Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02219449 1997-10-24
DISPOSITIF POUR DÉGLACER
UN CONDUCTEUR SOUS TENSION
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention se rapporte aux dispositifs pour enlever la neige ou la
glace pouvant s'accumuler sur des lignes ou des câbles électriques, et porte plus
particulièrement sur un dispositif pour déglacer un conducteur aérien sous tension
de lignes de transport et de distribution d'énergie électrique.
HISTORIQUE DE L'INVENTION
Dans les régions froides, les éléments tubulaires structuraux, peu importe la
forme qu'ils présentent, i.e. rectangulaire, carrée ou circulaire, sont souvent exposés
aux précipitations de glace atmosphérique, tel le givre dur, le verglas et la neige
collante. L'accumulation de glace sur ces éléments peut occasionner des surcharges
mécaniques qui vont les déformer, allant même jusqu'à produire des bris
mécaniques parfois catastrophiques. Aucune méthode permettant de minimiser
l'accumulation de glace sur de tels éléments structuraux n'a pu être utilisée jusqu'à
maintenant, particulièrement dans le cas de conducteurs aériens sous tension dans
lesquels circule un courant électrique très élevé. De plus, I'absence d'isolation
électrique sur ces conducteurs complique l'application d'un système de dégla,cage.
Le brevet US 4,690,353 (HASLIM), le brevet US 5,411,121 (LAFORTE et al.)
et la demande de brevet canadien au nom de ALLAIRE et al. déposée le 1er août
1997 décrivent des dispositifs ou systèmes utilisant des impulsions
électromagnétiques de forte intensité pour briser la glace.
Dans le cas d'HASLlM, le système est applicable à des surfaces planes, et a
été développé pour éliminer la glace sur une aile d'avion. Des impulsions
électromagnétiques sont injectées dans un double ruban mince en cuivre placé
(inséré) dans une pellicule de caoutchouc.
Dans le cas de LAFORTE et al., le dispositif est applicable à des conducteurs
toronnés, tel un câble toronné. Pour casser la glace, des impulsions
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électromagnétiques sont injectées dans certains des fils conducteurs isolés intégrés
dans la dernière couche toronnée du câble. Ces fils conducteurs sont isolés à cet
effet lors de la fabrication du câble.
La demande de brevet canadien au nom de ALLAIRE et al. décrit un dispositif
pour déglacer un élément structural allongé à contour fermé, comprenant au moinsune paire de fils électriquement conducteurs préformés pour s'enrouler, I'un à côté
de l'autre, le long et autour de l'élément structural en suivant une trajectoiresubstantiellement hélicoïdale, tout en épousant substantiellement le contour de
l'élément structural avec un jeu prédéterminé entre les fils conducteurs et l'élément
structural. Les fils conducteurs ont des premiers bouts pour recevoir des impulsions
électromagnétiques, et des deuxièmes bouts opposés aux premiers bouts. Les fils
conducteurs sont de calibre à supporter un courant provoquant, entre les fils
conducteurs de la paire, une répulsion ayant une intensité susceptible de briser de
la glace ou du givre sur l'élément structural par un éloignement des fils conducteurs
I'un de l'autre en réponse à la répulsion. Les fils conducteurs ont des propriétés de
rigidité et d'élasticité telles qu'ils retrouvent leur forme autour de l'élément structural
après l'éloignement causé par la répulsion. Le dispositif comprend également desmoyens pour connecter électriquement les deuxièmes bouts des fils conducteurs dela paire ensemble, et des moyens pour isoler électriquement les fils conducteurs de
la paire l'un de l'autre et de l'élément structural. Cette demande de brevet mentionne
la possibilité d'utiliser de tels fils électriques préformés pour le dégla,cage de
conducteurs sous tension, mais sans toutefois décrire un système automatisé
permettant de réaliser cette application.
La publication intitulée "An Investigation of Power Ligne De-lcing by Electro-
Impulse Methods", parue dans la revue IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. 4,
No. 3, juillet 1989 au nom d'EGBERT et al., décrit un essai avec un conducteur
ACSR enveloppé de bandelettes de caoutchouc contenant des lamelles souples en
cuivre dans lesquelles ont été injectées des impulsions électromagnétiques. Danscette expérimentation, les bandes de caoutchouc ceinturant le conducteur ne
possédaient pas une forme adéquate et les lamelles de cuivre, trop minces,
n'offraient pas une résistance mécanique suffisante pour briser la glace, de sorte que
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sous l'effet des impulsions, I'enveloppe se déformait plutôt que de casser la glace,
la résistance mécanique des lames de cuivre étant plus faible que celle de la glace.
Comme le souligne les auteurs en conclusion de l'expérimentation, I'ulilisalion de ce
type de recouvrement ne peut permettre de déglacer de façon efficace la surface
fermée d'un conducteur.
SOMMAIRE DE L'INVENTION
L'invention concerne un dispositif pour déglacer un conducteur sous tension
dans lequel circule un courant électrique. Le dispositif comprend au moins une paire
de fils électriquement conducteurs enroulés, I'un à côté de l'autre, le long et autour
du conducteur sous tension en suivant une trajectoire substantiellement hélicoïdale.
Les fils conducteurs de la paire ont des premiers bouts pour recevoir des impulsions
électromagnétiques et des deuxièmes bouts connectés électriquement ensemble.
Ces fils conducteurs sont électriquement isolés l'un de l'autre et du conducteur sous
tension. Le dispositif comprend également une source d'impulsions
électromagnétiques connectée électriquement aux premiers bouts de la paire de fils
conducteurs, et des moyens pour fournir à la source d'impulsions
électromagnétiques un courant d'alimentation produit à partir du courant électrique
circulant dans le conducteur sous tension. Le dispositif comprend de plus des
moyens de détection pour détecter une formation de glace dans un environnement
occupé par le conducteur sous tension, et un système de communication ayant une
première composante associée aux moyens de détection pour envoyer un signal de
déclenchement lorsque la formation de glace est détectée dans l'environnement duconducteur sous tension, une seconde composante associée à la source
d'impulsions électromagnétiques pour recevoir ledit signal de déclenchement, et un
moyen pour transmettre le signal de déclenchement de la première à la seconde
composante.
L'invention concerne également un dispositif pour déglacer une ligne de
transmission comprenant au moins un faisceau, chaque faisceau comprenant une
pluralité de conducteurs sous tension dans lesquels circule un courant électrique de
même phase, le dispositif comprenant au moins une paire de fils électriquement
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conducteurs enroulés, I'un à côté de l'autre, le long et autour de chaque conducteur
sous tension en suivant une trajectoire substantiellement hélicoïdale. Les fils
conducteurs de la paire ont des premiers bouts pour recevoir des impulsions
électromagnétiques et des deuxièmes bouts connectés électriquement ensemble.
Ces fils conducteurs sont électriquement isolés l'un de l'autre et des conducteurs
sous tension. Le dispositif comprend de plus une source d'impulsions
électromagnétiques pour chaque faisceau, connectée électriquement aux premiers
bouts des paires de fils conducteurs enroulées autour de chacun des conducteurs
sous tension compris dans le faisceau. Le dispositif comprend également des
moyens pour fournir à chaque source d'impulsions électromagnétiques un courant
d'alimentation produit à partir d'un courant électrique circulant dans un des
conducteurs sous tension compris dans le faisceau auquel la source d'impulsions
électromagnétiques est associée, et des moyens de détection pour détecter une
formation de glace dans un environnement occupé par la ligne de transmission. Unsystème de communication est également compris dans le dispositif, ce système decommunication ayant une première composante associée aux moyens de détection
pour envoyer un signal de déclenchement lorsque la formation de glace est détectée
dans l'environnement de la ligne de transmission, une seconde composante
associée à chaque source d'impulsions électromagnétiques pour recevoir ledit signal
de déclenchement, et un moyen pour transmettre le signal de déclenchement de la
première à chaque seconde composante.
L'invention concerne de plus un dispositif pour déglacer une ligne de
transmission comprenant une pluralité de conducteurs sous tension dans lesquels
circule un courant électrique de différentes phases, le dispositif comprenant au moins
une paire de fils électriquement conducteurs enroulés, I'un à côté de l'autre, le long
et autour de chaque conducteur sous tension en suivant une trajectoire
substantiellement hélicoïdale. Les fils conducteurs de la paire ont des premiers bouts
pour recevoir des impulsions électromagnétiques et des deuxièmes bouts connectésélectriquement ensemble. Ces fils conducteurs sont électriquement isolés l'un deI'autre et des conducteurs sous tension. Le dispositif comprend aussi une sourced'impulsions électromagnétiques pour chaque conducteur sous tension, connectée
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électriquement aux premiers bouts des paires de fils conducteurs enroulées autour
du conducteur sous tension correspondant. Des moyens pour fournir à chaque
source d'impulsions électromagnétiques un courant d'alimentation produit à partir
d'un courant électrique circulant dans les conducteurs sous tension sont également
compris dans le dispositif. Ce dispositif comprend de plus des moyens de détection
pour détecter une formation de glace dans un environnement occupé par la ligne de
transmission, et un système de communication ayant une première composante
associée aux moyens de détection pour envoyer un signal de déclenchement lorsquela formation de glace est détectée dans l'environnement de la ligne de transmission,
une seconde composante associée à chaque source d'impulsions
électromagnétiques pour recevoir ledit signal de déclenchement, et un moyen pourtransmettre le signal de déclenchement de la première à chaque seconde
composante.
L'invention concerne enfin une méthode pour déglacer un conducteur sous
tension dans lequel circule un courant électrique, comprenant les étapes de:
détecter une formation de glace dans un environnement occupé par le
conducteur sous tension;
envoyer un signal de déclenchement à une source d'impulsions
électromagnétique par une onde radio lorsque la formation de glace dans
I'environnement occupé par le conducteur sous tension est détectée;
recevoir le signal de déclenchement;
alimenter en courant la source d'impulsions électromagnétiques; et
appliquer des impulsions électromagnétiques entre des premiers bouts d'au
moins une paire de fils électriquement conducteurs enroulés, I'un à côté de l'autre,
le long et autour du conducteur sous tension en suivant une trajectoire
substantiellement hélicoïdale, les fils conducteurs de la paire ayant des deuxièmes
bouts connectés électriquement ensemble, les fils conducteurs étant électriquement
isolés l'un de l'autre et du conducteur sous tension.
Le dispositif selon la présente invention est particulièrement bien adapté aux
conducteurs aériens des lignes à haute tension alors que la ligne est sous tension
et qu'il y circule des courants très élevés. Il a également l'avantage d'être autonome
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et complètement automatisé. Il peut de plus être mis en place à la fois sur des lignes
existantes et futures.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description non-restrictive
qui va suivre d'un mode de réalisation préféré de celle-ci, faite en se référant aux
dessins annexés dans lesquels:
Figure 1 est une vue de côté d'un conducteur sous tension le long et autour
duquel est enroulée la paire de fils conducteurs d'un dispositif selon la présente
invention;
Figure 2 est une vue de côté de la source d'impulsions électromagnétiques
du dispositif selon l'invention, cette source étant alimentée à même le courant
circulant dans le conducteur sous tension;
Figure 3 apparaissant sur la même planche que Figure 1 est une vue de côté
montrant la connexion de la source électromagnétique aux premiers bouts d'une
paire de fils conducteurs;
Figure 4 est un schéma d'un détecteur de glace pouvant être utilisé dans le
dispositif selon l'invention;
Figure 5 montre une antenne de réception montée sur la source d'impulsions
électromagnétiques;
Figure 6 est une vue en perspective d'un pylône supportant trois faisceaux de
quatre conducteurs selon un exemple d'application de la présente invention;
Figure 7 est une vue de côté d'une source d'impulsions électromagnétiques
connectée à quatre conducteurs en faisceau selon l'exemple d'application montré à
la figure 6;
Figure 8 est une vue de face de la source montrée à la figure 7;
Figure 9 est une vue de côté d'une jonction de fils conducteurs au niveau de
leurs deuxièmes bouts connectés électriquement ensemble; et
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Figure 10 est une vue de côté d'une jonction soudée de fils conducteurs
passant au-dessus d'une entretoise selon un exemple d'application de la présenteinvention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES RÉALISATIONS PRÉFÉRÉES
Le dispositif selon l'invention tel qu'il est illustré dans les dessins annexés est
destiné à déglacer un conducteur sous tension 12 dans lequel circule un courant
électrique. En référence à la Figure 1, le dispositif comprend au moins une paire 14
de fils électriquement conducteurs 16 et 18 enroulés, I'un à côté de l'autre, le long
et autour du conducteur sous tension 12 en suivant une trajectoire substantiellement
hélicoïdale, les fils conducteurs 16 et 18 de la paire 14 ayant des premiers bouts 20
et 22 pour recevoir des impulsions électromagnétiques et des deuxièmes bouts 24
et 26 connectés électriquement ensemble, les fils conducteurs 16 et 18 étant
électriquement isolés l'un de l'autre et du conducteur sous tension 12.
Ce dispositif est utilisé pour déglacer le conducteur sous tension 12 par le
biais d'impulsions électromagnétiques. La capacité de déglaçage provient des fils
conducteurs 16 et 18 qui sont préformés et disposés par paires 14 autour du
conducteur sous tension 12. Dans chaque paire 14, ces fils sont disposés de façon
à être adjacents l'un à l'autre et à ce que le sens du courant dans un fil 16 soit
inverse au courant circulant dans l'autre fil 18. De cette façon, lorsqu'un courant est
injecté dans la paire 14 de fils conducteurs 16 et 18 sous forme d'impulsions
électromagnétiques une force répulsive proportionnelle au carré du courant et
inversement proportionnelle à la distance entre les deux fils 16 et 18 sera produite
entre eux. Un courant assez fort pendant une fraction seconde aura ainsi pour effet
de faire bouger les deux fils 16 et 18, et la glace ayant pu s'accumuler sur le
conducteur sous tension 12 sera cassée par ce mouvement.
Les fils conducteurs 16 et 18 sont de préférence préformés pour s'enrouler le
long du conducteur sous tension 12, tel que décrit dans la demande de brevet
canadien par Allaire et al. On peut utiliser pour leur fabrication un alliage d'aluminium
conducteur de grande résistance mécanique (par exemple la nuance 6021 T83). Ils
sont recouverts d'un matériau isolant, de préférence une matière plastique
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également de grande résistance mécanique. Les dimensions des fils conducteurs 16et 18 sont choisies de manière à maximiser l'impulsion de courant tout en cassant
la glace sans se déformer de façon permanente dans les conditions de températuresusceptibles d'être rencontrées. ll est cependant entendu que le présent dispositif
peut également être utilisé en conjonction avec un système pour déglacer un
conducteur par impulsions électromagnétique différent de celui décrit par Allaire et
al., comme par exemple le système faisant l'objet du brevet américain 5,411,121
(LAFORTE).
En se référant aux Figures 2 et 3, il est montré que le dispositif selon la
présente invention comprend une source d'impulsions électromagnétiques 28,
connectée électriquement aux premiers bouts 20 et 22 de la paire 14 de fils
conducteurs 16 et 18. La source d'impulsions électromagnétiques 28 est
préférablement installée sous le conducteur sous tension 12 et est capable de
générer des impulsions de très forte intensité.
Le dispositif comprend également des moyens pour fournir à la source
d'impulsions électromagnétiques 28 un courant d'alimentation produit à partir ducourant électrique circulant dans le conducteur sous tension 12. L'alimentation de la
source d'impulsions 28 à même le conducteur à 12 permet l'utilisation du systèmesous haute tension sans devoir isoler électriquement la source d'impulsions 28 et le
conducteur 12 de la masse. Préférablement, tel que montré à la Figure 2, ces
moyens comprennent un transformateur de courant 30 fixé au conducteur sous
tension 12 et électriquement connecté à la source d'impulsions électromagnétiques
28. Un transformateur de courant adapté à cette application est par exemple décrit
dans la référence WILDI, THÉODORE, "Électrotechnique", 2e édition, Les Presses
de l'Université Laval, Éditions ESKA (1994) pp 434-437.
La source d'impulsions électromagnétiques 28 est préférablement composée
d'une ou plusieurs unités de condensateurs qui sont chargés à la tension requisepour obtenir dans la ou les paires 14 de fils conducteurs 16 et 18 des impulsions
d'une durée approximative de 1 à 3 millisecondes et d'une crête de courant d'environ
6 à 8 kiloampères. La décharge des condensateurs est commandée à l'aide de
modules de puissance constitués de thyristors montés en série. La source 28
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dispose d'un nombre de modules de puissance égal au nombre de paires 14 de fils
conducteurs 16 et 18 qu'elle alimente. Un microcontrôleur peut également être inclut
pour faire la gestion des modules de puissance. ll est préférable de minimiser autant
que possible le poids et les dimensions de la source d'impulsions 28, et d'assembler
ses composantes dans un contenant étanche de forme cylindrique. Ce dernier peut
être orienté de façon à minimiser la traînée aérodynamique et les décharges par effet
couronne.
Le dispositif selon la présente invention comprend également des moyens de
détection pour détecter une formation de glace dans un environnement occupé par
le conducteur sous tension 12. Préférablement, ces moyens comprennent un
détecteur de glace 32 de type déjà connu et utilisé dans l'industrie, par exemple
décrit dans l'article intitulé "Wind tunnel evaluation of a rime metering device using
a magnetostrictive sensor", (paru dans Atmosphericresearch 36 (1995) 287-301).
La Figure 4 montre un tel détecteur 32, qui peut être installé au sol à proximité du
conducteur sous tension 12 à être déglacé. Le détecteur 32 comprend un élément
détecteur 34 opérant selon le principe de magnétostriction. Un oscillateur 36 fait
osciller l'élément détecteur 34 à une fréquence nominale en l'absence de glace ou
condensation sur la surface externe de l'élément détecteur 34. Lorsqu'il y a
déposition de glace, de givre ou de toute autre forme de précipitation adhérente sur
la surface externe de l'élément détecteur 34, la masse de ce dernier augmente etle fait osciller à une fréquence modifiée inférieure à la fréquence nominale. C'est ce
changement de fréquence qui permet d'identifier les conditions atmosphériques
pouvant rendre nécessaire le déglaçage des lignes électriques.
Le dispositif selon la présente invention comprend de plus un système de
communication ayant une première composante associée aux moyens de détection
pour envoyer un signal de déclenchement lorsque la formation de glace est détectée
dans l'environnement du conducteur sous tension, une seconde composante
associée à la source d'impulsions électromagnétiques 28 pour recevoir ledit signal
de déclenchement, et un moyen pour transmettre le signal de déclenchement de la
première à la seconde composante. Idéalement, la communication se fait par liaison
radio, évitant ainsi tous les problèmes de mises à la terre des composantes du
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système de communication. Dans cette application la première composante du
système de communication est ainsi un transmetteur radio 38, associé au détecteur
32 tel que montré sur la Figure 4 la seconde composante du système de
communication est une antenne 40, tel que montré sur la Figure 5. L'antenne est
préférablement de forme hémisphérique.
En usage, le déglaçage d'un conducteur sous tension 12 dans lequel circule
un courant électrique, comprend les étapes suivantes. On détecte une formation
de glace dans un environnement occupé par le conducteur sous tension 12, par
exemple à l'aide d'un détecteur magnétostrictif tel que décrit précédemment. On
envoye ensuite un signal de déclenchement à une source d'impulsions
électromagnétique 28 lorsque la formation de glace dans l'environnement occupé
par le conducteur sous tension 12 est détectée. Préférablement ce signal est
transporté par une onde radio. Le signal de déclenchement est reçu par une
antenne 40 attachée à la source 28. Cette source 28 doit être alimentée en
IS courant, de préférence à même le conducteur sous tension 12 à l'aide d'un
transformateur de courant installé sur ce dernier. On applique finalement des
impulsions électromagnétiques, produites par la source 28, entre des premiers
bouts 20 et 22 d'au moins une paire 1~ de fils électriquement conducteurs 16
et 18 enroulés, I'un à côté de l'autre, le long et autour du conducteur sous
tension 12 tel que décrit ci-haut.
On a appliquée le dispositif selon l'invention au déglaçage d'un seul
conducteur sous tension 12, mais ce dispositif est également appliquable au
déglaçage de lignes électriques comprenant plus d'un conducteur sous tension 12.On peut par exemple considérer une ligne de transmission comportant trois
conducteurs de phases différentes; en raison des problèmes d'isolation entre chaque
phase, on doit utiliser une source 28 pour chacun des conducteurs sous tension 12.
Ainsi, trois sources d'impulsions 28 différentes doivent être utilisées pour déglacer
tous les conducteurs 12 de ce type de ligne de transmission. Un même détecteur de
glace 32 peut cependant être utilisé pour détecter la formation de glace dans
I'environnement de la ligne électrique et envoyer un signal de déclenchement à
chacune des trois sources 28.
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La présente invention peut également être appliquée au déglaçage d'une ligne
de transmission comprenant au moins un faisceau, chaque faisceau comprenant une
pluralité de conducteurs sous tension dans lesquels circule un courant de même
phase. Se référant aux Figures 6 à 10, on peut voir à titre d'exemple un pylône 42
supportant une ligne 46 de transport d'énergie de 735 kilovolts. Dans cet exemple,
la ligne comporte trois faisceaux 44 comprenant chacun quatre conducteurs sous
tension 12 de même phase. Une même source d'impulsions électromagnétiques 28
peut être utilisée pour tous les conducteurs 12 d'un même faisceau 44, puisqu'ils ont
tous la même phase. On utilise donc pour cette ligne 46 trois sources 28 fixées sur
le pylône 42 sous chacun des faisceaux 44. Les sources 28 sont fixées sous les
isolateurs 48 supportant les conducteurs 12.
La Figure 6 montre le pylône 42 et son environnement. Un même détecteur
de glace 32 est installé au sol à proximité du pylône 42, et est utilisé pour détecter
la présence de glace dans l'environnement de la ligne 46 et envoyer un signal delS déclenchement aux trois sources 28.
Les Figures 7 et 8 montrent de face et de côté une source d'impulsion 28
telle qu'installée sous les isolateurs 48. Les supports 50 et 52 permettent de
rattacher la source 28 aux isolateurs 48. Le premier support 50 est constitué d'une
plaque supportées par les isolateurs 48 au moyen de la tige de fixation 54 et deI'anneau 56. La géométrie de la tige de fixation 54 et de l'anneau 56 est choisie pour
uniformiser le champ électrique aux points d'attache des conducteurs 12 aux
isolateurs 48. La source 28 est de forme cylindrique et est placée horizontalement
de manière à minimiser les forts gradients électriques existant à proximité des
conducteurs 12. Des attaches 58 et 64 relient les câbles de connexion 60 et 62 de
la source 28 aux premiers bouts 20 et 22 de chacune des paires 14 de fils
conducteurs 16 et 18.
La figure 9 montre les joints d'isolation soudés 66 réalisés pour joindre et
isoler les deuxièmes bouts 24 et 26 des fils conducteurs 16 et 18. Dans cet exemple,
les joints 66 sont placés sur les conducteurs 12 à mi-chemin entre deux pylônes 42;
de cette fa,con, les impulsions électromagnétiques produites par chaque source 28
servent à déglacer les conducteurs sur la moitié de leur longueur.
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12
La flgure 10 montre un joint d'attache 68 réalisé pour joindre deux parties de
fils conducteurs 16 ou 18 lorsque ces derniers doivent passer au-dessus d'une
entretoise 70. Cette jonction est généralement réalisée par soudage, mais un joint
de compression pourrait également être utilisé.
s Des changements et des modiflcations aux réalisations décrites peuvent être
apportées sans sortir de la portée ou l'esprit de l'invention. La portée de l'invention
est considérée n'être limitée que par la portée des revendications annexées.
