Brevet FR3141530A1 — publié le 20240503

Ce dispositif (10) de mesure de la charge d’espace dans un câble électrique à courant continu à haute tension comporte une source (12) de tension à courant continu ; un générateur (14) d’échelon de tension ; une première électrode (16) reliée à la source (12) de tension à courant continu et au générateur (14) d’échelon de tension ; une seconde électrode (18) reliée à la masse ; un capteur piézoélectrique (20) relié à la seconde électrode (18) ; un amplificateur (22) de signaux électriques relié au capteur piézoélectrique (20) ; au moins un échantillon (24) du câble électrique placé entre les première et seconde électrodes (16, 18) et consistant en une coupe du câble réalisée à une profondeur prédéterminée dans le système d’isolation électrique du câble, l’amplitude du signal mesuré en sortie de l’amplificateur (22) étant liée à la densité de charge dans l’échantillon (24) et le retard lié à la distance des charges par rapport au capteur piézoélectrique (20) donnant la position des charges. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE MESURE DE LA CHARGE D’ESPACE DANS UN ÉCHANTILLON DE CÂBLE ÉLECTRIQUE La présente invention se rapporte à un dispositif et à un procédé de mesure de la charge d’espace dans un échantillon de câble électrique. L’invention appartient au domaine des câbles électriques destinés au transport d’énergie et/ou à la transmission de données. Elle trouve à s’appliquer en particulier dans le domaine de l’analyse du comportement de l’isolation électrique des câbles à courant continu à haute tension en cas d’accumulation de charge d’espace. Dans le domaine des câbles HVDC (câbles à courant continu à haute tension, en anglais « High Voltage Direct Current »), des tests de validation sont requis non seulement sous alimentation à courant continu, mais aussi pour vérifier le comportement du système d’isolation électrique du câble en cas d’accumulation de charge d’espace. En effet, l’accumulation de charge d’espace est généralement considérée comme le facteur principal d’accélération de la dégradation de l’isolation électrique d’un câble, notamment l’isolation polymérique pour les câbles HVDC, par comparaison avec les câbles HVAC (câbles à courant alternatif à haute tension, en anglais « High Voltage Alternating Current »). Cela est dû à l’amplification du champ électrique local produite par la charge accumulée, qui conduit à une augmentation du taux de dégradation dans des conditions de courant continu. Actuellement, ces tests de validation sont généralement effectués sur des systèmes d’isolation électriques réels et sur des câbles réels en grandeur nature. On connaît par exemple la méthode électro-acoustique pulsée (PEA, en anglais « Pulsed Electro-Acoustic »), qui consiste à appliquer une impulsion de tension à un matériau placé entre deux électrodes. La charge d’espace et les charges au niveau des électrodes en réponse à cette impulsion électrique lancent des ondes acoustiques qui se propagent dans le matériau. Ces ondes sont détectées par un capteur piézoélectrique fixé à l’une des électrodes. Le capteur piézoélectrique agit comme un convertisseur qui convertit le signal acoustique en un signal électrique. Ce signal électrique est introduit dans un amplificateur et un oscilloscope pour acquérir un signal facilement mesurable. L’amplitude du signal mesuré à partir de l’amplificateur est liée à la densité de charge et le retard lié à la distance des charges par rapport au capteur donne la position des charges. On connaît également la méthode de l’onde thermique (TSM, en anglais « Thermal Step Method »), qui consiste à appliquer une variation rapide de température au câble. La diffusion thermique induit une variation locale de la permittivité et une dilatation locale du câble. La charge d’espace en réponse à ces modifications crée un courant mesurable. Ces techniques connues nécessitent des investissements considérables en temps et sont très coûteuses. En outre, lors de telles mesures, il est souvent difficile de décorréler le signal de charge d’espace du bruit provenant de l’environnement des câbles. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités de l’art antérieur. Dans ce but, la présente invention propose un dispositif de mesure de la charge d’espace dans un câble électrique à courant continu à haute tension, comportant : une source de tension à courant continu ; un générateur d’échelon de tension ; une première électrode reliée à la source de tension à courant continu et au générateur d’échelon de tension ; une seconde électrode reliée à la masse ; un capteur piézoélectrique relié à la seconde électrode ; un amplificateur de signaux électriques relié au capteur piézoélectrique ; le dispositif étant remarquable en ce qu’il comporte en outre au moins un échantillon du câble électrique placé entre les première et seconde électrodes et consistant en une coupe du câble réalisée à une profondeur prédéterminée dans le système d’isolation électrique du câble, l’amplitude du signal mesuré en sortie de l’amplificateur étant liée à la densité de charge dans l’au moins un échantillon et le retard lié à la distance des charges par rapport au capteur piézoélectrique donnant la position des charges dans l’au moins un échantillon. Ainsi, la présente invention permet, grâce à un circuit électrique simple et peu coûteux, de réaliser des tests de validation en laboratoire sur des coupes de câble réalisées à des profondeurs prédéterminées dans le système d’isolation, de façon plus rapide et plus économique que sur le terrain. En outre, sachant que la mesure est faite, non pas sur le câble dans son environnement bruité, mais sur un échantillon, le problème consistant à décorréler le signal de charge d’espace du bruit provenant de l’environnement des câbles ne se pose pas. Dans un mode particulier de réalisation, le dispositif comporte une pluralité d’échantillons du câble électrique placés successivement individuellement entre les première et seconde électrodes et consistant en des coupes du câble réalisées à une pluralité de profondeurs prédéterminées dans le système d’isolation électrique du câble. Cela permet de prendre en considération l’influence du gradient de température et de champ électrique dans l’accumulation de charge d’espace du système d’isolation électrique du câble. Dans un mode particulier de réalisation, le dispositif comporte en outre une résistance d’adaptation d’impédance connectée entre le générateur d’échelon de tension et la première électrode. Cela permet d’optimiser la transmission du signal de tension entre le générateur d’échelon de tension et la première électrode. Dans un mode particulier de réalisation, le dispositif comporte en outre une capacité de découplage connectée entre le générateur d’échelon de tension et la première électrode. Cela permet de protéger électriquement le générateur d’échelon de tension de la tension continue appliquée en parallèle à l’échantillon. Dans un mode particulier de réalisation, le dispositif comporte en outre une résistance de limitation de courant connectée entre la source de tension à courant continu et la première électrode. Cette résistance apporte une protection électrique à la première électrode. Dans un mode particulier de réalisation, le dispositif comporte en outre une première couche de caoutchouc silicone chargé en noir de carbone disposée entre la première électrode et l’au moins un échantillon et une seconde couche de caoutchouc silicone chargé en noir de carbone disposée entre la seconde électrode et l’au moins un échantillon. Ainsi, les électrodes présentent l’avantage de bien adhérer à l’échantillon et d’avoir une bonne conductivité électrique sur toute la plage de température de mesure. Dans un mode particulier de réalisation, le capteur piézoélectrique est un capteur à polyfluorure de vinylidène. Ce polymère présentant des propriétés ferroélectriques est en effet capable de créer un signal électrique en réponse à une onde acoustique. Dans un mode particulier de réalisation, l’au moins un échantillon comporte du polyéthylène réticulé. Le polyéthylène réticulé est une substance isolante dans laquelle le dispositif est en effet particulièrement adapté à mesurer la charge d’espace. Dans le même but que celui indiqué plus haut, la présente invention propose également un procédé de mesure de la charge d’espace dans un câble électrique à courant continu à haute tension au moyen d’un dispositif tel que succinctement décrit ci-dessus, remarquable en ce qu’il comporte des étapes consistant à : obtenir l’au moins un échantillon en prélevant une coupe de câble à une profondeur prédéterminée du câble électrique dans le système d’isolation électrique du câble et placer l’au moins un échantillon entre les première et seconde électrodes; appliquer à la première électrode une tension à courant continu au moyen de la source de tension à courant continu ; appliquer à la première électrode une impulsion de tension au moyen du générateur d’échelon de tension ; au moyen du capteur piézoélectrique, détecter un signal acoustique, convertir ce signal acoustique en un signal électrique et fournir ce signal électrique à l’amplificateur, l’amplitude du signal mesuré en sortie de l’amplificateur étant liée à la densité de charge dans l’au moins un échantillon et le retard lié à la distance des charges par rapport au capteur piézoélectrique donnant la position des charges dans l’au moins un échantillon. Les caractéristiques particulières et les avantages du procédé étant similaires à ceux du dispositif, ils ne sont pas répétés ici. D’autres aspects et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d’exemples nullement limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : est une représentation schématique d’un dispositif conforme à la présente invention, dans un mode particulier de réalisation. est une représentation schématique partielle d’un échantillon de câble compris dans un dispositif conforme à la présente invention, dans un mode particulier de réalisation. est une représentation schématique d’une étape de prélèvement d’une coupe de câble comprise dans un procédé conforme à la présente invention, dans un mode particulier de réalisation. Description de mode(s) de réalisation Le schéma électrique de la représente un dispositif 10 conforme à la présente invention, de mesure de la charge d’espace dans un câble électrique à courant continu à haute tension, dans un mode particulier de réalisation. L’invention s’applique en particulier, mais pas uniquement, aux câbles HVDC soumis à des tensions pouvant atteindre 800 kV. Le dispositif 10 comporte une source 12 de tension à courant continu dont une borne est reliée à la masse. A titre d’exemple non limitatif, la source 12 de tension à courant continu peut délivrer une tension continue U 0 de ± 65 kV. Le dispositif 10 comporte également un générateur 14 d’échelon de tension dont une borne est reliée à la masse et qui délivre un échelon de tension U step . Le dispositif 10 comporte aussi une première électrode 16, qui est une électrode haute tension reliée à la source 12 de tension à courant continu et au générateur 14 d’échelon de tension. Le dispositif 10 comporte aussi une seconde électrode 18 reliée à la masse. A titre d’exemple non limitatif, les première et seconde électrodes 16, 18 peuvent comporter de l’aluminium. Le dispositif 10 comporte par ailleurs un capteur piézoélectrique 20 relié à la seconde électrode 18. A titre d’exemple non limitatif, le capteur piézoélectrique 20 peut être un capteur à polyfluorure de vinylidène et peut présenter une épaisseur de 28 µm. De façon optionnelle, le dispositif 10 peut comporter en outre, du côté du capteur piézoélectrique 20 opposé à la seconde électrode 18, une couche 36 de matière conductrice disposée entre d’une part, le capteur piézoélectrique 20 et d’autre part, une couche 38 d’élastomère, elle-même placée sur un support 40 relié à la masse. Le dispositif 10 comporte en outre un amplificateur 22 de signaux électriques relié au capteur piézoélectrique 20 ainsi qu’à la masse. De façon optionnelle, afin de faciliter la visualisation des signaux mesurés, le dispositif peut comporter en outre un oscilloscope 42 connecté à la sortie de l’amplificateur 22 de signaux électriques. Conformément à la présente invention, le dispositif 10 comporte en outre au moins un échantillon 24 du câble électrique placé entre la première électrode 16 et la seconde électrode 18. L’au moins un échantillon 24 consiste en une coupe du câble réalisée à une profondeur prédéterminée dans le système d’isolation électrique du câble. A titre d’exemple non limitatif, l’au moins un échantillon 24 peut comporter du polyéthylène réticulé. A titre d’exemple non limitatif, l’au moins un échantillon 24 peut présenter une longueur de 70 mm. L’amplitude du signal mesuré en sortie de l’amplificateur 22 est liée à la densité de charge dans l’au moins un échantillon et le retard lié à la distance des charges par rapport au capteur piézoélectrique 20 donne la position des charges dans l’au moins un échantillon. Ainsi, le dispositif 10 permet de mesurer la charge d’espace dans l’au moins un échantillon 24 du câble électrique. Le dispositif 10 peut comporter un échantillon 24 unique, ou une pluralité d’échantillons 24 du câble électrique, qui seront placés successivement individuellement entre la première électrode 16 et la seconde électrode 18 et qui consistent chacun en une coupe du câble réalisée à une profondeur prédéterminée distincte dans le système d’isolation électrique du câble. De façon optionnelle, le dispositif 10 peut comporter en outre une résistance 26 d’adaptation d’impédance connectée entre le générateur 14 d’échelon de tension et la première électrode 16 et également reliée à la masse. A titre d’exemple non limitatif, la résistance 26 d’adaptation d’impédance peut avoir une valeur de 50 Ω. De façon optionnelle, le dispositif 10 peut comporter en outre une capacité 28 de découplage connectée entre le générateur 14 d’échelon de tension et la première électrode 16. De façon optionnelle, le dispositif 10 peut comporter en outre une résistance 30 de limitation de courant connectée entre la source 12 de tension à courant continu et la première électrode 16. A titre d’exemple non limitatif, la résistance 30 de limitation de courant peut avoir une valeur de 100 MΩ. De façon optionnelle, le dispositif 10 peut comporter en outre une première couche 32 de caoutchouc silicone chargé en noir de carbone disposée entre la première électrode 16 et l’au moins un échantillon 24 et une seconde couche 34 de caoutchouc silicone chargé en noir de carbone disposée entre la seconde électrode 18 et l’au moins un échantillon 24. A titre d’exemple non limitatif, lorsque l’au moins un échantillon 24 présente une longueur de 70 mm, les couches 32 et 34 de caoutchouc silicone chargé en noir de carbone peuvent s’étendre sur une longueur de 20 mm. La vue partielle de la montre une partie de l’au moins un échantillon 24, ainsi que l’axe x de la profondeur dans cet échantillon. x cath désigne la profondeur de l’échantillon 24 en contact avec la cathode, c’est-à-dire la première électrode 16, éventuellement via la première couche 32 de caoutchouc silicone chargé en noir de carbone et x an désigne la profondeur de l’échantillon 24 en contact avec l’anode, c’est-à-dire la seconde électrode 18, éventuellement via la seconde couche 34 de caoutchouc silicone chargé en noir de carbone. Si on souhaite mesurer uniquement la charge d’espace dans l’échantillon 24, sans la charge aux première et seconde électrodes 16, 18, on choisit une distance d de façon à mesurer la charge d’espace entre les profondeurs x cath -d et x an +d. A titre d’exemple non limitatif, on peut choisir d = 75 µm. Comme le montre la , le procédé conforme à la présente invention, de mesure de la charge d’espace dans un câble électrique à courant continu à haute tension au moyen du dispositif 12, comporte une première étape consistant à obtenir l’au moins un échantillon 24 en prélevant une coupe de câble à une profondeur prédéterminée du câble électrique 44 dans le système d’isolation électrique 46 du câble. La flèche F indique le sens de la découpe dans un mode particulier de réalisation. On place l’échantillon 24 prélevé entre les première et seconde électrodes 16 et 18. L’étape suivante consiste à appliquer à la première électrode 16 la tension à courant continu U 0 au moyen de la source 12 de tension à courant continu. Puis on applique à la première électrode 16 l’impulsion de tension U step au moyen du générateur 14 d’échelon de tension. Ensuite, lorsque le capteur piézoélectrique 20 détecte un signal acoustique, il convertit ce signal acoustique en un signal électrique et fournit ce signal électrique à l’amplificateur 22. L’amplitude du signal mesuré en sortie de l’amplificateur 22 et éventuellement visualisé sur l’oscilloscope 42 est liée à la densité de charge dans l’au moins un échantillon 24 et le retard lié à la distance des charges par rapport au capteur piézoélectrique 20 donne la position des charges dans l’au moins un échantillon 24. Avant la mise sur le marché d’un système de câble, on réalise des tests dits de préqualification, afin de démontrer la performance à long terme du système de câble, ainsi que des tests dits de type, afin de démontrer sa bonne performance spécifique à une utilisation donnée. Suivant les recommandations CIGRE (Conseil International des Grands Réseaux Electriques), les tests de préqualification consistent notamment à soumettre le système de câble à un stress électrique et thermique pendant un an et les tests de type consistent notamment à soumettre le système de câble à un stress électrique et thermique pendant un mois. La mesure de la charge d’espace au moyen du dispositif 10 peut être effectuée avant et après le test de préqualification et/ou le test de type, afin de surveiller l’évolution de la charge d’espace causée par ces tests et constater l’impact du vieillissement du système de câble. Par ailleurs, la charge d’espace peut être mesurée à différentes températures et pour différentes valeurs du champ électrique. Dispositif (10) de mesure de la charge d’espace dans un câble électrique à courant continu à haute tension, comportant : une source (12) de tension à courant continu ; un générateur (14) d’échelon de tension ; une première électrode (16) reliée à ladite source (12) de tension à courant continu et audit générateur (14) d’échelon de tension ; une seconde électrode (18) reliée à la masse ; un capteur piézoélectrique (20) relié à ladite seconde électrode (18) ; un amplificateur (22) de signaux électriques relié audit capteur piézoélectrique (20) ; ledit dispositif (10) étant caractérisé en ce qu’il comporte en outre au moins un échantillon (24) dudit câble électrique placé entre lesdites première et seconde électrodes (16, 18) et consistant en une coupe dudit câble réalisée à une profondeur prédéterminée dans le système d’isolation électrique dudit câble, l’amplitude du signal mesuré en sortie dudit amplificateur (22) étant liée à la densité de charge dans ledit au moins un échantillon (24) et le retard lié à la distance des charges par rapport audit capteur piézoélectrique (20) donnant la position des charges dans ledit au moins un échantillon (24). Dispositif (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte une pluralité d’échantillons (24) dudit câble électrique placés successivement individuellement entre lesdites première et seconde électrodes (16, 18) et consistant en des coupes dudit câble réalisées à une pluralité de profondeurs prédéterminées dans le système d’isolation électrique dudit câble. Dispositif (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’il comporte en outre une résistance (26) d’adaptation d’impédance connectée entre ledit générateur (14) d’échelon de tension et ladite première électrode (16). Dispositif (10) selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu’il comporte en outre une capacité (28) de découplage connectée entre ledit générateur (14) d’échelon de tension et ladite première électrode (16). Dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte en outre une résistance (30) de limitation de courant connectée entre ladite source (12) de tension à courant continu et ladite première électrode (16). Dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte en outre une première couche (32) de caoutchouc silicone chargé en noir de carbone disposée entre ladite première électrode (16) et ledit au moins un échantillon (24) et une seconde couche (34) de caoutchouc silicone chargé en noir de carbone disposée entre ladite seconde électrode (18) et ledit au moins un échantillon (24). Dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit capteur piézoélectrique (20) est un capteur à polyfluorure de vinylidène. Dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit au moins un échantillon (24) comporte du polyéthylène réticulé. Procédé de mesure de la charge d’espace dans un câble électrique à courant continu à haute tension au moyen d’un dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte des étapes consistant à : obtenir ledit au moins un échantillon (24) en prélevant une coupe de câble à une profondeur prédéterminée dudit câble électrique dans le système d’isolation électrique dudit câble et placer ledit au moins un échantillon (24) entre lesdites première et seconde électrodes (16, 18) ; appliquer à ladite première électrode (16) une tension à courant continu au moyen de ladite source (12) de tension à courant continu ; appliquer à ladite première électrode (16) une impulsion de tension au moyen dudit générateur (14) d’échelon de tension ; au moyen dudit capteur piézoélectrique (20), détecter un signal acoustique, convertir ledit signal acoustique en un signal électrique et fournir ledit signal électrique audit amplificateur (22), l’amplitude du signal mesuré en sortie dudit amplificateur (22) étant liée à la densité de charge dans ledit au moins un échantillon (24) et le retard lié à la distance des charges par rapport audit capteur piézoélectrique (20) donnant la position des charges dans ledit au moins un échantillon (24).