Brevet FR2979994A1 — publié le 20130315

Système et procédé de réflectométrie temporelle pour la localisation non ambigüe d'un défaut électrique dans un câble La présente invention concerne le domaine de la réflectométrie temporelle et a notamment pour but de localiser, de façon non ambigüe, un défaut dans un câble électrique. L'invention s'applique à tout type de câble électrique, en particulier des câbles de transmission d'énergie, dans des installations fixes ou 10 mobiles. Les câbles concernés peuvent être coaxiaux, bifilaires, en lignes parallèles, en paires torsadées ou autre. L'invention s'applique avantageusement à des réseaux électriques complexes composés d'une pluralité de câbles interconnectés selon une structure ramifiée. Par exemple, l'invention peut être utilisée pour le 15 diagnostic des réseaux de distribution de puissance dans un avion. Les systèmes de réflectométrie temporelle connus fonctionnent classiquement selon le procédé suivant. Un signal maitrisé, par exemple un signal impulsionnel ou encore un signal multi-porteuses, est injecté à une 20 extrémité du câble à tester. Le signal se propage le long du câble et se réfléchit sur les singularités qu'il comporte. Une singularité dans un câble correspond à une rupture des conditions de propagation du signal dans ce câble. Elle résulte le plus souvent d'un défaut qui modifie localement l'impédance caractéristique du 25 câble en provoquant une discontinuité dans ses paramètres linéiques. Le signal réfléchi est rétropropagé jusqu'au point d'injection, puis est analysé par le système de réflectométrie. Le retard entre le signal injecté et le signal réfléchi permet de localiser une singularité, correspondant à un défaut électrique, dans le câble. 30 Dans certains cas, il n'est cependant pas possible ou souhaitable d'injecter le signal de réflectométrie à une extrémité du câble. En particulier, dans un réseau électrique complexe et ramifié, l'extrémité du câble à tester n'est pas toujours accessible. En outre, pour des applications embarquées, 5 par exemple dans un avion, l'implémentation du système de réflectométrie doit respecter des contraintes de compacité et le positionnement de ce système dans le réseau électrique à tester peut être imposé par le fabricant. Par exemple, lorsque des systèmes de protection, tels des disjoncteurs, sont présents dans le réseau électrique, il peut être avantageux de disposer le 10 système de réflectométrie au même emplacement. Ainsi, il existe de nombreuses applications pour lesquelles le signal de réflectométrie temporelle doit être injecté en un point quelconque du câble à tester et non pas seulement à son extrémité. Dans ce cas, la localisation du défaut ne pourra pas se faire de façon non ambigüe comme cela est illustré à 15 la figure 1. En effet, le signal injecté en un point A quelconque du câble se propage dans les deux directions opposées. Lorsqu'un défaut existe en un point X situé à gauche du point A, l'analyse du signal réfléchi sur ce défaut permet uniquement de déterminer la distance, en valeur absolue, entre le 20 défaut et le point d'injection A mais ne permet pas de savoir si ce défaut est localisé à gauche (point X) ou à droite (point Y) du point d'injection. En outre, lorsque des défauts électriques existent des deux cotés du point A d'injection, le signal réfléchi reçu au point A est constitué de la superposition des réflexions dans les deux directions opposées du câble. 25 L'analyse effectuée s'en trouve alors dégradée. Les solutions connues permettant de localiser de façon non ambigüe un défaut électrique sont basées sur l'insertion de composants supplémentaires sur la ligne électrique à tester de manière à filtrer le signal 30 injecté. Sur la figure 2a est représenté un réseau électrique à tester composé d'un générateur 201 relié à trois lignes électriques 210,220,230, chacune comportant un disjoncteur 211,221,231 et étant terminées par une charge 212,222,232. La ligne électrique à tester est la ligne 210 et le point d'injection du signal de réflectométrie est le point A. Une première solution pour imposer une recherche de défauts uniquement entre le point d'injection A et la charge 212 consiste à introduire entre le point A et le disjoncteur 211 une bobine 213 qui permet d'interrompre la ligne en agissant comme un filtre passe-bas. Le signal injecté se propageant en direction du disjoncteur 211 est ainsi bloqué par la bobine 213 et n'est pas réfléchi. Ainsi, il est possible d'imposer le test d'un seul côté du câble à la fois. Un inconvénient de cette première solution est son aspect intrusif. Elle nécessite l'introduction d'un composant supplémentaire dans le câble qui de 15 plus peut présenter une dimension importante ce qui pose en outre un problème d'encombrement. Une seconde solution, schématisée à la figure 2b, consiste à introduire, à la place de la bobine 213, un anneau ferromagnétique ou ferrite 20 214 pour réaliser de la même façon un filtre passe-bas. Cependant cette solution, bien qu'ayant l'avantage d'être moins intrusive, présente toujours l'inconvénient de nécessiter l'introduction d'un composant supplémentaire et donc de proposer une solution plus couteuse et plus encombrante. En outre, cette solution ne permet pas un filtrage total 25 de toutes les composantes fréquentielles du signal injecté. Un des buts de la présente invention est de proposer une solution permettant de localiser de façon non ambigüe un défaut électrique, à partir d'un accès à un point quelconque du câble. L'invention ne nécessite pas 30 l'introduction de composants supplémentaires et est peu encombrante. L'invention a ainsi pour objet un système de réflectométrie temporelle pour la localisation, non ambigüe, d'au moins une singularité dans un câble, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'analyse et de calcul de signaux de réflectométrie adaptés à générer deux signaux d'injection fA,fB à partir d'au moins un signal de réflectométrie s(t), deux convertisseurs numérique-analogique pour convertir lesdits signaux fA(n),fB(n) numériques en signaux analogiques fA(t),fB(t), deux moyens de couplage et de transmission desdits signaux fA(t),fB(t) en deux points distincts A,B dudit câble, au moins un convertisseur analogique-numérique pour convertir le signal réfléchi sur ladite singularité et reçu par lesdits moyens de couplage et de transmission, lesdits moyens d'analyse et de calcul étant en outre adaptés à recevoir et analyser ledit signal réfléchi, converti numériquement, pour produire un réflectogramme temporel, lesdits signaux fA(n),fB(n) étant construits de sorte que le signal se propageant d'un côté dudit câble est égal audit signal de réflectométrie s(t) et le signal se propageant de l'autre côté dudit câble est sensiblement nul. Dans une variante de réalisation de l'invention, ledit signal fA(t) est déterminé par intégration temporelle du signal de réflectométrie s(t). Dans une variante de réalisation de l'invention, lesdits signaux 20 fA(n),fB(n) sont construits numériquement par résolution du système d'équation suivant : ff A (n + k) - -s(n)± fA (i/ -1c) 1 f B (n) = -fa (n + k) où k est égal au rapport entier entre le temps de propagation LtAB du signal entre les points A et B et la période d'échantillonnage Te desdits signaux 25 numériques. Dans une variante de réalisation de l'invention, la distance entre les deux points d'injection A,B est égale à un multiple de la période d'échantillonnage Te desdits convertisseurs numérique-analogique. Dans une variante de réalisation de l'invention, lesdits moyens de couplage et de transmission sont réalisés par effet capacitif, inductif ou par connexion ohmique. Dans une variante de réalisation de l'invention, lesdits moyens de 5 couplage et de transmission sont des moyens sans contact. Dans une variante de réalisation, le système selon l'invention comprend en outre au moins un moyen de couplage d'un convertisseur analogique-numérique avec un convertisseur numérique-analogique. Dans une variante de réalisation de l'invention, lesdits moyens de 10 couplage sont des coupleurs ou des diviseur-combineurs. Dans une variante de réalisation de l'invention, les moyens d'analyse et de calcul sont mis en oeuvre par un circuit à logique programmable ou un micro-contrôleur. Dans une variante de réalisation, le système selon l'invention 15 comprend en outre une unité de traitement adaptée à piloter ledit système et à afficher les dits réflectogrammes sur une interface homme-machine. L'invention a également pour objet un procédé de localisation non ambigüe d'au moins une singularité dans un câble à partir d'un système de réflectométrie temporelle selon l'une des revendications précédentes 20 caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : - connecter lesdits moyens de couplage et de transmission dudit système à deux points d'injection A,B dudit câble distincts, construire deux signaux d'injection numériques fA(n),fB(n) à partir d'un signal de réflectométrie temporelle s(n) de sorte que 25 le signal se propageant d'un côté dudit câble est égal audit signal de réflectométrie s(n) et le signal se propageant de l'autre côté dudit câble est sensiblement nul, - injecter lesdits signaux d'injection fA(t),fB(t), convertis analogiquement, auxdits points A et B, 30 - acquérir le signal réfléchi sur au moins une singularité du câble, produire, à partir du signal réfléchi, au moins un réflectogramme temporel, - déterminer, à partir dudit réflectogramme temporel, la position non ambigüe de la singularité sur le câble. Dans une variante de réalisation, lesdits signaux fA(n),fB(n) sont construits numériquement par résolution du système d'équation suivant : f fA (n ± 0= -s(n) 4- fA (n -1() fB (n) = -Li (ii +1) où k est égal au rapport entier entre le temps de propagation AtAB du signal entre les points A et B et la période d'échantillonnage Te desdits signaux 10 numériques. Dans une variante de réalisation, le système selon l'invention, le temps de propagation Atte est déterminé par le rapport entre la distance entre les points A et B et la vitesse de propagation du signal dans le câble. Dans une variante de réalisation, le système selon l'invention, les 15 points A et B sont séparés d'une distance égale à un multiple de la période d'échantillonnage Te des signaux numériques fA(n),fB(n). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui 20 représentent : - la figure 1, un schéma illustrant le problème de localisation ambigüe d'un défaut électrique dans un câble à partir de l'injection d'un signal de réflectométrie en un point quelconque dudit câble, - les figures 2a et 2b, deux schémas d'exemples de solution 25 connues au problème susvisé, la figure 3, un premier schéma illustrant le principe de double injection selon l'invention, - la figure 4, un second schéma illustrant les effets obtenus par l'invention, - la figure 5, un synoptique du système de réflectométrie selon l'invention dans un premier mode de réalisation de l'invention, la figure 6, un diagramme représentant un exemple de réflectogramme obtenu par le système selon l'invention, la figure 7, un synoptique du système de réflectométrie selon l'invention dans un second mode de réalisation de l'invention. La figure 3 schématise, pour le même exemple de réseau électrique présenté aux figures 2a et 2b, le principe à la base de l'invention. Pour pouvoir réaliser une localisation de défaut non ambiguë à partir d'un système de réflectométrie basé sur l'injection d'un signal de référence, la réflexion de ce signal sur une singularité liée au défaut et l'analyse du signal réfléchi, un objectif de l'invention est d'assurer la propagation du signal injecté dans un seul sens et non dans les deux sens comme cela serait le cas sans l'invention. Par exemple, dans le cas du réseau électrique de la figure 3, si l'on souhaite tester la ligne 210 uniquement entre le disjoncteur 211 et la charge 212, il faut que le signal injecté en un point proche du disjoncteur 211 ne se propage que vers la charge 212 et non vers le générateur 201. Pour arriver à cet objectif, l'invention consiste notamment à injecter deux signaux en deux points A et B distincts du câble. Avantageusement, les deux points d'injection A et B sont proches. Les deux signaux fA(t) et fB(t) sont déterminés de sorte que le signal propagé dans un sens est sensiblement nul. Le signal fc(t) propagé vers le générateur 201, mesuré en un point C, satisfait la relation suivante, où AtAc et AtAB représentent respectivement les temps de propagation du signal entre le point A et le point C d'une part et entre le point A et le point B d'autre part : f c (t) = f A (t - At Ac) + f B(t - A t AC -3'1,1B) (1) De même le signal fa(t) propagé vers la charge 212, mesuré en un point D, satisfait la relation suivante, où LtBD représente le temps de propagation du signal entre le point B et le point D. fp (t) = fB(t-AtBD)+ fA(t-AtBD -AtAB) (2) En imposant au signal propagé d'un côté de la ligne, par exemple vers le point C, d'être sensiblement nul, on peut remplacer fc(t) par 0 dans la relation (1) pour obtenir la relation (3) : fA(t-AtAc)+fB(t-AtAc -AtAB)= 0 (3) La relation (3) est équivalente à la relation (4) après changement de variable. fA(t+AtAB)+ fB(t)= 0 (4) Les signaux fA(t) et fB(t) doivent finalement satisfaire le système d'équations suivant : ffA(1-1-4tAB)+fB(t)= 0 (5) ilB(t)+fA(t-AtAB)- fp (t +.dtBD) 20 Les signaux fA(t) et fB(t) injectés sont préalablement générés sous forme numérique à une fréquence d'échantillonnage Fe = 1/Te. On pose en conséquence t=nTe, LitAB = kTe et Atm = noTe avec n, k et no trois entiers positifs. 25 En temps discret, le système d'équations (5) s'écrit : f f A (71 + k) + f B (n) - 0 1 f B (n)-1- f A (n - 1c) f D (n. + n o) Du système (6) on déduit la relation (7) : -(f A (n + k)- f A(11 - k)) = f D(n + no) (7) 10 15 (6) Le signal fp(n+no) propagé vers le point D est le signal de réflectométrie qui sert à détecter une singularité sur la ligne 210. En désignant ce signal par s(n), on obtient la relation de récurrence (8) permettant de déterminer le 5 signal fA(n) : f, (n + k) - -s (n) + Li (n - k) (8) On en déduit une expression du signal fA(n) en résolvant la relation de récurrence (8) : 10 f A (n) = -s(n - k) + 14 (n - 2k) = -s(n - k) + (-3(n -3k)- s(n - 4k)- ...- s(k)) = -(s(k)+ ...+ s(n - 3k) + s(n - k)) (9) = s(n - 2k)- Es(n-ik) E$ i=0 Le signal fA(n) généré pour injection au point A est ainsi déterminé à l'aide de la relation (9) et à partir du signal s(n) de réflectométrie choisi. 15 Alternativement, le signal fA(n) peut aussi être déterminé par simple intégration du signal s(n) de réflectométrie sur une période de temps donnée. Cette alternative, bien que constituant une approximation du résultat obtenu par application de la relation (9), reste acceptable en termes de 20 performances. Le signal fA(n) généré pour injection au point B est ensuite déterminé à l'aide de la relation (10) : fB(n) = -fA(n+k) (10) 25 La valeur de k et indirectement le temps de propagation AtAB du signal entre les points d'injection A et B est déterminée à partir de la distance dAB entre les points A et B et de la connaissance, par des moyens externes à l'invention, de la vitesse de propagation Vp du signal dans le câble à tester AtAB = dAB! Vp. Dans un mode préféré de l'invention, la valeur de k est prise égale à 1, le temps de propagation 1\tAB étant ainsi pris égal à la période d'échantillonnage 5 du signal Te. Si la fréquence d'échantillonnage est fixe, par exemple contrainte par les moyens de conversion numérique/analogique utilisés, alors la distance entre les points d'injection A et B est fixée à partir de la connaissance de la période d'échantillonnage du signal Te. 10 Au contraire, si la fréquence d'échantillonnage peut être sélectionnée parmi plusieurs valeurs disponibles, alors l'utilisateur du système selon l'invention peut choisir la distance dAB la plus adaptée à l'application visée, notamment en prenant en compte les contraintes liées à l'encombrement ou aux dimensions du système de réflectométrie. 15 La figure 4 illustre l'effet obtenu grâce à l'invention. Les signaux générés et injectés aux points A et B permettent d'obtenir un signal propagé au point C sensiblement nul et un signal propagé au point D égal au signal de réflectométrie s(t) désiré. Grâce à l'invention, la détection d'un 20 changement local d'impédance est possible sur la ligne entre les points B et D. Pour tester la partie de la ligne située entre les points A et C, il suffit d'inverser les signaux injectés sur les points A et B. Le procédé selon l'invention consiste ainsi en l'exécution des étapes 25 suivantes. Un opérateur connecte les deux entrées/sorties du système de réflectométrie selon l'invention en dérivation du câble à tester, sur deux points A et B distants d'une valeur égale à Vp..8.tto = Vp.kTe. Un signal de réflectométrie s(t) est choisi à partir duquel les signaux à injecter fA(t) et fB(t) sont calculés. L'opérateur choisit le sens de propagation du signal voulu et 30 les signaux fA(t) et fB(t) sont déterminés en concordance avec ce choix. Les signaux sont ensuite injectés dans le câble aux points A et B et le signal s(t) se propage dans le câble jusqu'à se réfléchir sur une singularité. Le signal réfléchi est reçu et enregistré par le système puis traité afin de déterminer la localisation précise de la singularité en mesurant l'écart temporel entre le signal réfléchi et le signal injecté. La figure 5 schématise, sur un synoptique, le système de réflectométrie dans un premier mode de réalisation de l'invention. Un tel système 501 comporte au moins un composant électronique 511 de type circuit intégré, tel un circuit à logique programmable, par exemple de type FPGA, ou micro-contrôleur, deux convertisseurs numérique-analogique 512,513 pour injecter les signaux fA(t) et fB(t) dans le câble à tester 503, au moins un convertisseur analogique-numérique 514,515 pour recevoir le signal réfléchi sur les singularités du câble, au moins un dispositif de couplage 516,517 entre au moins un des deux convertisseurs analogique-numérique 514,515 et au moins un des deux convertisseurs numérique-analogique 512,513 et deux moyens de couplage 518,519 entre deux entrées/sorties que comportent le système et le câble à tester 503, lesdits moyens de couplage étant en outre adaptés à injecter les signaux de sortie des deux convertisseurs numérique-analogique 512,513 dans ledit câble 503 et à recevoir le ou les signaux réfléchis. Le système 501 selon l'invention est avantageusement mis en oeuvre par une carte électronique sur laquelle sont disposés les convertisseurs numérique-analogique 512,513, le ou les convertisseurs analogique-numérique 514,515 et le ou les dispositifs de couplage 516,517. Les moyens de couplage et d'injection 518,519 sont connectés à deux entrées/sorties que comporte la carte. En outre, une unité de traitement 502, de type ordinateur, assistant numérique personnel ou autre est utilisée pour piloter le système de réflectométrie 501 selon l'invention et afficher les résultats des mesures sur 30 une interface homme-machine. Le composant électronique 511 met en oeuvre d'une part les étapes de calcul nécessaires à la génération des signaux d'injection fA(t) et fB(t) à partir du signal de réflectométrie s(t) et d'autre part une analyse du signal réfléchi afin d'en déduire un réflectogramme qui est transmis à l'unité de traitement 502. Les moyens de couplage et de transmission 518,519 peuvent être réalisés par effet capacitif, inductif, ou avec une connexion ohmique. Ils peuvent être mis en oeuvre par des moyens de connexion physique. Par exemple si le système selon l'invention est intégré avec un dispositif de protection, de type disjoncteur, déjà présent sur le réseau électrique à tester, des connecteurs physiques permettant l'injection de signaux dans le câble sont prévus. lis peuvent également être mis en oeuvre par des moyens d'injection sans contact, par exemple en utilisant un cylindre métallique dont le diamètre interne est sensiblement égal au diamètre externe du câble et qui produit un effet de couplage capacitif avec le câble. Les moyens de couplage 516,517 entre les convertisseurs 512 et 514 d'une part et 513 et 515 d'autre part peuvent être réalisés par un simple coupleur qui assure une liaison entre chaque couple de convertisseurs et chaque entrée/sortie du système. Dans ce cas, le signal de sortie des convertisseurs numérique-analogique 512,513 prêt à être injecté, via les deux sorties du système 501, dans le câble à tester, est également transmis, via les coupleurs 516,517, vers les convertisseurs analogique-numériques 514,515 chargés de recevoir le signal réfléchi sur les singularités du câble. Dans ce cas, le réflectogramme obtenu après traitement du signal reçu sur une entrée/sortie du système, comportera à la fois un pic relatif au signal injecté et un autre pic relatif au signal réfléchi. Un exemple d'un tel réflectogramme est représenté à la figure 6. Le réflectogramme de la figure 6 comporte un premier pic 601 qui correspond au point d'injection du signal qui est ici une impulsion temporelle. 2 9 79994 13 Le deuxième pic 602 correspond à une singularité du câble consécutive d'un défaut électrique. La mesure du décalage temporel dt entre le deuxième pic 602 et le premier pic 601 permet d'en déduire la distance entre le point d'injection du signal et le défaut électrique. 5 Un inconvénient est que la présence du signal injecté sur le réflectogramme peut jouer négativement sur les performances de mesure de la distance entre le défaut électrique détecté sur le câble et le point d'injection pour la raison suivante. Plus le défaut électrique est éloigné du 10 point d'injection, plus le signal réfléchi reçu par le système sera atténué et plus la précision de la mesure du retard entre signal injecté et signal réfléchi décroît. La précision est encore plus diminuée lorsque le réflectogramme comporte les deux signaux car après normalisation, l'amplitude relative du signal réfléchi par rapport à celle du signal injecté est faible. 15 Pour ces raisons, il peut être avantageux d'utiliser comme moyen de couplage 516,517 un diviseur-combineur qui permet d'une part de diriger le signal de sortie du convertisseur numérique-analogique 512 vers la sortie du système et d'autre part de diriger le signal réfléchi reçu sur une entrée du système vers le convertisseur analogique-numérique 514. Ainsi le 20 réflectogramme ne comporte que l'information utile pour la localisation du défaut électrique. Dans une variante de réalisation de l'invention, non représentée à la figure 5, un seul convertisseur analogique-numérique 514,515 est nécessaire 25 pour acquérir le signal réfléchi. Avantageusement, le convertisseur analogique-numérique 514,515 est couplé au convertisseur numérique-analogique 512,513 relié au point d'injection le plus proche du coté du câble à tester. La figure 7 schématise une autre variante de mise en oeuvre du procédé et du système selon l'invention, dans laquelle seul un convertisseur analogique-numérique 514 est nécessaire. Dans un cas où des moyens supplémentaires de couplage et d'injection 518,519 ne sont pas souhaités et qu'une extrémité B du câble à tester est accessible, l'invention permet également de supprimer l'utilisation d'un diviseur-combineur en corrigeant l'inconvénient, explicité ci-dessus, de l'utilisation d'un coupleur simple pour relier le convertisseur analogique-numérique 514 à l'un des convertisseurs numérique-analogique 512. Pour cela, les convertisseurs 512,514 reliés entre eux à l'aide d'un coupleur simple sont connectés, via une entrée/sortie du système selon l'invention, à l'extrémité B du câble à tester. Le second convertisseur numérique-analogique 513 est relié, par connexion ohmique, à un second point A du câble distant du point B. La distance entre les deux points étant déterminée, comme déjà explicité précédemment, à partir de la connaissance de la vitesse de propagation du signal dans le câble et de la période d'échantillonnage des convertisseurs. En considérant la ligne reliant le point C d'entrée du convertisseur analogique-numérique 514 au point A et passant par le point B et en appliquant le procédé selon l'invention, l'injection des signaux fA(t) et f$(t) aux points A et B permet d'éliminer la propagation du signal vers le point C. Ainsi, le signal réfléchi puis reçu par le système sur l'entrée C ne comporte que les informations nécessaires à la localisation du défaut électrique dans le câble 503. L'invention a pour avantage principal de ne pas nécessiter l'introduction de composants supplémentaires sur le câble à tester. Les caractéristiques du câble ne sont ainsi pas modifiées, y compris sa bande passante, dans la mesure où l'impédance de sortie du système de diagnostic est transparente aux fréquences utilisées dans l'application visée. L'inconvénient de l'ajout de composants est qu'ils peuvent nécessiter des dimensions encombrantes, nécessaires pour garantir le respect des différentes normes utilisées, par exemple dans le domaine de réseaux électriques embarqués dans un avion.