Brevet FR3024240A1 — publié le 20160129

DISPOSITIF DE DETECTION DE DECHARGE PARTIELLE MUNI D'UNE ANTENNE A ARCHITECTURE FRACTALE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR L'invention concerne un dispositif de détection de décharge partielle de matériel haute tension isolé au gaz ainsi qu'un poste électrique haute tension isolé au gaz équipé d'un dispositif de détection de décharge partielle de l'invention. A ce jour, les dispositifs de détection de décharge partielle des matériels haute tension isolés au gaz (GIS en langue anglaise pour « Gaz Insulated Systems ») utilisent des antennes monopolaires ou des antennes dipolaires qui sont placées soit à l'intérieur, soit à l'extérieur des matériels. Placées à l'intérieur, les antennes sont fixées sur les cuves des matériels haute tension. Placées à l'extérieur, les antennes sont fixées sur les hublots qui permettent le contrôle visuel des sectionneurs (couplage/découplage) ou sur la face externe des pièces électriquement isolantes qui maintiennent la barre haute tension du matériel. Placées à l'intérieur des matériels, les antennes monopolaires ou dipolaires ont généralement une sensibilité suffisante pour détecter les décharges partielles qui surviennent dans le matériel. A titre d'exemple, la demande de brevet français déposée auprès de l'Institut National de la Propriété Industrielle sous le numéro d'enregistrement national 09 54160 et intitulée « Dispositif de surveillance d'un poste 3024240 2 électrique haute tension isolé au gaz par mesure de décharges partielles et poste électrique haute tension isolé au gaz mettant en oeuvre ce dispositif » divulgue une antenne conique monopôle utilisée pour la 5 réalisation d'un capteur de champ électrique à large bande de fréquence (typiquement 100MHz - 2 GHz). Placées à l'extérieur des matériels, la sensibilité des antennes monopolaires ou dipolaires est souvent insuffisante du fait de leur plus grand 10 éloignement des sources de décharge partielle éventuelles. La recommandation de sensibilité TGN21 intitulée « Capacitive couplers for UHF partial discharge monitoring » spécifiée dans la note technique « Technical Guidance Note TGN(T) 121 » de la National 15 Grid Company plc ne peut alors plus être assurée dans de bonnes conditions. Ceci est un réel inconvénient. Dans le cas où, par exemple, il n'est plus possible de placer d'antennes à l'intérieur d'un matériel existant et que 20 seules des antennes extérieures peuvent être installées, le dispositif de détection de décharge partielle est alors peu performant. L'invention ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. 25 EXPOSE DE L'INVENTION En effet, l'invention concerne un dispositif de détection de décharge partielle de matériel haute tension isolé au gaz qui comprend au moins une antenne à architecture fractale. 30 Comme cela est connu de l'homme de l'art, une antenne à architecture fractale est constituée de 3024240 3 plusieurs antennes de petites dimensions composées à partir de motifs identiques. Selon l'invention, l'antenne à architecture fractale est placée à l'extérieur ou à l'intérieur du 5 matériel haute tension. L'antenne à architecture fractale est avantageusement de petites dimensions. Un dispositif de détection de décharge partielle de l'invention a en conséquence un très faible encombrement. Il est alors 10 avantageusement possible de réaliser des dispositifs de détection de décharge partielle dans des espaces restreints et confinés, ce qui s'avère particulièrement avantageux dans tous les cas, que l'antenne soit placée à l'intérieur ou à l'extérieur du matériel. 15 Egalement, lorsqu'il n'est pas possible de placer des antennes à l'intérieur d'un matériel haute tension, l'invention prévoit de placer des antennes à architecture fractale à l'extérieur du matériel. Malgré l'éloignement du signal à détecter, ces antennes 20 garantissent alors d'excellentes performances de détection du fait de leur grande sensibilité. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de modes de 25 réalisation préférentiels faits en référence aux figures jointes, parmi lesquelles : - la figure 1 représente un premier mode de réalisation du dispositif de détection de décharge partielle selon l'invention ; 30 - la figure 2 représente un perfectionnement du premier mode de réalisation de 3024240 4 dispositif de détection de décharge partielle de l'invention ; - les figure 3A et 3B représentent deux variantes d'un deuxième mode de réalisation du 5 dispositif de détection de décharge partielle selon l'invention ; - les figures 4A et 4B représentent deux variantes d'un troisième mode de réalisation du dispositif de détection de décharge partielle selon 10 l'invention ; - la figure 5 représente une généralisation du perfectionnement représenté en figure 2 à tout type d'antenne. Sur toutes les figures, les mêmes 15 références désignent les mêmes éléments. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 1 représente un premier mode de réalisation du dispositif de détection de décharge 20 partielle selon l'invention. Selon le premier mode de réalisation, le dispositif de détection de décharge partielle est monté sur un hublot de contrôle visuel. Le matériel haute tension isolé au gaz S 25 comprend une barre haute tension HT placée dans un gaz g. Un hublot H est monté dans une pièce de maintien la, lb. Le dispositif de détection de décharge partielle comprend une antenne à architecture fractale A placée en regard du hublot H. L'antenne A est électriquement 30 reliée, par exemple par soudure ou par brochage, à l'extrémité de l'âme R d'un connecteur coaxial C. 3024240 5 L'antenne A est par ailleurs fixée, par exemple à l'aide de colle, à la base du connecteur C. Une bride B maintient le connecteur C et l'antenne A au-dessus du hublot H. L'antenne A est préférentiellement 5 positionnée au plus près du hublot H, par exemple à une distance égale à 2mm. L'élément de maintien la, lb et la bride B sont électriquement conducteurs et constituent, avec le corps électriquement conducteur du matériel haute 10 tension isolé au gaz, une cage de Faraday qui isole l'antenne A des perturbations électromagnétiques susceptibles de provenir de l'extérieur du matériel haute tension. L'antenne à architecture fractale A est une 15 antenne 2D (i.e. à deux dimensions) ou une antenne 3D (i.e. à trois dimensions) qui travaille dans tout ou partie d'une bande de fréquences typiquement comprises entre 100MHz et 2000MHz. De façon préférentielle, pour couvrir la totalité de la bande de fréquences, 20 l'antenne A est constituée d'une pluralité d'antennes élémentaires couvrant chacune une partie de la bande comprise entre 100MHz et 2000MHz. L'antenne A peut être constituée d'une ou plusieurs antennes à architecture fractale du commerce. 25 L'antenne A peut également être une antenne à architecture fractale ou une association d'antennes à architecture fractale conçues spécifiquement par tout moyen connu en soi. Ainsi, l'antenne A peut-elle être une antenne à architecture fractale 2D formée sur 30 circuit imprimé ou par impression d'encre conductrice sur un substrat souple. L'antenne A peut également être 3024240 6 une antenne à architecture fractale 3D formée à l'aide de procédés multi-couches ou à l'aide d'une imprimante 3D dans une matrice de matériau électriquement isolant. Une antenne à architecture fractale a de 5 très faibles dimensions. A titre d'exemple non limitatif, une antenne 3D peut avoir la forme d'un cube ayant une arête de 5mm de long. Un avantage du dispositif de détection de décharge partielle de l'invention est alors d'avoir un très faible 10 encombrement. La figure 2 représente un perfectionnement du dispositif de détection de décharge partielle représenté en figure 1. Selon le perfectionnement représenté en 15 figure 2, la cage de Faraday constitue une chambre de réflexion E qui optimise la détection des ondes par l'antenne A. La forme de la chambre de réflexion et la position de l'antenne dans la chambre de réflexion sont 20 alors calculées pour optimiser la réflexion des ondes en direction de l'antenne A. Dans cette configuration, une transition électrique T, par exemple un fil électriquement conducteur ou un élément électriquement conducteur de géométrie fractale, relie l'extrémité de 25 l'âme R du connecteur C à l'antenne. Une première extrémité de la transition électrique T est alors reliée, par exemple par soudure ou par brochage, à l'extrémité de l'âme R, et la deuxième extrémité de la transition T est reliée, par exemple par soudure, à 30 l'antenne A. La longueur de la transition électrique T 3024240 7 est avantageusement choisie pour placer l'antenne dans une position optimale. De façon préférentielle, l'ensemble constitué de l'antenne A et de la transition électrique 5 T est fixé à la bride B à l'aide d'une mousse M. D'autres types de fixation sont toutefois possibles. Dans le cas d'une fixation par mousse, la mousse a une constante diélectrique relative proche de 1 et est déposée, par exemple, par pulvérisation sur la 10 bride B. La mousse M est, par exemple, un éthylènepropylène-diène monomère également connu sous l'appellation EPDM. La mousse M peut être présente dans tout le volume compris entre la bride B et le hublot H. Elle peut également n'être présente sur la bride qu'au 15 niveau où s'effectue la fixation de l'antenne, comme cela est repésenté en figure 2. Dans tous les cas, la mousse M permet avantageusement une fixation de l'antenne robuste aux chocs et aux virations. Dans le cas où la mousse M est présente dans la totalité du 20 volume entre bride et hublot, la mousse M permet avantageusement de supprimer toute zone de pollution éventuelle (humidité, particules, etc.). Les figures 3A et 3B représentent deux variantes d'un deuxième mode de réalisation du 25 dispositif de détection de décharge partielle selon l'invention. Selon le deuxième mode de réalisation, l'antenne A est placée sur la face externe d'une pièce électriquement isolante de maintien de la barre haute 30 tension. 3024240 8 La figure 3A représente une première variante du deuxième mode de réalisation de l'invention selon laquelle l'antenne est placée dans un volume constitué d'une fraction de surface 4 de la face 5 externe EXT de la pièce électriquement isolante, d'une pièce métallique creuse de forme cylindrique 2a, 2b fixée sur la face externe EXT et d'une bride B qui ferme la pièce métallique creuse à l'opposé de la fraction de surface 4 et qui maintient l'antenne A et 10 le connecteur C relié à l'antenne au dessus de la fraction de surface 4. De même que précédemment, l'antenne A est reliée à l'âme R du connecteur C et l'antenne est fixée, par exemple à l'aide de colle, à la base du connecteur C. 15 La pièce métallique creuse 2a, 2b et la bride B constituent, avec le corps métallique du matériel haute tension, une cage de Faraday qui isole l'antenne A des perturbations électromagnétiques susceptibles de provenir de l'extérieur du matériel 20 haute tension. Dans un mode de réalisation particulier, le volume dans lequel l'antenne A est placée constitue une chambre de réflexion qui optimise la détection des ondes par l'antenne. Comme mentionné précédemment, de façon préférentielle, l'antenne A est alors reliée à 25 l'âme R du connecteur C par une transition électrique T et l'antenne A et la transition électrique T sont fixés à la bride B à l'aide d'une mousse M. La figure 3B représente une deuxième variante du deuxième mode de réalisation de 30 l'invention, selon laquelle l'antenne à architecture fractale A est formée sur la face interne d'une bande 3024240 9 de circuit imprimé I dont la face externe est une piste électriquement conductrice pleine. La face interne de la bande de circuit imprimé est alors fixée sur la face externe EXT de la pièce électriquement isolante et la 5 face externe de la bande de circuit imprimé est tournée vers l'extérieur du matériel haute tension. La face externe de la bande de circuit imprimé constitue, avec le corps métallique du matériel haute tension, une cage de Faraday qui isole l'antenne des perturbations 10 extérieures. Un connecteur C établit la liaison électrique entre l'antenne A et l'extérieur du dispositif. La bande de circuit imprimé I est de faible épaisseur, par exemple 0,5mm, afin de rester souple et pouvoir ainsi envelopper l'extérieur de la pièce 15 électriquement isolante. De façon avantageuse, la Demanderesse a constaté qu'un éloignement de la piste électriquement conductrice pleine de la face externe EXT améliore très sensiblement la sensibilité de détection. Il est ainsi 20 possible, par exemple, d'améliorer la sensibilité de détection d'un facteur 3. L'antenne à architecture fractale est alors réalisée par une métallisation de géométrie fractale déposée sur la face interne d'une bande de mousse alvéolée de plusieurs millimètres 25 d'épaisseur (par exemple 5mm) dont la face externe est recouverte d'une métallisation uniforme (par exemple de l'aluminium). La mousse alvéolée est, par exemple, un éthylène-propylène-diène monomère. Concernant cet éloignement de la piste 30 électriquement conductrice pleine de la face externe EXT, il faut également noter que la Demanderesse en a 3024240 10 constaté l'avantage quel que soit le type de motif de l'antenne (motif de géométrie fractale ou non). Les figures 4A et 4B représentent deux variantes d'un troisième mode de réalisation de 5 l'invention. Selon le troisième mode de réalisation de l'invention, l'antenne à architecture fractale est placée à l'intérieur du matériel haute tension, dans une partie creuse P du matériel haute tension, formée dans l'enveloppe métallique EV dudit matériel. 10 Une bride B fixée à l'enveloppe métallique EV ferme la partie creuse P dans laquelle l'antenne est placée. Le connecteur C relié à l'antenne A est fixé dans la bride B. La bride B constitue, avec le corps du matériel haute tension, une cage de Faraday qui isole 15 électriquement l'antenne A des perturbations électromagnétiques susceptibles de provenir de l'extérieur du matériel. L'antenne A est placée dans le gaz g. Dans une première variante du troisième 20 mode de réalisation de l'invention, l'antenne A est collée à la bride B, dans une zone à faible concentration de champ électrique (puits de potentiel). Aucune protection électrique particulière de l'antenne n'est prévue dans cette variante du fait de la faible 25 concentration du champ qui entoure l'antenne (cf. figure 4A). Dans la deuxième variante du troisième mode de réalisation de l'invention, l'antenne A est éloignée de la bride B, dans une zone susceptible d'être à forte 30 activité électromagnétique. Un élément de protection 3 en matériau électriquement conducteur est alors fixé au 3024240 11 connecteur C et entoure l'antenne A. L'élément de protection 3 a pour fonction de prévenir tout phénomène de concentration de champ électrique au niveau de l'antenne (effet de pointe). Le support 3 est 5 préférentiellement de forme conique, la partie du cône la plus étroite étant fixée au connecteur C et la partie du cône la plus évasée étant la plus éloignée du connecteur C. Comme cela a été mentionné précédemment, 10 l'antenne A est une antenne 2D ou 3D pouvant être constituée d'une ou plusieurs antennes couvrant tout ou partie de la bande de fréquences 100MHz - 2000MHz. La figure 5 représente une généralisation du perfectionnement représenté en figure 2. 15 En effet, la figure 5 représente un dispositif de détection placé sur hublot, dans lequel l'antenne A peut être une antenne monopolaire, ou une antenne dipolaire, ou une antenne fractale, ou une antenne à spirale, etc., l'antenne, quelle qu'elle 20 soit, pouvant être 2D ou 3D. La cage de Faraday constituée par l'élément de maintien la, lb, la bride B et le corps métallique du matérial haute tension constitue une chambre de réflexion qui optimise la détection des ondes par 25 l'antenne A, quelle que soit cette antenne. Le fait d'améliorer la sensibilité de détection grace à la chambre de réflexion permet avantageusement de limiter le nombre de capteurs et, en conséquence, le coût du dispositif de détection de décharge partielle. 30 De façon très avantageuse, quel que soit le type d'antenne, la Demanderesse constate qu'il est 3024240 12 alors possible d'être conforme à la recommandation de sensibilité TGN21 intitulée « Capacitive couplers for UHF partial discharge monitoring » spécifiée dans la note technique « Technical Guidance Note TGN(T) 121 » 5 de la National Grid Company plc. Comme cela a été mentionné précédemment, la fixation de l'antenne A est préférentiellement effectuée à l'aide d'une mousse M, par exemple, un éthylène-propylène-diène monomère. 10 En conséquence, la Demanderesse propose également un dispositif de détection de décharge partielle de matériel haute tension isolé au gaz, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une antenne placée à l'extérieur du matériel haute tension isolé au 15 gaz, en vis-à-vis d'un hublot du matériel haute tension isolé au gaz, dans lequel une structure métallique qui entoure l'antenne contribue à former une cage de Faraday qui isole électriquement l'antenne de l'extérieur du matériel haute tension isolé au gaz, la 20 cage de Faraday formant une enceinte de réflexion qui optimise la détection d'ondes par l'antenne. L'antenne est une antenne quelconque telle que mentionnée précédemment. 25 REVENDICATIONS1. Dispositif de détection de décharge partielle de matériel haute tension isolé au gaz (S), 5 caractérisé en ce qu'il comprend au moins une antenne à architecture fractale (A). 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel l'antenne à architecture fractale (A) est 10 placée à l'extérieur du matériel haute tension isolé au gaz, en vis-à-vis d'un hublot du matériel haute tension isolé au gaz, et dans lequel, en outre, une structure métallique (la, lb, B) qui entoure l'antenne (A) contribue à former une cage de Faraday qui isole 15 électriquement l'antenne de l'extérieur du matériel haute tension isolé au gaz. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'antenne à architecture fractale (A) est 20 placée à l'extérieur du matériel haute tension isolé au gaz, en vis-à-vis d'une face externe d'une pièce de maintien électriquement isolante du matériel haute tension, et dans lequel, en outre, une structure métallique (2a, 2b, B) qui entoure l'antenne (A) 25 contribue à former une cage de Faraday qui isole électriquement l'antenne de l'extérieur du matériel haute tension isolé au gaz. 4. Dispositif selon l'une quelconque des 30 revendications 2 ou 3, dans lequel la structure métallique comprend une bride (B) dans laquelle est 3024240 14 fixé un connecteur électrique (C) qui est relié à l'antenne. 5. Dispositif selon l'une quelconque des 5 revendications 2 à 4, dans lequel la cage de Faraday forme une enceinte de réflexion (E) qui optimise la détection d'ondes par l'antenne à architecture fractale (A). 10 6. Dispositif selon la revendication 5 lorsque la revendication 5 dépend de la revendication 4, dans lequel une transition électrique (T) relie une âme du connecteur électrique (C) à l'antenne. 15 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel la transition électrique (T) est un fil électriquement conducteur ou un élément électriquement conducteur de géométrie fractale. 20 8. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'antenne à architecture fractale est formée sur une face interne d'une bande de circuit imprimé dont la face externe est recouverte d'une piste électriquement conductrice, la face interne de la bande 25 électriquement conductrice étant fixée sur une face externe d'une pièce de maintien électriquement isolante du matériel haute tension. 9. Dispositif selon la revendication 1, 30 dans lequel l'antenne à architecture fractale (A) est placée à l'intérieur du matériel haute tension isolé au 3024240 15 gaz, dans une ouverture (P) du matériel haute tension formée dans une enveloppe métallique (EV) du matériel haute tension, une bride (B) fixée à l'enveloppe métallique fermant ladite ouverture (P), un connecteur électrique (C) relié à l'antenne étant fixé dans la bride (B). 10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel un élément de protection électriquement conducteur (3) entoure l'antenne à architecture fractale afin de prévenir tout phénomène de concentration de champ électrique au niveau de l'antenne. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'antenne à architecture fractale (A) est constituée d'au moins une antenne 2D et/ou d'au moins une antenne 3D. 12. Poste électrique haute tension isolé au gaz équipé d'un dispositif de détection de décharge partielle, caractérisé en ce que le dispositif de détection de décharge partielle est un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.