Brevet FR3093811A1 — publié le 20200918

Description Titre de l'invention : Détection d'arc par reflectometrie DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR [0001] L'invention concerne le domaine général des méthodes de détection par réflec- tométric, notamment la détection d'un arc électrique dans un circuit électrique. [0002] Dans des environnements contraints, notamment dans les systèmes avioniques, l'augmentation des niveaux de puissance embarquée augmentent la densité de câblage et donc les risques d'arc électriques. [0003] Sur les réseaux classiques, composés de réseaux en tension alternative (classiquement 115/230V), les passages à 0 volt de la tension sont favorables à l'extinction des arcs. Dans des réseaux en tension continue (classiquement d'un niveau de tension de 28V), la puissance transportée ne favorise pas la création et la dangerosité des arcs électriques. [0004] En cas d'augmentation de ces niveaux de tension et/ou le choix d'un passage en tension continue, cela augmente sensiblement le risque d'arc électrique, notamment en raison de la proximité des câbles les uns par rapport aux autres. [0005] L'état de l'art des systèmes de détection active commercialisés ou simplement étudiés montre des faiblesses sur les niveaux de fiabilité de détection des arcs électriques et de robustesse face à l'environnement. [0006] La fiabilité est le critère majeur d'acceptabilité d'un système de détection active. Celui-ci doit être en mesure de détecter tous les types d'arcs électriques : - parallèles et séries, - de différentes puissances, - de différentes durées, - quelques soient leurs positions sur le réseau électrique. [0007] L'arc série se produit généralement sur une interface entre deux conducteurs (connecteurs, contacts, cosses). Il arrive à la suite d'un défaut de fabrication, de montage ou lors d'une opération de maintenance. [0008] Pour les moyens de diagnostics usuels, la problématique de l'arc série réside dans le fait que sa signature courant ou tension est très peu prononcée (sur une courbe de courant ou de tension). [0009] En effet, l'arc électrique se comporte comme une faible impédance ajoutée en série sur une ligne de distribution de puissance. [0010] Cela a pour conséquence une légère diminution du courant vue par le dispositif de coupure. 100111 La surveillance simple (basses fréquences) du courant ne permet pas de détecter l'arc série car ne dépassant pas le gabarit de détection courant des systèmes de protection 2 classiques. [0012] Des méthodes de réflectométric ont été proposées de manière à détecter les arcs électriques, capables de détecter des variations d'impédance locale lente ou rapide. [0013] Une telle méthode consiste à injecter un signal dans un câble puis à détecter les ondes réfléchies sur les différentes discontinuités d'impédance caractéristique. [0014] Le défaut d'arc série étant faible en variation d'impédance et donc en amplitude sur le réflectogramme, il est nécessaire de baisser les seuils de détection pour le détecter. [0015] En effet, le diagnostic d'arc série oblige un pararnétrage plus fin des seuils de détection car le défaut à détecter est plus faible que l'arc parallèle. [0016] Un problème majeur apparaît : à ces niveaux de détection, 90% des réflectogramrnes obtenus sont bruités au moment de l'arc. [0017] En effet, le phénomène d'arc électrique génère du bruit impulsif large bande sur les câbles surveillés. [0018] Ce bruit se caractérise par sa densité spectrale et sa bande de fréquence. Cette dernière étant très proche de celle du système d'acquisition de réflectométrie, le bruit vient saturer l'étage d'entrée du système de détection. [0019] PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'INVENTION [0020] Un but de l'invention est de permettre une détection d'arc série ou d'arc parallèle. [0021] Un autre but de l'invention est de permettre la localisation d'un arc. [0022] Un autre but de l'invention est de limiter l'impact du bruit sur la mesure. [0023] Un autre but est d'éviter l'émission constante d'un signal de réflectométrie. [0024] Un autre but de l'invention est d'éviter d'émettre un signal de réflectométrie dans des fréquences non utiles. [0025] A cet effet, l'invention propose un procédé de détection et de localisation de défaut par réflectométrie dans un circuit électrique, un tel procédé comportant les étapes de : - Emission d'un signal de réflectométrie dans une ligne du circuit à étudier ; - Acquisition d'une grandeur électrique du signal réfléchi transitant dans le réseau ; - filtrage de la mesure de manière à supprimer des signaux présentant une fréquence inférieure à une fréquence de coupure, la fréquence de coupure présentant par exemple une valeur comprise entre quelques dizaines de kHz et quelques centaines de MHz; - Analyse d'un signal acquis de manière à détecter un défaut. [0026] Avantageusement, un tel procédé est complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : - l'étape d'analyse comporte une comparaison du signal acquis avec un premier seuil et un deuxième seuil, le premier seuil présentant une valeur comprise entre 0 et le négatif du deuxième seuil ; - l'étape d'émission du signal est réalisée en injectant dans le circuit un signal comportant des fréquences supérieures à la fréquence de coupure (N) ; 3 100271 Selon un autre aspect, le circuit est alimenté en signal à tension alternative, la tension prend une valeur nulle à chaque période, et l'étape d'émission d'un signal de réllectométrie est configurée pour émettre un motif haute fréquence autour du moment où la tension mesurée entre les deux conducteurs diagnostiqués prend une valeur nulle. [0028] Selon un autre aspect, l'invention propose un dispositif de détection et localisation d'arc série par réflectométric configuré pour réaliser un procédé selon l'invention, dans lequel le dispositif comporte : - un élément de couplage configuré pour émettre et acquérir un signal électrique dans le circuit et pour acquérir un signal transitant dans le circuit ; - un filtre passe-haut présentant une fréquence de coupure, le filtre passe-haut étant configuré pour bloquer les fréquences inférieures à la fréquence de coupure ; - Une puce de corrélation apte à commander le module de couplage et le filtre passe-haut, la puce de corrélation comportant une mémoire dans laquelle sont stockées des données de code, les données de code comportant des algorithmes de traitement de signal configurés pour réaliser un procédé selon l'invention. [0029] Optionnellement mais avantageusement, dans un tel dispositif, le filtre passe-haut est disposé entre la ligne et les autres éléments du dispositif. [0030] Optionnellement mais avantageusement, dans un tel dispositif, le filtre passe haut et l'élément de couplage sont réalisés au moyen d'un unique couplage capacitif. [0031] Selon un autre aspect, l'invention propose un produit programme d'ordinateur, comportant des données de code qui, lorsqu'elles sont exécutées par une unité de calcul, permettent la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention. Brève description des dessins [0032] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la des- cription qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles : [0033] [fig.1] La figure 1 est une représentation de type schéma-Hoc représentant sequen- tiellement les étapes d'un procédé conforme à l'invention ; [0034] [fig.2] La figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif de réflec- tométric permettant la mise en oeuvre d'un procédé de détection d'arc selon l'invention [0035] [fig.3a] La figure 3a est une représentation d'un relevé de grandeur électrique mettant en lumière une situation de dépassement d'un seuil de détection d'un arc parallèle ; [0036] [fig.3b] La figure 3b est une représentation d'un relevé de grandeur électrique mettant en lumière une situation de dépassement d'un seuil de détection d'un arc série; [0037] [fig.4] La figure 4 représente un relevé de grandeur électrique mettant en lumière l'impact d'un courant alternatif sur le comportement d'un arc. [0038] DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN OEUVRE et DE rÉalisation [0039] Généralités [0040] Une méthode de détection et de localisation par réflectométrie d'un arc dans un circuit électrique comporte les étapes illustrées en figure 1 de : S1 : Emission d'un signal de réflectométric dans une ligne du circuit à étudier ; un signal de réflectométrie comporte généralement un ou plusieurs motifs présentant un spectre pouvant comporter une ou plusieurs fréquences ; S2 : Acquisition d'une grandeur électrique du signal transitant dans le réseau ; la grandeur électrique peut être par exemple une intensité, un niveau de tension, et peut être acquise en continu ; une variation d'impédance ponctuelle dans le circuit va provoquer une réflexion du signal, le signal réfléchi étant acquis également ; S3 : Filtrage du signal acquis de manière à supprimer des signaux présentant une fréquence inférieure à une fréquence de coupure (N), la fréquence de coupure (N) présentant une valeur comprise entre 100kHz et 1GHz, ou préférentiellement entre quelques dizaines de kHz et quelques centaines de MHz; S4 : Analyse du signal acquis de manière à détecter un défaut ; l'acquisition du signal réfléchi permet de détecter une variation d'impédance dans le circuit, également de déterminer la position de cette variation d'impédance en étudiant la durée entre l'émission d'un motif et l'acquisition du motif réfléchi et enfin de caractériser le type de défaut rencontré (Court-Circuit, Circuit Ouvert, Arc Parallèle, Arc série). [0041] Filtrage des signaux entrant sur le système de détection en dessous d'une fréquence N [0042] Le procédé de détection par réflectométrie est notamment réalisé au moyen d'un dispositif 1 de détection et localisation d'arc série par réflectométrie sur une ligne électrique L, présenté en figure 2. [0043] Dans un mode de réalisation, le dispositif 1 de détection et localisation d'arc série par réflectométrie comporte les éléments suivants : - Une puce de corrélation 2 comportant une mémoire 3 dans laquelle sont stockées des données de code, les données de code comportant des algorithmes de traitement de signal permettant la corrélation des signaux et le diagnostic de détection/localisation des défauts rencontrés sur la ligne monitorée ; - Un élément de conversion 4 comportant un convertisseur analogique/numérique (CAN) et un convertisseur numérique/analogique (CNA) ; - Un bloc de couplage 5 permettant de : - Coupler les signaux Hautes Fréquences issus du CNA sur la ligne monitorée, - Découpler les signaux Hautes Fréquences issus de la ligne monitorée à destination du CAN, - Protéger le système numérique (convertisseurs et puce numérique intelligente) des tensions du réseau de la ligne étudiée, - Un bloc de découplage 6 des signaux hautes fréquences placé d'un seul côté de la ligne L monitorée afin de favoriser l'envoi des signaux Hautes Fréquences de l'autre côté de la ligne L, - Une interface 7 permettant de contrôler en temps réel le diagnostic de la ligne et affichant les informations de détection et de localisation des défauts. [0044] Un tel dispositif 1 est classiquement configuré pour injecter un signal dans la ligne L étudiée, et détecter les signaux réfléchis par les impédances réparties le long de la ligne L, notamment au moyen d'un élément de couplage 8 situé à l'interface de la ligne L et du dispositif 1. [0045] L'élément de couplage 8 peut comporter un couplage capacitif, qui présente des avantages du point de vue du coût et de la simplicité de mise en oeuvre par rapport à d'autres types de couplages. [0046] Au cours d'essais d'arcs électriques, il a été démontré qu'un bruit électromagnétique inhérent à l'arc venait perturber les données hautes fréquences réfléchies entrant sur le dispositif 1 de détection. [0047] Lorsqu'un arc électrique apparaît, des transitoires électriques conduits remontent au travers du bloc de couplage 5 jusqu'au CAN de l'élément de conversion 4. [0048] Celui-ci passe alors en saturation. [0049] L'étage de corrélation, notamment la puce de corrélation 2, est alors impacté et le résultat sous forme de réflectogramme présente un signal périodique dont l'amplitude dépasse les seuils fixés pour le diagnostic de l'arc. [0050] Dans ces conditions, l'arc électrique est bien détecté mais aucun post-traitement complémentaire (comme la localisation du défaut) n'est réalisable. [0051] Dans un mode de réalisation, le dispositif 1 comporte un filtre passe-haut 9 présentant une fréquence de coupure N, le filtre passe-haut 9 étant configuré pour bloquer les fréquences inférieures à la fréquence de coupure N. [0052] Dans un mode de réalisation, la fréquence de coupure N peut être de l'ordre du MégaHertz (106 Hz), préférentiellement comprise entre 10MHz et 100MHz, par exemple de 30MHz. [0053] Cela permet de préciser la bande de fréquence essentielle à la détection des arcs électriques, notamment les arcs série. [0054] Le dispositif 1 réalisant un filtrage des signaux présentant des fréquences inférieures à la fréquence de coupure N, il n'est alors pas utile d'injecter du signal en dessous de cette fréquence. Ainsi, la diminution de la bande de fréquence utilisée aura deux conséquences positives : - Diminution de l'occupation fréquentielle dans le but de favoriser d'autres systèmes 6 pouvant exploiter les fréquences inférieures à la fréquence de coupure N ; - Diminution de l'occupation des composants numériques générant les signaux de réflectométrie, ce qui permet de diminuer le nombre de composants de calculs et de réduire la durée d'envoi des motifs de réflectométrie. [0055] Les signaux injectés en dessous de la fréquence de coupure N étant filtrés sur l'étage de réception, il n'est pas utile de les émettre. Ainsi, la réduction de la bande à injecter permet indirectement de diminuer le temps nécessaire à l'envoi d'une série complète de motifs. [0056] Cela permet notamment de détecter des défauts encore plus courts. En effet, la réflec- tométrie de type MCTDR (de l'anglais « MultiCarrier Time Domaitz Reflemomemy ») réalise un moyennage de plusieurs motifs sur une durée déterminée. Si le nombre de moyenne reste le même mais que la durée d'envoi des motifs est diminuée en supprimant des fréquences non exploitées, alors les performances de détection seront directement améliorées. [0057] Dans un mode de réalisation, le filtre passe haut 9 est disposé entre le bloc de conversion 4 et la ligne L. De cette manière, cela permet de limiter ou atténuer la circulation d'un signal à des fréquences inférieures à la fréquence de coupure N depuis la ligne L vers le bloc de conversion 4, et la puce de corrélation 2. Cela permet notamment de limiter ainsi la consommation de ressources calculatoires et énergétiques de ces éléments, en évitant d'allouer ces ressources à des tâches inutiles. [0058] Dans un mode de réalisation, le bloc de couplage 5 ne comporte qu'un unique élément, par exemple un couplage capacitif, qui réalise les fonctions de filtre passe-haut 9 et de d'élément de couplage 8. Cela permet de limiter le coût du dispositif, et les risques de pannes en limitant le nombre de composants. [0059] Adaptation de seuil de détection [0060] Précédemment, il a été évoqué que l'arc se comporte comme une impédance faible. [0061] Lorsqu'il est en série sur la ligne, la désadaptation mesurée est donc faible. [0062] Dans le cas d'un arc parallèle, c'est le contraire car l'impédance faible est ajoutée en parallèle à la charge de la ligne. [0063] La désadaptation d'impédance est très forte et le pic sur le réflectogramme beaucoup plus prononcé. [0064] Egalement, ce pic a une amplitude négative contrairement à celui de l'arc série. [0065] La figure 3a présente un exemple d'acquisition d'un lot d'arcs parallèles. Dans cet exemple, le seuil de détection des arcs parallèles est négatif et décroissant en fonction de la longueur de la ligne (en abscisse). [0066] De la même manière, la figure 3b présente un exemple d'acquisition d'une série d'arcs séries. Dans cet exemple, le seuil de détection des arcs série est positif et est constant tout au long de la ligne. 7 [0067] Dans un mode de réalisation, un coefficient de réduction de l'amplitude du seuil d'arc série par rapport à celui du seuil d'arc parallèle peut être appliqué. [0068] Dans un mode de réalisation, il y aurait alors : Seuil arc séric=f1xScuil arc parallèle [0069] Où H est une valeur comprise entre 0 et -1 et Seuil arc parallèle est négatif. [0070] Ces notions sont applicables quel que soit le profil du seuil (fixe, décroissant ou plus complexe). [0071] Synchronisation en tension alternative [0072] Une des conditions du maintien de l'arc électrique est la conservation d'un niveau de tension de réseau supérieure à la tension d'arc. [0073] Dans le cas d'un réseau alternatif, la tension passe par OV toutes les 1/2 périodes. Un arc série appliqué sur un tel réseau sinusoïdal n'est donc plus maintenu pendant de courtes fenêtres temporelles autour du OV. [0074] Les courbes représentées en figure 4 illustrent une acquisition avant et pendant un arc série sur un réseau en tensions alternative, et représentent la tension de ligne et le courant de ligne. [0075] La partie gauche de la courbe représente ces deux mesures en régime nominal sur une ligne chargée. La partie droite de la courbe est impactée par un arc électrique série (symbolisé par un éclair). [0076] A chaque demi période, l'arc série est identifiable sur la courbe de courant par : - Une faible chute de courant : identifiable via la différence (trait en pointillés) entre le sommet des sinusoïdes avant et pendant l'arc, - Un épaulement de courant à OA correspondant à la rupture de l'arc à cause de la chute de tension de la ligne, [0077] La réflectométrie mesure les désadaptations d'impédance locale. [0078] La mesure d'un arc série par réflectométrie a pour conséquence la création d'un pic de désadaptations d'impédance d'amplitude positif sur un reflectogramme. [0079] C'est également le cas pour un circuit ouvert mais l'amplitude obtenue est dans ce cas beaucoup plus grande. En effet, l'arc série ajoute une impédance très faible en série sur le circuit. Le circuit ouvert ajoute une impédance très grande, il en résulte une variation d'impédance très grande comparée à celle de l'arc série. [0080] Comme vu précédemment, les épaulements de courant sont la conséquence de la rupture de l'arc et le passage très bref en circuit ouvert. Cette conséquence est donc favorable à la détection de l'arc série par réflectométrie. [0081] Des motifs hautes fréquence sont donc émis autour du passage à OV de la tension : ce moment, les pics de désadaptation d'impédance sont maximums. [0082] Plus précisément dans le cas de la mesure par réflectométrie, le système réalise une moyenne de Q motifs. Il faut alors s'assurer qu'au moins 1 des Q motifs soit envoyé au 8 moment où la tension de la ligne vaut OV. [0083] L'avantage de la réflectométric est qu'elle est capable de faire la différence entre : - Le passage à OA du courant lié à un arc série - conséquence d'un circuit ouvert ; - Le comportement normal d'une charge ayant sur l'évolution du courant des passages à OA à chaque demi-période (exemple charge de type redresseur à diode) ; - Pas de circuit ouvert sur les passages à OA - pas de risque de fausse détection. 9