'impédance d'entrée de l'antenne conique 12 et le câble de mesure coaxial ont typiquement une impédance de 50 ohms, bien que les impédances de la traversée 14 et du point d'entrée de l'antenne puissent être différentes pour réaliser un circuit résonant pour optimiser la sensibilité à des fréquences spécifiques. Dans le premier mode de réalisation du capteur 10, illustré sur la figure 1, la partie conique 12 du capteur 10 à la forme d'un cône avec un couvercle 10 sphérique, dont le rayon est donné par l'angle d'ouverture cp de la partie conique 12 et par sa hauteur h. Dans ce mode de réalisation, on ajuste la forme du capteur 10 au champ électrique produit par une simple antenne en tige monopôle. Dans le second mode de réalisation du capteur 10, illustré sur la figure 2, la partie conique 12 du capteur 10 se termine par un couvercle sphérique plat ce qui permet d'élargir la partie conique de l'antenne ainsi formée. Le manchon 14a de la traversée 14 peut être plus longue que le conducteur intérieur 14b de cette traversée 14 jusqu'à atteindre la partie conique 12. Dans ce mode de réalisation le manchon 14a peut servir à fixer la partie conique 12. Dans un mode de réalisation des moyens de connexion selon les figures 1 à 3 et 5, un câble coaxial (non représenté sur les figures) est connecté au connecteur 15. Dans ce mode des signaux hautes fréquences (UHF) et des signaux de fréquences industrielles peuvent être mesurés simultanément. Le gain de signal est influencé par la hauteur h et l'angle cf) du capteur 10. Dans un autre mode de réalisation des moyens de connexion, si le capteur 10 est utilisé uniquement pour les mesures UHF (ultra hautes fréquences), alors les fréquences plus basses peuvent être éliminées en utilisant un jeu de connecteurs/adaptateurs haute fréquence 17, 18, 19 illustrés sur la figure 4 : à savoir un adaptateur en T haute fréquence standard 17, une ligne de transmission 18 de longueur définie et un court-circuit 19. La 11 longueur de la ligne de transmission 18, qui peut être un câble, un connecteur adaptateur (par exemple un adaptateur N-BNC) ou une ligne de transmission quelconque, est conçu pour que le court-circuit 19 fonctionne pour les fréquences basses et des fréquences hautes mais pas pour la fréquence centrale du capteur. La longueur de la ligne de transmission 18 entre le court-circuit 19 et l'adaptateur en T 17 est d'environ 20 à 30 mm de long pour une fréquence centrale de 1 GHz et un adaptateur 17 50 ohms standard, 17A étant la borne de raccordement du câble. Tous ces éléments 17, 18 et 19 sont disponibles dans le commerce. Dans un autre mode de réalisation des moyens de connexion, une connexion de sortie résistive coaxiale disponible dans le commerce (par exemple une résistance 50 ohms ou 75 ohms) peut être installée à la place de la ligne de transmission 18 et du court-circuit 19 illustrés sur la figure 4. Dans ce cas la tension faible fréquence induite n'est pas éliminée mais abaissée à des valeurs qui peuvent être traitées par un appareil de mesure ou de détection de tension standard. Pour des fréquences élevées l'utilisation d'une telle connexion réduit la sensibilité en fonction de la valeur de la résistance. Dans un ensemble 50 ohms la réduction est de typiquement 3dB pour des fréquences plus élevées. On peut avantageusement jouer sur différentes caractéristiques du capteur 10 : - avec l'angle d'ouverture p on peut changer l'impédance point d'entrée du capteur 10, et on peut adapter le capteur 10 à son voisinage (par exemple 12 à des parties élevées de la paroi 11 au potentiel de terre) - avec sa hauteur h on peut changer sa sensibilité pour des fréquences plus basses mais aussi l'impédance point d'entrée. Cette hauteur h est limitée du fait que les conducteurs haute tension sont situés près du capteur 10, - en utilisant un adaptateur en T 17 en sortie du capteur avec une ligne de transmission 18 d'une longueur donnée et un court-circuit 19, on peut éviter de réduire la sensibilité du capteur 10 dans une gamme de fréquences spécifique, fonction de la longueur de la ligne de transmission 18 et de son impédance caractéristique (ensemble connu comme un transformateur en X/4). REFERENCES [1] EP 0 134 187 ou US 4,617,513 REVENDICATIONS1. Dispositif de surveillance d'un poste électrique haute tension isolé au gaz par mesure de décharges partielles comprenant un capteur (10), caractérisé en ce que ledit capteur est un capteur de champ électrique apte à être fixé sur la paroi (11) de l'enceinte dudit poste, qui comprend une partie conique métallique (12) fermée, dans sa partie évasée, par un couvercle et débouchant, de l'autre coté, sur une traversée (14), ce dispositif étant connectable à un appareil de mesure et d'affichage via un câble coaxial. 2. Dispositif selon la revendication 1, 15 dans lequel le capteur (10) est fixé dans une ouverture existant dans l'enceinte du poste. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le capteur (10) comprend une plaque 20 métallique apte à être fixée sur la paroi (11) de l'enceinte. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la traversée (14) traverse la plaque 25 métallique (13). 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le capteur (10) comprend un connecteur (15) relié à la traversée (14). 30SP 35392 DB 15 6. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le couvercle a une forme sphérique. 7. Dispositif selon la revendication 1, 5 dans lequel le couvercle a une forme plate. 8. Dispositif selon a revendication 1, dans lequel l'impédance du capteur (10), celle de la traversée (14) et celle du câble coaxial est la même. 9. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'angle d'ouverture cp du cône formé par la partie conique (12) est compris entre 10° et 47°. 10. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la hauteur h du capteur (10) est comprise entre 20 mm et 250 mm. 11. Dispositif selon la revendication 1, 20 dans lequel le capteur (10) fait saillie dans l'enceinte du poste électrique. 12. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le capteur (10) est fixé sur la plaque 25 métallique (13). 13. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la traversée (14) comprend un manchon isolant (14a) et un conducteur intérieur (14b). 10 15 30SP 35392 DB 16 14. Dispositif selon la revendication 13, dans lequel le manchon isolant (14a) est plus long que le conducteur intérieur (14b), ce qui permet de rejoindre et de fixer la partie conique (12). 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un élément court circuit (19) connecté au travers une ligne de transmission de longueur À/4, À étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale du capteur, en parallèle au connecteur (15) et à la borne de raccordement du câble (17a). 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant une résistance connectée en parallèle au connecteur (15) et à la borne de raccordement du câble (17a). 17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel tous les éléments de transmission de signal ont la même impédance. 18. Poste électrique haute tension isolé au gaz mettant en oeuvre au moins un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, connecté à un appareil de signalisation et de contrôle.