Brevet FR2971853A1 — publié le 20120824

La présente invention conceme un moyen directionnel de détection des décharges partielles pouvant être placé dans les gaines d'évacuation d'énergie des appareils électriques, tels que les altemateurs ou les transformateurs ou autres équipements, et destiné à la mesure et à la surveillance du niveau d'activité des décharges partielles dans l'isolation des équipements électriques. Ce dispositif permet, de plus, une mesure plus représentative que les capteurs conventionnels et permet de discriminer le côté de provenance des signaux électriques. L'absence de contact avec la haute tension réduit considérablement les risques liés à l'usage des capteurs capacitifs classiques. Les décharges partielles sont des impulsions électriques provenant d'étincellages ou amorçages dans l'isolation des machines électriques haute tension : altemateurs, moteurs, transformateurs, gaines, câbles... Ces décharges détériorent l'isolant et occasionnent d'importantes avaries. Les impulsions électriques à hautes fréquences issues de ces décharges partielles transitent le long des conducteurs. L'analyse des décharges partielles est un des éléments permettant une maintenance prédictive adaptée. Les capteurs usuels utilisent principalement un condensateur de couplage connecté sur un conducteur haute tension, ce qui pose des problèmes de sécurité en cas de claquage du condensateur, ou de surtension sur les conducteurs. De plus l'implantation de ces capteurs capacitifs, parfois éloignée de l'objet à surveiller, ne permet pas toujours une bonne représentativité des mesures. Le dispositif de collecte des signaux électriques résultant des DP, objet de cette invention, est placé de préférence dans le jeu de barres électriques coaxiales, communément appelé «gaines d'évacuation d'énergie» ou IPB, servant à évacuer l'énergie des générateurs électriques et des transformateurs ou autres équipements électriques. Les gaines d'évacuation d'énergie sont constituées d'un conducteur principal de forte section (10), pouvant être un cylindre ou une combinaison de conducteurs élémentaires, placé à l'intérieur d'une gaine généralement cylindrique (11) reliée à la terre. Le maintien de ce conducteur (10) est réalisé par des isolateurs haute tension non représentés. Le dispositif détecteur de décharges partielles est constitué d'un moyen de détection, encore appelé élément sensible, constitué d'un moyen conducteur isolé (1) de préférence parallèle au conducteur principal de puissance (10) et placé dans le gaz servant d'isolation entre ce conducteur (10) soumis à la haute tension et la gaine extérieure (11) reliée à la terre. Ce moyen conducteur (1) peut être un fil, un tube ou une barre en matière conductrice de section quelconque, pourvu qu'elle soit suffisamment faible pour ne pas perturber le fonctionnement électrique et thermique de la gaine. Les sorties du conducteur (1) sont accessibles au moyen des traversées (3) et (4) assurant l'étanchéité et le positionnement mécanique. Si le conducteur (1) n'est pas isolé, les traversées (3) et (4) doivent être isolantes. La tension étant faible au niveau des sorties du (3) et (4), la nature de ces traversées n'est pas critique. II peut s'agir de simples presse-étoupe, par exemple, fixés directement sur la gaine ou sur des bossages amovibles. Les éléments situés à chaque extrémité du conducteur (1) sont protégés par un capotage (22) et (6). -2- Une des extrémités du conducteur (1) est reliée à cette gaine conductrice (11) par une impédance (2), l'autre extrémité à un système d'adaptation et de mesure. Le capotage (6) inclut le moyen d'adaptation et de liaison. Ces dispositifs de liaison peuvent également être disposés dans un boîtier séparé. L'impédance (2) est typiquement une résistance de valeur proche ou égale à l'impédance caractéristique de la gaine considérée comme une ligne coaxiale. Elle peut être déterminée par calcul ou expérimentalement. L'autre extrémité permet de collecter les signaux électriques à l'aide d'un moyen de filtrage pemtettant de collecter les informations de fréquences correspondant à celles des signaux provenant des décharges partielles, tout en éliminant les tensions résultant de l'induction à fréquence industrielle. Ce dispositif de détection des décharges partielles est sensible aux signaux électriques en provenance du côté de la résistance (2) où est situé l'appareil à surveiller et est quasiment insensible aux perturbations provenant de l'autre extrémité. II n'est donc pas pollué par les perturbations électromagnétiques provenant du côté opposé à la machine à surveiller. L'analyse de la phase du signal apporte éventuellement une possibilité supplémentaire de discrimination des signaux. Des éclateurs optionnels (5) sont placés à chaque extrémité du conducteur (1) pour limiter les surtensions 15 éventuelles pouvant survenir par suite d'incidents sur le jeu de barres ou le réseau. Le condensateur (20) et l'inductance (13) constituent un filtre passe-haut. Ce filtre est destiné à atténuer la composante basse fréquence induite par le courant circulant dans les gaines, tout en laisssant passer les composantes hautes fréquences du signal représentatif des décharges partielles. La valeur des éléments dépend du type d'analyse effectuée sur les signaux. 20 Un amplificateur (25) à impédance d'entrée suffisamment élevée par rapport à l'impédance caractéristique des gaines et un transformateur haute fréquence (8) sont placés entre le condensateur (20) et le câble de liaison (7). Le transformateur (8) est utilisé pour permettre l'adaptation des impédances et l'isolation galvanique, c'est à dire l'absence de connexion électrique entre les équipements distants, Un câble de liaison (7), généralement coaxial, assure la liaison à un dispositif d'acquisition et de mesure 25 externe qui ne fait pas partie de l'invention. Le connecteur éventuel du câble (7), non réprésenté, et le blindage du câble de liaison (7), assurant la liaison avec l'appareillage d'analyse ou d'enregistrement exteme, doivent de préférence être isolés de la masse électrique du boîtier (6) et de la gaine (11) mais sont alors impérativement isolés pour ne pas pouvoir être touchés par un opérateur, afin de respecter les règles de sécurité. 30 L'alimentation de cet amplificateur peut être conventionnelle, à pile, à accumulateur, par une tension continue, par le secteur, ou via un dispositif isolant tel qu'une fibre optique. Le câble coaxial (7) peut servir de support physique à cette alimentation. Le transformateur (8) et l'inductance (13) sont réalisés en utilisant un matériau magnétique approprié comme par exemple des circuits ou tores en ferrite. 35 Selon la méthodologie d'analyse, la mesure peut également se faire directement sur l'inductance (13) ou au secondaire du transformateur d'adaptation (8). Dans ce cas, l'utilisation d'un amplificateur n'est pas nécessaire. La longueur du conducteur sensible (1) et la valeur de l'impédance (2) ainsi que le rapport du transformateur d'impédance (8) sont choisis en fonction de la sensibilité et de la largeur de bande de fréquences souhaitée -3- pour l'application. Ce choix dépend des dimensions de la gaine d'évacuation d'énergie et du traitement qui sera effectué sur les signaux prélevés. Le moyen conducteur de détection (1) servant de capteur peut être isolé et autoporteur ou souple et maintenu par un dispositif mécanique isolant. Ce moyen de maintien peut être une gaine rigide isolante (15) qui assure l'isolation et le maintien mécanique. L'ensemble est réalisé dans une matière isolante et suffisamment rigide résistant à la température de fonctionnement. Le conducteur (1) peut être remplacé par un enroulement en fil conducteur isolé (1) sur un bâtonnet en matière magnétique (14), par exemple en ferrite, dont les caractéristiques sont adaptées à la bande de fréquences choisie pour l'examen des décharges partielles, typiquement de 30 kHz à plusieurs centaines de MHz ou GHz selon les machines auxquelles ce dispositif est destiné. Un isolement global de l'élément sensible (1) permet d'éviter les décharges parasites qui pourraient survenir du fait du gradient de tension élevé régnant dans les gaines d'évacuation d'énergie et accroit la sécurité. L'utilisation éventuelle d'un bobinage sur un bâtonnet de ferrite permet, en outre, de positionner le capteur ainsi réalisé non plus seulement selon un axe longitudinal, mais aussi selon un axe radial, tangent ou quelconque par rapport au conducteur de la gaine (10) selon les nécessités de l'analyse qui sera réalisée sur les décharges partielles. Les dessins suivants illustrent l'invention Fiqure 1 : La figure 1 représente l'Implantation du conducteur (1) dans la gaine d'évacuation d'énergie, entre le conducteur central (10) et la gaine exteme (11). (1) : Conducteur implanté dans la gaine d'évacuation d'énergie. (2) : Résistance adaptée à l'impédance caractéristique. (3)-(4) : Moyen de traversée et de fixation du conducteur (1). (5) : Eclateurs (6) : Coffret de protection et de blindage du moyen d'adaptation et de transmission du signal. 25 (7 ): Câble coaxial se transmission à un équipement d'analyse externe. (8) ; Transformateur de sortie et d'adaptation d'indépance. (10) : Conducteur central de la gaine d'évacuation d'énergie. (11 ) : Partie exteme de la gaine d'évacuation d'énergie. (13) : Inductance. 30 (20) : Condensateur de liaison. (22) : Coffret de protection et de blindage. (25) : Amplificateur. (26) : Alimentation. Figure 2 : La figure 2 montre un exemple du boîtier d'adaptation avec une inductance (13). 35 (4) : Moyen de traversée et de fixation du conducteur (1). (5) : Eclateur (6) : Coffret de protection et de blindage du moyen d'adaptation et de transmission du signal. (7) : Câble coaxial se transmission à un équipement d'analyse externe. (11) : Partie exteme de la gaine d'évacuation d'énergie. -4- (20) : Condensateur de liaison. Figure 3 : Exemple de détail du boîtier d'adaptation avec un transformateur (8) (4) : Moyen de traversée et de fixation du conducteur (1). (5) : Eclateur. (6) : Coffret de protection et de blindage du moyen d'adaptation et de transmission du signal. (7) : Câble coaxial de transmission à un équipement d'analyse externe. (8) : Transformateur de sortie et d'adaptation d'indépance. (11) : Partie externe de la gaine d'évacuation d'énergie. (13) : Inductance. (20) : Condensateur de liaison. Fiqure 4 : Détail de l'utilisation d'un conducteur enroulé sur un bâtonnet de ferrite (1) Conducteur isolé enroulé sur la ferrite (14). (2) : Résistance adaptée à l'impédance caractéristique. (3)-(4 ) : Moyens de traversée et de fixation du conducteur (1). (5) : Eclateurs. (10) : Conducteur inteme de la gaine d'évacuation d'énergie. (11) : Partie exteme de la gaine d'évacuation d'énergie, (13) : Inductance. (14) : Batonnet de ferrite. (20) : Condensateur de liaison. Les dispositifs d'amplification et de transmission ne sont pas représentés. Figure 5 : Utilisation d'un tube isolant (15) (1) : Conducteur isolé introduit dans le tube rigide isolant (15). (2) : Résistance adaptée à l'impédance caractéristique. (3)-(4) : Moyens de traversée et de fixation du conducteur (1). (5) : Eclateurs. (10) : Conducteur interne de la gaine d'évacuation d'énergie. (11) : Partie externe de la gaine d'évacuation d'énergie. (13) : Inductance. (15) : Tube rigide isolant. (20) : Condensateur de liaison. Figure 6 : Positionnement tête-bêche de deux capteurs identiques. (1) : Conducteur isolé. (2) : Résistance adaptée à l'impédance caractéristique. 35 (3)-(4) : Moyens de traversée et de fixation du conducteur (1). (5) : Eclateurs. (10) : Conducteur inteme de la gaine d'évacuation d'énergie. (11 ) : Partie exteme de la gaine d'évacuation d'énergie. (13) : Inductance. -5- (20) : Condensateur de liaison. (21) : Second conducteur permettant de détecter les signaux dans l'autre sens de propagation. Les différentes versions des dispositifs d'amplification et de transmission ne sont pas représentés. REVENDICATIONS1- Capteur directionnel des signaux de décharges partielles, utilisable dans les gaines d'évacuation d'énergie électrique, sans contact avec les conducteurs haute tension, caractérisé en ce qu'un élément conducteur sensible (1) est placé entre le conducteur central (10) et la partie exteme (11) de la gaine d'évacuation d'énergie, des moyens d'adaptation placés à chaque extrémité, permettant de discriminer le sens de propagation des signaux électriques émanant des décharges partielles et d'obtenir ainsi une insensibilité accrue vis-à-vis des perturbations extérieures à la machine surveillée. 2- Capteur directionnel des signaux de décharges partielles, utilisable dans les gaines d'évacuation d'énergie électrique, sans contact avec les conducteurs haute tension selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'élément sensible est un moyen conducteur filiforme (1) placé entre le conducteur central (10) et la partie exteme de la gaine d'évacuation d'énergie (11), et relié électriquement par une extrémité à la partie exteme de la gaine d'évacuation d'énergie (11), par une impédance adaptée (2), et par l'autre extrémité, à un moyen d'adaptation permettant de prélever les signaux électriques images des décharges partielles, les sorties du conducteur étant réalisées par des traversées isolantes étanches (3) et (4). 3- Capteur directionnel des signaux de décharges partielles, utilisable dans les gaines d'évacuation d'énergie électrique, sans contact avec les conducteurs haute tension selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que le moyen conducteur sensible (1) est isolé et autoporteur. 4- Capteur directionnel des signaux de décharges partielles, utilisable dans les gaines d'évacuation d'énergie électrique, sans contact avec les conducteurs haute tension selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que l'élément conducteur sensible (1) est placé à l'intérieur d'un tube en matière isolante rigide (15) pour maintenir mécaniquement l'élément sensible (1) qui peut alors être souple, l'élément porteur isolant (15) pouvant être rempli d'une matière isolante pour améliorer l'isolation et réduire les risques de décharges parasites. 5- Capteur directionnel des signaux de décharges partielles, utilisable dans les gaines d'évacuation d'énergie électrique, sans contact avec les conducteurs haute tension selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un filtre passe haut, constitué d'un condensateur (20) et d'une inductance (13) est placé à l'extrémité de l'élément sensible pour atténuer les composantes à basses fréquences du signal. 6- Capteur directionnel des signaux de décharges partielles, utilisable dans les gaines d'évacuation d'énergie électrique, sans contact avec les conducteurs haute tension selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'un amplificateur (25) est interposé entre la sortie du condensateur (20) lié à l'élément sensible (1) et le transformateur (8) assurant la liaison avec un moyen externe de mesure ou d'analyse par l'intermédiaire d'un câble (7) pour assurer le découplage galvanique. 7- Capteur directionnel des signaux de décharges partielles, utilisable dans les gaines d'évacuation d'énergie électrique, sans contact avec les conducteurs haute tension selon la revendication 1, 2 ou 4, caractérisé en ce que le conducteur sensible (1) est enroulé sur un bâtonnet de ferrite (14).-7- 8- Capteur directionnel des signaux de décharges partielles, utilisable dans les gaines d'évacuation d'énergie électrique, sans contact avec les conducteurs haute tension selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un second capteur analogue est monté tête-bêche, permettant de détecter séparément les signaux émanant des décharges partielles circulant dans un sens ou dans l'autre.