Brevet FR3033197A1 — publié le 20160902

- 1 - " Tête de mesure HVDC pour capteur de champ magnétique." La présente invention est relative à une tête de mesure pour capteur de champ magnétique apte à mesurer un courant circulant dans un conducteur primaire. Elle est également relative à un système comprenant une telle tête de mesure également nommée transducteur de champ magnétique. La présente invention est d'un cadre très large puisqu'elle peut s'appliquer dans tout système de mesure d'un faible courant continu avec des risques d'une variation brutale. Elle trouve toutefois une application particulièrement intéressante dans la mesure de courant de fuite pour des câbles à courant continu haute tension CCHT ou HVDC pour « High Voltage Direct Current » en anglais. Plus précisément, il s'agit de répondre à un besoin de mesure de courant de fuite dans des câbles de transport d'énergie de type HVDC. L'objectif est de mesurer le courant circulant dans une mise à la terre d'une ligne HVDC. Cette mise à la terre est en général une tresse ou un busbar de grande section pour minimiser son impédance. Le courant 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 10m A), - Il peut atteindre une intensité très importante (jusque 10kA ou au- delà) en cas de défaut ou de coup de foudre sur la ligne, et - Il présente des vitesses de variation (dI/dt) très importante en cas de coup de foudre. Il est très délicat de réaliser la mesure d'un tel courant qui est à la fois relativement faible et qui peut atteindre des intensités colossales. 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. 3033197 - 2 - 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 5 bobinages qui provoquent un claquage inter-spires et inter-couches en cas de forte variation dI/dt. Par ailleurs, les dimensions du conducteur de mise à la terre induisent un design de capteur bobiné très encombrant. La présente invention vise à résoudre ces différents problèmes. 10 La présente invention a pour objet la réalisation d'une nouvelle tête de mesure capable de mesurer un courant faible en fonctionnement et capable à la fois de résister à de fortes et brutales variations de ce courant. On atteint au moins l'un des objectifs précités avec une tête de mesure 15 pour capteur de champ magnétique apte à mesurer un courant circulant dans un conducteur primaire. Cette tête de mesure comprend plusieurs bobines pour réaliser les fonctions de mesure, excitation et contre réaction. Selon l'invention, au moins l'une des bobines est réalisée à partir d'un ruban conducteur bobiné de façon concentrique autour d'un noyau magnétique non 20 linéaire, ce ruban étant constitué d'un isolant superposé avec un conducteur. La tête de mesure selon l'invention est capable de mesurer en mode de fonctionnement normal un courant très faible et capable également de supporter une variation brutale et forte de ce même courant. La disposition 25 en ruban a pour avantage de proposer une large surface face au champ magnétique généré par le conducteur primaire. Une telle bobine est donc particulièrement bien disposée à mesurer des courants de faible intensité. La disposition en ruban permet également d'éviter la superposition des spires filaires, cette superposition étant source de claquage inter-spires. 30 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 fabrication. 3033197 - 3 - 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 5 poudre magnétique peut être une poudre superparamagnétique. Avec l'invention, il s'agit d'utiliser une nouvelle topologie de capteur dit à Effet Néel®. La technologie à Effet Néel a été décrite entre autres dans le brevet « Capteurs de champ magnétique et de courant, procédé de commande et noyau magnétique pour ces capteurs », n° FR 2,891,917 (ou 10 son équivalent US 8076931). Dans cette technologie, 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 typiquement sinusoïdale ou triangulaire. Quand le champ magnétique à mesurer se superpose, la non-linéarité de la caractéristique 15 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 contenant les harmoniques paires de la fréquence d'excitation. 20 Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la tête de mesure selon l'invention peut comprendre au moins deux bobines de mesure réalisées à partir de ruban conducteur de façon à réaliser des mesures différentielles. 25 La tête de mesure peut également comprendre quatre bobines 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. 30 Dans un mode de mise en oeuvre avantageux, on prévoit un système comprenant un conducteur primaire et une tête de mesure telle que décrit ci-dessus. Selon l'invention, la tête de mesure est disposée à l'intérieure du 35 conducteur primaire qui est constitué de spires, au moins une spire. Une telle 3033197 - 4 - disposition permet d'augmenter la sensibilité au champ magnétique mesuré par rapport aux champs magnétiques extérieurs non utile tel que le champ magnétique terrestre. 5 Bien entendu, les différentes caractéristiques, formes et variantes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. 10 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1 est une vue schématique d'une tête de mesure comprenant deux bobines selon l'invention pour une mesure 15 différentielle ; - Les figures 2a et 2b sont des vues schématiques très simplifiées d'une bobine ruban selon l'invention respectivement constituée de plusieurs spires et d'une seule spire ; - La figure 3 est une vue schématique simplifiée d'un circuit 20 électronique illustrant une disposition de quatre bobines montées en pont ; et - La figure 4 est une vue schématique illustrant l'intégration de bobines selon l'invention à l'intérieur d'un conducteur primaire constitué en spire. 25 Bien que l'invention n'y soit pas limitée, on va maintenant décrire une tête de mesure pour mesurer un courant de fuite dans un câble de transport d'énergie haute tension dite de type HVDC, pour « High Voltage Direct Current » en langue anglaise. 30 Sur la figure 1, on distingue un conducteur primaire 1 dans lequel circule un courant de fuite à mesurer Ip. Le conducteur primaire 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 rigide. Le 3033197 - 5 - conducteur primaire 1 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 2 selon l'invention, de forme cylindrique à section circulaire, avec un axe de révolution parallèle 5 au plan de la face avant et perpendiculaire au sens de circulation du courant de fuite Ip. On considère que le courant de fuite Ip circule dans la direction du plus grand côté de la bande constituant le conducteur. La bobine 2 comporte un ruban conducteur 3 bobiné de façon 10 concentrique autour d'un noyau magnétique non linéaire 4. Cette bobine 2 est naturellement reliée par des câbles (non représentés) à une unité de traitement ou un contrôleur comprenant des 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 15 champ magnétique telle que décrite dans la demande de brevet FR 2,891,917 (ou son équivalent US 8076931). La ou les bobines selon l'invention constituent une tête de mesure qui peut être avantageusement utilisée dans un capteur décrit dans la demande de brevet FR 2,891,917. De préférence, comme on le voit sur la figure 1, on prévoit une 20 seconde bobine 5 formée par un ruban conducteur 6 bobiné de façon concentrique autour d'un noyau magnétique non linéaire 7. Les deux bobines 2 et 5 permettent de capter le champ magnétique généré par le conducteur primaire 1 de façon différentielle et ainsi de réduire 25 la sensibilité aux conducteurs externes. Le fonctionnement peut être le suivant. Les deux bobines 2 et 5 sont positionnées symétriquement à proximité du conducteur primaire 1 parcouru par le courant à mesurer Ip. Elles sont aptes à recevoir un courant 30 d'excitation de la part d'un contrôleur. La proximité entre les bobines 2, 5 et le conducteur primaire 1 est telle qu'il y a une interaction notable entre le champ magnétique du courant à mesurer Ip 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 35 chaque bobine inférieure à 20mm, voire 10mm, voire 5mm. Le courant 3033197 - 6 - 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 Ip et le champ magnétique du courant d'excitation dans les noyaux, des harmoniques 5 paires naissent portant une information sur la polarité et la grandeur du courant primaire Ip. 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 primaire. La valeur 10 du courant de contre réaction représente sensiblement le courant primaire. Sur la figure 2a, on distingue un mode de réalisation d'une bobine 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 15 comme on le voit sur la figure 2b 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 d'une couche de cuivre ou d'aluminium et d'un isolant de type kaptonC) ou PTFE. 20 Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, on utilise quatre bobines disposées en parallèle comme on peut le voir sur la figure 3. On distingue un courant d'excitation Iex(t) qui alimente deux branches en parallèle. La première branche porte deux bobines A et B selon l'invention, 25 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 antiphase l'une par rapport à l'autre. La seconde branche porte deux autres bobines C et D, chacune 30 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 sont disposées en série mais en antiphase l'une par rapport à l'autre. 3033197 - 7 - 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 bobines. On mesure ainsi une tension Umes(t) prélevée entre les deux points 5 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 signaux parasitages. Ce montage permet la mesure de champ continu avec une grande précision. 10 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 de défauts. 15 Le pont est idéalement placé dans le champ magnétique créé par le courant à mesurer Ip. De façon préférentielle, afin d'augmenter le champ magnétique à 20 mesurer par rapport aux champs extérieurs (par exemple le champ magnétique terrestre), on réalise plusieurs spires de conducteur primaire 1 au centre desquelles sont placées les bobines de mesure A, B, C et D. On peut également avoir un conducteur primaire disposé en spire à l'intérieur duquel une ou deux bobines selon l'invention sont disposées. 25 Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. 30 REVENDICATIONS1. Tête de mesure pour capteur de champ magnétique apte à mesurer un courant circulant dans un conducteur primaire, cette tête de mesure 5 comprenant plusieurs bobines pour réaliser les fonctions de mesure, excitation et contre réaction, caractérisé en ce qu'au moins l'une des bobines 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 10 avec un conducteur. 2. Tête de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite au moins l'une des bobines comporte une seule spire par couche. 15 3. Tête de mesure selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le noyau magnétique est constitué d'un support mécanique rempli de poudre magnétique exempte d'hystérésis. 4. Tête de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que la poudre 20 magnétique est une poudre superparamagnétique. 5. Tête de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'elle comprend au moins deux bobines de mesure réalisées à partir de ruban conducteur de façon à réaliser des mesures 25 différentielles. 6. Tête de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'elle comprend quatre bobines réalisées chacune à partir d'un ruban conducteur bobiné de façon concentrique ; uniquement deux de 30 ces quatre bobines comportant un noyau magnétique ; ces quatre bobines étant montées suivant un pont de façon à réaliser une mesure différentielle. 7. Système comprenant un conducteur primaire et une tête de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la 3033197 - 9 - tête de mesure est disposée à l'intérieure du conducteur primaire qui est constitué de spires.