généralité sur les méthodes de détection et localisation des défauts

Chapitre II : méthodes de localisation défaut câble

II. 3.3-Défaut de continuité

II.4- généralité sur les méthodes de détection et localisation des défauts

La surveillance des réseaux permet dès l’occurrence d’un défaut d’envoyer le message d'erreur, l'identification de la liaison câblée concernée et son isolement du reste du réseau. Le message d'erreur est tout d'abord analysé. A cet effet, on détermine dans un premier temps le type de câble, sa longueur et la structure du réseau ainsi que les causes apparentes possibles de la panne, tel que la présence de chantiers, travaux de rénovation ou autre. Les premières mesures servent à déterminer les résistances d'isolation de toutes les phases du câble.

II.4.1.1

Méthodes de pont

Toutes les méthodes de boucle sont définies à partir du schéma général du « Pont de Wheatstone », sauf une, qui est basée sur la comparaison des chutes de tension, mesurées sur un conducteur sain et sur le conducteur défectueux, présentant une très faible résistance d'isolement [10]

La méthode du « Pont de Wheatstone » est employée pour localiser les défauts d'isolement entre un ou plusieurs conducteurs continus ou entre un de ces conducteurs et la terre. Le conducteur servant de retour doit présenter une résistance d'isolement au moins 10 fois supérieure à celle du conducteur en défaut.

Figure(II.4) : pont de Wheatstone

II.4.1.2

méthode de boucle de Murray

La méthode de la boucle de Murray consiste à former une boucle en reliant l'extrémité d'un conducteur défectueux avec un conducteur sain (Figure II.5).

Figure(II.5) : méthode du pont de Wheatstone Soient :

d : la distance du défaut,

r : la résistance linéique du câble.

D : la longueur totale de câble

𝑅_𝑑 : Résistance d’isolement du défaut G : Générateur de courant continu

On a : R3 = (2L-x).r R4 = x. r.

Par ailleurs le pont de mesure est tel que la somme des résistances R1 et R2 est constante (pont à fil) : R1 + R2 = 2 R.

On a : R1 = 2 R - a R2 = a.

A l'équilibre du pont, on a : (2 R - a). x. r = a. (2 L - x).r d'où la valeur recherchée de x: 𝑥 = 𝐿^𝑎

𝑅

II.4.1.3 Boucle de Murray avec dérivations

Dans le cas de réseaux de câbles contenant des dérivations (figure II.6), on doit aussi faire des approximations successives ; on est conduit à court-circuiter successivement l’extrémité du câble principal opposée à celle de la mesure et les extrémités des différentes dérivations jusqu’à la révélation du défaut.

Figure(II.6) : cas de défaut sur dérivation II.4.2 méthode par mesure de capacités

Les méthodes de mesure de capacités sont utilisées pour la localisation de la coupure des conducteurs du câble. Les différents conducteurs devront présenter une résistance d'isolement supérieure à 10 Méga Ohm [10].

Le schéma de principe du pont de Sauty est celui de la figure (II.7) G : détecteur de courant alternatif.

A l'équilibre : ig = 0, on a :

𝑍₁. 𝑍₄ = 𝑍₂. 𝑍₃

Figure(II.7) : pont de Sauty

La localisation est basée sur la comparaison de la capacité du conducteur en défaut avec celle d'un conducteur sain de même capacité linéique ou avec les capacités fournies par des tables établies au cours d'expérimentation ou par catalogue de constructeur.

 Pont de Nernst

Pour obtenir l'extinction du signal au détecteur, lorsque le défaut de continuité du conducteur est doublé d'un défaut d'isolement, on doit placer en parallèle avec la capacité étalon Ce une résistance réglable afin de compenser le déphasage introduit par la résistance d'isolement du défaut (Figure II.8).

Le pont de mesure correspondant est appelé : pont de Nernst

Figure (II.8) : pont de Nernst 𝑅_𝑑 : Résistance de compensation.

𝑅_𝐶 : Résistance d’isolement de la capacité A l’équilibre : 𝑖_𝑑 = 0  𝐶_𝑥 = 𝐶 ^𝑃

𝐾

 Pont de Wien

Le pont de Wien est utilisé pour mesure la capacité des conducteur bien isolé à faible pertes.

𝑅_𝐶: résistance de compensation.

C : condensateur étalon 𝑟^′ : résistance de pertes.

A l’équilibre 𝑖_𝑑 = 0  𝐶_𝑥 = 𝐶^𝑃

𝐾

Figure (II.9) : Pont de Wien II.4.3 Méthode des ondes stationnaires

Cette méthode ne peut être utilisée qu'avec les câbles qui ne comportent pas de variation importante d'impédance caractéristique telle qu'une dérivation (impédance en parallèle) [10].

Elle s'applique :

— aux conducteurs présentant une coupure franche dont la résistance d'isolement est différente de l'impédance caractéristique du câble.

— aux défauts d'isolement de résistance inférieure à une dizaine d'ohms.

Figure(II.10) :schéma de principe –méthode des ondes stastionaires

Le câble défectueux est alimenté par un générateur de tension sinusoïdale à fréquence f variable. Si l'on fait varier cette fréquence, la déviation du voltmètre V passe successivement par des maximums et des minimums (Figure II.11).

Figure(II.11) : variation de la tension aux bornes du défaut en fonction de la fréquence

Si l'on désigne par f l'écart de fréquence entre deux maximums successifs, et par V la vitesse des ondes électromagnétiques dans le câble, la distance x du défaut à l'extrémité d'alimentation est donnée par :

En effet la tension appliquée au voltmètre résulte de la superposition de la tension de l'onde incidente et de la tension de l'onde réfléchie. Lorsque ces deux tensions sont en phase, il y a déviation maximale, lorsqu'elles sont en opposition de phase, la déviation est minimale.

En d'autres termes les interférences entre l'onde incidente et l'onde réfléchie font apparaître au long du câble des ventres (là où les amplitudes s'additionnent) et des nœuds (là où elles se soustraient).

L'ensemble de ces points reste stationnaire par rapport au point de réflexion (défaut) pour une fréquence donnée.

II.4.4

Méthodes échométriques

On appelle méthodes échométriques les méthodes de localisation de défaut basées sur des mesures de vitesse de propagation d'ondes électromagnétiques dans le câble [10].

II.4.4.1 méthode échométrique en impulsion BT

Dans les méthodes Basse Tension de localisation de défauts, les impulsions envoyées dans le câble sont délivrées par un générateur incorporé à l'échomètre. La valeur de crête des impulsions est de l'ordre de la centaine de volts, la largeur de celles-ci peut être choisie à l'aide d'un commutateur entre plusieurs valeurs généralement comprises entre 0,1 et 10 s environ. Le choix de la largeur de l'impulsion donc de son énergie est fonction de la longueur du câble. Le temps séparant deux impulsions successives est très supérieur à la durée de parcours dans les câbles de longueur habituelle.

II.4.4.1.1

Méthode de réflexion sur l’arc

La genèse de cette méthode est finalement assez simple et résulte de l’observation de la technique du brûlage [11].

En effet, dans son premier état, la phase en défaut est échométriquement saine, et lors de la deuxième mesure, on traite un défaut très faiblement résistant, proche du court-circuit.

Les constructeurs ont donc mis au point une alternative au brûlage permettant d’en éliminer ou minimiser les inconvénients. Le schéma de raccordement est celui de la (figure II.12).

Figure (II.12) : Réflexion sur l’arc : schéma de raccordement

Le défaut ayant une valeur de Rd supérieure à 150 Ω (réseau sans dérivation) ou 50 Ω (réseau avec dérivations), l’émission d’une onde de choc y provoquera l’allumage d’un arc. D’un point de vue électrique, un arc est assimilable à un court-circuit.

On note que la connexion simultanée du générateur d’ondes de choc et de l’échomètre au câble pose un problème : les constructeurs y ont répondu au travers de la conception de filtres séparateurs d’énergie (figure II.13).

Figure (II.13) : Schéma sommaire d’un filtre réflexion sur l’arc

II.4.4.2 Méthodes d’échométrie en impulsion de courant

Le terme « impulsion de courant »fait référence au mode de détection des impulsions. En fait, on travaille effectivement avec des impulsions hautes tension qui seront produites soit à partir d’un générateur de tension, soit à partir d’un générateur d’ondes de choc.

Les grands principes de ces méthodes ont été découverts par le Docteur Phil GALE au milieu des années 1970 [12].

Figure(II.14) :Échométrie en impulsion de courant : montage

Elles sont fondées sur le principe suivant (figure II.14) : un courant 𝑖_𝑖 circule dans un conducteur et l’on place à proximité de celui-ci une inductance L fermée sur une résistance R; on mesure, aux bornes de R, une quantité proportionnelle à di/dt. De plus, vis-à-vis des phénomènes transitoires, L joue le rôle d’une antenne, qui capte principalement la fréquence dont le quart d’onde correspond à la longueur du câble (λ/4 =D). On peut donc avoir un échogramme sélectif. Lorsqu’une onde de choc est appliquée entre l’âme et l’écran du câble, le courant 𝑖_𝑖 circule comme indiqué sur la figure(II.14).

II.4.4.2.1 Méthode directe en tension

Cette méthode concerne uniquement les défauts de type isolement éclateur, et est exclusivement réservée aux réseaux sans dérivation(ou bien si un défaut est situé sur le 1^er tronçon, situé avant la 1^er dérivation).

On utilise donc le générateur de tension (courant limité à 10 mA) en injectant sur la seule phase en défaut. On doit sélectionner le coupleur linéaire situé sur la sortie du générateur, encore appelé coupleur commun, et on positionne l’échomètre dans le mode approprié, selon le modèle et la marque (figure II.15)

Figure(II.15) : Méthode directe en tension

On augmente la tension jusqu’à la relaxation. Dès qu’on atteint Ua, la tension d’amorçage, le défaut se comporte comme un générateur d’ondes de choc en concentrant toute l’énergie emmagasinée dans le câble/condensateur. Des deux Impulsions haute tension qui sont générées, seule celle qui revient vers le véhicule et l’échomètre est utile à la mesure. Lorsque l’impulsion passe au droit du coupleur linéaire (après réglage de l’amplification d’entrée), l’échogramme commence à se dessiner.

II.4.4.2.2 Méthode directe en choc

Cette méthode concerne tous les défauts de type isolement résistant, et est exclusivement réservée aux réseaux sans dérivation(ou bien si un défaut est situé sur le 1^er tronçon situé avant la 1^re dérivation). Les défauts éclateurs seront bien mieux pris en compte par la méthode directe en tension ou par la méthode de réflexion sur l’arc On utilise ici le générateur d’ondes de choc en injectant sur la seule phase en défaut. On doit sélectionner le coupleur linéaire situé sur la sortie du générateur, encore appelé coupleur commun, et on positionne l’échomètre dans le mode approprié selon le modèle et la marque (figure III.16).

On choisit la tension de choc en fonction du défaut éclateur, on règle la tension de choc à Ua+1 à 2 kV. Si le défaut est de type isolement résistant, on commence par sélectionner le calibre le plus bas (8 kV de 8/16/32 kV) et on augmente la valeur de réglage.

Seul, l’essai permettra de valider la tension de l’essai. L’émission du choc doit se traduire

clairement par un écroulement massif de la tension indiquée par le voltmètre. Au besoin, on passe sur le calibre supérieur.

Figure(III.16) : Méthode directe en chocs : schéma de raccordement II.4.5 traçage du câble

Il permet de déterminer le cheminement du câble et de suivre son tracé sur la voie publique.

Le dispositif est constitué d’un générateur installé à l’une des extrémités du câble injectant une fréquence dans celui-ci.

Un traceur comprenant une bobine de détection permet à un technicien de repérer le câble et de le suivre.

Figure (II.17) : montage de traçage du câble

Si on fait circuler un courant alternatif i dans un conducteur relié à la terre (l’écran du câble étant isolé), il existe en un point quelconque M, un champ d’induction magnétique à symétrie cylindrique proportionnel à i/r (où r est la distance du câble au point M)

On utilise un courant à fréquence comprise entre 400 et 1 200 Hz. [13]

Le détecteur est constitué d’une bobine à ferrite munie d’un amplificateur ; le casque permet l’écoute de l’image audible du signal. Tout en avançant dans le sens du câble, l’opérateur croise le tracé du câble en balayant le tracé présumé avec la canne de mesure.

II.4.5 Localisation précise du défaut

Les méthodes de prélocalisation ne permettent d’obtenir une mesure qu’avec une incertitude comprise entre quelques pourcents et jusqu’à 15 à 20 %. La précision de la mesure dépendra de la qualité du calibrage de l’échomètre, de la connaissance précise des caractéristiques de la liaison et de la méthode utilisée.

Il n’est pas raisonnable de prendre le risque de faire réaliser une ouverture de fouille sur cette prélocalisation. C’est économiquement irréaliste.

II.4.5.1 Méthode des ondes de choc

La méthode de l'onde de choc est basée sur la détection à la surface du sol de l'amorçage provoqué à l'endroit du défaut par l'onde de choc produite par un générateur raccordé à l'une des extrémités du câble.

Les ondes de choc sont produites par la décharge dans le câble, à travers un éclateur, de condensateurs de capacité C chargés sous la tension V à l’aide d’un générateur à courant continu.

L’intensité du bruit produit par les amorçages à l’endroit du défaut dépend, dans une large mesure, de l’énergie de chaque onde de choc, c’est-à-dire, finalement, de l’énergie W emmagasinée dans les condensateurs, qui s’écrit :

𝑤 =¹

2𝐶. 𝑈²

Pour effectuer la localisation dans de bonnes conditions, une énergie de charge des capacités de 1 000 J en BT et 2 500 J en MT ou en HT est nécessaire dans les zones urbaines. Pour obtenir la plus grande énergie dissipée au défaut il y a lieu d'utiliser la plus haute tension - que peut supporter sans dommage le réseau (il est recommandé de mettre l’extrémité opposée du câble à la terre pour éviter un doublement de la tension à cette extrémité). Cette tension maximale admissible,

déterminée par l'écartement de l'éclateur ou le réglage du générateur à courant continu, est fonction de l'état des câbles et des accessoires. Elle doit rester inférieure à 3 x U0 (U0 étant la tension

spécifiée du câble). Cette limite peut être portée à 4 x U0 pour les câbles neufs.

Figure(III.18) : Principe des ondes de choc

II.4.5.2 détection des amorçages

 Détection acoustique

Un ou plusieurs agents sont envoyés dans la zone présumée pour déceler le bruit provoqué par l'amorçage des ondes de choc au droit du défaut.

L'écoute peut se faire à l'aide

 de stéthoscopes constitués par une tige isolante de longueur 1,2 m environ, terminée par une plaquette de bakélite ;

 de sismophones à mercure, appareils beaucoup plus sensibles que les précédents ;

 d'appareils à amplificateur électronique à microphone ou capteur de vibrations. Avec ces appareils, pour opérer dans des conditions favorables, il ne faut pas pousser l'amplification au maximum, mais au contraire rester à la limite d'audibilité afin d'avoir une grande sensi-bilité.

 Détection électromagnétique

Une bobine raccordée à un oscilloscope détecte le champ magnétique dû au courant de décharge. Le sens du signal s'inverse à l'endroit du défaut [10].

Figure(III.19) : détection acoustique et électromagnétique.

II.5 Conclusion

La recherche de défauts sur les câbles d’énergie se réalise en trois étapes : l’identification, la prélocalisation, puis la localisation précise. Ce chapitre décrit les méthodes de prélocalisation, autres que l’échométrie, notamment la méthode de la boucle de Murray. Compte tenu de l’incertitude des mesures de prélocalisation, des méthodes permettant de localiser les défauts avec plus de précision sont nécessaires.

Dans le chapitre suivant, les méthodes ondes mobiles de localisation du défaut seront présentées et discutée. La Méthode de Bewley sera particulièrement détaillée.

III.1 Introduction :

La protection de l’environnement se traduit depuis plusieurs années par l’augmentation du nombre de réseaux électriques enterrés.

Dans les villes modernes les câbles souterrains ont supplanté les lignes aériennes de transport d’énergie électrique. La détection et la localisation de défauts dans ces câbles revête un intérêt majeur pour la maintenance et la continuité de service. Diverses méthodes ont été développées dans ce but, parmi celles-ci on trouve la méthode des ondes mobiles qui exploite un principe de la physique basé sur la loi de propagation des ondes mobiles. Sur ce type de réseau, lorsqu’un dysfonctionnement survient en phase d’exploitation, procéder au remplacement complet de la liaison électrique endommagée peut s’avérer très long et coûteux. La méthode des ondes mobile trouve son intérêt et rend la détection et la localisation d’éventuel défaut aisé. Dans ce chapitre nous allons exploiter une des méthodes des ondes mobiles celle de Bewley

III.2 Modélisation des lignes

Les phénomènes transitoires doivent être analysés dans les étapes de conception des réseaux pour assurer leur optimisation et garantir leur robustesse. Optimisation implique opération proche des limites techniques et réduction des coûts. Robustesse sous-entend continuité de service, fiabilité, sécurité et qualité. Par ailleurs, la compréhension des phénomènes transitoires est essentielle dans les analyses menées quand surviennent des défaillances d’équipement ou des fonctionnements anormaux.

La méthode de diagnostic des lignes repose sur la théorie des lignes, qui permet de modéliser le comportement électrique des lignes de transmission.

Afin de mieux appréhender leur principe, nous commençons par exposer les bases de cette théorie pour un cas simple de ligne de transmission de longueur l. [14]

Une ligne de transmission peut être modélisée par une succession de tronçons élémentaires (modèle dit à constantes réparties), chacun représenté par le schéma de la Figure (III.1),

où

L représente l’inductance linéique [H.m−1], C la capacité linéique (F.m−1), R la résistance linéique [ῼ m−1] et G la conductance linéique [S.m−1].

Les éléments R, L, C, G sont appelés paramètres primaires de la ligne. L’application des lois de Kirchhoff aboutit aux équations 1.1 et 1.2 qui conduisent aux équations des télégraphistes (cf.eq.1.3 et 1.4).

L’équation différentielle qui régit une ligne de transmission dont les paramètres ne varient pas en fonction de la fréquence, est obtenue en analysant une section infinitésimale de ligne ∆x (figure III.1). La ligne est connectée aux deux nœuds k et m.

Figure(III.1) : modèle à constante réparties

Les solutions de ces équations résultent de la combinaison d’une onde incidente (v+ et i+) et d’une onde réfléchie (v− et i−) se propageant à la vitesse Vg dans le câble.

( , )

= − . ( , ) − ^{( , )} (1.1)

( , )

= − . ( , ) − ^{( , )} (1.2)

² ( , )

² = . ^{² ( , )}

² + ( . + . ) ^{( , )}+ . . ( , ) (1.3)

² ( , )

² = . ^{² ( , )}

² + ( . + . ) ^{( , )}+ . . ( , ) (1.4)

Le courant et la tension, le long du câble peuvent être exprimés en régime harmonique sous cette forme :

V(x, w, t) = V(x, w).

I (x, w, t) = i(x, w) .

étant la pulsation (rad/sec)

( , ) = + = ( ). ( , ).

= ( + ). ( + ) = + = (1.5)

 Représente la constante de propagation et zc l’impédance caractéristique de la ligne. Elle devient

La solution à ces équations peut être obtenue par simulation numérique :

L'équation du télégraphiste régi l'évolution des impulsions électriques (phénomènes transitoires) dans les lignes de transmission :

G = admittance ( inverse de la résistance d'isolement par unité de longueur), responsable de l'atténuation.

Si l’on néglige les pertes :

=

^²

+ (3.2)

L'ajout d'un terme comportant la dérivée première compliquera le traitement par les différences finies.

III.4 méthode des ondes mobiles

III.4.1 principe de la méthode

Pour étudie les problèmes dans les câbles souterrains par la méthode des ondes mobiles, on représente le câble par certaine inductance L, et d’une certaine capacitance C.

La distribution graduelle de la tension peut être assimilé à une onde de tension se déplacement d’une extrémité à l’autre avec un certain retard.

Ainsi ces ondes de tension appliquées au tronçon du câble et les ondes de courants qui leur sont associées se propagent la longe de câble.

Ces ondes sont appelées « les ondes mobiles » [15]

III.4.2

diagramme de Bewley

C'est la méthode classique pour déterminer la tension u(x,t) à des points discrets le long d’une ligne ou d’un câble. Elle permet de donner la position et la direction de toute onde incidente, transmise ou réfléchie. Elle consiste à additionner toutes les tensions (incidentes et réfléchies) arrivées au point x durant l'intervalle [0, t].

III.4.2.1 Lois physique exploité pour la détection et la localisation de défaut

La propagation d’une onde le long d’un milieu homogène ne donne lieu à une réflexion que si l’onde rencontre une discontinuité du milieu suite à un changement de sa caractéristique propre.

Donc si on injecte une onde le long d’un câble ou d’une ligne, chaque changement de son impédance caractéristique donne lieu à une réflexion. Cette propriété a été exploitée par Bewley pour élaborer sa théorie sur les ondes mobiles.

Considérons une ligne de longueur L, avec les constante réparties : r ; l ; g; c γ est la constante de propagation de la ligne de transmission, et

E est l'amplitude de l'onde de tension au niveau de l'extrémité émettrice.

Alors l'amplitude et la phase de l'onde qu'il atteint une section distance x de l'extrémité d'envoi est Ex donné par :

= = ⁽ ⁾ = . (3.4)

: Atténuation sur x (α coefficient d’atténuation [neper/km]

Changement de phase sur x (β angle de phase [rad/ km]

K facteur d’atténuation de la ligne =

Soit est le temps nécessaire à une onde de transiter d’une extrémité la ligne à l'autre et k le facteur d'atténuation correspondant.

Quand une onde incidente franchie une jonction entre deux ligne d’impédance Z1 et Z2 une partie

 sera transmise le reste, sera réfléchi.

en traversant la 2^ème ligne de coefficient d’atténuation k sa valeur sera réduite à (k - ) III.4.2.1 Construction du diagramme

Dans le document Projet de fin d’études Pour l’obtention du diplôme de Master en : Domaine : SCIENCE ET TECHNOLOGIE Filière : GENIE ELECTRIQUE Spécialité : Réseaux électriques technique de la haute tension (Page 20-0)