Brevet FR3143130A1 — publié le 20240614

Pour mesurer l’intensité du courant dans un câble électrique multi-conducteurs, on mesure simultanément cette intensité dans tous les conducteurs : on place (E1) des capteurs de champ magnétique autour du câble ; on mesure (E2) simultanément au moins une composante du champ magnétique produit par le courant circulant dans chaque conducteur ; on détermine (E3) l’angle entre chaque conducteur et le capteur le plus proche ; les intensités étant liées aux composantes du champ magnétique par B = k.M.I où B est la matrice des composantes du champ magnétique, I est la matrice des intensités, M est une matrice comportant des coefficients de proportionnalité dépendant des angles entre conducteurs et capteurs et k est un coefficient prédéterminé, on calcule (E4) l’inverse M -1 de M, de façon à en déduire les valeurs des intensités I = (µ 0 /2π).M -1 .B, où µ 0 est une perméabilité magnétique équivalente qui prend en compte la présence de matériaux isolants dans le câble. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 PROCÉDÉ ET DISPOSITIF DE MESURE SIMULTANÉE DE L’INTENSITÉ DU COURANT DANS CHAQUE PHASE D’UN CÂBLE ÉLECTRIQUE POLYPHASÉ La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif de mesure simultanée de l’intensité du courant instantané dans chaque phase d’un câble électrique polyphasé, à courant alternatif ou continu. 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’optimisation de la distribution d’énergie dans les bâtiments. Actuellement, pour mesurer l’intensité du courant instantané dans chaque conducteur d’un câble polyphasé, ou multi-conducteurs, le plus souvent, on mesure successivement, au moyen d’une pince ampèremétrique, l’intensité du courant dans chacun des conducteurs. Toutefois, ces opérations sont consommatrices de temps et fournissent généralement des résultats peu précis. Il n’existe sur le marché aucune solution technique pratique permettant de mesurer simultanément, rapidement et avec précision, l’intensité du courant dans tous les conducteurs d’un câble polyphasé. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités de l’art antérieur. Dans ce but, la présente invention propose un procédé de mesure de l’intensité du courant dans un câble électrique comportant une pluralité de conducteurs, remarquable en ce qu’il consiste à mesurer simultanément l’intensité du courant dans les conducteurs de la pluralité de conducteurs en effectuant des étapes consistant à : placer une pluralité de capteurs de champ magnétique autour du câble, en au moins un emplacement du câble ; mesurer simultanément, pour chacun des conducteurs, au moins une composante du champ magnétique produit par le courant circulant dans le conducteur, au moyen de la pluralité de capteurs de champ magnétique ; pour chacun des conducteurs, déterminer l’angle entre le conducteur et le capteur de champ magnétique de la pluralité de capteurs de champ magnétique le plus proche, cet angle étant défini par rapport au centre du câble et en assimilant les conducteurs et les capteurs à des points ; les intensités des courants dans les conducteurs étant liées aux composantes du champ magnétique mesurées par la relation B = k.M.I où B est la matrice des composantes du champ magnétique, I est la matrice des intensités des courants, M est une matrice comportant une pluralité de coefficients de proportionnalité dépendant des angles entre les conducteurs et les capteurs de champ magnétique et k est un coefficient prédéterminé, calculer l’inverse M -1 de la matrice M, de façon à en déduire les valeurs des intensités des courants I = (µ 0 /2π).M -1 .B, où µ 0 est une perméabilité magnétique équivalente qui prend en compte la présence de matériaux isolants dans le câble. Ainsi, l’invention permet de mesurer en une seule opération l’intensité du courant dans tous les conducteurs du câble et d’obtenir rapidement des résultats extrêmement précis, sans avoir besoin d’ôter la gaine du câble. En outre, l’installation des capteurs de champ magnétique autour des câbles est aisée et ne cause aux câbles aucune dégradation, marque ou déformation. De plus, étant donné que la position des capteurs de champ magnétique par rapport aux conducteurs du câble est inconnue, la prise en compte du décalage angulaire entre capteurs et conducteurs permet d’augmenter la précision des valeurs d’intensité obtenues. L’invention offre de nombreuses applications, telles que l’identification de répartitions déséquilibrées du courant parfois révélatrices d’une alimentation défectueuse, l’anticipation de pannes de câble lorsqu’un conducteur atteint une température excessive ou encore la réduction de la consommation d’énergie électrique dans une installation. Dans un mode particulier de réalisation, l’étape de mesure consiste à mesurer simultanément, pour chacun des conducteurs, la composante tangentielle et la composante radiale du champ magnétique produit par le courant circulant dans le conducteur, au moyen de la pluralité de capteurs de champ magnétique. Cela permet de minimiser l’erreur sur les valeurs d’intensités obtenues, c’est-à-dire d’augmenter encore la précision de ces valeurs. Dans le même but que celui indiqué plus haut, la présente invention propose également un dispositif de mesure de l’intensité du courant dans un câble électrique comportant une pluralité de conducteurs, remarquable en ce qu’il comporte : la pluralité de capteurs de champ magnétique susmentionnée ; un moyen de traitement adapté à recevoir les valeurs des composantes du champ magnétique et à appliquer les étapes de détermination d’angle et de calcul de matrice inverse d’un procédé tel que décrit succinctement ci-dessus pour en déduire l’intensité du courant circulant dans chacun des conducteurs. Dans un mode particulier de réalisation, le dispositif comporte en outre un boîtier contenant la pluralité de capteurs de champ magnétique. Cela facilite l’installation du dispositif autour du câble, car il n’est ainsi pas nécessaire d’installer chaque capteur individuellement. Dans un mode particulier de réalisation, le boîtier est entouré d’un blindage électromagnétique. Cela permet d’empêcher la pénétration de perturbations électromagnétiques dues par exemple au champ magnétique terrestre permanent et à d’éventuelles sources de champ électromagnétique situées à proximité du câble et des capteurs. Dans un mode particulier de réalisation, le boîtier présente une section formée de deux demi-anneaux, adaptée au positionnement du dispositif autour du câble. Cette configuration permet une installation rapide du dispositif autour du câble, qui est donc logé au centre de l’ouverture circulaire formée par la réunion des deux demi-anneaux. Dans un mode particulier de réalisation, le dispositif comporte en outre au moins un capteur additionnel de champ magnétique adapté à mesurer le champ magnétique terrestre. Cela permet de prendre en compte la valeur du champ magnétique terrestre, qui peut ainsi être soustraite lors du traitement des valeurs de champ magnétique recueillies par les capteurs. Dans un mode particulier de réalisation, l’au moins un capteur additionnel est disposé à l’intérieur du boîtier et/ou à l’extérieur du boîtier. Toujours dans le même but que celui indiqué plus haut, la présente invention propose aussi un agencement de câble électrique comportant un câble électrique comportant une pluralité de conducteurs, cet agencement étant remarquable en ce qu’il comporte en outre au moins un dispositif tel que succinctement décrit ci-dessus placé autour du câble. Dans un mode particulier de réalisation, l’agencement de câble électrique comporte une pluralité de dispositifs tels que succinctement décrits ci-dessus, placés autour du câble à des intervalles prédéterminés les uns des autres. Cela permet d’assurer une mesure adéquate des intensités des courants dans les conducteurs du câble au cas où ces conducteurs seraient torsadés de telle sorte qu’ils seraient susceptibles d’influencer la sensibilité de la mesure des intensités. Les autres caractéristiques particulières et avantages du dispositif et de l’agencement de câble électrique étant similaires à ceux du procédé, 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 un organigramme illustrant des étapes d’un procédé conforme à la présente invention, dans un mode particulier de réalisation. est une représentation géométrique illustrant différents paramètres utilisés dans un procédé conforme à la présente invention, dans un exemple non limitatif où le câble électrique considéré comporte cinq conducteurs. est une représentation schématique d’un dispositif et d’un agencement de câble électrique conformes à la présente invention, dans un mode particulier de réalisation. est une représentation schématique d’un agencement de câble électrique conforme à la présente invention, dans un autre mode particulier de réalisation. Description de mode(s) de réalisation La présente invention considère un câble polyphasé, ou multi-conducteurs, à courant alternatif ou continu. On note N le nombre de conducteurs du câble. Ces conducteurs ne sont pas nécessairement identiques. L’invention repose sur la mesure locale d’au moins une composante du champ magnétique émis par les sources de courant, qui sont ici les N conducteurs, au moyen de capteurs de champ magnétique. En bref, étant donné qu’un câble polyphasé comporte plusieurs densités de courant provenant de ses N conducteurs, on peut dans un premier temps calculer le champ magnétique produit par le courant en utilisant la loi de Biot-Savart, puis inverser l’ensemble des mesures locales de composantes du champ magnétique en déterminant une matrice inverse, afin d’obtenir les intensités de courant provenant des N sources de courant. Ainsi, comme le montre l’organigramme de la , le procédé, conforme à l’invention, de mesure de l’intensité du courant dans un câble électrique comportant une pluralité de conducteurs, consiste à mesurer simultanément l’intensité du courant dans les conducteurs de la pluralité de conducteurs en effectuant une première étape E1 consistant à placer une pluralité de capteurs de champ magnétique autour du câble, en au moins un emplacement du câble. L’étape E1 peut par exemple consister à fixer autour du câble un ou plusieurs dispositifs conformes à l’invention contenant la pluralité de capteurs. Le dispositif conforme à l’invention est décrit plus loin en référence aux figures 3 et 4. Puis une étape E2 consiste à mesurer simultanément, pour chacun des conducteurs du câble, au moins une composante du champ magnétique produit par le courant circulant dans ce conducteur. Ces mesures simultanées sont effectuées au moyen de la pluralité de capteurs de champ magnétique. Dans un mode particulier de réalisation, la pluralité de capteurs de champ magnétique peut mesurer pour chaque conducteur uniquement la composante tangentielle ou uniquement la composante radiale du champ magnétique. En variante, pour plus de précision, la pluralité de capteurs de champ magnétique peut mesurer pour chaque conducteur à la fois la composante tangentielle et la composante radiale du champ magnétique. Ensuite, lors d’une étape E3, pour chacun des conducteurs, on détermine l’angle α entre ce conducteur et le capteur de champ magnétique de la pluralité de capteurs de champ magnétique le plus proche. L’angle α est défini par rapport au centre de la section du câble et en assimilant les conducteurs et les capteurs à des points. En effet, pour simplifier, on émet l’hypothèse que chaque conducteur présente une section infiniment petite et que le champ magnétique capté par chaque capteur est localisé en un point correspondant à l’emplacement du capteur. La illustre schématiquement à titre d’exemple nullement limitatif un câble de section circulaire comportant cinq conducteurs régulièrement répartis à l’intérieur du câble, qui sont assimilés à cinq points C1 à C5 équidistants les uns des autres sur la circonférence d’un cercle T. Seul le capteur de champ magnétique le plus proche du conducteur C1 a été représenté et est symbolisé par le point A. Le rayon du cercle T est désigné par r, la distance entre le conducteur C1 et le capteur A est désignée par d 1 , le segment de droite reliant le capteur A et le centre du cercle T est désigné par d’ 1 , l’angle au point A entre le segment de droite d’ 1 et le segment de droite reliant le conducteur C1 et le point A est désigné par β. Le champ magnétique capté par le capteur A est représenté par le vecteur B 1 , qui est orthogonal au segment de droite reliant le conducteur C1 et le point A. Pour un câble comportant N conducteurs produisant chacun un champ magnétique B i , i = 1, …, N, la composante B A du champ magnétique au point A provenant des N conducteurs est définie comme suit : où : B im est la composante du champ magnétique provenant du i ème conducteur captée par le m ième capteur ; les angles α i et β i sont définis pour le i ème conducteur de façon similaire aux angles α et β définis plus haut, respectivement ; d i désigne la distance entre le i ème conducteur et le capteur le plus proche ; µ 0 est une perméabilité magnétique équivalente qui prend en compte la présence de matériaux isolants dans le câble ; r est comme défini plus haut le rayon du cercle T ; et I im est la valeur de l’intensité du courant circulant dans le i ème conducteur et déduite de la mesure de champ magnétique effectuée par le m i ème capteur. Le nombre de capteurs de champ magnétique est au moins égal au nombre total N de conducteurs du câble. Ainsi, les intensités des courants dans les conducteurs sont liées aux composantes du champ magnétique mesurées, par la relation B = k.M.I où B est la matrice des composantes du champ magnétique mesurées dans tous les conducteurs par tous les capteurs, I est la matrice des intensités des courants circulant dans tous les conducteurs, M est une matrice comportant une pluralité de coefficients de proportionnalité dépendant des angles entre les conducteurs et les capteurs de champ magnétique et k est un coefficient prédéterminé. Il en découle I = (µ 0 /2π).M -1 .B, où M -1 est la matrice inverse de M. Ainsi, comme le montre la , à la suite de l’étape E3 de détermination de l’angle α entre chaque conducteur et le capteur le plus proche, on effectue une étape E4 consistant à calculer la matrice inverse M -1 , de façon à en déduire les valeurs des intensités I des courants dans tous les conducteurs du câble. A titre d’exemple nullement limitatif, pour N = 5 conducteurs et cinq capteurs de champ magnétique placés respectivement en des points A, B, C, D et E, l’expression analytique permettant de déduire les intensités des courants dans les conducteurs est la suivante : où I i , i = 1, …, 5 désigne l’intensité du courant circulant dans le i ème conducteur et B A , B B , B C , B D et B E désignent les composantes du champ magnétique respectivement mesurées par les cinq capteurs. La perméabilité magnétique équivalente µ 0 est une perméabilité macroscopique, qui rend le calcul plus simple que si on considérait la perméabilité magnétique locale. Dans un mode particulier de réalisation, l’angle α entre ce conducteur et le capteur de champ magnétique de la pluralité de capteurs de champ magnétique le plus proche est déterminé de façon à maximiser la fonction F suivante : où I i désigne l’intensité du courant circulant dans le i ème conducteur. Il existe diverses méthodes de convergence mathématique connues en soi pour maximiser F, telles que l’algorithme de Levenberg-Marquardt (appelé aussi algorithme LM) ou encore la méthode de Nelder-Mead. Comme le montre la , un dispositif 30 conforme à la présente invention, de mesure de l’intensité du courant dans un câble électrique 32 comportant une pluralité de conducteurs 34, comporte une pluralité de capteurs 36 de champ magnétique (cinq dans l’exemple non limitatif illustré) et un moyen 38 de traitement adapté à recevoir les valeurs des composantes du champ magnétique mesurées par la pluralité de capteurs 36 et à appliquer les étapes E3 de détermination d’angle et E4 de calcul de matrice inverse du procédé décrit plus haut, pour en déduire l’intensité du courant circulant dans chacun des conducteurs 34. Le moyen 38 de traitement peut être situé soit dans le dispositif 30, soit à distance de celui-ci, un moyen de communication étant alors prévu pour transmettre des capteurs 36 au moyen 38 de traitement les valeurs des composantes du champ magnétique mesurées. Lorsqu’il est situé à distance du dispositif 30, le moyen 38 de traitement peut être localisé dans un ordinateur portable ou non, une tablette, un smartphone ou autre moyen mobile de communication, ou encore être situé dans le cloud. Dans le mode particulier de réalisation illustré, le dispositif 30 comporte en outre un boîtier 31 contenant la pluralité de capteurs 36 de champ magnétique. Un tel boîtier est optionnel, les capteurs 36 pouvant être placés autour du câble sans être contenus dans une quelconque enceinte. Dans le mode particulier de réalisation illustré, le boîtier 31 présente une section formée de deux demi-anneaux 311 et 312, adaptée au positionnement du dispositif 30 autour du câble 32, les deux demi-anneaux 311 et 312 définissant par leur assemblage une ouverture dans laquelle passe le câble 32. Dans le mode particulier de réalisation illustré, le câble 32 a une section circulaire et l’ouverture formée par les deux demi-anneaux 311 et 312 est également circulaire et de diamètre légèrement supérieur à celui de la section du câble. Une fois le dispositif 30 placé autour du câble 32, les deux demi-anneaux 311 et 312 peuvent être reliés entre eux par exemple par l’intermédiaire d’une articulation du type charnière, ou être solidarisés l’un à l’autre par exemple au moyen de vis ou écrous ou d’autres moyens de fixation de préférence amovibles. De façon également optionnelle, le boîtier 31 peut être entouré d’un blindage électromagnétique évitant la perturbation des capteurs par d’éventuelles sources d’ondes électromagnétiques environnantes ainsi que par le champ magnétique terrestre permanent. Ce blindage peut être réalisé par exemple dans un acier spécifique. Qu’un tel blindage soit présent ou non, le dispositif 30 peut en outre être équipé d’un ou plusieurs capteurs additionnels 37 de champ magnétique adaptés à mesurer notamment le champ magnétique terrestre, afin de soustraire la valeur de celui-ci lors du traitement des valeurs des composantes du champ magnétique mesurées par les capteurs 36 de champ magnétique. Le ou les capteurs additionnels 37 peuvent être disposés à l’intérieur et/ou à l’extérieur du boîtier 31, ou encore directement autour du câble lorsqu’il n’y a pas de boîtier. Ainsi, un agencement de câble électrique conforme à la présente invention comporte le câble 32 et au moins un dispositif 30 placé autour du câble 32. Comme le montre le mode particulier de réalisation de la , l’agencement de câble électrique peut comporter une pluralité de dispositifs 30, placés autour du câble 32 à des intervalles prédéterminés les uns des autres. Le moyen 38 de traitement peut être unique et commun à l’ensemble des dispositifs 30. En variante, on peut prévoir un moyen 38 de traitement pour chaque dispositif 30 et des moyens de communication adaptés à la communication entre les divers moyens 38 de traitement peuvent éventuellement être prévus. Dans le mode particulier de réalisation illustré, les dispositifs 30 sont tous identiques, comportent chacun cinq capteurs 36 de champ magnétique et sont disposés à intervalles réguliers le long du câble 32. Une telle configuration permet de garantir une mesure des intensités des courants de haute qualité y compris dans le cas où les conducteurs 34 sont torsadés, par exemple du fait de conditions de fabrication et/ou de contraintes spécifiques, ce qui pourrait influer sur la sensibilité de la mesure des champs magnétiques. Le nombre de dispositifs 30 à placer autour du câble 32 et la distance entre chaque dispositif 30 sont bien entendu à définir selon le type de câble 32 considéré. L’invention peut s’appliquer à de nombreux types de câbles, tels que des câbles utilisés dans les bâtiments, qui sont conçus pour des tensions généralement inférieures à 1000 V, et des câbles de distribution, qui sont conçus pour des tensions généralement égales ou supérieures à 1000 V. Procédé de mesure de l’intensité du courant dans un câble électrique comportant une pluralité de conducteurs, caractérisé en ce qu’il consiste à mesurer simultanément l’intensité du courant dans les conducteurs de ladite pluralité de conducteurs en effectuant des étapes consistant à : placer (E1) une pluralité de capteurs de champ magnétique autour dudit câble, en au moins un emplacement dudit câble ; mesurer (E2) simultanément, pour chacun desdits conducteurs, au moins une composante du champ magnétique produit par le courant circulant dans ledit conducteur, au moyen de ladite pluralité de capteurs de champ magnétique ; pour chacun desdits conducteurs, déterminer (E3) l’angle entre ledit conducteur et le capteur de champ magnétique de ladite pluralité de capteurs de champ magnétique le plus proche, ledit angle étant défini par rapport au centre dudit câble et en assimilant lesdits conducteurs et lesdits capteurs à des points ; les intensités des courants dans lesdits conducteurs étant liées aux composantes du champ magnétique mesurées par la relation B = k.M.I où B est la matrice desdites composantes du champ magnétique, I est la matrice desdites intensités des courants, M est une matrice comportant une pluralité de coefficients de proportionnalité dépendant desdits angles entre lesdits conducteurs et lesdits capteurs de champ magnétique et k est un coefficient prédéterminé, calculer (E4) l’inverse M -1 de la matrice M, de façon à en déduire les valeurs desdites intensités des courants I = (µ 0 /2π).M -1 .B, où µ 0 est une perméabilité magnétique équivalente qui prend en compte la présence de matériaux isolants dans ledit câble. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape (E2) de mesure consiste à mesurer simultanément, pour chacun desdits conducteurs, la composante tangentielle et la composante radiale du champ magnétique produit par le courant circulant dans ledit conducteur, au moyen de ladite pluralité de capteurs de champ magnétique. Dispositif (30) de mesure de l’intensité du courant dans un câble électrique (32) comportant une pluralité de conducteurs (34), caractérisé en ce qu’il comporte : ladite pluralité de capteurs (36) de champ magnétique ; un moyen (38) de traitement adapté à recevoir les valeurs desdites composantes du champ magnétique et à appliquer les étapes (E3, E4) de détermination d’angle et de calcul de matrice inverse d’un procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes pour en déduire l’intensité du courant circulant dans chacun desdits conducteurs (34). Dispositif (30) selon la revendication 3, caractérisé en ce qu’il comporte en outre un boîtier (31) contenant ladite pluralité de capteurs (36) de champ magnétique. Dispositif (30) selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit boîtier (31) est entouré d’un blindage électromagnétique. Dispositif (30) selon la revendication 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que ledit boîtier (31) présente une section formée de deux demi-anneaux (311, 312), adaptée au positionnement dudit dispositif (30) autour dudit câble (32). Dispositif (30) selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu’il comporte en outre au moins un capteur additionnel (37) de champ magnétique adapté à mesurer le champ magnétique terrestre. Dispositif (30) selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit au moins un capteur additionnel (37) est disposé à l’intérieur dudit boîtier et/ou à l’extérieur dudit boîtier (31). Agencement de câble électrique comportant un câble électrique (32) comportant une pluralité de conducteurs (34), caractérisé en ce qu’il comporte en outre au moins un dispositif (30) selon l’une quelconque des revendications 3 à 8 placé autour dudit câble (32). Agencement de câble électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’il comporte une pluralité de dispositifs (30) selon l’une quelconque des revendications 3 à 8, placés autour dudit câble (32) à des intervalles prédéterminés les uns des autres.