Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
3~
La présente invention a trait ~ la détection de
proximité d~une ou plusieurs sources haute-tension et
concerne plus par-ticulierement une méthode et un système
destinés à détecter la proximité de lignes électriques c.a~
haute-tension~ Le but est de fourni.r une aide ~ l'opéra-teur
d~un équipement lourd en llavertissant du danger de contact
avec une ligne électrique haute-tension~
Chaque année, un nombre de plus en plus impression~
nant de travailleurs subissent des blessures ou des lésions
physiques ou physiologiques pouvant parfois créer des
pathologies sévères dues à des chocs électriques résultant
du contact de la structure métallique de la flèche cl'une
grue mobile pivotan-~e, d~une plate ~orme élévatrice ou tout
autre équipement analogue~ Afin de pallier à ce danger,
plusieurs systèmes de détection de proximité de lignes
électriques sont disponibles sur le marché. Ces appareils
préconisent essentiellement des arrangements équivalents
basés sur la mesure des tensions d'équipotentielles. Nous
~avons qu7il se batitautour des lignes électriques actives,
un champ électrique dont l'intensité décro~t suivant des
lignes d'équipotentielles de sorte que le potentiel captable
augmente au fur et à mesure que décroit la distance entre
le capteur et la ligne électrique le maximurn étant atteint
lorsque cette distance devient nulle. Dans les capteurs
connus, la tension d'équipotentielle captée est mesurée et
comparée à une tension seui.l dorlt tout dépassernent déclenche
un signal d'alarme~
Un des défauts majeurs est que le signal r~cueilli
tend vers une valeur limite qui est la tension phase~terre
de la ligne. Ceci implique qu'en présence de deux lignes de
niveaux de tensions différentes,on risque de toucher à la ligne
~9J
3~
de plus basse tension sans déclencher l~alarme. En e~fe~9
un seuil d'alarme acceptable pour la ligne de plus haute
tension peut être supérieure ~ la ten~ion même de 11autre
ligne. Mentionnons aussi la vulnérabilité des mesures
d'équipotentielles facilement perturbées par le changement
des structures environnantes. A ces inconvénients s'ajoute
la difficulté de rnesurer les equipotentielles dues au~ très
~autes impédances impliquées.
La présente invention vise ~ contrer les inconvé-
nients des systèmes connus en préconisant une méthode et unsystème de détection de pxoxirnité de lignes électriques qui
est basé sur la mesure du courant capacitif émanant d'une
ligne électrique sous tension. Pour une ligne donnée, à une
tension donnée, l'intensité de ce courant capacitif est une
fonction de la distance séparant le capteur de la ligne
électrique. Dans une telle situation on peu-t donc utiliser
cette information pour évaluer la proximité de la ligne.
Cette méthode de détection amène une arnélioration
importante par rapport aux principes de mesure de la tension
d t équipotentielle puis~ue l'intensité du courant capacitif
augmente très rapidement lorsque décroit la distance séparant
le capteur de la ligne électrique, elle devlent théoriquement
infinie lorsque cette distance est nulle~ Rar cette méthode~
la valeur seuil qui indique le point limite au delà duquel
le danger de contact s'avère imminent est toujours atteinte
quelle que soit la tension de la ligne électrique. De plu5
le principe de mesure basé sur le courant capacitif réduit
considérablernent les effets de perturbations dus aux change-
ments des structures environnantes. Finalernent la mesure
du courant n'implique plus l'utilisation de circuits à très
haute impédance.
-- 2 --
3~
En consé~uence, la présente invention vise de ~a~con
générale un systeme de détection de proximité de lignes
électriques sous tension c~a. et créant un champ électrique
résultant. Le système comporte un ensemble capteur recueil-
lant par effet capacitif, un courant dont l'intensité est
principalement une fonction de la distance séparant ledit
ensemble capteur de ladite ligne électrique. Le système
comporte aussi une unité de mesure et de conditionnement qui
convertit ledit courant en un signal codé. Des moyens
avertisseurs reliés à l'unité de mesure et de conditionnement
génèrent un avertissement lorsque ledit signal codé atteint
des valeurs prédéterminées.
La présente invention concerne également une
méthode de détection de proximité d'une ligne électrique
sous tension c~a.~ créant un champ électrique résultant7
qui est définie par les étapes suivanteso on capte par
effet capacitif un courant dont llintensité est une fonction
de la distance séparant un ensemble capteur de la ligne
électrique, on mesure ensuite l'intensité du courant
~0 recueilli dans llensernble capteur à l'aide d~une unité de
mesure et de conditionnement, on conditionne et l'on code
cette mesure dans cette même unité afin de transmettre un
signal vers un poste-ma~tre, on manipule ce signal dans le
poste-maitre afin d~établir des relations de comparaison
avec des consignes prédéterminées, on déclenche finalernent
des moyens avertisseurs si le résultat de ces comparaisons
rencontre certains criteres préétablis.
Un e~emple d1application est décrit ci-après
avec référence aux dessins annexés.
La figure 1 présente de fa~on tres schéma-tique
l'installation sur une grue d'un détecteur de lignes
électriquesO
-- 3 ~
La ~i~ure 2a est un graphique montrant le si~nal
de mesure de tension d'équipotentielle en fonction de la
distance séparant le capteur de la ligne électrique.
La figure 2b est un graphique montrant l~allure
des signaux de mesure du courant capacitif en fonction de la
distance séparant le capteur de la ligne électrique.
La figure 3 illustre un schéma des impédances de
charge d'une surface métallique qu'on utilise comme élément
de mesure vis-~ vis une ligne électrique.
La ~igure 4 est un graphique montrant des courbes
de variations de signaux mesurées en fonction de la distance
capteur-structure métallique, pour les deux méthodes de
mesure.
La ~igure 5 montre de façon schématique un diagramme
bloc d'une unité de mesure et de conditionnement appelée
aussi poste-satellite pour ce système de detection.
La figure 6 montre un schéma bloc d'une installation
typique d~un système de détection de lignes électriques.
La figure 1 illustre de facon tres schématique le
principe de détection de proximité d'une ligne électrique 1
par effet capacitifO ~ne grue 2 manoeuvre près de la ligne
électrique 1 et comporte une ~lèche 5 à llextrémité de
laquelle est monté un ensemble capteur 3 qui est disposé à
une distance D du faisceau de conducteurs de la ligne électri-
que 1 et à une distance d de la structure métallique de la
flèche 5. A une certaine distance D de la ligne électrique,
la tension de la ligne induit dans le capteur 3 un courant
dont l'intensité est mesurée à l'aide de llunité de mesure
et de conditionnement dans le poste-satellite 4 situé près
de l~antenne 3. L~unité de commandes et de contrôle 6,
appelée aussi poste ma~tre, est reliée au poste-satellite 4
par un cable de liaison 7. Ce poste-maitre 6 est aussi
3~
relié à des organes avertisseurs afin de générer des alarmes
comme moyens d'aide à l'opérateur dans l'évaluation de situa-
tions dangereuses et aussi muni d'un dispositif de cornmande
d'auto-ajustement lors de la procédure ~e mise en route.
A la figure 1, l'ensemble capteur-ligne électrique
forme un condensateur C~ Cette capacité s~exprime par la re-
lation générale suivante:
C = G' (D,d~S~r~ll 2)
où G est un signe définissant une fonction, D est la distance
ligne-capteur, d la distance capteur-flèche, s la surface du
capteur, r la permittivité relative du milieu,ll est l'effet
de la géométrie de la ligne,~2 est l'effet de la géométrie
des structures métalliques environnant le capteur. Dans le
cas du présent système de détection de lignes électriques cer-
tains de ces paramètres sont fixes, d'autres sont volontaire-
ment fixés lors de la conception, enfin certains sont négligea-
bles ou rendus négligeables par la méthode de mesure utilisée.
Le seul paramètre significatif est devenu la distance capteur-
ligne D. On en déduit donc une relation simplifée de forme:
C = G(D)
où G est un signe définissant la -fonction et D est la distance
ligne-capteur. Cette relation permet de considérer que le cou-
rant recueilli dans l'ensemble capteur a une intensité Ic qui
est une fonction de la distance D séparant le capteur de la li-
gne et de la tension V de la ligne. Ceci peut s'exprimer par
l~équation suivante: Ic = (2~fV) C C = G(D)
où C est la capacite ligne-capteur, D la distance ligne-capteur,
Ic le courant capacitif, f la fréquence de la tension Y de la
ligne électrique.
Le présent système de détection par mesure du courant
capacitif, offre des avantages considérables lorsque comparé
aux systèmes antérieurs basés sur la mesure des tensions d'équi-
potentielles. La figure 2a illustre graphiquement les signaux
-- 5 --
~ f ~;
,~
de mesure de tension d'équipotentielle en fonction de la
distance séparant le capteur de la ligne électrique. Le
graphique présente l'évolution du signal de tension Vc
lorsque le capteur est dans le voisinage d~une ligne de 230 kV,
ou dans le voisinage d'une ligne à 25 kV. On no-te que dans le
cas ou le seuil de déclenchemen-t d'alarme d~un tel système
a été fixé à une valeur Vl afin de limiter la course de
l'equipement ~ une distance Dl de la ligne~ ce même systèrne
pourrait être inopérant lorsq~'utilisé à proximité d'une
ligne de 25 kV puisque le seuil Vl est une tension supérieure
à la tension même de la ligne de 25 kV. Cette situation est
excessivement dangereuse car dans ce cas il pourrait ~ avoir
contact de l'équipement avec la ligne sans déclenchement
d'alarme.
On pallie à cet inconvénient grave par la méthode
de mesure du courant capacitif. La figure 2b illustre ce
courant Ic dont l'intentisé est une fonction de la distance
ligne~capteur et de la tension de la ligne. Cette figure
illustre l'évolution des signaux Ic pour deux cas particuliers
soit une ligne de 230 kV et une ligne de 25 kV. Dans cet
exemple on voit que même si le seuil de déclenchement d'alarme
est fixé à la valeur Il afin de limiter l'excursion de la
flèche à une distance Dl dans le cas d'une ligne de 230 kV:
il y aurait effectivement un déclenchement D2 même au seuil
non corrigé Il. Ainsi dans cet exemple un signal d'alarme
sera quand meme émis meme si la distance D2 risque d'être
moindre que la distance réglementaire exigée pour une ligne
de 25 kVo
Tout ceci tient au fait que la valeur du courant
capacitif Ic tend théoriquement vers l'infini et non pas à
une valeur fixe comme dans le cas de la mesure de tension
d'équipotentielle~ En conséquence, le fait d'utiliser la
mesure du courant capacitif arnène un élément de fiahilité
supplémentaire~
L'utilisation du principe de la mesure du courant
capacitif sur lequel s~appuie la présente invention, offre
d'autres avantages importants lorsqu'on considère la
réalisation technique de l'unité de mesure et de conditionne-
ment de ce système. En effet un aspect important associé à
cette méthode réside dans la valeur de l'impédance d'entrée
du circuit de mesure dans le poste satellite. Dans le cas
de la mesure de tension d'équipotentielle, comme pour toute
mesure de tension d'ailleurs, un circuit à haute impédance
dlentrée par rapport ~ l~impédance de source doit etre
utilisé. Dans le cas spécifique des éqvipotentielles,
l'impédance de source vue par le système de mesure est de
l'ordre de plusieurs centaines de mégohms. Il devient
extremement difficile de réaliser des systèmes de mesure
qui ne perturbent pas le-phénomène en cause. Par c~ntre
une mesure de courant capacitif nécessite l'utilisation d 7 une
très faible impédance d'entrée par rapport à l'impédance de
source, ce qui est fort avantageux dans ce cas particulier.
~ a figure 3 permet d'expliquer un autre avantage
relié à l'utilisation du principe de base de la présente
invention utilisant la mesure du courant capacitif recueilli
dans un ensemble capteur. Cette figure 3 est un schéma du
modèle électrique montrant les effets causés par la présence
de structures métalliques d'une grue ou d'autres équipements
analogues sur la rnesure du signal présen-t sur une plaque
métallique 3. Pour obtenir une mesure valable du signal,
qu'on veut une représentation de la dis-tance ligne-capteur~
il est nécessaire de minimiser les ~uites CF et RF qui
drainent le signal vers la terre via des struc-tures métalliques
environnantes. Dans la mesure d'équipotentielles~ les
impédances dSentrée Zi d'un circuit de mesure 8 étant tres
élevées, les fuites perturbent considérablement la mesure
qui devient tout à fait inacceptable dès qu'il y a présence
de structures métalliques avoisinant le capteur. Sachant
que la capacité de ~uite CF est un terme variable qui
dépend principalement de la position relative du cap-teur
par rapport aux structures métalliques, il apparalt que
dans la mesure d'équipotentielles le signal recueilli sera
fortement dépendant de la distance séparant le capteur de
cette structure. Cependant, dans le cas de la mesure de
courant capaciti~, 1 t impédance d'entrée Zi d'un circuit de
mesure 8 étant ~aible, l'influence des fuites à la structure
sera considérablement diminuée et ainsi la mesure demeure
tout à fait acceptable.
La figure 4 illustre bien le précédent énoncé où
la courbe A montre l'évolution du signal de mesure d'une
tension d~équipotentielle en fonction de la distance séparant
le capteur de la flèche dtune grue; la courbe B montre
l'évolution du signal de mesure de courant capacitif en
onction de cette meme distance capteur-flèche. On note que
la rnesure est appréciablement moins perturbée par la présence
cle structures métalliques lorsque la présente méthode de
mesure de courant capacitif est utilisée. Ceci ajoute
d'autres avantages au syst~me proposé puisque le c~pteur peut
être monté de fa~on ponctuel et près de la flèche d t un équipe-
ment réduisant du meme coup 1 t encornbremerlt .
Dans le présent mode de réalisation, le processus
de traitement pour l~extraction de l~inforrnation contenue
dans la mesure de courant capacitif est réalise en deux étapes
distinctes. On procède en premier lieu a une série de -trans~
-- 8 --
:~orma~ions ~ 1 ' intérieur d t une urli té cle mesure e t ~le
conditionnement 4 appelée poste-satellite et situe près de
ltensemble capteur 3. cette unité est illustrée ~ la figure
5~ Par ailleurs, le traitement ~inal ainsi que les décisions
d'alarme sont réalisés dans l'unité de commande et de
contrôle appelée poste-maitre 12 ~ la figure 6. Ce poste-
maître est 1 t unité du système qui est accessible à 1 t opérateur
de la grue pour interaction via les commandes 15.
Se référant à la ~igure 5, le poste-satellite 4
est relié d'une part au capteur 3 ~ui recueille le courant
capacitif et dtautre part au poste-ma~tre 12 de la figure 6
par un cable de liaison 7 qui véhicule des signaux codés entre
ces deux postes. Le poste-satellite 4 comporte un circuit
de mesure de courant 8. Le signal de tension issu du
circuit de mesure 8, est traité localement par les circuits
de conditionnement 9 a~in de fournir une mesure fiable en un
premier temps et aussi afin d~être codé pour la transmission
vers le poste-ma~tre en dernier lieuO Un dispositif de
contr81e et de commande local 10~ constitué d'un micro-
processeur et de ses circuits annexes, est responsable dudéroulement de ltensemble des opérations du poste-satellite
49 y compris les opérations relatives ~ la cornmunication
sur le câble de liaison 7~ Un dispositif d1auto-surveillance
11 assiste 1 t unité 10 dans la supervision du bon fonctionne-
ment de 1 t ensemble du poste-satellite 4 y cornpris le capteur 3.
Il est entendu que les circuits 8, 9, 10 et 11 peuvent etre de
nature variée comMe celà est évident pour l'homme de l'art.
La figure 6 montre le schéMa bloc d'une installation
typique cons-tituée d'un poste-maître 12 et de plusieurs
postes-satellites 4A, 4B, 4C, respectivement reliés aux
capteurs 3~, 3B, 3C; le tout étant .i.nterconnecté à l'aide
~'
3~
du câble de liaison 7O Ce c~ble de liaison 7 véhicule les
signau~ codés du poste-ma~tre 12 vers les postes satellites
et de chacun des postes-satellites vers le poste-maltre. Il
permet aussi d'acheminer l~alimentation électrlque vers les
postes-satellites.
L~installation type d t un système de détec-tion de
proximité de lignes électri~ues présenté aux figures 5 et 6
comporte plusieurs niveaux de traitement de signaux a~in de
réaliser la fonction finale qui est d~assister l'opérateur
dans la détection de la proximité d'une ligne électrique~
Le traitement se divise en deux étapes principales qui corres-
pondent d'ailleurs aux deux types d'unités composant le
système soit les pos~es satellites et le poste-maitre~
Dans chaque poste-satellite le traitement concerne
principalement la mesure de courant capacitif ainsi que le
conditionnement sur ce signal afin de le rendre fiable pour
le système et disponible au poste-maitre. La première phase
consiste à mesurer un courant capacitif qui peut évoluer
sur une plage dynamique d'environ 100 dB. Cette opération
est exécutée par le convertisseur courant-tension dans 8 à la
figure 5. Ce convertisseur étant cornmandable par 17 unité de
contr~le et de co~nande locale 10~ on réalise ainsi un
dispositif de mesure adaptatif avec lequel on peut mesurer
des signaux sur une grande plage dynamique avec une précision
suffisante pour nos besoins. Dans le but d'é~iminer la
plupart des effets des bruits parasites du milieu, nous avons
implanté dans le poste-satellite des mécanlsmes de réjection
de ces perturbations. L~imrnunité aux bruits du système se
réalise en particulier en trois points précis. Premièrement
un dispositif de filtrage des signaux analogiques est incorporé
au niveau de l'unité 8 de la figure 5. Deuxièmement un
-- 10 --
~3~
processus de filtrage numérique est réalisé ~ans llunité de
controle et de commande locale 10. Troisièmement, l'unité
de conditionnement réalise avec l'aide de l'unité de controle
et de commande locale 10, une synchronisation des mesures7
prises par le poste-satellite, avec la fréquence de la
tension de la ligne électrique. Cette synchronisation permet
dYaugmenter la réjection des phénomènes parasites ~ui eux
ne sont pas synchrones à la tension de la ligne. hfin de
palller aux défaillances possibles du poste-satellite, un
processus d'auto-surveillance a été intégré afin de permettre
de détecter les bris et d'informer l'opérateur des difficultés
rencontrées par les postes-satellites. Cette vérificationa
dans le cas de la figure 5, steffectue de l'antenne 3
jusqu'au niveau du câble de liaison 7. La vérification de
l'antenne elle-m8me s'effectue en polarisant celle-ci avec
un signal qui se situe en dehors de la bande passante des
signaux ~ mesurer a 1'aide du dispositif d'auto-surveillance
llr De cette fa~con9 un court-circuit ou un circuit ouvert
sur le capteur est immédiatement détecté. Cette polarisation
permet aussi de vérifier le reste de la chaine de mesure
8 puisque le système doit reconna~tre la présence continuelle
du signal de vérification. Le malfonctionnement de l~unité
de contr81e et de commande locale 10 est détecté par le
poste-maitre.
Au poste-ma~tre 12 de la figure 6, le traitement
consiste principalement à s'assurer de la validlté des signaux
provenant des postes-satellites 4 ainsi qu'a réaliser les
manipulations et calculs nécessaires sur ces signaux afin de
commander les fonctions d'avertissement fournies à l~opérateurO
Ce poste-ma~tre est réalisé à l'aide dlun microprocesseur et
3~
de ses circuits annexes. Ie signal provenant d'un poste-
satellite ~ sur le lien 7 est sous ~orme d~un message codé
contenant des informations sur llétat de ~onctionnement du
poste-satellite ainsi que la valeur codée et conditionnée des
mesures du poste-satellite. Le poste-maitre peut donc juger
du bon fonctionnement de tous les postes-satellites par
l'analyse de la première partie des messages. Si le fonc-
tionnement est bon, il utilise la deuxieme partie des messages
afin de juger des conditions de proximité de la grue face à
une ou des lignes électriques et déclencher les fonctions
diavertissement 14~si nécessaire. Si le fonctionnement est
jugé mauvais9 il avertit l'opérateur par un moyen spécifique
à cette situation. Le poste-ma~tre peut égalemen-t imposer
des conditions de fonctionnement aux postes-satellites par
le lien de communication 7 afin de procéder à des vérifications,
des ajustements de seuils ou toutes autres commandes nécessai-
res aux processus de traitement du pos~e-ma~tre lui-rnême.
Finalement afin d'assurer la fiabilité de l'ensemble
du système, on incorpore au poste-ma~tre des moyens de
vérifier son fonctionnement~
Chaque ~ois que l'on utilise de la machinerie
équipée d'un tel système près d'une ligne électrique,
liopérateur doit d'abord exécuter une procédure simple de
réglage via une commande manuelle 15 indiquée sur la figure
~. Par ces réglages on peut décider dtun avertissement sur
le dépassement d'un seuil ou choisir un avertissement
progressif dans une zone donnée.
~ 1 est entendu que les modes de réalisation décrits
ci-haut incorporent également toutes modifications évidentes
de ceux-ci et sont donnés à titre d'exemple de réalisation de
~ 12 -
3~
,
la présente invention et ne SOIlt nullement limitati-fs,
L~ampleur de la présente invention n'est restreinte ~ue par
la portée des revendications qui suivent.
- 13 -
