Brevet FR3037654A1 — publié le 20161223

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un capteur d'encrassement pour isolateurs électriques. Elle s'applique, en particulier, au domaine des isolateurs situés entre les câbles conducteurs et les supports. ETAT DE LA TECHNIQUE Les isolateurs subissent l'environnement extérieur et provoquent un encrassement/pollution des coupelles (verre, céramique, ou silicone...). C'est le cas sur des installations côtières ou proches d'usines polluantes. Cette pollution provoque une accumulation de charges et sous certaines conditions d'humidité entraîne un passage du courant sur l'isolateur. Pour éviter ce problème, une maintenance préventive, et couteuse, des isolateurs est faite en moyenne tous les six ans (mise hors tension de l'installation et nettoyage à l'eau distillée sous pression). Les isolateurs assurent l'isolement électrique entre les câbles conducteurs et les supports. Les isolateurs sont utilisés en chaîne, dont la longueur augmente avec le niveau de tension. Il faut compter environ : - 6 isolateurs (coupelles) en 63 000 volts, - 9 en 90 000 volts, - 12 en 225 000 volts, - 19 en très haute tension de 400 000 volts. La chaîne d'isolateurs joue également un rôle mécanique : elle doit être capable de résister aux efforts dus aux conducteurs, qui subissent les effets du vent, de la neige ou du givre. A titre d'exemple, le tableau ci-dessous donne les différentes tailles de réseau Très Haute Tension (>220 kV) dans différents pays : France 47 000 km Grande Bretagne 21 000 km Allemagne 35 000 km Québec 20 000 km USA 250 000 km 35 3037654 2 Il existe un très grand nombre d'isolateurs. En effet, la distance entre deux pylônes THT (acronyme de Très Haute Tension) est en général d'environ 0,5 km et chacun comporte des isolateurs de chaque côté du câble. 5 La pollution des isolateurs constitue l'un des facteurs de première importance dans la qualité et la fiabilité du transport d'énergie. En effet, par temps de pluie ou de brouillard, les dépôts polluants (accumulation de matière) se fixant sur les surfaces isolantes réduisent considérablement la résistivité superficielle et le contournement peut alors survenir. 10 L'humidification des couches polluantes facilite en fait la circulation d'un courant de fuite sur les surfaces isolantes provoquant des échauffements locaux et par la suite l'assèchement de la couche de pollution. Ainsi, la répartition du potentiel est modifiée d'une façon significative et dans certains cas des arcs partiels apparaissent. 15 Les arcs partiels peuvent entraîner un contournement total de l'isolateur. Les conséquences du contournement vont de la détérioration de la surface de l'isolateur à la mise hors service de la ligne haute tension. Ainsi, une des caractéristiques principales d'un isolateur haute tension 20 est donc sa tenue au contournement en fonction de l'environnement dans lequel il est utilisé. La pollution a des origines différentes suivant les sites. On parle ici des pollutions qui peuvent entraîner un contournement : - pollution naturelle : les sels marins dans les régions côtières, la 25 poussière du sol ou le sable dans les régions désertiques. Ces pollutions contribuent à recouvrir l'isolateur de dépôts plus ou moins conducteurs qui lorsqu'ils s'humidifient contribuent au contournement ; - pollution industrielle : la fumée des usines (raffineries, cimenteries, 30 ...), les gaz d'échappement, les engrais utilisés dans l'agriculture,... contribuent de la même manière à l'accumulation de sels sur la surface de l'isolateur. La périodicité et le type d'entretien des isolateurs dépendent du taux de pollution de la région et de la pluviométrie. En effet, de fortes pluies vont permettre de laver la surface des isolateurs. 303 76 54 3 L'entretien peut être réalisé par : - essuyage manuel périodique sur l'installation hors-tension, - nettoyage à sec sous ou hors tension, - revêtement périodique avec de la graisse, 5 - lavage haute pression, périodique sous ou hors-tension. Le coût économique d'une coupure de courant est de 3E/kW à 150E/kW non consommé. Comme indiqué dans la norme IEC TR 60815-1986, l'évaluation de la sévérité de la pollution peut être réalisée par trois moyens : 10 - approche empirique : à partir d'une description approximative de l'environnement correspondant : quatre niveaux : Faible, Moyen, Fort, Très fort ; - approche statistique : à partir d'informations sur le comportement des isolateurs de lignes et de postes déjà en service sur le site 15 considéré ; - approche métrologique : à partir de mesures sur le site - conductivité volumique du polluant récolté au moyen de jauges directionnelles, - densité équivalente du dépôt de sel sur la surface (méthode 20 ESDD : acronyme de Equivalent Salt Density Deposit, pour densité de dépôt de sel équivalent en français), - nombre total des contournements de chaînes d'isolateurs de longueurs différentes, - conductance superficielle d'isolateurs témoins, 25 - courant de fuite d'isolateurs soumis à la tension de service. Le but de la présente invention est de limiter les opérations de maintenance et de les déclencher grâce à un capteur pour indiquer l'encrassement d'un isolateur. 30 OBJET DE L'INVENTION La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. 3037654 4 A cet effet, la présente invention vise un capteur d'encrassement pour isolateurs électriques comprenant un corps, caractérisé en ce que le corps comprend : - une partie en forme de coupelle, 5 - une électrode de mesures est positionnée à l'intérieur de la coupelle, l'électrode de mesures comporte une première face orientée vers l'intérieur de la coupelle et mesure la capacité interne au capteur d'encrassement et la deuxième face est orientée vers l'extérieur de la coupelle et mesure la capacité externe du capteur d'encrassement, les 10 deux faces sont séparées par un isolant diélectrique, - un microcontrôleur adapté pour soustraire en instantané la valeur capacitive de la première face à celle de deuxième face et stocker la résultante obtenue, - une alimentation électrique. 15 Grâce à ces dispositions, le capteur d'encrassement pour isolateurs électriques permet d'être un témoin de l'encrassement. Le capteur d'encrassement indique de manière précise le niveau de conductivité à la surface extérieure de la coupelle et durable dans le temps. 20 Dans un mode de réalisation, l'électrode de mesures comporte deux faces de formes et surfaces identiques. Dans un mode de réalisation, une carte de communication sans fil pour transmettre des données. Dans un mode de réalisation, l'électrode de mesures est fixée à 25 l'intérieur de la coupelle. Dans un mode de réalisation, la coupelle présente une face supérieure et une face inférieure et l'électrode de mesures est fixée sous la surface de la face supérieure de la coupelle. Dans un autre mode de réalisation, la coupelle présente une face 30 supérieure et une face inférieure et l'électrode de mesures est fixée sur la surface de la face inférieure de la coupelle. Dans un mode de réalisation, les données envoyées par la carte de communication sont les mesures de l'électrode de mesure ou les données traitées par le microcontrôleur. 3037654 5 Dans un mode de réalisation, ledit capteur d'encrassement comporte un capteur de température et un capteur d'humidité. Dans un mode de réalisation, l'électrode de mesure est de forme rectangulaire dont l'axe longitudinal de l'électrode passe par le centre de la 5 coupelle. Dans un mode de réalisation, trois autres électrodes de mesures sont répartie à 90° les unes des autres pour former les quatre points cardinaux, tel que Nord, Ouest, Sud et Est. 10 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortent de la description qui suit faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels : - les figures 1 à 7 représentent des schémas pour expliquer le 15 fonctionnement de la mesure d'une électrode dans l'air et l'eau, - la figure 8 représente une vue en coupe d'un capteur d'encrassement pour isolateur électrique selon un mode de réalisation particulier du capteur objet de la présente invention et, - la figure 9 représente, sous forme de logigramme, des étapes mises 20 en oeuvre dans un mode de réalisation particulier du procédé objet de la présente invention, - la figure 10 représente un schéma de mesure capacitive par référenciel air, - la figure 11 représente un schéma de l'évolution des différentes 25 moyennes journalières. DESCRIPTION D'EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION La technologie capacitive repose sur les caractéristiques électriques du condensateur. Le condensateur est composé de deux armatures conductrices 30 séparées par un substrat. Sa grandeur caractéristique est la capacité électrique, exprimée en Farads (F). Elle traduit la capacité à laisser passer les charges électriques d'une armature à l'autre. Plus le substrat séparant les deux armatures est isolé, plus la capacité électrique est faible. 3037654 6 Dans le cas du capteur d'encrassement pour isolateurs électriques, une mesure capacitive se fait par le biais de deux capacités : une capacité extérieure et une capacité intérieure au boîtier. Le condensateur est composé de cuivre sur ses deux faces de formes 5 et surfaces identiques, appelé par la suite électrode de mesure. Cette électrode de mesure sera collée à l'intérieur de la coupelle du capteur témoin. La capacité extérieure (deuxième face) sera physiquement créée entre la face de l'électrode orientée vers l'extérieur de la coupelle (il s'agit de la face collée) et le milieu extérieur. Cela forme les deux armatures. 10 Une tension V+ sera appliquée sur la face extérieure de l'électrode. Plus le milieu extérieur est conducteur, plus les charges électriques se dissipent, et donc plus la tension résultante sur la face de l'électrode (V1) sera faible. Autrement dit, plus le milieu extérieur à une permittivité diélectrique élevé, plus la tension résultante est faible. 15 Les figures 1 à 7 montrent le fonctionnement de mesure pour un exemple de mesure avec de l'eau et de l'air. Si le milieu extérieur est une masse d'eau, la tension résultante sera nulle (permittivité diélectrique eau = 80). Si le milieu extérieur est de l'air sec, la tension résultante est équivalente à la tension appliquée V+ (permittivité diélectrique air sec = 1, aucun passage 20 des charges électriques). La capacité intérieure (première face) est quand à elle créée entre la face de l'électrode orientée vers l'intérieur de la coupelle et le milieu intérieur. Le corps est étanche au milieu extérieur. Le milieu intérieur sera de l'air sec, sa seule variation sera la température. De la même façon, une même tension V+ 25 sera appliquée sur la face de l'électrode, et la tension résultante sera mesurée (V2). Cette capacité intérieure est importante car elle permet de compenser en température, et d'éviter une dérive de la mesure en ayant une référence air. Dans un autre exemple de réalisation, les équipements sont "aérés" de façon à supprimer les différences de pression intérieure/extérieure ce qui va 30 engendrer un taux d'humidité relative intérieur proche de celui de l'extérieur. Cet exemple de réalisation permet de ressortir uniquement l'influence de l'encrassement plutôt que "encrassement + taux d'humidité". 3037654 7 La différence entre les deux tensions résultantes (V2 - V1) permet d'obtenir un résultat fiable, compensé en température. Elle caractérise la capacité de la surface polluée à conduire l'électricité. Couplée aux données météorologiques et hygrométriques, son 5 historique permet d'évaluer le niveau d'encrassement des isolateurs. Le capteur d'encrassement pour isolateur est une solution témoin, ce qui implique qu'il ait un comportement le plus proche possible de l'isolateur électrique observé - à la fois de par sa géométrie et le comportement de son matériau. 10 Les isolateurs électriques constituent des chaines lorsque plusieurs isolateurs sont positionnés successivement les uns derrière les autres. Dans la chaîne de coupelle que constitue l'isolateur, les coupelles ne sont pas encrassées de la même manière. Pour des isolateurs électriques positionnés à la vertical, la face située 15 en haut est exposée à l'eau de pluie qui va permettre de la laver à chaque grosse pluie, alors que la face la plus basse est la moins lavée car elle n'est pas lavée par la pluie, ni lavée par le rebond de la pluie sur la coupelle inférieure. Ces deux faces sont donc représentatives respectivement de la 20 pollution la plus forte et la plus faible. Si le capteur d'encrassement est composé d'une seule coupelle, il permettra d'avoir l'encrassement minimum et maximum de la chaîne d'isolateur. Le profil est celui d'un isolateur standard THT, voir figure 8. Dans l'exemple de réalisation visible sur la figure 8, le capteur 25 d'encrassement présente une face supérieure et une face inférieure. Deux électrodes de mesures 21a sont fixées sous la surface de la face supérieure de la coupelle 20 et deux électrodes de mesures 21b est fixée sur la surface de la face inférieure de la coupelle 20. Les fils de connexion des électrodes en sont par représentées. 30 Le matériau sur capteur d'encrassement est le PPS (polysulfure de phénylène). Ce matériau répond aux critères suivants : - constante diélectrique suffisante pour permettre la mesure, 3037654 8 - résistance aux UV, rugosité de surface très faible, hydrophobe, antistatique, - non perméable à la vapeur d'eau, - grande résistance chimique, 5 - grande stabilité dimensionnelle sur une gamme de température large de -40° à +100°C. Dans un exemple de réalisation, le capteur d'encrassement est étanche IP65 (résistant aux intempéries). Dans un autre exemple de réalisation et étant donnée l'exposition du 10 capteur d'encrassement, il est préférable de certifier une protection IP67 (30 min sous lm d'eau). Le capteur d'encrassement comprend différents composants : - une carte mère : gestion des cartes filles et fonctions mathématiques intégrant un microcontrôleur, une mémoire, un 15 premier canal radiofréquence courte portée utilisée pour la configuration ; - une carte de communication : transmission des données par un second canal radiofréquence de communication cellulaire, réseau Wi-Fi (marque déposée désigne un ensemble de 20 protocoles de communication sans fil régi par les normes du groupe IEEE 802.11, ISO/CEI 8802-11), ou des communications bas débit à longue portée;; - une carte de mesure : mesure de la différence de capacité entre les électrodes intérieures et les électrodes extérieures collées 25 au corps, de l'humidité et de la température ; - des cartes électrodes : les électrodes de mesures intégrant le composant électronique de conversion qui est directement placé au pied de l'électrode pour minimiser l'influence de la liaison entre le composant et les électrodes, en effet, la longueur des 30 fils perturbe la mesure par la résistivité, la capacité de la ligne et les perturbations électromagnétiques.. La figure 9 montre un exemple de réalisation. 3037654 9 La pollution étant portée par le vent et/ou la pluie, cette pollution ne sera donc pas uniformément répartie sur la/les surfaces du capteur d'encrassement. Le principe de mesure de détection d'une pollution des isolateurs 5 permet de détecter son origine cardinale et permet de consolider la mesure. Pour cela, le capteur d'encrassement est constitué de trois autres électrodes de mesures. Un premier réseau d'électrodes de mesures est situé à minima sur les quatre points cardinaux, Nord, Ouest, Sud, Est, sous la surface supérieure de la coupelle du capteur d'encrassement. 10 Dans un autre exemple de réalisation, un second réseau d'électrodes de mesures est situé à minima sur les 4 points cardinaux, Nord, Ouest, Sud, Est, au-dessus de la surface inférieure de l'isolateur. Dans cette version, le premier réseau d'électrodes de mesures est situé sous la surface supérieure de la coupelle du capteur d'encrassement. 15 Ces deux réseaux sont parfaitement identiques et implantés dans le même axe afin de pouvoir comparer les mesures du réseau supérieur au réseau inférieur. Le principe de mesure dans ce cas est le suivant : 1- mesure capacitive comparative des deux faces : capacité externe 20 (deuxième face) à la capacité interne (première face) pour chaque électrode de mesure du réseau supérieur déterminant le niveau de pollution de la coupelle supérieure. 2- mesure capacitive comparative des deux faces : capacité externe (deuxième face) à la capacité interne (première face) pour chaque électrode de 25 mesure du réseau inférieur déterminant le niveau de pollution de la coupelle inférieure. 3- détermination des écarts capacitifs par comparaison entre chaque électrode de mesure du réseau supérieur validant le niveau de pollution et déterminant une origine cardinale de la pollution. 30 4- détermination des écarts capacitifs par comparaison entre chaque électrode de mesure du réseau inférieur validant le niveau de pollution et déterminant une origine cardinale de la pollution. 3037654 10 5- mesure comparative entre le réseau supérieur d'électrode de mesure et le réseau inférieur d'électrode de mesure déterminant l'origine cardinale de la pollution validant l'origine cardinale de la pollution. 6- si besoin, mesure comparative entre un réseau de capteur 5 d'encrassement communicant et synchronisé. Ces six étapes sont des exemples de réalisation et peuvent être pris indépendamment les unes des autres. Selon un exemple de réalisation, l'invention concerne un procédé mettant en oeuvre le capteur d'encrassement pour isolateurs électriques tel que 10 décrit précédemment dans le cadre de l'invention et comprenant les étapes : a) collecter la valeur capacitive de la première face de l'électrode de mesures à un instant t ; b) collecter la valeur capacitive de deuxième face de l'électrode de mesures à l'instant t ; et 15 c) soustraire les deux valeurs collectées à l'instant t pour obtenir une valeur soustraite. La valeur soustraite est indépendante de la température. La figure 10 représente un schéma de mesure capacitive par 20 référenciel air. Les mesures de la figure démontrent bien la stabilité de la mesure capacitive par référenciel air, non dépendante de la température et dépendant de l'humidité. Le cycle montre la répétabilité de la mesure capacitive entre 4 et 17 sur l'axe des ordonnées à gauche, (abscisse étant le temps) et l'ordonnées 25 de droite étant l'humidité. Le quadrillage représente la période journalière, la courbe 31 représente la courbe de température mesurée en degré Celsius, la courbe 32 représente la courbe de valeur capacitive mesurée sur un capteur d'encrassement, la courbe 33 représente la courbe d'humidité mesurée. 30 Deux capteurs d'encrassement identiques sont mis dans les mêmes conditions pendant plusieurs semaines. Leurs mesures sont identiques et varient en fonction de l'humidité Sur la figure 11, la courbe d'humidité et de la température sont synthétisées sous le paramètre Tr. 3037654 11 Tr =H - [112 ± (0,9 T)] ± (0, - T) - 112 - Tr, point de rosée en °C - T, température en °C - H, humidité relative en % 5 Au 6ème jour un des capteurs d'encrassement a été encrassé avec de l'eau de mer par pulvérisation (courbe du capteur d'encrassement 34), l'autre a subi la même pulvérisation mais avec de l'eau distillée (courbe du capteur d'encrassement 35). Cela montre l'évolution des différentes moyennes journalières. Cette 10 figure permet d'observer que le principe de mesure répond bien à un encrassement (diélectrique). REVENDICATIONS1. Capteur d'encrassement pour isolateurs électriques comprenant un corps, caractérisé en ce que le corps comprend : une partie en forme de coupelle (20), une électrode de mesures (21) positionnée à l'intérieur de la coupelle (20), l'électrode de mesures (21) comporte une première face orientée vers l'intérieur de la coupelle et mesure la capacité interne au capteur d'encrassement et la deuxième face est orientée vers l'extérieur de la coupelle et mesure la capacité externe du capteur d'encrassement, les deux faces sont séparées par un isolant diélectrique, un microcontrôleur adapté pour soustraire en instantané la valeur capacitive de la première face à celle de deuxième face et stocker la résultante obtenue, une alimentation électrique. 2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel l'électrode de mesures (21) comporte deux faces de formes et surfaces identiques. 3. Capteur selon la revendication 1, dans lequel le capteur comprend une carte de communication sans fil pour transmettre des données. 4. Capteur selon la revendication 1, dans lequel l'électrode de mesures (21) est fixée à l'intérieur de la coupelle (20). 5. Capteur selon la revendication 1, dans lequel la coupelle présente une face supérieure et une face inférieure et l'électrode de mesures (21a) est fixée sous la surface de la face supérieure de la coupelle (20). 6. Capteur selon la revendication 1, dans lequel la coupelle présente une face supérieure et une face inférieure et l'électrode de mesures (21b) est fixée sur la surface de la face inférieure de la coupelle (20). 3037654 13 7. Capteur selon la revendication 3, dans lequel les données envoyées par la carte de communication sont les mesures de l'électrode de mesure ou les données traitées par le microcontrôleur. 5 8. Capteur selon la revendication 1, dans lequel ledit capteur d'encrassement comporte un capteur de température et un capteur d'humidité. 9. Capteur selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel l'électrode de mesure (21) est de forme rectangulaire dont l'axe longitudinal de l'électrode 10 passe par le centre de la coupelle. 10. Capteur selon la revendication 9, dans lequel trois autres électrodes de mesures sont répartie à 90° les unes des autres pour former les quatre points cardinaux avec la première électrode de mesure, tel que Nord, Ouest, Sud et 15 Est.