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CA 02508428 2005-05-20
DÉTECTION, LOCALISATION ET INTERPRÉTATION DE DÉCHARGE PARTIELLE
CHAMP DE L'INVENTION
L'invention porte sur un appareil de détection, localisation et interprétation
de
décharge partielle, par exemple dans un réseau souterrain de distribution
électrique.
HISTORIQUE
Des pannes électriques peuvent survenir aux jonctions de câbles dans des
réseaux
de conduits souterrains. Certaines pannes sont dues à des décharges partielles
à
l'intérieur des jonctions et à la dégradation correspondante de leur isolation
électrique.
II est souhaitable de diagnostiquer les câbles souterrains et leurs
accessoires ou
équipements pour des raisons de sécurité, et réaliser un entretien préventif
et enlever
des accessoires ou équipements défectueux avant une panne.
Les brevets US 6,809,523 (Ahmed et al.), 5,530,364 (Mashikian et al.),
5,767,684
(Steennis), 6,420,879 (Cooke), 6,507,181 (Pakonen et ai.), 6,418,385 (Hücker
et al.),
6,255,808 (Hücker), 6,297,645 (Eriksson et al.), 6,392,401 (Cooke), 5,642,038
(Kim
et al.) et le brevet CA 2,455,206 (Wendel et al.) divulguent certaines
méthodes et
différents dispositifs pour détecter des décharges partielles qui sont
toutefois peu
fiables, imprécis, sensibles au bruit, élémentaires, encombrants, limités à
certains
équipements spéc'rfiques à tester, nécessitent la mise hors service de
l'équipement à
tester, ou bien difficiles à mettre en couvre en pratique en raison de
manipulations
exigeant une dextérité peu commune.
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SOMMAI RE
Selon un aspect de l'invention, il est proposé un appareil de détection,
localisation et
interprétation de décharge partielle qui surpasse les appareils connus dans
l'art.
Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un appareil pour
détecter, localiser
et interpréter une décharge partielle susceptible de survenir dans un site de
décharge
partielle le long d'un équipement électrique, comprenant:
deux sondes de mesure et une sonde de synchronisation aptes à être
installées le long de l'équipement électrique de maniére à ce que les sondes
de
mesure puissent détecter des impulsions voyageant dans l'équipement électrique
et à
ce que la sonde de synchronisation puisse détecter un angle de phase dans
l'équipement électrique;
une unité de contrôle se connectant aux sondes de mesure pour recevoir des
signaux représentatifs des impulsions détectées, et se connectant à la sonde
de
synchronisation pour acquérir un signal représentatif de la phase détectée,
l'unité de
contrôle ayant un circuit de conditionnement sélectif des signaux reçus; et
une unité de traitement numérique se connectant à l'unité de contrôle pour
acquérir les signaux après conditionnement sélectif en fonction de l'angle de
phase
détecté et piloter l'unité de contrôle, l'unité de traitement numérique ayant
un module
de mesure de corrélation des signaux acquis, un module faisant une
distribution
temps-fréquence d'au moins un des signaux acquis, un module d'estimation d'un
facteur de forme dérivé de la distribution temps-fréquence, et un module de
diagnostic réagissant à des résultats générés par les modules de corrélation
et
d'estimation du facteur de forme pour générer un diagnostic indicatif d'une
détection
d'une décharge partielle et de sa localisation le long de l'équipement
électrique.
De préférence, l'unité de traitement comprend aussi un module d'élimination de
candidats de solutions diagnostiques correspondant à des traces dans les
signaux
acquis découlant d'impulsions détectées ayant des délais de propagation hors
plage
entre les sondes de mesure.
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Un seuil de délais considérés hors plage par le module d'élimination peut être
réglé
par l'utilisateur. L'unité de contrôle peut aussi comprendre un circuit pour
générer un
signal d'étalonnage transmis à la sonde de synchronisation qui l'injecte dans
l'équipement électrique. De cette façon, !'unité de traitement numérique peut
déterminer le délai de propagation entre les sondes de mesure à partir des
signaux
acquis correspondant à des impulsions détectées par les sondes de mesure
causées
par le signal d'étalonnage injecté dans l'équipement électrique. Le seuil de
délais
considérés hors plage peut alors être réglé en fonction du délai de
propagation ainsi
déterminé.
De préférence, l'unité de traitement comprend aussi un module d'estimation de
probabilité d'erreur en fonction d'un rapport entre un sommet d'un maximum de
corrélation parmi d'autres sommets de corrélation, un signal d'avertissement
indicatif
d'un second cas probable d'explication diagnostique étant produit lorsque la
probabilité d'erreur dépasse un seuil préétabli.
De préférence, l'unité de traitement détecte aussi des traces typiques de
rayonnement dans les signaux acquis. Lorsqu'il est établi que les signaux
acquis
correspondent à du rayonnement, leur traitement cesse et un diagnostic
"rayonnement" est retenu.
De préférence, le module de corrélation fournit au module de diagnostic un
signal
indicatif des polarités des impulsions dans les signaux acquis, un coefficient
de
corrélation des signaux corrélés, une portion de trace temporelle d'une
décharge de
plus grande amplitude, et une distance temporelle entre une même décharge
captée
par les sondes de mesure.
De préférence, l'unité de traitement comprend aussi un module d'estimation
d'une
largeur de bande équivalente et d'un temps de montée de la décharge de plus
grande
amplitude, qui sont fournis au module de diagnostic.
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Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé une méthode pour
détecter,
localiser et interpréter une décharge partielle susceptible de survenir dans
un site de
décharge partielle le long d'un équipement électrique, comprenant:
détecter des impulsions voyageant dans l'équipement électrique à l'aide de
deux sondes de mesure espacées l'une de l'autre le long de l'équipement
électrique;
détecter un angle de phase dans l'équipement électrique à l'aide d'une sonde
de synchronisation disposée le long de l'équipement électrique;
effectuer un conditionnement sélectif de signaux représentatifs des impulsions
détectées;
acquérir les signaux après le conditionnement sélectif en fonction de l'angle
de
phase détecté;
mettre les signaux acquis en corrélation;
présenter au moins un des signaux acquis dans une distribution temps-
fréquence;
estimer un facteur de forme dérivé de la distribution temps-fréquence; et
établir un diagnostic indicatif d'une détection d'une décharge partielle et de
sa
localisation le long de l'équipement électrique en fonction des résultats de
la
corrélation et du facteur de forme.
De préférence, la méthode comprend de plus: éliminer des candidats de
solutions
diagnostiques correspondant à des traces dans les signaux acquis découlant
d'impulsions détectées ayant des délais de propagation hors plage entre les
sondes
de mesure.
La méthode peut aussi comprendre:
générer un signal d'étalonnage transmis à la sonde de synchronisation qui
l'injecte dans l'équipement électrique; et
à partir des signaux acquis correspondant à des impulsions détectées par les
sondes de mesure causées par le signal d'étalonnage injecté dans l'équipement
électrique, déterminer le délai de propagation entre les sondes de mesure, le
seuil de
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délais considérés hors plage pouvant alors être réglé en fonction du délai de
propagation ainsi déterminé.
Parmi d'autres étapes possibles de la méthode se trouvent:
estimer une probabilité d'erreur en fonction d'un rapport entre un sommet d'un
maximum de corrélation parmi d'autres sommets de corrélation, un signal
d'avertissement indicatif d'un second cas probable d'explication diagnostique
étant
produit lorsque la probabilité d'erreur dépasse un seuil préétabli;
détecter des traces typiques de rayonnement dans les signaux acquis, leur
traitement cessant et un diagnostic "rayonnement" étant retenu lorsqu'il est
établi que
les signaux acquis correspondent à du rayonnement;
établir le diagnostic aussi selon un signal indicatif des polarités des
impulsions
dans les signaux acquis, un coefficient de corrélation des signaux corrélés,
une
portion de trace temporelle d'une décharge de plus grande amplitude, une
distance
temporelle entre une mëme décharge captée par les sondes de mesure, une
largeur
de bande équivalente et un temps de montée de la décharge de plus grande
amplitude;
interpoler les signaux acquis avant corrélation.
Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé une sonde magnétique
large-
bande pour détecter des impulsions voyageant dans un équipement électrique
causées par une décharge partielle, comprenant:
une pince amovible ayant une boucle conductrice formant un circuit de
captation magnétique apte à entourer une section de l'équipement électrique de
manière à capter un signal représentant une composante magnétique axiale des
impulsions voyageant dans l'équipement électrique;
un blindage conducteur recouvrant et isolant électrostatiquement la boucle
conductrice, le blindage conducteur étant en circuit ouvert à des bouts
opposés de la
pince de sorte qu'un interstice apparaiï entre les bouts de la pince;
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un connecteur fermant le circuit de la boucle conductrice aux bouts de la
pince
où se situe l'interstice lorsque la pince est installée autour de l'équipement
électrique;
et
un connecteur pour établir une connexion électrique externe avec le circuit
d'amplification.
De préférence, la sonde magnétique large-bande comprend aussi un circuit
d'amplification, possiblement à gain commandé, intégré dans le blindage
conducteur
et intercalé dans la boucle conductrice de manière à filtrer et amplifier le
signal.
Ce qui suit donne un aperçu à caractère non restrictif de certaines autres
caractéristiques possiblement préférentielles de l'invention qui seront
décrites plus en
détail ci-après.
L'appareil est de préférence portable, autonome et apte à effectuer la
détection
lorsque la ligne électrique à tester est en service. Grâce à l'appareil, un
diagnostic
fiable sur la nature du site de décharge et l'état de santé de l'équipement
peut être
obtenu. L'appareil peut être opéré à distance du site de mesure et a des
sondes dont
la mise en place s'effectue en un minimum de temps afin d'accroître le niveau
de
sécurité des travailleurs. Des sondes robustes et améliorées sont proposées
pour
détecter une décharge partielle, notamment sous forme de sondes magnétiques
large-bande comprenant un amplificateur à gain commandé. Une procédure
d'étalonnage permet de vérifier le bon fonctionnement des sondes, de
déterminer les
paramètres servant à établir le diagnostic, et d'étalonner l'ensemble de
l'appareil.
L'appareil se sert de procédures de corrélation, de synchronisation et
d'estimation
d'un facteur de forme sur les signaux mesurés de manière à établir un
diagnostic
sans égal.
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DESCRIPTION BR~VE DES DESSINS
Une description détaillée des réalisations préférées de l'invention sera
donnée ci-
après en référence avec les dessins suivants, dans lesquels les mêmes numéros
font
référence à des éléments identiques ou similaires:
FIG. 1 est un schéma illustrant une décharge partielle dans un accessoire
situé entre
deux sondes large-bande.
FIG. 2 est un schéma illustrant une décharge partielle ou signal provenant de
l'extérieur des deux sondes large-bande, et un branchement possible de la
sonde de
synchronisation.
FIG. 3 est un schéma illustrant une décharge partielle dans un accessoire
situé à
l'extérieur des deux sondes large-bande.
FIG. 4 est un schéma-bloc illustrant une architecture de l'appareil de
détection,
localisation et interprétation de décharge partielle.
FIG. 5 est un schéma illustrant une section transversale typique d'un câble de
puissance.
FIG. 6A et FIG. 6B sont des schémas en perspective d'un câble de puissance et
des
flux magnétiques y circulant.
FIG. 7 est un schéma illustrant des lignes de champ entourant la sonde
magnétique.
FIG. 8 et FIG. 9 sont des schémas illustrant une sonde magnétique large-bande
sans
et avec circuit d'amplificateur et connecteur externe.
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FIG. 10 est un schéma-bloc illustrant un circuit d'amplification intégré dans
une sonde
magnétique large-bande.
FIG. 11 est un schéma-bloc illustrant une unité de contr8le (UC) traitant les
signaux
des sondes.
FIG. 12 est un schéma-bloc illustrant les principaux éléments exploités dans
le
traitement du signal.
FIG. 13 est un schéma-bloc illustrant l'usage de la corrélation comme outil de
traitement numérique.
FIG. 14 est un diagramme illustrant un spectrogramme d'une décharge partielle
typique.
FIG. 15 est une photographie illustrant un spectrogramme d'une décharge
partielle
typique après application d'un filtre temps-fréquence.
FIG. 16 est une photographie illustrant un appareil de détection, localisation
et
interprétation de décharge partielle.
FIG. 17 est une photographie illustrant une sonde large-bande démontée.
FiG. 18 est un schéma illustrant une unité de contrôle de l'appareil.
FIG. 19 et FIG. 20 sont des schémas en élévation et en plan illustrant une
construction d'une sonde large-bande.
FIG. 21 est un schéma illustrant le circuit du microcontrôleur d'une unitë de
contrôle.
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FIG. 22 et FIG. 23 sont des schémas illustrant les circuits des blocs
d'alimentation
des sondes large-bande.
FIG. 24 et FIG. 25 sont des schémas illustrant les circuits large-bande (RF)
d'amplification et de conditionnement des signaux des sondes large-bande.
FIG. 26 est un schéma illustrant un circuit de conditionnement du signal d'une
sonde
de synchronisation.
FIG. 27 est un schéma illustrant des circuits d'alimentation des autres
circuits de
l'unité de contrôle.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES RÉALISATIONS PRÉFÉRÉES
Tel qu'employé en rapport avec la présente divulgation, le terme "signal"
représente
une grandeur physique analogique et temporelle, typiquement de type courant ou
tension, se présentant sous une forme continue dans le temps.
Tel qu'employé en rapport avec la présente divulgation, le terme "mesure"
représente
une suite d'échantillons discrets numérisés provenant d'un signal
échantillonné
pendant une durée finie.
Tel qu'employé en rapport avec la présente divulgation, le terme "essai"
représente
un ensemble des mesures simultanées et des descriptifs disponibles concernant
un
événement physique enregistré par le détecteur.
Tel qu'employé en rapport avec la présente divulgation, l'expression
"conditionnement du signal" représente une action exercée par de
l'électronique
analogique avant numérisation du signal.
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Tel qu'employé en rapport avec la présente divulgation, l'expression
"traitement du
signal" représente une procédure comprenant des manipulations mathématiques
requises pour confirmer la présence de décharge partielle, localiser le site
de
décharge et mettre en lumière les caractéristiques physiques correspondantes.
Tel qu'employé en rapport avec la présente divulgation, le terme "ordinateur"
représente un ordinateur PC compatible ou autre ayant une carte d'acquisition
haute
vitesse.
Tel qu'employé en rapport avec la présente divulgation, l'expression "unité de
contrôle" (UC) représente une interface intelligente reliant l'ordinateur aux
sondes.
Tel qu'employé en rapport avec ta présente divulgation, l'expression "décharge
partielle" représente un déplacement local, sur une courte distance, spontané,
simultané et de courte durée d'une charge électrique dans un diélectrique
soumis à
un champ électrique.
Tel qu'employé en rapport avec la présente divulgation, l'expression "site de
décharge" représente un défaut localisé dans un petit volume d'un diélectrique
où se
produit une ou des décharges partielles le plus souvent lors de l'application
d'un
champ électrique bien qu'également possible en d'autres occasions.
Tel qu'employé en rapport avec la présente divulgation, l'expression "onde de
puissance" représente une onde sinusoïdale véhiculant la puissance du réseau à
60Hzou50Hz.
Tel qu'employé en rapport avec la présente divulgation, le terme "phaseur"
représente un angle de phase de l'onde de puissance tournant de 3608 par cycle
à la
fréquence du réseau.
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Tel qu'employé en rapport avec la présente divulgation, le terme "rayonnement"
représente tout bruit de nature électrique ou magnétique, ayant une origine
externe à
celle d'une décharge partielle, caractérisé le plus souvent par des nombre
d'oscillations et délai de propagation plus grands, un degré de corrélation
plus faible
et une polarité inappropriée.
En référence à la Figure 16, l'appareil de détection, localisation et
interprétation de
décharge partielle peut être construit de manière à être portable et autonome.
L'appareil peut être constituë d'un ordinateur 1 doté d'un écran 3, d'un
clavier 5 et
d'une souris 7, et d'équipement 9, le tout se logeant dans une mallette 11.
L'appareil
permet notamment de détecter et localiser un ou des sites de décharges
partielles
présents sur un accessoire de ligne haute tension d'un réseau souterrain à
partir d'un
puit d'accès au réseau. L'appareil permet aussi de détecter et indiquer la
direction
d'une source de décharge partielle ayant site dans un autre puit relié au
premier puit
par la ligne haute tension. L'information prélevée permet un diagnostic fiable
sur la
nature du site de décharge et l'état de santé de l'accessoire, du
transformateur, de
l'interrupteur ou autre équipement possible. L'appareil permet de discriminer
les
signaux de décharge partielle en présence de plusieurs signaux de différentes
origines.
Usuellement, pour des considérations de propreté pour l'ordinateur 1, de
confort et de
sécurité pour l'utilisateur, l'ordinateur 1 est opéré à une distance de
quelques mètres
du site de mesures. Les sondes 4, 6 doivent être robustes, leur manipulation
étant
vigoureuse dans un site de mesure sale et humide. De préférence, la mise en
place
des sondes telles les sondes de mesure 4, 6 devrait pouvoir s'effectuer en un
minimum de temps afin de minimiser l'exposition du travailleur aux risques
inhérents
au site de mesure. La Figure 17 illustre une construction possible des sondes
de
mesure 4, 6.
Les décharges partielles surviennent principalement lors des montées en
tension
associées à l'onde de puissance, soit à des angles du phaseur réseau
particuliers.
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De plus, la distribution angulaire de la répartition de ces décharges contient
une
information diagnostique importante puisqu'elle est fonction du type de site
de
décharge. En conséquence, l'appareil attribue une position angulaire
référencée au
phaseur réseau pour chaque décharge partielle. L'appareil peut aussi commander
des mesures sur des portions angulaires prédéterminées afin de cibler certains
sites
de décharge ou d'obtenir un portrait statistique non biaisé.
Les décharges partielles ont des durées variables, en fonction du type de site
de
décharge, de la géométrie des accessoires et de la distance de chaque sonde de
mesure 4, 6. Les plus courtes ont un temps de montée de l'ordre de quelque
nanosecondes et parfois moindre (dans les picosecondes) selon les moyens de
mesure et la nature de la décharge. Le signal est de préférence numérisé à un
gigaéchantillons ou plus par seconde. Ä ce taux d'échantillonnage, le temps
mort
entre deux décharges représente un volume de données très important pour être
numérisé et enregistré. La numérisation se fait de préférence par segments
contenant chacun un événement déclencheur. Cet événement peut être une
décharge partielle ou un bruit dépassant le seuil de la gâchette. Un filtre
passe-haut
61 (Figure 11) joint avec des filtres RF commutables (63) permet d'abaisser le
niveau
de bruit à un point où il est possible de commander le départ de la
numérisation sur le
début d'une décharge partielle de faible amplitude, et ce, malgré la présence
de
bruits électromagnétiques.
En référence à la Figure 1, une décharge partielle qui survient dans un
accessoire 8
ou un câble 10 émet une impulsion électromagnétique qui se propage dans les
deux
directions du câble. Deux sondes 4, 6 situées de part et d'autres d'un site de
décharge 13 livrent des impulsions 15, 17 qui, une fois traitées et corrélées,
informent
sur la position du site de décharge 13. En effet, dans un tel cas, la polarité
est
inversée et le délai inter-canal est moindre que le temps de propagation d'une
onde
entre les deux sondes 4, 6.
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En référence à la Figure 2, une impulsion provenant d'un côté ou de l'autre du
site de
mesure 19 se présentera avec la même polarité pour les deux sondes 4, 6 et
avec un
délai correspondant approximativement au délai de propagation d'une onde entre
les
deux sondes 4, 6.
En référence à la Figure 3, de plus, deux sondes 4, 6 situées du même côté
d'un site
de décharge 13 livrent des impulsions qui, une fois traitées et corrélées,
informent sur
la direction du site de décharge 13.
Notons que la polarité de l'onde captée est fonction de l'orientation de
chaque sonde
2, 4. Dans le contexte de mesure en réseau, les impulsions captées par les
sondes 2,
4 diffèrent entre elles en raison de la présence de réflexions sur des
accessoires
environnants (non illustrés) et en raison du bruit capté. De plus, un signal
de
décharge partielle peut contenir plus d'une oscillation faisant en sorte qu'il
existe
plusieurs sommets de corrélation lorsque les impulsions sont comparées, donc
plusieurs diagnostics possibles. L'appareil évalue donc quel est le diagnostic
le plus
probable en y rattachant une valeur de vraisemblance et en mentionnant, le cas
échéant, la présence d'un autre diagnostic presque aussi probable.
La vraisemblance du diagnostic est basée en partie sur la configuration des
sondes
2, 4 (position relative à l'accessoire 8 ou autre équipement sous test,
localisation et
sens de l'installation) et la connaissance "à priori" des délais de
propagation présents.
Or, une première procédure d'étalonnage sur un banc de test portable permet
d'estimer précisément la réponse de chaque sonde 2, 4, y compris le délai
présent.
Une seconde procédure d'étalonnage sur le site de la mesure permet de mesurer
le
délai de propagation de sonde à sonde ainsi que de valider la configuration de
l'essai.
Une fois l'étalonnage effectué, suivit de la validation de la configuration du
montage,
l'essai peut débuter. Comme le taux de numérisation est très élevé en regard
de la
mémoire disponible, et que, de toute façon, les décharges sont des évènements
de
très courtes durées et bien distancés, il s'avère inutile de conserver
l'ensemble du
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signal. II s'agit donc de mémoriser les portions utiles du signal. Chaque
portion
correspond à un dépassement d'un niveau seuil préalablement fixé, dépassement
appelé "événement" ci-après. Ä un événement donné peut correspondre plusieurs
diagnostics. Lors d'un essai, ce niveau de seuil est abaissé progressivement
jusqu'à
ce que l'on observe une probabilité d'événements acceptable pour la mesure.
Lorsque l'on suspecte la présence cachée de décharges ayant des amplitudes
plus
faibles que le seuil de la gâchette, on doit abaisser davantage ce niveau
seuil avec
pour résultat un fort taux d'événements ne correspondant pas à des décharges.
Pour
chaque essai et chaque seuil, l'appareil enregistre plusieurs rafales
d'évènements
pouvant couvrir un ou plusieurs cycles à la fréquence du réseau. Pour chaque
événement, l'appareil affiche et consigne en mémoire un diagnostic automatique
obtenu à partir de corrélations, à savoir s'il y a présence d'un signal
saturé, présence
de rayonnement ou autre bruit inopportun, décharge entre les deux sondes 4, 6,
décharge en provenance de l'un ou l'autre côté du montage des deux sondes 4,
6, et
présence d'une seconde explication de diagnostic probable.
Ä chaque diagnostic est de préférence rattaché un facteur de vraisemblance
basé sur
une distribution de diagnostics possibles, un coefficient de la corrélation
entre les
décharges en provenance des deux sondes 4, 6, un facteur de forme
correspondant
au rapport largeur de bande spectrale sur durée temporelle de l'impulsion de
décharge, la valeur du phaseur réseau au moment de l'événement, et un ensemble
de paramètre de traitement analogiques (fixes) et numériques (pouvant être
modifiés
au gré de l'utilisateur).
L'utilisateur peut sélectionner le traitement numérique à appliquer, la
rafale, les
rafales, l'essai ou les essais à colliger et à présenter à l'écran 3. Les
résultats
peuvent alors être illustrés de façon brute (liste format texte) ou par le
biais de
différents outils de présentations statistiques communs, tels des histogrammes
2D ou
3D. Ces résultats peuvent être exportés pour analyse par des logiciels, tel
ExceIT~" de
MicrosoftT"'. Comme complément au diagnostic, l'utilisateur peut avoir accès à
différents outils communs de traitement numériques et d'affichage, soit entre
autres
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un affichage graphique des traces temporelles filtrées ou non, des
spectrogrammes
et des distributions de Wigner-Ville et d'ondelettes temps-fréquence. II peut
aussi
appliquer sur les traces temporelles numérisées différents filtres numériques
et
traitement et retourner à l'affichage statistique de ces derniers (concept de
bouclage
itératif dans le diagnostic).
En référence à la Figure 4, l'appareil comprend trois sondes 2, 4, 14 reliées
à une
unité de contrôle (UC) 16 qui elle-même est reliée à l'ordinateur 1. La
longueur des
càbles de raccord 19, 21, 23 des sondes est telle qu'elle permet de disposer
l'UC 16
et l'ordinateur 1 dans un camion alors que les sondes 2, 4, 14 sont montées
sur les
câbles de puissance 10 et les accessoires 8 (Figures 1-3). L'UC 16 peut être
disposé
à l'intérieur de l'ordinateur 1 pour des raisons d'encombrement et de facilité
de
branchement. Cependant, l'UC 16 peut tout aussi bien être disposé à
l'extérieur de
l'ordinateur 1 et s'y connecté au moyen d'un câble 25 approprié.
Le rôle de deux des trois sondes 2, 4 est de capter l'impulsion
électromagnétique
générée par une décharge partielle, qui se propageant dans les accessoires 8
et
câbles 10 (Figures 1-3). Le rôle de la troisième sonde 14 est de capter l'onde
de
puissance et, lorsque requis, d'injecter un signal d'étalonnage.
Le rôle de l'UC 16 est principalement de permettre la synchronisation d'une
fenêtre
d'acquisition avec l'onde de puissance, soit situer le départ et la fin
temporelle de la
numérisation en degrés phaseur du réseau. Les autres fonctions sont le
traitement
analogique des signaux de décharge partielle (y compris la protection contre
les
surtensions) et leur transmission à l'ordinateur 1 sous la forme analogique
(ou
numérique s'il y a lieu), fournir l'alimentation et commander le gain des
sondes 2, 4,
transmettre un signal d'étalonnage à la sonde de synchronisation 14, valider
que
l'accessoire 8 est sous tension ainsi que diagnostiquer une sonde 2, 4, 14 en
défaut.
Le rôle de l'ordinateur 1 est de configurer l'UC 16, de numériser les signaux,
appliquer un traitement numérique sur ceux-ci, réaliser le diagnostic,
afficher les
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mesures et le diagnostic ainsi que de sauvegarder les essais sur une base de
données et échanger des données avec d'autres systèmes.
La méthode de mesure fait appel à trois sondes, soit deux sondes 2, 4 à
couplage
magnétique large-bande qui captent les décharges partielles et une sonde de
synchronisation 14 qui capte l'onde 60 Hz pour en extraire la valeur de
l'angle de
phase. Les deux sondes magnétiques 2, 4 peuvent être disposées de part et
d'autre
de l'accessoire 8 ou à une de ses extrémités. La sonde de synchronisation 14
peut
être de type capacitive, magnétique, une mesure de tension ou de courant. La
sonde
de synchronisation 14 peut être branchée sur l'accessoire 8 testé tel
qu'illustré à la
Figure 2, ou un autre accessoire (i.e. une autre phase), auquel cas il suffit
de corriger
la valeur de l'angle de phase de t120~ pour tenir compte de l'écart interphase
s'il y a
lieu. La sonde de synchronisation 14 peut être combinée à l'une des deux
autres
sondes 2, 4 ou à chacune des deux autres sondes 2, 4. Elle peut apparaître
alors
comme élément distinctif dans le boîtier de la sonde combinée ou être
fusionnée
avec la partie large-bande. Dans ce dernier cas, un circuit de séparation de
signal
permet d'extraire le signal de basse fréquence (proche de la fréquence du
réseau) du
signal large bande.
Trois procédures d'étalonnage sont de préférence mises en oeuvre. Dans une des
procédures, l'UC 16 injecte un signal connu dans le module de numérisation de
l'ordinateur 1, ce qui permet l'étalonnage de la réponse de(s) cartels)
d'acquisition
reliés) avec les filtres. Dans une autre des procédures, l'UC 16 injecte un
signal
connu dans la sonde de synchronisation 14 installée sur l'accessoire 8 à
tester afin
de confirmer la configuration des sondes 2, 4 et d'étalonner le délai de
propagation
dans le câble 10 de sonde à sonde. Dans une autre procédure, fUC 16 injecte un
signal connu dans la sonde de synchronisation 14 installée sur un banc de test
portable (non illustré) afin d'étalonner l'ensemble de l'appareil.
Étant donné la faible amplitude du signal de décharge et la longueur
(plusieurs
mètres) des câbles de raccord 19, 21, 23 des sondes 2, 4, 14, les sondes
16
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magnétiques large-bande (plusieurs centaines de mégahertz) 2, 4 comprennent
avantageusement dans leur boîtier un amplificateur à gain commandé 42 (Figure
9).
Les sondes 2, 4 illustrées sont spécifiquement conçues pour fonctionner avec
des
câbles de puissance 10 ayant une gaine de neutre 28 (Figures 5 et 6A) formé de
brins toronnés. Les sondes 2, 4 mesurent le champ magnétique longitudinal
généré
par l'hélicoïdal ainsi formée. La méthode de mesure reste quand même valable
pour
d'autres types de câbles (par exemple avec une gaine lisse continue en
aluminium ou
en plomb) mais nécessite possiblement le remplacement des sondes magnétiques
2,
4 par un autre type de sonde large-bande (par exemple, une sonde capacitive).
La sonde de synchronisation 14 est bi-directionnelle car elle sert à la fois
pour capter
la phase de l'onde à 60 Hz et pour injecter un signal test ou un signal
d'étalonnage
sur le câble 10. La sonde 14 telle qu'illustrée à la Figure 2 mesure le
courant de
dérivation entre deux électrodes disposées par exemple à l'aide de pinces de
fixation
25, 27, l'une sur la gaine semi-conductrice 26 et l'autre sur le neutre 28.
Cependant,
un autre type de captation peut fort bien être exploité tel le couplage
magnétique,
capacitif ou une mesure de tension.
L'UC 16 commandée par l'ordinateur 1 permet: a) le conditionnement analogique
et
protection contre les surtensions et surintensités; b) la commutation de
filtres
analogiques 63; c) la synchronisation d'une acquisition sur une portion ciblée
du cycle
(0-360 degré) de l'onde à 60 Hz par le biais d'un signal déclencheur transmis
à la
carte d'acquisition dans l'ordinateur 1; d) la commande des gains des sondes
large-
bande 2, 4 et l'alimentation de celles-ci; e) la transmission d'un signal
d'étalonnage à
la sonde de synchronisation 14 pour injection de ce signal dans l'accessoire
8; f) la
transmission d'un signal d'étalonnage à l'ordinateur 1; g) le diagnostic sur
le bon
fonctionnement des sondes large-bande 2, 4 et la transmission de ce diagnostic
à
l'ordinateur 1; et h) la vérification de la présence de tension sur
l'accessoire 8 et la
transmission de cet état à l'ordinateur 1.
17
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La numérisation se fait à une cadence très élevée, soit entre 1 giga et 10
giga
échantillons par seconde pour les signaux des deux sondes large-bande 2, 4.
Dans l'analyse numérique, plusieurs possibilités diagnostiques sont explorées
de
sorte qu'en certaines occasions, l'appareil prévient l'utilisateur d'une
seconde
explication diagnostique probable en plus de celle présentée comme la plus
probable.
Une interpolation du signal est préférablement effectuée avant la corrélation.
Un calcul du facteur de forme temps-fréquence, fondé sur le ratio largeur de
bande
sur durée temporelle, facilite la reconnaissance des vraies décharges
partielles.
Le tableau 1 ci-dessous présente une liste des principales informations et
signaux
présents à l'entrée de l'appareil et leur source.
Tableau 1
Commandes de l'utilisateur:
- Ajustement de l'horloge et du calendrier
- Choix de la langue
- Paramètre et commande d'étalonnage
- En mode essais:
- Description de l'essai (lieu, accessoires...)
- Configuration des sondes par rapport aux accessoires
- Paramètres de la mesure
- Départ/arrêt de la mesure
- Rejeter/accepter la mesure
- En mode analyse:
- Paramètres du traitement du signal
- Paramètres de visualisation
Liens informatiques:
- Réception de mesures et diagnostics provenant de d'autres sites
18
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Sondes magnétiques large-bande, via l'UC:
- Signal de propagation ayant une composante magnétique longitudinale et capté
sur
le câble
Sonde de synchronisation:
- Onde de puissance 60 Hz
Le tableau 2 présente une liste des principales informations à la sortie de
l'appareil et
leur cible.
Tableau 2
Utilisateur:
- Paramètres de l'essai réalisé
- Tracé graphique du signal temporel
- Tracé graphique du signal temporel filtré
- Diagnostic
- Délais calculés
Ordinateur portable:
- Écriture dans une base de données sur mémoire de masse (disque ou autres)
des
essais réalisés.
Liens informatiques:
- Transmission de mesures, d'essais, de diagnostics et d'éléments de base de
données.
Sondes de synchronisation:
- Injection d'un signal d'étalonnage dans un câble
En référence aux Figures 5, 6A et 6B, le câble blindé 10 sur lequel est
installée
chaque sonde magnétique large-bande 2, 4 est constitué d'un conducteur central
20
entouré d'une gaine semi-conductrice 22, d'un diélectrique isolant 24, d'une
seconde
gaine semi-conductrice 26 ainsi que d'un neutre concentrique torsadé 28. La
résultante des torsadés du conducteur 20 et du neutre 28, et le fait que le
neutre 28
19
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n'offre pas un blindage parfait, font en sorte qu'une onde de propagation
électromagnétique conducteur-neutre possède une composante magnétique axiale
30 non négligeable, tel qu'illustré à la Figure 6B.
En référence à la Figure 7, chaque sonde magnétique 2, 4, comportant une
simple
boucle conductrice 32, capte la composante magnétique axiale 30 de l'onde.
En référence à la Figure 8, chaque sonde magnétique large-bande 2, 4 se
présente
sous l'aspect d'une pince amovible constituée d'une boucle conductrice de
captation
magnétique 32 recouvert d'un blindage conducteur 34 qui sert aussi de boîtier
à la
sonde 2, 4. Ce blindage a pour fonction d'isoler électrostatiquement la boucle
de
captation magnétique 32. Afin d'interdire la conduction d'un courant dans le
blindage
qui viendrait opposer un champ magnétique au flux magnétique axial 30, le
blindage
est en circuit ouvert aux bouts de la pince de sorte qu'il y apparaît un
interstice 36. Un
connecteur 38 vient fermer le circuit de la boucle magnétique 32 aux bouts de
la
pince, là où se situe l'interstice 36. La boucle conductrice 32 capte le flux
magnétique
axial 30 tout en état peu sensible au champ tangentiel 40 (Figure 6) enrobant
le câble
10 et aux champs électriques ambiants.
En référence à la Figure 9, la boucle de captation magnétique 32 est reliée à
un
circuit d'amplification 42 intégré dans le boîtier blindé de la pince 34.
En référence à la Figure 10, le circuit d'amplification 42 comprend un filtre
passe-bas
44, un préamplificateur 46, un amplificateur de puissance 48 agissant aussi
comme
adaptateur d'impédance, un découpleur 50, une unité de contrôle de gain (UGC)
52,
un circuit de protection 54 et un régulateur d'alimentation 56. Le découpleur
50
permet au signal capté d'être transmis via le connecteur 58, de fournir le
courant
d'alimentation au régulateur 56, de transmettre à l'UGC 52 la commande de
valeur de
gain reçue via le connecteur 58. Le gain de l'UGC 52 est ajustable selon la
sensibilité
requise. La commande de gain provient de l'UC 16 et est transmise par l'unique
câble
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19, 21 relié à la sonde 2, 4 par le connecteur 58, ce même câble 19, 21
transmettant
à l'UC 16 le signal capté et amplifié par la sonde 2, 4.
La Figure 18 illustre un plan possible du circuit d'amplification 42 d'une
sonde 2, 4.
En référence aux Figures 19 et 20, la boucle de captation magnétique 32 peut
être
constitué d'un circuit imprimé flexible sur lequel se trouve aussi le circuit
d'amplification 42 et le connecteur 58 se rattachant au câble 19, 21.
Le câble reliant chaque sonde large-bande 2, 4 à l'UC 16 peut être de
différentes
natures. Des câbles coaxiaux 50 Ohms et des câbles coaxiaux 50 Ohms à double
blindage peuvent convenir. Ce dernier type de câble est plus onéreux mais il
offre
une meilleur protection contre le bruit. En fait, il est possible d'utiliser
tout type de
câble offrant une bonne immunité au bruit électromagnétique et aux courants de
boucle de masse ("ground loop")
En référence à la Figure 11, seul le circuit traitant le signal de la deuxième
sonde 4
reçu sur le connecteur 67 est illustré. Le circuit de la première sonde 2,
remplacé par
des pointillés 18, est identique à celui de la deuxième sonde. L'UC 16
commandée
par l'ordinateur 1 comprend le conditionnement analogique du signal des sondes
large-bande 2, 4, la protection contre les surtensions sur les sondes 2, 4 et
la
surintensité sur l'alimentation des sondes 2, 4. Des connecteurs 69, 71
permettent de
connecter l'UC 16 à la sonde de mesure 2 et à la sonde de synchronisation 14.
Un
module de découplage 65 permet la séparation entre le signal en provenance de
la
sonde 4 et le courant d'alimentation. Un circuit de protection contre la
surintensité 73
est disposé en aval du bloc d'alimentation 75, ce circuit 75 étant relié à un
microcontrôleur 77 afin que ce dernier puisse constater la présence
d'alimentation de
la sonde 4. La protection surintensité limite le courant d'alimentation
fournit à chaque
sonde 2, 4 de façon à protéger à la fois la sonde 2, 4 et l'alimentation 75.
Le signal
analogique passe en premier lieu par un module de protection contre la
surtension
79. La protection surtension vise à maintenir le signal dans des limites de
tension
21
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acceptable de façon à protéger la sonde 4 et le circuit de conditionnement
analogique
81. Le conditionnement analogique 81 consiste en l'application d'un filtre
passe-haut
61 de pair avec une amplification du signal 83. Le microcontrôleur 77 peut
injecter un
signal d'étalonnage, le signal de synchronisation ou autre signal requis par
le biais du
module d'amplification 83. La fréquence de coupure du filtre passe-haut 61 se
situe
entre 30 kHz et 1.7 MHz (préférentiellement 100 kHz). Le but de ce filtre 61
est
d'éliminer les bruits provenant du réseau électrique et des émissions radio,
principalement de la bande AM. Le circuit de conditionnement 81 comprend de
préférence un espace réservé pour l'installation d'un second étage de filtre
85
optionnel (passe-haut, passe-bande ou passe-bas) qui succèderait au filtre
passe-
haut 61.
L'UC 16 comporte un étage de filtres commutables 63. Dans le circuit illustré,
un
multiplexeur 87 sélectionne le signal transmis à l'ordinateur 1. Ce signal
peut être
absent (non connecté) 89, le signal brut sans passage par un filtre 91, le
signal filtré
par un passe-bas 93 (préférentiellement situé vers les 39 MHz) ou un choix
parmi
deux autres filtres 95 97 optionnels.
L'UC 16 permet la synchronisation d'une acquisition sur une portion ciblée du
cycle
(0-360 degré) du phaseur de l'onde de puissance (60 Hz ou 50 Hz selon le
réseau).
Les signaux de synchronisation sont joints au signal en provenance de la sonde
4
dans l'amplificateur de conditionnement 83. Le signal résultant est transmis à
la carte
d'acquisition dans l'ordinateur 1. Celle-ci démarre alors l'observation des
décharges
un peu avant ou lors de l'arrivée du premier signal de synchronisation
(l'acquisition a
toujours lieu et les données sont continuellement rangées dans une mémoire
circulaire) et termine la capture des décharges partielles après le passage du
signal
de fin de la synchronisation. Un circuit électronique de synchronisation formé
d'un
découpleur 99, d'un module de protection contre la surtension 101, d'un filtre
passe-
bas 103, d'un amplificateur 105 et d'un filtre passe-bande 107 est commandé
par le
microcontrôleur 77 et se verrouille sur la phase de l'onde de puissance de
façon à
déterminer les moments correspondant au départ et à la fin de la plage
d'observation
22
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des décharges partielles. Le découpleur 99 permet la transmission d'un signal
d'étalonnage à la sonde de synchronisation 14 sans que ce signal ne soit
transmis au
reste du circuit 101, 103, 105, 107. Le signal en provenance de la sonde de
synchronisation 14 passe par le module de protection contre la surtension 101
pour
ensuite être dirigé vers un filtre passe-bas 103, préférentiellement fixé à 1
kHz, pour
réduire le bruit présent dans le signal. Ce filtre 103 est suivi d'un
amplificateur 105 qui
alimente un filtre passe-bande étroit 107. La phase à la sortie de ce filtre
107 est
comparée à celle de l'entrée de façon à commander la fréquence du filtre 107
dans le
but de maintenir un déphasage de 180 degrés malgré les fluctuations de la
fréquence
du réseau électrique. Un compteur (intégré dans le microcontrôleur 77)
commandé à
partir des passages par zéro du signal à la sortie du filtre passe-bande 107
donne un
estimé de la valeur du phaseur à un facteur d'échelle près. La comparaison de
cette
dernière valeur avec des consignes "phase de départ" et "phase à la fin" donne
le
moment d'émission des signaux de synchronisation. De plus, dans une option
préférentielle, le signal de décharge partielle n'est communiqué à
l'ordinateur 1 que
dans la période temporelle correspondant à cette portion en utilisant le
multiplexeur
87.
Au travers d'un même fil 19, 21 (Figure 4), l'UC 16 transmet le signal
"commande de
gain" et le courant d'alimentation requis par les sondes large-bande 2, 4. Le
module
d'alimentation 75 commandé par le microcontrôleur 16 ajuste le niveau de
tension
correspondant au gain requis. Le module de surintensité 73 suit le module
d'alimentation 75 et transmet l'état de l'alimentation au microcontrôleur 77.
Enfin, le
module découpleur 65 isole le courant d'alimentation des autres circuits de
conditionnement du signal de la sonde 2, 4.
Le microcontrôleur 77 permet la transmission d'un signal d'étalonnage à la
sonde de
synchronisation 14 pour injection de ce signal dans l'accessoire 8. Le
microcontrôleur
77 dispose d'un circuit pouvant générer une impulsion calibrée de très courte
durée,
s'apparentant à la durée typique d'une décharge partielle ou un train
d'impulsions
ayant un patron de délai optimisant la corrélation 60'. Après passage de
l'impulsion
23
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dans un amplificateur 109, le découpleur 99 dirige celle-ci sur le câble 23
(Figure 4)
relié à la sonde de synchronisation 14. Le filtre passe-bas 103 situé à
l'entrée du
circuit de synchronisation isole celui-ci afin de bloquer l'impulsion de
grande
amplitude.
L'UC 16 permet aussi la transmission d'un signal d'étalonnage à l'ordinateur
1. Une
option est de remplacer un des filtres optionnels 93, 95 par une source de
tension. II
s'agit alors de commander le multiplexeur 63 afin de sélectionner ce signal
pour le
transmettre à l'ordinateur 1.
L'UC 16 permet un diagnostic sur le bon fonctionnement des sondes large-bande
2, 4
et la transmission de ce diagnostic à l'ordinateur. Lorsque le système de
protection
73 d'une des sondes 2, 4 est sollicité, le microcontrôleur 77 en est informé
et prévient
alors l'ordinateur 1 de la présence du défaut par un lien de communication
numérique
111.
L'UC 16 permet la vérification de la présence de tension sur l'accessoire 8 et
la
transmission de cet état à l'ordinateur 1. En absence de tension adéquate, ou
lorsque
la sonde de synchronisation 14 n'est pas reliée, le circuit de synchronisation
99, 101,
103, 105, 107 ne peut fonctionner normalement. Le microcontr8leur 77 en
informe
alors l'ordinateur 1 par la communication numérique 111.
En référence à la Figure 12, il est illustré un processus possible du
traitement du
signal effectué par l'appareil pour établir un diagnostic. Des corrélations
temporelles
64 peuvent être utilisées pour déterminer la polarité des décharges, la
distance
temporelle ~t entre une même décharge captée par les deux sondes 2,4, le
coefficient de corrélation "gamma", la probabilité d'erreur diagnostique, et
la présence
d'un autre possibilité diagnostique vraisemblable.
Un algorithme numérique dédié 66 jauge la possibilité de la présence dominante
de
rayonnement en calculant le nombre d'oscillations de la portion de l'onde
captée qui
24
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dépasse le niveau de bruit local. La présence d'un nombre élevé
d'oscillations, soit
plus de 8 à 15 cycles, est un symptôme typique du rayonnement. Le calcul du
nombre de cycles d'oscillations peut se réaliser sur un ou les deux canaux
113, 115.
Le traitement cesse lorsqu'un rayonnement (f) est détecté. Un autre algorithme
68
calcule le facteur (g) de forme sur le canal présentant la plus grande
amplitude de
décharge. Ce facteur (g) de forme correspond au rapport de la largeur de bande
spectrale sur la durée temporelle de l'impulsion de décharge. Ces deux
dernières
valeurs sont respectivement estimées à partir de la ligne spectrale dominante
et du
marginal temporel de la décharge partielle présentée dans une distribution
temps-
fréquence 70. Cette distribution temps-fréquence 70 peut correspondre au
spectrogramme 72, à la transformé de Wigner-Ville 74 ou à la transformée en
ondelettes 76 du signal. La distribution temps-fréquence 70 peut faire l'objet
préalable
d'un filtrage temps-fréquence 80 avant calcul du facteur (g) de forme afin de
retirer le
bruit de fond présentant une puissance spectrale sensiblement constante dans
le
temps. La portion temporelle du signal de la décharge de plus grande amplitude
est
transmise à un module 110 qui estime la largeur de bande équivalente (h) et le
temps
de montée (i) de la décharge. Les résultats (a) à (i) des différents
traitements
appliqués constituent autant de symptômes potentiels qui sont soumis à
l'utilisateur
pour qu'il en déduise un diagnostic, ou soumis à un algorithme de diagnostic
82.
L'algorithme du module de diagnostic 82 peut, par exemple, faire usage de
logique
câblée ("et", "ou", dépassement de seuil), de réseaux neuronaux, d'un système
expert, de logique floue, d'un algorithme génétique ou d'une combinaison de
ceux-ci
afin de traiter les signaux temporels bruts et/ou les résunats du traitement
décrit
précédemment.
Les sondes 2, 4 sont couplées AC, c'est à dire que la tension DC n'est pas
mesurée.
Cependant, les convertisseurs numériques peuvent très bien présenter un
décalage
du zéro. De plus, le signal RF de période supérieure à la durée de
numérisation
introduit un décalage s'apparentant à un DC auquel s'ajoute une pente et une
parabole. Ces fluctuations lentes du signa! doivent de préférence être
éliminées avant
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le traitement par la corrélation 64, et même, avant le calcul d'une
interpolation. Deux
types de filtre passe-haut commutables 117, 119 disposés en parallèle
réalisent cette
fonction. Le premier filtre 117 effectue, avec le signal, la convolution d'une
fenêtre
spectrale pour ensuite soustraire ce résultat du signal. L'autre filtre 119
s'apparente à
un filtre notch à 0 Hz. Celui-ci convolue une distribution obtenue à partir de
la
transformée inverse de Fourier d'un créneau unitaire sur toute la bande
spectrale
auquel on a soustrait une fenêtre spectrale disposée à 0 Hz. Dans ce dernier
filtre
119, on peut ajuster la largeur de la fenêtre de coupure de même que le niveau
de
rejet dans la bande de blocage du signal. Ces filtres éliminent le signal de
la bande
radio AM.
Un filtre FM-TV 121 peut être mis en série après les filtres passe-haut 117,
119. Ce
dernier est aussi de type convolutionel avec pour fonction filtre la
transformée inverse
de Fourier d'un patron de blocage de bandes ajusté, selon la demande, sur les
différentes bandes FM et TV. II est ainsi possible de choisir le blocage de la
bande
FM, des bandes FM et TV pour les canaux de 2 à 4, ou encore des bandes FM et
TV
pour les canaux 2 à 4 plus les canaux 5 à 13. Les autres paramètres de filtre
sont
l'ordre du filtre, le niveau de réfection du blocage de bande et le lissage en
fréquence
du patron de filtre.
La corrélation consiste à réaliser (4) la somme des produits croisés de deux
fonctions
tel que:
Corr~z~= ~x~t"~~ y~tn - z~, avec a= nT et n E Z, (1 )
n
T étant la période d'échantillonnage. La somme s'applique là où des
échantillons de
x(t) et y(t-i) existent. Pour une valeur donnée de t, lorsque x(t) et y(t-i),
ou encore x(t)
et -y(t-i), présentent une similitude, la valeur de la corrélation atteint un
maximum.
Rappelons que le signal est numérisé et discrétisé: une même forme d'onde
numérisée avec un léger délai donne un aspect différent. Cette constatation a
un lien
26
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direct avec le fait que: la position du sommet de corrélation est définie
temporellement à une demi-période d'échantillonnage près; l'amplitude du vrai
sommet de corrélation peut différer substantiellement du sommet observé. Les
inconvénients de la discrétisation sont minimes lorsque le signal est
largement sur-
échantillonné. Par contre, pour un signal de type large bande, il est
préférable
d'interpoler le signal avant corrélation pour minimiser ces effets. Ici,
l'interpolation
augmente de 2 à 5 fois le nombre d'échantillons. La fonction d'interpolation
utilisée
est le produit de la fonction sincp par une fenêtre spectrale (ex. Blackman-
Harris),
mais un autre interpolateur peut fort bien être employé.
En référence à la Figure 13, il est illustré un schéma-bloc détaillant le
module de
corrélation 64 illustré à la Figure 12. Une interpolation 84 survient avant
une
corrélation 64'. Avant corrélation 64', sur un des canaux, on réduit au
minimum requis
86 la largeur temporelle de corrélation afin d'augmenter le rapport
signal/bruit. Ce
minimum requis correspond à la portion de signal où il semble émerger du bruit
d'une
décharge partielle. C'est le canal présentant le signal de décharge de plus
grande
amplitude qui est choisit pour ce découpage 88. De cette façon, on s'assure
que le
début et la fin de la décharge seront définis avec plus d'acuité.
Le résultat de la corrélation 64' est un ensemble de sommets positifs ou
négatifs. Un
simple classement en valeur absolue d'amplitude permet de retenir les
principaux
sommets 90. Dans le module de calcul de délai 92, pour chaque sommet de
corrélation, la valeur de la variable i correspondant est multipliée par la
constante
requise afin d'obtenir le délai At entre les deux observations de la décharge.
Ce délai
est utilisé par un module 94 qui élimine les fausses décharges, soit celles
qui
présentent un délai supérieur au temps de propagation entre les deux sondes 2,
4. Le
temps de propagation peut être estimé lors d'un étalonnage au départ de
fessai. Un
autre module 96 estime la probabilité d'erreur diagnostique se basant sur
combien le
sommet du maximum de corrélation se détache des autres sommets. Lorsque la
27
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probabilité d'erreur excède un seuil préétabli 98, il y a transmission d'un
avertissement de l'exïstence d'un second cas probable d'explication
diagnostique.
Enfin, les données concernant le sommet du maximum de corrélation sont
retenues
100 et transmises au module d'estimation de polarité 102 ainsi qu'au module de
calcul du coefficient yde corrélation 104. Ce dernier coefficient:
x~n~' ~'~tn - z) (2)
~nx~tn~'~nY~tn-Z
donne une appréciation de la similitude entre les deux signaux de décharge
comparés.
Le module de corrélation 64 fournit aussi la valeur de délai ~t canal à canal
106 de la
décharge partielle ainsi que la portion de trace temporelle de la décharge de
plus
grande amplitude 108.
L'étalonnage du délai de propagation entre les sondes large-bande 2, 4 est
effectuée
usuellement au démarrage d'un test diagnostique. Suite à l'injection du signal
d'étalonnage dans la sonde de synchronisation 14, la réponse captée par chaque
sonde large-bande 2, 4 est analysée afin d'estimer le délai de propagation
entre ces
deux sondes 2, 4. Pour ce faire, un filtre de correction en phase et en
amplitude (non
illustré, mais réalisé par l'ordinateur 1 ) remodèle le signal perçu par la
sonde située
du côté le plus éloigné de la sonde de synchronisation 14 (par exemple sur la
Figure
2 ce sera le signal de la première sonde 2). Le remodelage vise à corriger la
distorsion que l'onde de propagation a subie dans sa traversée de l'accessoire
8. Le
remodelage du signal de l'autre sonde est optionnel. Par après, les délais de
propagation sont estimés par corrélation avec le signal injecté par la sonde
de
synchronisation 14. Cette derniére corrélation utilise les éléments 84, 86,
88, 123, 90,
100 et 102 illustrés à la Figure 13. La polarité du signal confirme la
configuration de
test. Par exemple, pour l'illustration de la Figure 2, la polarité doit
apparaître inversée
28
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sans quoi un des capteurs 2, 4 est disposé é l'envers de l'autre capteur. La
somme
des deux estimations de délai donne un estimé du délai de propagation entre
les
deux sondes large-bande 2, 4 pour les illustrations des Figures 1 et 2. Pour
la
configuration illustrée à la Figure 3, on prend la différence entre les deux
estimés de
délai.
Les décharges partielles sont caractérisées par une impulsion large bande de
courte
durée. Le facteur 68 de forme renseigne dans quelle mesure l'événement
numérisé
se conforme à cette dernière caractéristique. Le facteur 68 de forme est
déduit du
spectrogramme X;,m 72 filtré en temps-fréquence du signal xn. Ce facteur est
défini
comme le moment d'inertie spectral sur le moment d'inertie temporel tel que
F= ~lX,~ms ~~t C
~mxm'Cm ms
Où
Xl,ms est la transformée de Fourier correspondant à la tranche temporelle ms
coïncidant avec l'amplitude maximale de la décharge,
xm est le marginal temporel avec m comme indice de numéro de tranche
temporelle du spectrogramme tel que xm = ~lXl,m ,
c est soit égal à zéro ou soit égal au centre de gravité de X~ tel que
c=~~Xl'i~~;Xi.
La Figure 14 illustre un spectrogramme Xl,m tel que i est l'indice de la
fréquence et m
l'indice temporel, alors que la Figure 15 donne le résultat filtré. Dans la
Figure 14, le
temps est en abscisse alors que la fréquence est en ordonnée (les valeurs
présentées ne sont pas à l'échelle). Les 3 lignes ondulées horizontales
correspondent à des modulations radio nuisibles. Dans la Figure 15, les 3
signaux de
modulations radio apparaissant sur la Figure 14 ont été éliminés.
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La fonction filtre s'écrit:
exp~log~Xl~m~-~S~ +,~~) lorsque log~Xl~m~>_ ~St +x~
Y~m =
1 lorsque log~Xl,m~< (S1 +,~~
avec
S _ ~k log X~k
' ~ 1
k
où k E ~~~ log~X;~m ~<_ Seuil marginal temporel.
En fonction de la durée de la numérisation et de la durée d'une décharge
typique, le
seuil marginal temporel est ajusté pour obtenir la fraction des tranches
temporelles
dans lesquelles on observe surtout du bruit. II est donc préférable de
disposer de
données numérisées avant l'apparition de la décharge afin de disposer d'une
mesure
du bruit. Dans l'algorithme, l'ajustement du seuil marginal est effectué par
essais et
erreur en réduisant la plage de recherche d'un facteur deux à chaque essai.
Pour
chaque valeur de seuil testé, on obtient une proportion de tranches
temporelles en
dessous de ce seuil. L'ajustement itératif prend fin lorsque la proportion
obtenue est
voisine de celle requise.
Ainsi, S~ donne un estimé plausible de la densité spectrale moyenne du bruit
(en dB)
lors de la décharge. La constante x est exprimée en décibel et permet de ne
conserver que le signal émergeant de x décibels le bruit. Le résultat est un
nivellement du bruit adapté à chaque ligne spectrale.
Le même algorithme peut être appliqué sur l'amplitude ou la puissance
spectrale
plutôt que sur le logarithme de X~,m (i.e. on remplace log(*) par * et exp(*)
par *).
Cependant, la version exploitant le logarithme est de beaucoup plus efficace.
Les signaux de décharges partielles rapprochées sont caractérisées par lobe de
plus
grande amplitude suivit d'un petit nombre d'oscillation très amorties. II
apparaît
parfois un demi-cycle d'oscillation avant le lobe de plus grande amplitude:
cette
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oscillation pré-sommet est de faible amplitude et n'est pas considérée. Le
temps de
montée est donc définit comme étant le passage de 5% à 95% de la montée du
lobe
de plus grande amplitude. Ä partir de la portion du signal contenant la
décharge de
plus grande amplitude, le module 98 (Figure 12) applique un transformée de
Fourier
et estime la fréquence type (ou fréquence caractéristique) de la décharge. Une
particularité du traitement numérique est qu'il y a interpolation spectrale
par ajout de
zéros de part et d'autre du signal temporel avant application de la
transformée de
Fourier. L'inverse de la fréquence type, multiplié par un coefficient
d'étalonnage,
donne un estimé du temps de montée. L'avantage de ce calcul est qu'il est basé
sur
l'ensemble des points du signal de décharge temporel : le résultat est donc
plus
robuste au bruit.
En référence aux Figures 21 à 27, il est illustré des plans possibles de
l'électronique
de L'UC 16. La Figure 21 concerne plus spécifiquement le circuit du
microcontrôleur
77. Les canaux pour les sondes large-bande portent respectivement les noms de
"canal jaune" et "canal bleu". On observe sur la Figure qu'il y a deux mesures
d'alimentation pour ces deux canaux (pattes 19 à 22 de U1): une mesure de
tension
avant le fusible et une mesure après le fusible. Ces mesures permettent de
constater
un disfonctionnement de l'une des sondes 2, 4. Le circuit comprend aussi un
connecteur CN1 pour fin de programmation et un autre connecteur COM1 pour
communication par RS-232. Une des sorties analogiques (patte 3) du
microcontrôleur
(U1) est utilisée pour injecter un signal d'étalonnage dans les sondes large
bande 2,
4 alors que l'autre (patte 2) est utilisée pour injecter un signal
d'étalonnage dans la
sonde de synchronisation 14.
Les Figures 22 et 23 illustrent les blocs d'alimentation des sondes large-
bande 2, 4.
La sortie d'un bloc d'alimentation contient à la fois le courant requis pour
faire
fonctionner l'électronique de la sonde 2, 4 et le signal informant
l'électronique de la
sonde 2, 4 du gain commandé. Ce signal contenant la commande de gain est une
tension superposée à la tension d'alimentation, tension qui est commandée par
le
microcontrôleur U1. Le circuit d'un bloc d'alimentation est donc constitué
d'une
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source de tension de référence (U14/U13), d'un convertisseur
numérique/analogique
(U8/U9), d'un sommateur de tension (U5) et d'un régulateur de tension
(U10/U11).
Les Figures 24 et 25 illustrent les schémas des circuits large-bande (i.e. RF)
d'amplification et de conditionnement des signal des sondes large-bande 2, 4.
Ä
l'extrémité gauche, on note la présence de l'injection du signal
d'alimentation de la
sonde 2, 4 au travers d'une inductance (L2/L3) et la présence d'un
condensateur de
couplage RF (C27/C31 ). Ces deux composants ont pour rôle de découpler le
circuit
d'alimentation du circuit d'amplification. Ce filtre d'aiguillage de signal et
d'alimentation est suivit d'une protection et d'un filtre passe-haut
(PBLP_39), lui-
même suivit d'un étage d'adaptation d'impédance (U16, U17/U20, U19) et de
filtres
(PBLP 39) disposés en parallèle et commutables. La commutation est commandé
par le microcontrôleur (U1) via 4 bits. En haut à gauche, on note une entrée
pour
l'injection du signal de calibration du "zéro". Enfin, un dernier étage
d'amplification
(U18/U22) transmet le signal traité dans une ligne de 50 Ohms.
La Figure 26 illustre le conditionnement du signal de la sonde de
synchronisation 14.
Le circuit débute à la droite avec un filtre d'aiguillage (C15) entre le
signal
d'étalonnage (RF) transmis à la sonde et le signal en provenance de la sonde
(60
Hz). Ce dernier signal, après passage dans une inductance (L1), est écrêté
proche
des passages par zéro. Le signal ainsi écrêté est reconduit dans un filtre
passe bas
et dans un filtre à bande étroite suiveur. Ce dernier filtre est relié à un
fige passe-bas
identique au premier filtre passe-bas afin de conserver le même délai. Ces
signaux
filtrés par les passe-bas sont transmis au microcontrôleur (U1) qui commande
la
réponse du filtre passe-bande de sorte que l'on observe un déphasage de 360
degrés entre la sortie des deux filtres passe-bas. Un dernier circuit
d'amplification
situé en bas de la Figure transmet au microcontrôleur (U1) le signal
sinusoïdal filtré et
en phase avec celui de la sonde de synchronisation 14. Ce signal est utilisé
par le
microcontrôleur (U1) pour estimer ia phase du 60 Hz en fonction du temps.
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La Figure 27 expose les divers circuits d'alimentation des circuits de l'unité
de
contrSle 16.
Bien que des réalisations de l'invention aient été illustrées dans les dessins
ci-joints
et décrites ci-dessus, il apparaîtra évident pour les personnes versées dans
l'art que
des changements et des modifications peuvent être apportés à ces réalisations
sans
s'écarter de l'essence de l'invention.
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