Brevet FR3133452A1 — publié le 20230915

La présente invention concerne une route de distribution électrique d’aéronef comportant des câbles électriques (40) et des organes d'interfaces de connexions électriques (38), comprenant un dispositif de diagnostic et de détection d'un défaut de type arc électrique. Le dispositif de diagnostic et de détection comprend : - une fibre optique (14) déployée sur l'étendue de ladite route de distribution et comportant au moins un réseau de Bragg (20) au niveau de chaque organe d'interface de connexion (38), - un réflectomètre (36) optique couplé à une extrémité amont de la fibre optique (14), et - une unité centrale d’acquisition (34) configurée pour détecter et localiser un ou des défauts d'arcs électriques sur un organe d'interface de connexion par comparaison de la signature spectrale courante à la signature spectrale de référence de la fibre optique, par détection d’un décalage entre l’une des longueurs d’onde caractéristiques d’un des réseaux de Bragg. Figure de l’abrégé : Figure 10 Détection d’arc électrique par réseau de Bragg Le présent document se place dans le cadre d’une détection d’arcs électriques en environnement aéronautique. Dans le domaine aéronautique, les aéronefs sont équipés de chaînes de distribution électrique permettant d’alimenter les équipements tels que les commandes de vols et des charges associées à la vie à bord. Plus récemment, l’hybridation électrique de la propulsion fait l’objet d’études pour lesquelles les chaînes électriques sont fortement impliquées. La chaîne électrique est composée d’un système de génération de puissance, appelé source assurant la disponibilité de la puissance à répartir sur l’ensemble des charges. Pour assurer cette répartition, la chaîne électrique est également composée de meubles de distribution assurant les rôles de routage, de protection, de coupure et d’interconnexion. Ensuite, la chaîne électrique dispose d’un système de distribution électrique appelé Système d'Interconnexion de Câblage Electrique ou encore en anglais EWIS : Electrical Wiring Interconnection System . Celui-ci est composé de harnais de distribution, appelés aussi routes. Une route de distribution définit un ou plusieurs câbles d’un harnais assurant l’alimentation d’une charge électrique. Chaque route est équipée en amont, au niveau du meuble de distribution par exemple, d’un système de protection et de coupure. Usuellement, les systèmes de protection réalisent un diagnostic de santé électrique des lignes par une mesure de courant de ligne à partir de capteurs dédiés. Les harnais sont composés de câbles électriques dimensionnés pour transporter le courant, d’interfaces électriques, tels que des connecteurs ou borniers électriques et des éléments mécaniques associés soit à la protection passive des harnais, tels que des gaines, soit à l’installation des harnais dans la structure des aéronefs, tels que des colliers de serrage et de maintien. Enfin, en bout de route, les câbles sont connectés aux charges électriques dont ils assurent l’alimentation. Ces routes de distribution sont ainsi présentes entre la source et un meuble de distribution, éventuellement entre un meuble de distribution primaire et un meuble de distribution secondaire et enfin entre un meuble de distribution et une charge électrique. Chaque route est donc équipée à minima de deux interfaces électriques, type connecteur ou bornier. La première interface électrique est située en amont de la route, la seconde en aval, permettant ainsi de relier les équipements amont et aval auxdites routes. Dans certains cas, ces routes sont également équipées d’interfaces intermédiaires divisant ainsi lesdites routes en plusieurs tronçons. La chaîne électrique est sujet à l’apparition de phénomènes physiques. Les composants et systèmes dédiés au transport électrique sont spécifiés pour s’affranchir de ces phénomènes redoutés. Néanmoins, certaines causes peuvent être à l’origine de leur apparition. Citons par exemple le vieillissement provoqué entre autres par des contraintes environnementales ou des facteurs extérieurs humains ou autres. L’arc électrique de défaut est l’un de ces phénomènes. Une décharge électrique apparaît lorsqu’un gaz est soumis à un champ électrique dépassant une tension de claquage, dite tension disruptive. Un arc électrique est une décharge disruptive à fort courant et auto-entretenue à de faibles niveaux de tensions. L’arc électrique est le siège d’interactions physico-chimiques au sein d’un gaz fortement ionisé conduisant parfaitement le courant. Un arc électrique de défaut est un arc électrique inopportun pouvant apparaître sur chacun des composants de la chaîne électrique de distribution suite à des défaillances de l’un ou plusieurs de ces composants. Par exemple, il est connu que des interactions chimiques, électriques ou mécaniques sont des causes principales de modes de défaillance aboutissant à la génération d’arcs électriques de défaut. Comme illustré aux figures 1 et 2, Il existe deux types d’arcs électriques de défaut. Le premier appelé arc parallèle 2 est un arc électrique venant se créer entre deux conducteurs électriques aux potentiels différents alimentés par une source 8. Par exemple, un arc électrique parallèle 2 peut apparaître entre deux phases ou entre une phase et une masse. Il est la conséquence de la rupture de la tenue diélectrique entre ces conducteurs. Cette rupture est la conséquence de dégradations des isolants et de la diminution de la distance entre électrodes par exemple par insertion d’un matériel extérieur conducteur liquide ou solide. L’arc électrique parallèle 2 provoque alors une continuité électrique de très basse impédance en parallèle de la charge électrique 6, venant quasiment la court-circuiter. En pratique, il est généralement facile à observer en réalisant une mesure de courant de ligne, car il induit un fort appel de courant durant la durée de l’arc. Le second type d’arc de défaut est l’arc série 4. Il est issu d’une discontinuité au sein de la boucle de courant entre la source 8 et la charge électrique 6. Typiquement, l’arc électrique série 4 intervient localement au sein des interfaces électriques amont, aval ou intermédiaires. Il est la conséquence de modes de défaillances de ces interfaces telles qu’une déconnexion à chaud entre contacts électriques mâles et femelle liée à un problème de fabrication, de maintenance ou encore de conséquences liées au vieillissement imposé par les exigences aéronautiques. Les vibrations mécaniques, les cycles thermiques en lien avec les phases de vol (variation d'altitude) peuvent être à l’origine par exemple de la corrosion de contacts électriques encore appelée fretting-corrosion, évènement précurseur de l’apparition d’un arc série 4. Contrairement à l’arc parallèle 2, l’arc série 4 est extrêmement difficile à diagnostiquer sur les mesures de courant. Au mieux, il génère une petite inflexion de courant restant généralement dans les gabarits de fonctionnement nominal des charges électriques 6. Des algorithmes plus complexes sont étudiés pour la détection de l’arc série 4 en ajoutant des couches de traitement de signal, mais la grande variabilité des charges et les contraintes environnementales les rendent peu robustes. En aéronautique, tout est fait pour d’une part limiter au maximum l’apparition de ces phénomènes et d’autre part en limiter les conséquences lorsqu’ils apparaissent. Dans les aéronefs actuels, une stratégie d’ensemble a été déployée pour y parvenir. On peut notamment citer les mesures suivantes. Une limitation de la tension AC distribuée à 230/400 volts. Ces faibles niveaux de tension sont les grandeurs proposées sur les minimums des courbes de Paschen. Cela permet d’empêcher toute possibilité d’amorcer un arc par surtension, y compris en haute altitude pour les équipements placés en zones dépressurisées. Cela permet également de limiter l’expansion de l’arc électrique dont le champ électrique ne peut dépasser la tension du réseau. Une distribution d’une tension de forme d’onde alternative favorise l’auto-extinction de l’arc électrique à chaque demi-période. Compte tenu de la problématique de maintien de l’arc sur des formes d’ondes de courant DC, les réseaux continus distribués sont à très basse tension, typiquement 28 volts. Les règles de conception et de routage des harnais sont adaptées en tenant compte de l’impact de l’arc dans son environnement. Enfin, des dispositifs de diagnostic de ligne par mesure de courant permettent de détecter la majorité des arcs parallèles. Ces dispositifs sont couplés à des systèmes de coupure afin d’isoler et protéger une ligne impactée par un défaut d’arc, entre autres. Cette solide stratégie de mitigation est ce qui a permis de ne pas rendre obligatoire une détection de défauts d’arcs électriques sur les réseaux de distribution électrique à bord des aéronefs actuels. Les études faites dans le cadre de la montée en puissance pour les réseaux propulsifs et non propulsifs, démontrent la nécessité de disposer de réseaux de distribution électrique plus haute tension et éventuellement d’une distribution en tension continue DC. De tels changements pourraient augmenter le risque d’apparition d'arcs de défaut et aggraver les dommages associés. La densification du câblage liée à l’augmentation du nombre d'équipements embarqués et la complexité de ces équipements sont des facteurs aggravants. La stratégie d’ensemble de mitigation doit ainsi être réévaluée et la détection d'arcs électriques de défaut à bord des aéronefs est une des solutions qui pourraient s’imposer. Des techniques de détection d'arcs électriques de défaut sont connues, basées sur une mesure optique des variations de lumière générées par un arc électrique de défaut, par le déploiement d'une fibre optique couplée à un récepteur de mesure et analyse de spectre lumineux. La gaine protectrice externe de fibre optique qui protège mécaniquement le cœur de fibre doit nécessairement être translucide pour permettre de capter ces variations optiques issues des arcs électriques de défaut. En conséquence, un inconvénient de cette mesure optique, est de déployer une fibre optique dont les pertes en ligne seront de fait très importantes. La présente invention a pour objet de proposer une solution technique fiable et robuste au problème posé par la détection des arcs électriques de défaut pouvant apparaître dans un harnais électrique d'aéronef. Plus particulièrement, la présente invention a pour objet de proposer une solution de diagnostic fiable et robuste de défauts d’arcs électriques parallèles et séries pouvant apparaître localement au sein des interfaces électriques de ces harnais. Il est difficile de concevoir un système fiable et robuste de détection d’arcs électriques de défaut. Il faut tenir compte de la grande variété de charges électriques susceptibles d’être embarquées, certaines pouvant avoir des signatures proches de celles d’un arc électrique de défaut. Les contraintes environnementales imposées en aéronautique, notamment les contraintes électromagnétiques, peuvent impacter la robustesse de certains systèmes de mesure, comme par exemple, ceux basés sur des mesures courant/tension. La présente invention a pour objet de remédier à ces différents problèmes techniques en proposant une solution technique simple et peu coûteuse à mettre en œuvre, et dont la fiabilité et la robustesse sont élevées. Résumé La présente invention concerne un réseau de distribution électrique d’aéronef comportant un harnais de câbles électriques formant une route de distribution électrique entre une source et au moins une charge, ledit harnais comprenant au mins un tronçon connecté en série entre la source et la ou les charges par au moins un organe d'interface de connexion. Ledit réseau est caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de diagnostic et de détection d'un défaut de type arc électrique se produisant dans ladite route de distribution électrique, ledit dispositif de diagnostic et de détection étant agencé au niveau d’au moins un des organes d'interface de connexion, le dispositif de diagnostic et de détection étant apte à actionner un dispositif de coupure configuré pour isoler ladite route de distribution électrique du reste du réseau de distribution électrique ; Le dispositif de détection comprend : - une fibre optique déployée sur l'étendue d'au moins une portion de ladite route de distribution, et comportant un réseau de Bragg positionné au niveau de chaque organe d'interface de connexion, permettant d'associer à chaque organe d’interface de connexion une longueur d'onde caractéristique de référence du réseau de Bragg respectif, la fibre optique présentant une signature spectrale de référence comprenant lesdites longueurs d’onde caractéristiques desdits réseaux de Bragg, - un réflectomètre optique couplé à une extrémité amont de la fibre optique et configuré pour : - avant une alimentation de ladite route de distribution, émettre un signal optique de référence, ledit signal optique de référence étant composé d’un spectre lumineux incident incluant la longueur d'onde caractéristique de chaque réseau de Bragg de la fibre optique, et recevoir un signal optique réfléchi composé d’un spectre lumineux réfléchi par la fibre optique et définissant la signature spectrale de référence de la fibre, - pendant l’alimentation de ladite route de distribution, émettre en continu le même signal optique de référence, et recevoir en continu un signal optique réfléchi composé d’un spectre lumineux réfléchi par la fibre optique définissant une signature spectrale courante de la fibre optique, - une unité centrale d’acquisition configurée pour détecter et localiser un ou des défauts d'arcs électriques sur un ou des organes d'interface de connexion sur la base d'une comparaison de la signature spectrale courante à la signature spectrale de référence de la fibre optique, par détection d’un décalage entre l’une des longueurs d’onde caractéristiques d’un des réseaux de Bragg dans la signature spectrale courante et dans la signature spectrale de référence de la fibre optique, et configurés pour envoyer un signal de détection d'un défaut d'arc électrique localisé au niveau de l'organe d'interface de connexion en question au dispositif de coupure pour actionner le dispositif de coupure. Un arc électrique provoque une augmentation locale de température. Si celui-ci apparaît au niveau de l'organe d'interface de connexion, l’environnement proche de cet organe d’interface de connexion sera soumis à une élévation de température durant la durée du défaut. L'indice de réfraction du réseau de Bragg associé en est affecté, ce qui se traduit par une modification du spectre lumineux réfléchi et reçu par le réflectomètre optique. De manière connue, les motifs de couches de silice constituant un réseau de Bragg se dilatent sous l'effet d'une augmentation de température, ce qui provoque une modification de l’indice de réfraction et donc de la longueur d'onde qui sera réfléchie par ce réseau de Bragg. Ainsi, la comparaison de la signature spectrale courante à une signature spectrale de référence permet de détecter et localiser des défauts, y compris intermittents comme peuvent l’être les arcs électriques de défaut pouvant apparaître au sein d’une route de distribution électrique d’un aéronef. Un tel dispositif de diagnostic et de détection pour la surveillance des réseaux électriques d'aéronef basée sur la variation de la signature spectrale de la fibre optique à réseaux de Bragg est insensible aux diverses perturbations liées à l'environnement aéronautique, et notamment aux perturbations électromagnétiques et lumineuses, aux variations lentes de température et aux vibrations et chocs mécaniques, ce qui en fait un dispositif fiable et robuste. Le dispositif de détection selon l'invention permet de localiser précisément le défaut d’arc électrique par l'association d'un réseau de Bragg à chaque organe d'interface de connexion à surveiller. On bénéficie avantageusement de la vitesse très élevée de transmission du signal par la fibre optique. Les caractéristiques de la gaine mécanique de protection externe du cœur de fibre sont telles que le spectre lumineux reste contenu à l’intérieur du cœur de la fibre, pour permettre la détection et la classification de toutes variations du spectre lumineux réfléchi. Cela permet avantageusement d’avoir peu de pertes en ligne. Le dispositif de détection à fibre optique à réseaux de Bragg proposé dans l'invention permet une détection de défaut d'arc fiable et rapide qui permet d'activer le cas échéant un dispositif de coupure permettant de stopper rapidement la propagation de l’arc électrique et d’en limiter les conséquences. Le spectre de référence ou la signature spectrale de référence, correspondent à un état de fonctionnement normal du réseau de distribution électrique, c'est-à-dire dire un fonctionnement en l’absence de dysfonctionnement tel qu’un défaut d’arc électrique parallèle ou d’arc électrique série. Le signal de détection selon l'invention permet d'activer le dispositif de coupure de la route concernée par le défaut. A l’inverse si le fonctionnement du réseau de distribution électrique est normal, le dispositif de coupure n’est pas activé et le réseau de distribution électrique continue à fonctionner. La fibre à réseaux de Bragg est configurée de sorte que chaque réseau de Bragg est localisé dans ou à proximité de l’organe d’interface électrique associé. La plage de distance entre l'organe d'interface électrique et le réseau de Bragg correspondant peut s'étendre jusqu'à une dizaine de centimètres. Ainsi, l’au moins un réseau de Bragg peut être agencé jusqu’à une distance de 10 cm de l’organe d’interface électrique. La plage de distance peut être adaptée en pratique pour optimiser les critères de fiabilité et de robustesse, en fonction des organes d'interface électriques concernés et des types et caractéristiques (énergie, plasma) des défauts d'arc électrique qui peuvent y apparaitre. L’invention concerne également un procédé de diagnostic et de détection mettant en œuvre un dispositif comme plus haut, dans un réseau de distribution électrique d’aéronef, le procédé comprenant les étapes suivantes : - avant une alimentation de la route de distribution, émission d’un signal optique de référence, ledit signal optique de référence étant composé d’un spectre lumineux incident incluant la longueur d'onde caractéristique de chaque réseau de Bragg (20) de la fibre optique, et réception d’un signal optique réfléchi composé d’un spectre lumineux réfléchi par la fibre optique et définissant la signature spectrale de référence de la fibre optique, - mémorisation, dans une unité centrale d’acquisition, de la signature spectrale de référence ; - pendant l’alimentation de la route de distribution, émission en continu du même signal optique de référence, et réception en continu d’un signal optique réfléchi composé d’un spectre lumineux réfléchi par la fibre optique définissant une signature spectrale courante de la fibre optique, - comparaison de ladite signature spectrale courante à ladite signature spectrale de référence grâce à l’unité centrale d’acquisition et détection d’un éventuel défaut d’arc électrique ; et - en cas de détection d’un défaut d’arc électrique au niveau d’un organe d’interface de connexion, envoi d’un signal de détection d'un défaut d'arc électrique localisé au niveau de l'organe d'interface de connexion en question au dispositif de coupure pour actionner le dispositif de coupure. La détection d’un éventuel défaut d’arc électrique peut être faite par comparaison de la signature spectrale courante et de la signature spectrale de référence, par mesure d’un décalage d’au moins une longueur d’onde caractéristique d’un des réseaux de Bragg. L’étape de comparaison de la signature spectrale peut comprendre la mise en œuvre d’un algorithme de ségrégation, propre à ségréguer un changement de température consécutif à un défaut d’arc électrique d’un changement de température consécutif à une cause extérieure. L’invention concerne en outre un aéronef comprenant un réseau de distribution comme plus haut. D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels : montre un circuit électrique comportant un arc électrique parallèle. montre un circuit électrique comportant un arc électrique série. montre un harnais comprenant des câbles électriques et une fibre optique maintenus ensemble par un support. montre une vue en coupe de la . montre une fibre optique à réseaux de Bragg, ladite fibre optique comportant trois réseaux de Bragg. montre une répartition de température lors d’une formation d’un arc électrique. montre un exemple de spectre incident émis par un réflectomètre optique à l'extrémité amont de la fibre optique de la , montre le spectre transmis à l’extrémité aval de cette fibre optique, et montre le spectre réfléchi et revenant vers l’extrémité amont de cette fibre optique. montre un système de harnais connecté à une source, des organes d’interfaces de connexions électriques aval, intermédiaires et amont et comprenant un système de détection selon l'invention à réflectomètre optique couplé à une fibre optique à réseaux de Bragg déployée le long du harnais. montre un mode de réalisation où la fibre optique s’étend à l’intérieur d’un connecteur modulaire. montre, à gauche, le spectre réfléchi par une fibre à réseaux de Bragg d'un système de détection selon l'invention correspondant à un fonctionnement normal et à droite, un spectre réfléchi par cette même fibre lors de l’apparition d’un défaut d’arc électrique. Réseau de distribution électrique (10) d’aéronef comportant un harnais de câbles électriques (40) formant une route de distribution électrique entre une source (8) et au moins une charge (6), ledit harnais comprenant au moins un tronçon connecté en série entre la source (8) et la ou les charges (6) par au moins un organe d'interface de connexion (38), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de diagnostic et de détection d'un défaut de type arc électrique se produisant dans ladite route de distribution électrique, ledit dispositif de diagnostic et de détection étant agencé au niveau des organes d'interfaces de connexion (38), le dispositif de diagnostic et de détection étant apte à actionner un dispositif de coupure configuré pour isoler ladite route de distribution électrique du reste du réseau de distribution électrique (10); le dispositif de diagnostic et de détection comprenant : - une fibre optique (14) déployée sur l'étendue d'au moins une portion de ladite route de distribution et comportant au moins un réseau de Bragg (20) positionné au niveau de chaque organe d'interface de connexion (38), permettant d'associer à chaque organe d'interface de connexion (38) une longueur d'onde caractéristique de référence du réseau de Bragg (20) respectif, la fibre optique (14) présentant une signature spectrale de référence comprenant lesdites longueurs d’onde caractéristiques desdits réseaux de Bragg (20), - un réflectomètre (36) optique couplé à une extrémité amont de la fibre optique (14) et configuré pour : - avant une alimentation de ladite route de distribution, émettre un signal optique de référence, ledit signal optique de référence étant composé d’un spectre lumineux incident incluant la longueur d'onde caractéristique de chaque réseau de Bragg (20) de la fibre optique (14), et recevoir un signal optique réfléchi composé d’un spectre lumineux réfléchi par la fibre optique (14) et définissant la signature spectrale de référence de la fibre optique (14), et - pendant l’alimentation de ladite route de distribution, émettre en continu le même signal optique de référence, et recevoir en continu un signal optique réfléchi composé d’un spectre lumineux réfléchi par la fibre optique (14) définissant une signature spectrale courante de la fibre optique (14), - une unité centrale d’acquisition (34) configurée pour détecter et localiser un ou des défauts d'arcs électriques sur un ou des organes d'interface de connexion (38) sur la base d'une comparaison de la signature spectrale courante à la signature spectrale de référence de la fibre optique, par détection d’un décalage entre l’une des longueurs d’onde caractéristiques d’un des réseaux de Bragg (20) dans la signature spectrale courante et dans la signature spectrale de référence de la fibre optique (14), et configurés pour envoyer un signal de détection d'un défaut d'arc électrique localisé au niveau de l'organe d'interface de connexion (38) en question au dispositif de coupure pour actionner le dispositif de coupure. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel l’au moins un réseau de Bragg (20) est agencé jusqu’à une distance de 10 cm de l’organe d’interface électrique (38). Procédé de détection d’arc électrique série mettant en œuvre un dispositif selon la revendication 1 ou 2 dans un réseau de distribution électrique d’aéronef, le procédé comprenant les étapes suivantes : - avant une alimentation de la route de distribution, émission d’un signal optique de référence, ledit signal optique de référence étant composé d’un spectre lumineux incident incluant la longueur d'onde caractéristique de chaque réseau de Bragg (20) de la fibre optique (14), et réception d’un signal optique réfléchi composé d’un spectre lumineux réfléchi par la fibre optique (14) et définissant la signature spectrale de référence de la fibre optique (14), - mémorisation, dans une unité centrale d’acquisition (34), de la signature spectrale de référence ; - pendant l’alimentation de la route de distribution, émission en continu du même signal optique de référence, et réception en continu d’un signal optique réfléchi composé d’un spectre lumineux réfléchi par la fibre optique (14) définissant une signature spectrale courante de la fibre optique (14), - comparaison de ladite signature spectrale courante à ladite signature spectrale de référence de référence grâce à l’unité centrale d’acquisition (34) et détection d’un éventuel défaut d’arc électrique ; et - en cas de détection d’un défaut d’arc électrique au niveau d’un organe d’interface de connexion (38), envoi d’un signal de détection d'un défaut d'arc électrique localisé au niveau de l'organe d'interface de connexion (38) en question au dispositif de coupure pour actionner le dispositif de coupure. Procédé selon la revendication 3 dans lequel, la détection d’un éventuel défaut d’arc électrique est faite par comparaison de la signature spectrale courante et de la signature spectrale de référence, par mesure d’un décalage d’au moins une longueur d’onde caractéristique d’un des réseaux de Bragg (20). Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l’étape de comparaison de la signature spectrale comprend la mise en œuvre d’un algorithme de ségrégation, propre à ségréguer un changement de température consécutif à un défaut d’arc électrique d’un changement de température consécutif à une cause extérieure. Aéronef comprenant un réseau de distribution électrique (10) selon la revendication 1 ou 2.