Brevet FR3033198A1 — publié le 20160902

SYSTEME DE SURVEILLANCE D'UNE LI GNE HAUTE TENSI ON A COURANT CONTI NU La présente invention concerne de manière générale les réseaux de transport d'énergie électrique, et plus particulièrement les systèmes de surveillance d'une ligne haute tension à courant continu comportant une portion terrestre ou sous-marine avec au moins un câble haute tension à courant continu, et au moins une mise à la terre dudit câble haute tension à courant continu. La plupart des lignes à haute tension fonctionne en courant alternatif triphasé. Néanmoins, dans le cadre particulier de certaines traversées sous-marines ou de lignes enterrées, ou encore, dans le cas de lignes aériennes, lorsqu'il s'agit de transporter l'électricité sur de longues distances, le transport se fait en courant continu pour des raisons d'économie, d'encombrement et de fiabilité. À la différence des lignes triphasées, les lignes haute tension à courant continu, appelées lignes HVDC dans la suite de l'exposé (initiales anglo-saxonnes mises pour High Voltage Direct Current), n'ont pas besoin de compensation sur de longues distances, et les pertes en lignes sont également très réduites. La réduction des pertes est en particulier liée au fait que la résistance en courant continu des lignes est plus faible qu'en courant alternatif (absence d'effet de peau), mais surtout au fait que seule la puissance active est transportée en courant continu. Une ligne HVDC aérienne, qu'elle soit en configuration monopolaire ou bipolaire, comporte classiquement, entre deux terminaisons, un ou plusieurs tronçons de câbles HVDC reliés entre eux par des jonctions. Chaque tronçon de câble HVDC comporte une âme conductrice avec un isolant, le tout étant entouré d'un écran métallique qui sert à drainer les courants de fuites et les courants de défaut. Cet écran est mis à la terre régulièrement, notamment au niveau des jonctions et/ou des terminaisons, en utilisant une mise à la terre isolée de type de tresse de grande section pour minimiser son impédance. Pour surveiller la stabilité d'un câble haute tension à courant continu, on souhaite pouvoir mesurer le courant de fuite circulant dans la mise à la 3033198 2 terre. En particulier, une augmentation du courant de fuite est un indicateur d'un défaut de stabilité du câble auquel il est nécessaire de remédier, par exemple en baissant la tension ou la température du conducteur (courant), pour que cela n'endommage pas le système. 5 En mode de fonctionnement normal, le courant de fuite traversant l'isolation à mesurer présente les particularités suivantes : Il est continu et/ou très lentement variable, Il est très faible en mode de fonctionnement normal (de l'ordre de 1 à 10 10mA/km), En régime de défaut, des courants transitoires drainés par les écrans métalliques du câble présentent les particularités suivantes : - une intensité très importante (jusque 10kA ou au-delà) en cas de défaut ou de coup de foudre sur la ligne, et 15 - des vitesses de variation (dl/dt) très importantes en cas de coup de foudre ou de court-circuit. Il est ainsi très délicat de réaliser la mesure d'un tel faible courant fuite sur la mise à la terre du fait des transitoires de courants importants en cas de 20 défaut. La plupart des technologies connues de capteurs de courant ne sont pas adaptées à de telles mesures. Ainsi : L'utilisation d'un capteur de type shunt est limitée de par sa dissipation thermique et par la présence du fort courant en cas de défaut, ce qui provoquerait la destruction du capteur par effet thermique. 25 L'utilisation de cellules de Hall est limitée de par leur faible sensibilité et par l'intensité très faible du courant à mesurer en fonctionnement normal. L'utilisation de capteurs bobinés (Flux Gate ou sondes bouclées à effet Hall) est limitée par l'apparition d'une force électromotrice au sein des bobinages qui provoquent un claquage inter-spires et inter-couches en cas de 30 forte variation dl/dt. Par ailleurs, les dimensions du conducteur de mise à la terre induisent un design de capteur bobiné très encombrant. On connait par ailleurs, en particulier du document FR 2, 891, 917 (ou son équivalent US 8076931) intitulé « Capteurs de champ magnétique et 3033198 3 de courant, procédé de commande et noyau magnétique pour ces capteurs » des capteurs utilisant l'effet Néel, pour lesquels on exploite la caractéristique magnétique B(H) non linéaire d'un noyau qui est excité par un champ alternatif. La forme d'onde de l'excitation est sans harmoniques paires, elle est 5 typiquement sinusoïdale ou triangulaire. Quand le champ magnétique à mesurer se superpose, la non-linéarité de la caractéristique B(H) provoque un mixage tel que des harmoniques paires de la fréquence d'excitation apparaissent dans le spectre du champ magnétique du noyau. Pour collecter les signaux de mixage, on utilise des bobines pour générer une tension 10 contenant les harmoniques paires de la fréquence d'excitation. La topologie des capteurs utilisant l'effet Néel proposés jusqu'à présent ne permet que des mesures de courants relativement élevés, comme par exemple une mesure du courant principal parcourant un câble HVDC, mais ne convient pas à la mesure des courants de fuite des mises à la terre. 15 La présente invention vise à pallier les limitations des techniques connues en proposant un système de surveillance employant une nouvelle topologie de capteurs utilisant l'effet Néel, capable de mesurer un courant faible en fonctionnement et capable à la fois de résister à de fortes et brutales variations de ce courant. 20 Pour ce faire, la présente invention a pour objet un système de surveillance d'une ligne à haute tension à courant continu, ladite ligne comportant une portion terrestre ou sous-marine avec au moins un câble haute tension à courant continu, et au moins une mise à la terre dudit câble 25 haute tension à courant continu, le système étant caractérisé en ce qu'il comporte un capteur de courant utilisant l'effet Néel et apte à mesurer un courant de fuite circulant dans ladite au moins une mise à la terre, ledit capteur de courant comprenant : - une tête de mesure comprenant plusieurs bobines pour réaliser des 30 fonctions de mesure, excitation et contre réaction, au moins l'une des bobines étant réalisée à partir d'un ruban conducteur bobiné de façon concentrique autour d'un noyau magnétique non linéaire, ce ruban étant constitué d'un isolant superposé avec un conducteur ; et 3033198 4 - un dispositif associé de mesure de champs magnétiques continus apte à délivrer une mesure du courant de fuite. La tête de mesure du capteur est capable de mesurer en mode de 5 fonctionnement normal un courant très faible et capable également de supporter une variation brutale et forte de ce même courant. La disposition en ruban a pour avantage de proposer une large surface face au champ magnétique généré par la mise à la terre. Une telle bobine est donc particulièrement bien disposée à mesurer des courants de faible intensité. La 10 disposition en ruban permet également d'éviter la superposition des spires filaires, cette superposition étant source de claquage inter-spires. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, au moins l'une des bobines comporte une seule spire par couche afin de réduire les possibilités de claquage inter-spires. Une telle disposition simplifie la 15 fabrication. Avantageusement, le noyau magnétique peut être constitué d'un support mécanique rempli de poudre magnétique exempte d'hystérésis. Ce support mécanique peut être une matrice en plastique comportant plusieurs compartiments dans lesquels est disposée de la poudre magnétique. Cette 20 poudre magnétique peut être une poudre superparamagnétique. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la tête de mesure peut comprendre au moins deux bobines de mesure réalisées à partir de ruban conducteur de façon à réaliser des mesures différentielles. La tête de mesure peut également comprendre quatre bobines 25 réalisées chacune à partir d'un ruban conducteur bobiné de façon concentrique ; uniquement deux de ces quatre bobines comportant un noyau magnétique. Ces quatre bobines sont avantageusement montées suivant un pont de façon à réaliser une mesure différentielle. Dans une mise en oeuvre possible du système de surveillance, ladite 30 ligne comportant, entre deux terminaisons, une pluralité de câbles haute tension à courant continu reliés entre eux par des jonctions, et une pluralité de mises à la terre desdits câbles haute tension à courant continu, le système de surveillance comporte une pluralité de capteurs de courant utilisant l'effet 3033198 5 Néel, chaque capteur étant apte à délivrer une mesure du courant de fuite circulant dans la mise à la terre associée. La pluralité de mises à la terre comporte de préférence des conducteurs de mise à la terre au niveau desdites jonctions et/ou desdites 5 terminaisons. Les jonctions sont avantageusement de type « arrêt d'écran ». Chaque capteur de ladite pluralité de capteurs de courant est alors apte à délivrer des données à un système central de surveillance, par l'intermédiaire d'une liaison de transmission de données. La liaison de transmission de données peut être une liaison par courant 10 porteur en ligne ou une fibre optique, ou encore une liaison radio. Les données transmises par chaque capteur comprennent de préférence, outre la mesure du courant de fuite circulant dans la mise à la terre associée, une identification unique de la mise à la terre associée au capteur, une information identifiant l'instant de mesure, et une valeur 15 représentative de la dérivée par rapport au temps de la mesure du courant de fuite. Le ou les capteurs de courant sont alimentés par une ligne dédiée ou autoalim entés par couplage capacitif ou inductif sur le câble. 20 L'invention sera mieux comprise au vu de la description suivante, faite en référence aux figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 illustre schématiquement un système de surveillance placé sur une portion d'une ligne à haute tension à courant continu ; 25 - la figure 2 est une vue schématique d'une tête de mesure comprenant deux bobines selon l'invention pour une mesure différentielle ; - la figure 3 illustre des vues schématiques très simplifiées d'une bobine ruban selon l'invention respectivement constituée de plusieurs spires et d'une seule spire ; 30 - la figure 4 est une vue schématique simplifiée d'un circuit électronique illustrant une disposition de quatre bobines montées en pont. 3033198 6 La figure 1 représente une portion de ligne à haute tension à courant continu (ligne HVDC) équipée d'un système de surveillance conforme à la présente invention. La portion de ligne représente par exemple une portion 5 d'un pôle d'un système de transport haute tension à courant continu de configuration bipolaire. Dans l'exemple représenté, la ligne HVDC comporte une portion terrestre entre deux terminaisons 1, comportant une pluralité de câbles 2 haute tension à courant continu reliés entre eux par des jonctions 3. Chaque câble HVDC 2 comporte classiquement une âme conductrice 10 avec un isolant, entouré d'un écran métallique qui sert à drainer les courants de fuites et les courants de défaut. Plusieurs mises à la terre 4 des écrans métalliques des câbles 2 sont prévues sur la portion de ligne, de préférence au niveau des terminaisons 1 et/ou des jonctions 3. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, une mise à la 15 terre 4 est prévue sur chaque terminaison 1, et chaque jonction 3 comporte deux mises à la terre 4 des extrémités de câbles 2 reliées à cette jonction. Les jonctions 3 sont du type « arrêt d'écran ». Ainsi, il est possible de localiser la section en défaut quand on constate une augmentation du courant sur l'une des sections. 20 Chaque mise à la terre 4 est par exemple une tresse de grande section pour minimiser son impédance. Au niveau d'au moins une des mises à la terre 4, et de préférence au niveau de chacune des mises à la terre présentes dans le système, le système de surveillance comporte un capteur 5 de courant utilisant l'effet Néel et apte 25 à mesurer un courant de fuite circulant dans la mise à la terre 4 associé. Comme schématisé sur la figure 1, chaque capteur 5 de courant comporte deux parties essentielles, à savoir: - une tête 6 de mesure fixée par tout moyen sur la mise à la terre 4 ; - un dispositif 7 associé de mesure de champs magnétiques continus 30 apte à délivrer une mesure du courant de fuite. Chaque capteur 5 est alimenté à travers une ligne d'énergie dédiée ou autoalimenté par la collection d'énergie sur le pôle HVDC par couplage capacitif ou inductif. 3033198 7 La sortie de chaque capteur 5 est reliée par l'intermédiaire d'une liaison 8 de transmission de données à un système central 9 de surveillance. La liaison 8 de transmission de données peut être une liaison filaire, par exemple une liaison par courant porteur en ligne ou une fibre optique. En 5 variante, on peut prévoir la liaison 8 de transmission de données sous forme d'une liaison radio. Les données transmises par chaque capteur 5 comprennent, outre la mesure du courant de fuite circulant dans la mise à la terre associée, une identification unique de la mise à la terre 4 associée au capteur, une 10 information identifiant l'instant de mesure, et une valeur représentative de la dérivée par rapport au temps de la mesure du courant de fuite. La somme des courants aux extrémités de chaque portion de câbles 2 donne le courant de fuite sur la portion et une élévation anormale de ce courant de fuite est le signe d'un emballement thermique du système 15 d'isolation DC (câble ou accessoires). Il est possible alors de prendre des décisions préventives (coupure) ou correctives (baisse du courant ou de la tension) dans le but de protéger la ligne. Le principe de la tête de mesure 6 va être décrit à présent en relation 20 avec les figures 2 à 4. Sur la figure 2, on a représenté schématiquement le conducteur de mise à la terre 4 dans lequel circule un courant de fuite à mesurer lp. Le conducteur est représenté sous la forme d'une bande plate, mais il peut être de type câble à section circulaire, carrée ou autre et de nature souple ou 25 rigide. Le conducteur primaire 4 présente deux faces, qui sont les deux grandes faces avant et arrière de la bande. A proximité d'une face, on peut disposer une bobine 62, de forme cylindrique à section circulaire, avec un axe de révolution parallèle au plan de la face avant et perpendiculaire au sens de circulation du courant de fuite lp. 30 On considère que le courant de fuite I p circule dans la direction du plus grand côté de la bande constituant le conducteur. 3033198 8 La bobine 62 comporte, conformément à l'invention, un ruban conducteur 63 bobiné de façon concentrique autour d'un noyau magnétique non linéaire 64. Cette bobine 2 est naturellement reliée par des câbles (non représentés) à une unité de traitement ou un contrôleur comprenant des 5 moyens électroniques pour générer des signaux de mesure, d'excitation et/ou de contre réaction. Une telle disposition permet de réaliser une mesure de courant par détection de champ magnétique telle que décrite dans la demande de brevet FR 2,891,917 (ou son équivalent US 8076931). De préférence, comme on le voit sur la figure 2, on prévoit une 10 seconde bobine 65 formée par un ruban conducteur 66 bobiné de façon concentrique autour d'un noyau magnétique non linéaire 67. Les deux bobines 62 et 65 permettent de capter le champ magnétique généré par le conducteur 4 de façon différentielle et ainsi de réduire la 15 sensibilité aux conducteurs externes. Le fonctionnement peut être le suivant. Les deux bobines 62 et 65 sont positionnées symétriquement à proximité du conducteur 4parcouru par le courant à mesurer lp. Elles sont aptes à recevoir un courant d'excitation de la 20 part d'un contrôleur. La proximité entre les bobines 62, 65 et le conducteur 4 est telle qu'il y a une interaction notable entre le champ magnétique du courant à mesurer lp et le champ magnétique du courant d'excitation dans les noyaux des bobines. Par exemple, cette proximité se concrétise par une distance entre le conducteur primaire et chaque bobine inférieure à 20mm, 25 voire 10mm, voire 5mm. Le courant d'excitation a une fréquence élevée par rapport à la fréquence du courant à mesurer et son spectre de fréquences ne présente pas d'harmoniques paires. Par interaction entre le champ magnétique du courant à mesurer lp et le champ magnétique du courant d'excitation dans les noyaux, des harmoniques paires naissent portant une information sur la 30 polarité et la grandeur du courant primaire lp. Cette information est transmise au contrôleur qui renvoie un courant de contre-réaction vers les bobines de telle manière à minimiser les harmoniques paires générées dans les bobines ou en d'autres termes annuler l'effet du champ magnétique du courant 3033198 9 primaire. La valeur du courant de contre réaction représente sensiblement le courant primaire. Sur la figure 3, on distingue un mode de réalisation d'une bobine 62 5 selon l'invention. Elle est constituée de plusieurs spires de type ruban par couches, mais de façon préférentielle on opte pour une seule spire par couche comme on le voit sur la figure 3 afin de réduire les possibilités de claquage inter-spires et d'en simplifier la fabrication. Le ruban selon l'invention peut être constitué de façon préférentielle 10 d'une couche de cuivre ou d'aluminium et d'un isolant de type kapton® ou PTFE. Le ruban cuivre isolant avec un certain nombre de spires est là pour créer un champ magnétique suffisamment important pour pouvoir réaliser une mesure de faible courant, tout en étant résistant à une forte variation de courant (pour ne pas générer une surtension). 15 Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, on utilise quatre bobines disposées en parallèle comme on peut le voir sur le schéma électrique équivalent de la figure 4. On distingue un courant d'excitation lex(t) 20 qui alimente deux branches en parallèle. La première branche porte deux bobines A et B selon l'invention, c'est-à-dire que chaque bobine est réalisée à partir d'un ruban conducteur bobiné de façon concentrique autour d'un noyau magnétique non linéaire, ce ruban étant constitué d'un isolant superposé avec un conducteur. Ces deux bobines A et B sont disposées en série mais en 25 antiphase l'une par rapport à l'autre. La seconde branche porte deux autres bobines C et D, chacune réalisée à partir d'un ruban conducteur bobiné de façon concentrique, mais sans noyau, ce ruban étant constitué d'un isolant superposé avec un conducteur. On peut également utiliser d'autres types de bobines conventionnelles pour les bobines C et D. Ces deux bobines C et D 30 sont disposées en série mais en antiphase l'une par rapport à l'autre. Ces quatre bobines constituent un pont permettant une mesure différentielle qui réduit la tension d'excitation et les tensions induites par des champs externes. La mesure se fait par analyse de la tension induite dans les 3033198 10 bobines. On mesure ainsi une tension Umes(t) prélevée entre les deux points milieux du pont situés entre les bobines A et B d'une part et les bobines C et D d'une autre part. On réalise ainsi simplement et par construction une soustraction de 5 signaux parasites. Ce montage permet la mesure de champ continu avec une grande précision. Les noyaux des bobines A et B comprennent préférentiellement un matériau superparamagnétique, qui ne présente pas de rémanence magnétique afin d'être insensible aux champs intenses présents lors des cas 10 de défauts. Le pont est idéalement placé dans le champ magnétique créé par le courant à mesurer I p. 15 REVENDICATIONS1. Système de surveillance d'une ligne à haute tension à courant continu, ladite ligne comportant une portion terrestre ou sous-marine avec au moins un câble (2) haute tension à courant continu, et au moins une mise à la terre (4) dudit câble (2) haute tension à courant continu, le système étant caractérisé en ce qu'il comporte un capteur (5) de courant utilisant l'effet Néel et apte à mesurer un courant de fuite circulant dans ladite au moins une mise à la terre (4), ledit capteur (5) de courant comprenant : - une tête (6) de mesure comprenant plusieurs bobines pour réaliser des fonctions de mesure, excitation et contre réaction, au moins l'une des bobines étant réalisée à partir d'un ruban (63) conducteur bobiné de façon concentrique autour d'un noyau magnétique (64) non linéaire, ce ruban (63) étant constitué d'un isolant superposé avec un conducteur ; et - un dispositif (7) associé de mesure de champs magnétiques continus apte à délivrer une mesure du courant de fuite. 2. Système de surveillance selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite au moins l'une des bobines comporte une seule spire par couche. 3. Système de surveillance selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le noyau magnétique (64) est constitué d'un support mécanique rempli de poudre magnétique exempte d'hystérésis. 4. Système de surveillance selon la revendication 3, caractérisé en ce que la poudre magnétique est une poudre superparamagnétique. 5. Système de surveillance selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tête de mesure (6) comprend au moins deux bobines (62, 65) de mesure réalisées à partir d'un ruban conducteur de façon à réaliser des mesures différentielles. 6. Système de surveillance selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tête de mesure (6) comprend 3033198 12 quatre bobines (A, B, C, D) réalisées chacune à partir d'un ruban conducteur bobiné de façon concentrique, uniquement deux (A, B) de ces quatre bobines comportant un noyau magnétique, ces quatre bobines étant montées suivant un pont de façon à réaliser une mesure 5 différentielle. 7. Système de surveillance selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, ladite ligne comportant, entre deux terminaisons (1), une pluralité de câbles (2) haute tension à courant continu reliés entre eux par des jonctions (3), et une pluralité de mises 10 à la terre (4) desdits câbles (2) haute tension à courant continu, le système de surveillance comporte une pluralité de capteurs (5) de courant utilisant l'effet Néel, chaque capteur étant apte à délivrer une mesure du courant de fuite circulant dans la mise à la terre associée. 8. Système de surveillance selon la revendication 7, caractérisé en ce que 15 la pluralité de mises à la terre (4) comporte des conducteurs de mise à la terre au niveau desdites jonctions (3) et/ou desdites terminaisons (1) 9. Système de surveillance selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que lesdites jonctions (3) sont de type arrêt 20 d'écran. 10.Système de surveillance selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que chaque capteur (5) de ladite pluralité de capteurs de courant est apte à délivrer des données à un système central (9) de surveillance, par l'intermédiaire d'une liaison (8) de 25 transmission de données. 11 .Système de surveillance selon la revendication 10, caractérisé en ce que la liaison (8) de transmission données est une liaison par courant porteur en ligne ou une fibre optique. 12. Système de surveillance selon la revendication 10, caractérisé en ce 30 que la liaison (8) de transmission données est une liaison radio. 3033198 13 13.Système de surveillance selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que les données transmises par chaque capteur (5) comprennent, outre la mesure du courant de fuite circulant dans la mise à la terre associée, une identification unique de la mise à la terre 5 associée au capteur, une information identifiant l'instant de mesure, et une valeur représentative de la dérivée par rapport au temps de la mesure du courant de fuite. 14. Système de surveillance selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les capteurs de courant (5) 10 sont alimentés par une ligne dédiée ou autoalimentés par couplage capacitif ou inductif sur le câble.