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CA 022~0338 1998-10-22
Capteur de densité pour surveiller un taux de fuite d'une enveloppe
d'appareillaqe électrique avec une fiabilité améliorée
L'invention concerne un capteur de densité pour surveiller un
taux de fuite d'une enveloppe d'appareillage électrique remplie d'un
gaz diélectrique sous pression, comprenant un pied de fixation monté
par l'extérieur dans l'épaisseur de l'enveloppe et communiquant avec
le gaz dielectrique.
Un exemple d'application d'un tel capteur est constitué par un
disjoncteur de générateur ou de réseau monté dans une enveloppe
blindée, ou un poste sous enveloppe métallique, I'enveloppe
contenant de l'hexafluorure de soufre SF6 sous une pression de
quelques bars. Le capteur de densité est fixé sur l'enveloppe par
l'extérieur et permet de surveiller le taux de fuite du gaz diélectrique
hors de l'enveloppe . par comparaison de relevés de la densité
effectués tout au long de la durée d'exploitation du disjoncteur. Des
fuites memes minimes étant inévitables, la densité tend, après
plusieurs années d'exploitation, vers une valeur de seuil en deçà de
laquelle le fonctionnement du disjoncteur ou de l'appareillage n'est
plus sur. Il est alors nécessaire de procéder à une injection de gaz
2 0 dielectrique pour remonter la valeur de la densité à une valeur
nominale, par exemple égale à 3,5 bars. Le franchissement du seuil
déclenche en général une alarme en vue de provoquer une
intervention sur le disjoncteur pour procéder à l'injection du gaz
diélectrique.
Le capteur de densité comprend un détecteur de pression et un
détecteur de temperature disposés à l'intérieur du pied de fixation pour
communiquer avec le gaz diélectrique, et une tete de mesure pour
calculer la densité du gaz pour tout couple de valeurs de préssion P et
de température T acquises au meme instant.
Le tracé 21 de la figure 1 rapporte une expérience conduite à
l'aide d'un capteur du type de celui qui vient d'etre decrit. L'enveloppe
blindée est installée sur un site d'exploitation en plein air, ce qui
correspond a partie importante des sites d'exploitation de tels
... . ..
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appareillages électriques. L'enveloppe s'étend dans une direction
longitudinale qui dans l'expérience est orientée selon une direction
d'Est en Ouest du site d'exploitation. Le capteur de densité est fixé sur
une extrémité de l'enveloppe de telle sorte qu'il n'est exposé au
rayonnement solaire que les après-midi. Le tracé 21 de la densité
calculée pour chaque relevé de valeurs de pression et de température
acquises à un même instant montre deux comportements distincts du
capteur. Un premier comportement est caractérisé par une évolution
plate 21A de la densité autour de la valeur nominale égale à 3,5 bars
et correspond à des releves de couples de pression et de température
effectués de jour et en l'absence d'un rayonnement solaire notable. Un
deuxieme comportement, qui correspond à des relevés effectués de
jour et en presence d'un rayonnement solaire notable, est caractérisé
par une variation 21B journalière de la densité au cours de laquelle la
densité est d'abord supérieure à la valeur nominale puis inférieure, le
point de transition entre les variations positives et négatives
correspondant sensiblement au zénith du soleil.
La densité réelle du SF6 dans l'enveloppe reste constante et
égale à sa valeur nominale, comme en témoigne l'évolution plate
reproduite pour chaque jour de relevés effectués en l'absence de
rayonnement solaire notable. La variation journalière de la densité en
presence d'un ensoleillement notable représente en réalité un artefact
de mesure. Un tel artefact n'empêche pas de surveiller le taux de fuite
de l'enveloppe, dans la mesure où il est aisé de ne retenir que les
relevés effectués en l'absence de rayonnement solaire notable pour le
calcul de la densité. Cependant un problème se presente lorsque
l'amplitude de la variation journaliere de la valeur calculée de la
densité lors de jours d'ensoleillement notable est en dessous du seuil
de densité, référencé 20 sur la figure 1. C'est notamment le cas
lorsque la densité du gaz contenu dans l'enveloppe s'est rapprochée
du seuil après plusieurs années d'exploitation, du fait des fuites
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minimes inévitables. Le franchissement du seuil enclenche alors une
alarme engendrée par une variation négative de la densité c~lculée
par le capteur de densité lors de jours d'ensoleillement notable, qui est
considérée comme intempestive dans la mesure où le seuil de densité
ne sera pas réellement atteint avant plusieurs semaines, ou plusieurs
mois.
Le but de l'invention est un capteur de densité pour surveiller un
taux de fuite d'une enveloppe d'un appareillage électrique qui présente
une fiabilité améliorée vis-à-vis du franchissement d'un seuil de
1 0 densité.
L'idée à la base de l'invention est chercher à transformer
l'artefact de mesure du capteur de densité en des variations de
densité à valeurs toujours égales ou supérieures à la valeur nominale,
pour prévenir tout risque de franchissement intempestif du seuil de
1 5 densite.
A cet effet, I'invention a pour objet un capteur de densité pour
surveiller un taux de fuite d'une enveloppe d'appareillage électrique
remplie d'un gaz diélectrique sous pression, comprenant un pied de
fixation monté par l'extérieur dans l'épaisseur de l'enveloppe et
communiquant avec le gaz diélectrique, caractérisé en ce qu'un
radiateur est disposé autour du pied de fixation du capteur de densité.
En assurant un échange thermique entre le pied de fixation du
capteur de densité et le milieu ambiant de l'enveloppe, qui est en
genéral l'air atmosphérique, le radiateur modifie l'équilibre thermique
du détecteur de température et du gaz diélectrique de telle sorté qu'il
transforme les variations négatives puis positives de la densité
calculée lors de journées d'ensoleillement notable, en variations
uniquement positives. D'où il résulte que tout risque de
franchissement intempestif d'un seuil de densité dû à un artefact de
mesure engendré par des relevés effectués en présence d'un
ensoleillement notable est éliminé.
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ll faut noter que les variations uniquement positives de la densité
calculée par le capteur selon l'invention lors de relevés effectués en
présence d'un ensoleillement notable restent limitées en amplitude vis
à vis d'une fuite qui sera détectée par le capteur de densité avec un
retard négligeable. De même, I'amplitude des variations positives n'a
pas de conséquence préjudiciable sur le franchissement d'un seuil
haut de densité de l'enveloppe.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront
à la lecture de la description illustrée par les dessins.
La figure 1 montre deux tracés de releves de densité effectués
pour l'un à l'aide d'un capteur de densité sans radiateur, et pour
l'autre, à l'aide d'un capteur selon l'invention.
La figure 2 est une vue schématique d'une enveloppe d'un
appareillage électrique sur laquelle est fixée un capteur de densité
selon l'invention.
La figure 3 est une vue agrandie d'un capteur de densité selon
l'invention.
L'invention concerne un capteur de densité pour surveiller un
taux de fuite d'une enveloppe d'appareillage électrique remplie d'un
gaz diélectrique sous pression, qui comprend un pied de fixation
monté par l'extérieur dans l'épaisseur de l'enveloppe et communiquant
avec le gaz diélectrique. Un capteur de densité 5 et une enveloppe 3
d'appareillage électrique sont représentes sur la figure 2.
L'appareillage électrique est par exemple un disjoncteur de réseau ou
un disjoncteur de générateur, ou un poste sous enveloppe metallique,
et est disposé dans l'enveloppe 3 dans laquelle le gaz diélectrique 7,
par exemple le SF6, est injecté sous une pression d'environ 3,5 bars.
L'enveloppe 3 a un corps central 3C de forme cylindrique et est
fermée par deux couvercles opposés 3A et 3B vissés au corps central
3C. Le capteur de densité 5, également visible sur la figure 3, est d'un
type connu et comprend schématiquement un pied de fixation 5B
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cylindrique surmonté d'une tête de mesure 5A et terminé à l'autre
extrémité par un tube fileté 5C pour être vissé dans un conduit 9 formé
dans l'épaisseur de l'enveloppe 3 et pour communiquer avec le gaz
diélectrique. Le capteur de densité est monte par l'extérieur sur
I'enveloppe et serré au moyen d'un boulon 5D. Un détecteur de
pression et un détecteur de température sont loges dans le pied de
fixation 5A et débouchent hors du tube fileté 5C par un tube de
protection 5E et communiquent avec le gaz diélectrique 7 contenu
dans le conduit 9 de l'enveloppe 3 Les deux détecteurs de pression et
de température sont relies à la tête de mesure 5A du capteur de
densité vers laquelle ils délivrent un signal représentatif
respectivement de la pression détectée P et de la température
détectée T. Un circuit électronique intégré dans la tête de mesure 5A
permet de déterminer une valeur de densité, pour chaque couple de
valeurs de pression et de température détectés simultanément, à
l'aide d'une équation d'état du gaz diélectrique. Chaque valeur de la
densité est transmise à une unité de surveillance, qui la compare à
une valeur de seuil bas et à une valeur de seuil haut, et qui déclenche
une alarme dans le cas où l'une des seuils est franchi par une valeur
de densité.
Selon l'invention, un radiateur est disposé autour du pied de
fixation du capteur de densité. Sur les figures 2 et 3, on a représenté
un radiateur 11 qui est composé de deux parties 11A et 11B ayant
chacune quatre ailettes identiques 11C pour augmenter la surface
d'échange thermique entre le radiateur et l'air environnant. Les deux
parties 11A et 11B présentent en creux un demi-cylindre 11D pour
être montees plaquées autour du pied de fixation 5B cylindrique à
l'aide de deux vis d'assemblage 13 et 15 traversant les deux parties
11A et 11B par des trous 13A, 13B, et 15A, 15B. Sur la figure 2, on
montre que le radiateur 11 est monté autour du pied de fixation 5B
tout en étant au contact de la vis de serrage 5D pour influencer des
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échanges thermiques se produisant entre le détecteur de température
et le gaz diélectrique contenu dans le conduit 9. La figure 1 montre un
tracé 23 de valeurs de densité calculées par le capteur de densité
selon l'invention, à partir de chaque couple de valeurs de pression et
de temperature détectées simultanément. On montre également le
tracé 21 décrit précedemment. D'une part, on constate en 23A que le
radiateur ne modifie pas le comportement du capteur de densité pour
des relevés de valeurs effectué en l'absence d'un rayonnement solaire
notable. Ce premier résultat permet donc au capteur de densité selon
I'invention d'être utilisé pour surveiller un taux de fuite de l'enveloppe
en ne retenant que !es relevés effectués de jour et en l'absence de
rayonnement solaire notable. D'autre part, on constate que le
deuxième comportement du capteur de densité est modifié pour des
relevés effectués en présence d'un ensoleillement notable, dans le
sens où les valeurs de densité fournies par le capteur selon l'invention
sont toujours égales ou supérieures a la valeur réelle de la densité,
avec une variation 23B croissante le matin et une variation
décroissante l'après-midi.
Une explication parmi d'autres est proposée pour expliquer le
comportement du capteur de densité selon l'invention. On sait que la
mesure de la température simultanément à celle de la pression
permet, par une compensation en température, de s'affranchir de
diminutions de pression qui ne résultent non pas d'une perte de
masse ou d'une fuite du gaz diélectrique hors de l'enveloppe, mais
seulement d'une contraction du gaz dielectrique sous l'effet d'une
diminution de sa température. Toutefois, la compensation en
température de la pression n'est valable qu'à la condition que la
diminution de température soit assez grande devant l'ecart de
température qui existe inévitablement entre la température mesurée
par le détecteur de température et la température reelle du gaz
diélectrique dans lequel ce détecteur est plongé et au voisinage
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duquel le détecteur de pression mesure la pression. Si la température
mesurée par le détecteur de température est supérieure à la
température réelle du gaz diélectrique, le capteur de densité calcule,
en compensant la pression mesurée par la température mesurée, une
valeur de densité plus petite que la densité réelle. De meme, si la
température mesurée est plus faible que la température réelle du gaz
diélectrique, le capteur de densité calcule par la compensation en
température, une valeur de densité plus forte que la densité réelle.
Dans l'expérience rapportée par la figure 1, le détecteur de
température échange de la chaleur avec le gaz diélectrique et avec le
pied de fixation du capteur, qui lui meme est monté dans l'épaisseur
de l'enveloppe. De cette façon, un équilibre thermique entre le
détecteur et le gaz diélectrique est influencé par le pied de fixation et
par l'enveloppe. En l'absence d'ensoleillement, I'enveloppe et le pied
de fixation n'ont qu'une influence négligeable sur l'équilibre thermique
du gaz diélectrique et du détecteur de température, si bien que la
température mesurée est sufffisamment proche de la température
réelle du gaz diélectrique pour que le capteur de densité calcule une
valeur de densité sensiblement fidèle à la valeur réelle. On s'attend
logiquement a ce que, dans ces conditions, le radiateur disposé autour
du pied de fixation et à proximité de l'enveloppe n'apporte pas d'effet
thermique à lui seul. C'est bien ce qui est observé sur les tracés 21A
et 23A pour des relevés effectués de jour et en l'absence
d'ensoleillement notable. En présence d'un ensoleillement notable, le
pied de fixation et l'enveloppe perturbent l'équilibre thermique entre le
détecteur de température et le gaz diélectrique d'une manière
différente selon la période de journée considérée. Les matins, le
capteur de densité est plongé dans l'ombre, si bien que le pied de
fixation, et par suite le détecteur de température avec lequel il est en
contact, s'échauffent moins vite que le gaz diélectrique qui absorbe la
chaleur que lui cède l'enveloppe elle meme exposée au rayonnement
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solaire. La vitesse d'échauffement du détecteur et du pied de fixation
est encore diminuée par la présence du radiateur, qui évacue vers l'air
ambiant la chaleur cédée par le gaz diélectrique. D'où il résulte que la
température mesurée par le détecteur de température est inférieure à
la température réelle du gaz diélectrique, conduisant le capteur de
densité à fournir une valeur de densité plus grande que la valeur
réelle, I'écart étant accentue par la présence du radiateur, comme en
témoigne les variations positives des tracés 21 B et 23B de la figure 1.
Les après-midi, le capteur qui etait plongé dans l'ombre est
progressivement exposé au rayonnement solaire Sa température,
ainsi que celle du détecteur de température avec lequel il est en
contact, s'élève bientôt plus rapidement que celle du gaz diélectrique
du fait de la différence des inerties thermiques entre le gaz
diélectrique, le pied de fixation, et le détecteur D'où il résulte que le
capteur de densité fournit une valeur de densité qui est inférieure à la
valeur de la densité réelle, comme observé sur le tracé 21B En
présence du radiateur, I'élévation de température du pied de fixation et
du détecteur est ralentie par l'évacuation dans l'air ambiant, de la
chaleur fournie par l'enveloppe elle même exposée au rayonnement
solaire Le réchauffement du pied de fixation et du détecteur est ralenti
par le radiateur pour que la température de ce dernier ne devienne
pas supérieure à la température réelle du gaz diélectrique au cours de
l'apres-midi. La densité fournie dans ces conditions reste égale au
supérieure à la densité réelle, comme observé sur le tracé 23B.
Selon un mode avantageux de réalisation de l'invention, le
capteur de densité est pourvu d'un capot de protection au
rayonnement solaire. Sur les figures 2 et 3, un capot 17 constitué par
exemple d'un matériau métallique réfléchissant est fixé sur la partie
11A du radiateur 11, par l'intermédiaire des vis 13 et 15, pour réfléchir
le rayonnement solaire qui frappe le capteur et une partie du
rayonnement solaire qui frappe l'enveloppe à proximité du conduit 9
~ . .
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dans lequel il est monté. Les vis 13 et 15 sont de préférence
constituées d'un matériau peu conducteur de la chaleur, par exemple
le Nylon, pour isoler au plan thermique le capot du radiateur. Dans ce
mode de réalisation, il est observé que le capot renforce l'effet du
radiateur, dans la mesure où les valeurs de densité calculées à partir
de relevés effectués en présence d'un ensoleillement notable sont
supérieures à celles que le capteur de densité fournit en l'absence du
capot. De ce fait, il est prévu d'optimiser le nombre d'ailettes du
radiateur pour obtenir un comportement du capteur de densité en
présence du capot, sensiblement équivalent à un comportement en
l'absence du capot.
Il faut enfin que l'orientation de l'enveloppe selon une direction
d'Est en Ouest du site d'installation représente une exposition au
rayonnement solaire qui est plus défavorable que toute autre
orientation, si bien que les résultats de la figure 1 constituent une
exemple d'application particulièrement intéressant mais non limitatif du
capteur de densité selon l'invention.
