Brevet FR3015045A1 — publié le 20150619

B12992 - DD14995 1 DÉTECTION D'ARCS ÉLECTRIQUES Domaine La présente description concerne de façon générale les systèmes de protection contre des arcs électriques et, plus particulièrement, la détection d'arcs électriques. La présente description s'applique plus particulièrement à la détection d'arcs électriques en milieu fermé. Exposé de l'art antérieur Dans tout système électrique, qu'il s'agisse d'un système de production d'énergie comme par exemple une centrale solaire, d'un système de stockage d'énergie, comme par exemple un ensemble de batteries, d'un système de conversion d'énergie comme par exemple un transformateur, d'un système de transport, comme par exemple un ensemble de câbles, etc., l'apparition d'arcs électriques est particulièrement préjudiciable. Un arc électrique peut provoquer des dommages non seulement au système lui-même, mais peu de plus provoquer des dommages collatéraux importants, comme par exemple provoquer un incendie. On cherche depuis longtemps à détecter, de manière fiable, l'apparition d'un arc électrique. On a déjà proposé plusieurs solutions faisant appel soit à une mesure de courant et de tension, soit à une mesure de rayonnement optique, soit à une mesure du champ électro- B12992 - DD14995 2 magnétique. Toutes ces méthodes ont pour inconvénients d'être dédiées à une application particulière et de ne pas être transposables à d'autres systèmes. On a également proposé de détecter des arcs 5 électriques à partir de leur signature acoustique. Ainsi, pour des lignes électriques aériennes, on utilise un capteur acoustique ayant une fréquence de résonance de 40 kHz et un opérateur surveille l'apparition d'un signal audible à l'aide d'écouteurs. Une telle méthode n'est toutefois pas transposable 10 dans un environnement bruité qui constitue la majorité des environnements de systèmes de production, de transport, de consommation d'énergie électrique. Le document WO-A-2011090464 propose un procédé et un appareil pour détecter des arcs et leur localisation dans un 15 câblage électrique et exploite une plage de fréquences de 28 à 32 kHz. Plus récemment, le demandeur a proposé (WO-A2013150157) une source d'alimentation électrique continue comportant des batteries interconnectées dans un boîtier, un 20 capteur acoustique et un milieu de remplissage du boîtier présentant une impédance acoustique homogène et servant de liaison acoustique entre les interconnexions des batteries et le capteur. Cette solution préconise l'utilisation d'un capteur à ultrasons avec une bande passante s'étendant au moins entre 25 20 kHz et 150 kHz. Résumé Un mode de réalisation de la présente description vise à pallier tout ou partie des inconvénients des systèmes connus de détection d'arcs électriques. 30 Un autre mode de réalisation vise à proposer un système de détection d'arcs électriques plus particulièrement destiné à un environnement bruité. Ainsi, un mode de réalisation prévoit un procédé de détection d'arcs électriques dans une enceinte définissant un 35 volume à surveiller, comportant : B12992 - DD14995 3 une étape de mesure d'un niveau acoustique à des fréquences supérieures à environ 60 kHz en filtrant les fréquences inférieures ; et une étape de comparaison dudit niveau à un premier seuil. Selon un mode de réalisation, ledit premier seuil est déterminé en fonction d'un niveau de bruit capté en l'absence d'arcs électriques. Selon un mode de réalisation, la mesure prend en 10 compte les fréquences dans une plage d'environ 60 kHz à environ 300 kHz, de préférence dans une plage d'environ 60 kHz à environ 150 kHz. Selon un mode de réalisation, le procédé comporte en outre une étape de comparaison, à un deuxième seuil, du résultat 15 d'une corrélation entre un modèle de la réponse temporelle d'un arc électrique et la mesure. Un mode de réalisation prévoit un système de détection d'arcs électriques, comportant : une enceinte définissant un volume à surveiller ; et 20 un dispositif de mesure acoustique filtrant les fréquences inférieures à environ 60 kHz. Selon un mode de réalisation, le dispositif de mesure est sensible aux fréquences contenues dans une plage d'environ 60 kHz à environ 300 kHz, de préférence dans une plage d'environ 25 60 kHz à environ 150 kHz. Selon un mode de réalisation, le dispositif de mesure comporte un capteur acoustique. Selon un mode de réalisation, la réponse du capteur acoustique exclut les fréquences inférieures à environ 60 kHz. 30 Selon un mode de réalisation, ledit dispositif comporte un filtre électronique des fréquences inférieures à environ 60 kHz. Selon un mode de réalisation, l'enceinte est dépourvue d'ouverture de dimension supérieure à 5 mm. B12992 - DD14995 4 Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif 5 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 illustre un exemple de réponse spectrale d'un arc électrique ; la figure 2 illustre un exemple de spectre de bruits ambiants typique, dans l'environnement d'un système électrique ; 10 la figure 3 représente, de façon très schématique, un mode de réalisation d'un système de détection d'arcs électriques ; la figure 4 est un schéma-bloc illustrant un mode de mise en oeuvre du procédé de détection d'arcs électriques ; et 15 la figure 5 représente, de façon très schématique, un exemple d'application du système de la figure 3. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. Par souci de clarté, seuls 20 les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation qui vont être décrits ont été représentés et seront détaillés. En particulier, les dispositifs électriques dont le système détecte les arcs n'ont pas été détaillés, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les divers 25 dispositifs électriques de production, de transport et de consommation. De plus, lorsque l'on fait référence aux expressions "approximativement", "de l'ordre de" ou "environ", cela signifie à 10% près, et lorsque l'on mentionne une identité ou une égalité, cela signifie aux dispersions technologiques 30 près. Un arc électrique apparaît dans un milieu isolant séparant deux éléments conducteurs à des potentiels électriques différents et dans lesquels circule un courant, une conduction électrique se produisant dans l'espace séparant ces deux B12992 - DD14995 éléments conducteurs. L'apparition d'un arc électrique s'accompagne d'une réponse acoustique sonore et ultrasonore. La méthode de détection d'arcs électriques et les systèmes associés qui vont être décrits tirent leur origine 5 d'une nouvelle analyse faite par l'inventeur du phénomène acoustique accompagnant un arc électrique et de la réponse acoustique des environnements visés. Traditionnellement, les systèmes de détection acoustiques se focalisent soit sur une plage de fréquences large, comme c'est le cas du document 10 WO-A-2013150157, en jouant sur le milieu environnant, soit sur une plage de fréquences inférieure à 40 kHz comme c'est le cas du document WO-A-2011090464. La figure 1 représente, de façon schématique, la réponse acoustique d'un arc électrique dans l'air. L'inventeur a 15 constaté que cette réponse peut varier légèrement en fonction du milieu mais qu'un arc électrique, tout en ayant une réponse présentant un fort niveau entre environ 30 kHz et environ 70 kHz, présente un spectre qui s'étend jusqu'à 150 kHz, voire plus, avec des niveaux non négligeables par rapport au bruit 20 environnant. L'inventeur a par ailleurs constaté que, contrairement aux idées reçues selon lesquelles les environnements sont fortement bruités par des signaux dans des fréquences supérieures à une quarantaine de kHz, ces niveaux de bruit sont 25 généralement inférieurs aux niveaux d'un arc électrique à ces fréquences. La figure 2 représente, de façon schématique, le spectre de bruit ambiant d'un environnement représentatif des environnements généralement rencontrés dans des applications où 30 l'on souhaite détecter des arcs électriques. En fait, le bruit ambiant est majoritairement dans le domaine sonore (en dessous de 20 kHz) et, s'il présente quelques pics à des fréquences supérieures (par exemple dus à des commutations de systèmes mécaniques), présente globalement un niveau moyen nettement B12992 - DD14995 6 inférieur à celui d'un arc électrique pour des fréquences supérieures à environ 60 kHz. Dans les modes de réalisation qui vont être décrits, on prévoit d'utiliser un capteur acoustique dans une enceinte 5 dans laquelle on souhaite détecter l'apparition d'arcs électriques, et de filtrer (éliminer), au niveau du capteur ou de l'électronique associée à ce capteur, les fréquences inférieures à environ 60 kHz. La figure 3 représente, de façon très schématique et 10 sous forme de blocs, un mode de réalisation d'un système de détection d'arcs électriques. Un capteur acoustique 1 est placé dans une enceinte 2 à l'intérieur de laquelle se situe le volume à surveiller, c'est-à-dire les éléments électriques (non représentés) 15 susceptibles de provoquer un arc électrique. Ce volume n'est pas traité de façon particulière, c'est-à-dire qu'il est, en pratique, le plus souvent constitué d'air ambiant. Les parois de l'enceinte 2 atténuent les bruits venant de l'extérieur. Dans la plage des fréquences sonores et 20 ultrasonores jusqu'à environ 60 kHz, cette atténuation n'est toutefois pas suffisante pour que l'amplitude de l'onde acoustique soit inférieure à celle provoquée par un arc électrique à l'intérieur de l'enceinte. Cependant, pour les fréquences supérieures à environ 60 kHz, le niveau des bruits 25 ambiants extérieurs à l'enceinte est généralement suffisamment faible pour que les parois de l'enceinte provoquent une atténuation suffisante. Ainsi, en filtrant la réponse du capteur acoustique pour éliminer les fréquences inférieures à environ 60 kHz, il est possible de distinguer le bruit ambiant provenant 30 de l'extérieure de l'enceinte, d'un arc électrique se produisant à l'intérieur de l'enceinte. De plus, le filtrage réalisé permet de s'affranchir également des bruits générés à l'intérieur de l'enceinte dans laquelle se trouve le capteur. B12992 - DD14995 7 Pour améliorer la détection, on pourra s'assurer que l'enceinte ne présente pas d'ouvertures de façon à améliorer l'atténuation du bruit ambiant. En cas d'ouvertures dans l'enceinte, on veillera préférentiellement à ce que ces ouver- tures aient des dimensions inférieures à la longueur d'onde de propagation majoritaire des arcs électriques, par exemple inférieure à quelques mm, de préférence inférieures à 4 mm. Ainsi, on évite que le capteur situé dans l'enceinte ne détecte un arc externe. Selon le volume à surveiller, on pourra prévoir un cloisonnement de ce volume en plusieurs espaces fermés et plusieurs capteurs acoustiques (au moins un par espace fermé). La figure 4 est un schéma-bloc d'un mode de mise en oeuvre du procédé de détection d'arcs électriques. On commence par mesurer (bloc 11, SENSE), à l'aide d'un capteur acoustique, l'amplitude sonore dans le volume considéré. Puis (ou simultanément si le capteur lui-même présente une réponse éliminant les fréquences inférieures à environ 60 kHz), on applique un filtrage de type passe-haut (bloc 13, FILTER) qui élimine les fréquences inférieures à environ 60 kHz. Le signal S résultant est interprété par un circuit électronique et est comparé (bloc 15, S>TH ?) à un seuil TH. Si le niveau du signal S est supérieur au seuil TH (sortie Y du bloc 15), on considère qu'on est en présence d'un arc électrique (ARC). Selon un premier mode de réalisation, dans le cas contraire (sortie N du bloc 15), on considère une situation normale (OK). Le seuil TH est, de préférence, fixé en tenant compte des bruits environnants, c'est-à-dire qu'il est choisi pour être supérieur au niveau du signal sonore capté par le capteur 1 dans la plage de fréquences supérieures à environ 60 kHz en l'absence d'arc électrique. De préférence, on tient compte des signaux dans une plage de fréquences allant d'environ 60 kHz à environ B12992 - DD14995 8 300 kHz, de préférence, dans une plage de fréquences allant d'environ 60 kHz à environ 150 kHz. De préférence (étape 17 CORREL, illustrée en poin- tillés en figure 4), la détermination est affinée en comparant, à un deuxième seuil, le résultat d'une corrélation entre un modèle (TEMP) de réponse temporelle d'un arc électrique et la réponse du capteur. Si la réponse du capteur est considérée suffisamment proche du modèle (sortie Y du bloc 17), on valide la présence d'un arc. Par exemple, pour cette deuxième comparaison, on pourra s'inspirer de la technique décrite dans le document WO-A-2013150157 déjà mentionné. Un exemple d'application concerne les véhicules automobiles et, plus particulièrement, les véhicules électriques contenant un grand nombre de batteries, ce qui accroit les risques d'arcs, en raison des vibrations, de chocs, etc. L'enceinte dans laquelle sont généralement contenues les batteries constitue un filtre suffisant pour que les bruits extérieurs, de fréquence supérieure à environ 60 kHz, soient suffisamment filtrés pour que, à l'intérieur de l'enceinte, un arc électrique se traduise sur le capteur acoustique par un niveau de signal nettement supérieur au bruit. La figure 5 représente, de façon schématique et sous forme de blocs, un mode de réalisation d'un système de détection d'arcs électriques selon cet exemple d'application. On suppose une enceinte 2 dans laquelle sont disposées et interconnectées des batteries 3. Un connecteur 4 (par exemple, un bornier), accessible depuis l'extérieur de l'enceinte 2, permet de connecter les batteries 3 à leur environnement applicatif. L'enceinte 2 contient également un capteur acoustique 1, relié à un dispositif électronique 5, d'interprétation des signaux captés par le capteur. Le dispositif 5 comporte, par exemple, des éléments de communication de l'état de la détection ou de signalement de la présence d'un arc (alarme visuelle, sonore, ou autre). B12992 - DD14995 9 Dans l'exemple de la figure 5, on suppose la présence d'un filtre passe-bas 52 (fréquence de coupure à environ 60 kHz), acoustique ou électronique, au niveau du capteur 1. En variante, ce filtre (alors électronique) est au niveau du dispositif 5. Un autre exemple d'application est la détection d'arcs électriques dans un avion et, plus particulièrement, dans des parties techniques de la carlingue. On a pu constater que la carlingue constituait un obstacle aux bruits ambiants et qu'un arc électrique présentera, dans l'enceinte contenant les câbles électriques, un signal d'amplitude supérieure à ces bruits ambiants, de sorte que la détection peut s'opérer en fixant un seuil approprié. Si le signal mesuré par le capteur (en éliminant les fréquences inférieures à environ 60 kHz) a une amplitude supérieure à ce seuil, on peut considérer un fort risque de présence d'un arc électrique. Un autre exemple d'application concerne les tableaux électriques destinés à répartir une alimentation électrique dans différents circuits. En particulier dans un milieu industriel, des vibrations peuvent provoquer un desserrement des fixations des câbles aux différents coupe-circuits et connecteurs, qui peut conduire à l'apparition d'arcs électriques. Dans cette application, des arcs électriques non néfastes peuvent se produire dans des interrupteurs ou disjoncteurs situés dans le volume à surveiller, lors des commutations. Les boîtiers de ces interrupteurs ou disjoncteurs atténuent l'amplitude de l'onde acoustique provoquée par ces arcs, de sorte qu'en sélectionnant convenablement le seuil de détection par le capteur, on peut distinguer ces arcs "utiles" d'arcs accidentels se produisant dans le volume surveillé. Un avantage des modes de réalisation qui ont été décrits est qu'il est désormais possible de détecter des arcs électriques dans un environnement acoustiquement bruité. Un autre avantage est que la mise en oeuvre est simple 35 en tirant profit des enceintes qui entourent généralement les B12992 - DD14995 10 zones dans lesquelles on souhaite effectuer une détection. Il n'est donc généralement pas nécessaire en pratique de prévoir une enceinte spécifique. Divers modes de réalisation ont été décrits, diverses 5 variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les éventuels cloisonnements à prévoir et le nombre de capteurs acoustiques dépend du volume à surveiller. Par ailleurs, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation décrits est à la portée de l'homme du métier à partir de la 10 description fonctionnelle ci-dessus, en particulier en ce qui concerne la réalisation du dispositif électronique d'interprétation des signaux captés et l'exploitation des résultats de la détection. De plus, le choix des valeurs du ou des seuils de détection dépend de l'application et est également à la portée 15 de l'homme du métier. REVENDICATIONS1. Procédé de détection d'arcs électriques dans une enceinte (2) définissant un volume à surveiller, comportant : une étape (11, 13) de mesure d'un niveau acoustique à des fréquences supérieures à environ 60 kHz en filtrant les fréquences inférieures ; et une étape (15) de comparaison dudit niveau à un premier seuil (TH). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit premier seuil (TH) est déterminé en fonction d'un niveau de 10 bruit capté en l'absence d'arcs électriques. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la mesure prend en compte les fréquences dans une plage d'environ 60 kHz à environ 300 kHz, de préférence dans une plage d'environ 60 kHz à environ 150 kHz. 15 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comportant en outre une étape (17) de comparaison, à un deuxième seuil, du résultat d'une corrélation entre un modèle de la réponse temporelle d'un arc électrique et la mesure. 5. Système de détection d'arcs électriques, compor- 20 tant : une enceinte (2) définissant un volume à surveiller ; et un dispositif (1, 5) de mesure acoustique filtrant les fréquences inférieures à environ 60 kHz. 25 6. Système selon la revendication 5, dans lequel le dispositif de mesure (1, 5) est sensible aux fréquences contenues dans une plage d'environ 60 kHz à environ 300 kHz, de préférence dans une plage d'environ 60 kHz à environ 150 kHz. 7. Système selon la revendication 5 ou 6, dans lequel 30 le dispositif de mesure (1, 5) comporte un capteur acoustique (1). 8. Système selon la revendication 7, dans lequel la réponse du capteur acoustique (1) exclut les fréquences inférieures à environ 60 kHz.B12992 - DD14995 12 9. Système selon la revendication 8, dans lequel ledit dispositif (1, 5) comporte un filtre électronique (52) des fréquences inférieures à environ 60 kHz. 10. Système selon l'une quelconque des revendications 5 5 à 9, dans lequel l'enceinte (2) est dépourvue d'ouverture de dimension supérieure à 5 mm.