Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 02211034 1997-08-01
DISPOSITIF ET MÉTHODE POUR DÉGLACER
UN ÉLÉMENT STRUCTURAL ALLONGÉ
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention se rapporte aux dispositifs pour enlever la neige ou
la glace pouvant s'accumuler par exemple sur des lignes ou des câbles
électriques, et porte plus particulièrement sur un dispositif et une méthode pour
déglacer un élément structural allongé tel qu'une ligne électrique haute tensionou une tour haubanée.
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
15 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. Jusqu'à maintenant, il n'existe aucune
méthode vraiment efficace au point de vue énergétique et automatisée, qui soit
capable de minimiser l'accumulation de glace sur ces éléments structuraux.
Les brevets US 4,690,353 (HASLIM) et 5,411,121 (LAFORTE et al.)
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 développée pour éliminer la glace sur une aile d'avion. Des impulsions
25 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 impulsionsélectromagnétiques sont injectées dans certains des fils conducteurs isolés
30 intégrés dans la dernière couche toronnée du câble. Ces fils conducteurs sont isolés à cet effet lors de la fabrication du câble.
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La publication intitulée "An Investigation of Power Line De-lcing by Electro-
lmpulse 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
5 lamelles souples en cuivre dans lesquelles ont été injectées des impulsions
électromagnétiques. Dans cette 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 pourbriser la glace, de sorte que sous l'effet des impulsions, I'enveloppe se déformait
10 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'utilisation de ce type de recouvrement ne peut permettre dedéglacer de façon efficace la surface fermée d'un conducteur.
15 SOMMAIRE DE L'INVENTION
L'invention apporte un dispositif pour déglacer un élément structural
allongé à contour fermé, comprenant: au moins une paire de fils électriquement
conducteurs préformés pour s'enrouler, I'un à côté de l'autre, le long et autourde l'élément structural en suivant une trajectoire substantiellement hélicoldale20 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
ayant des premiers bouts pour recevoir des impulsions électromagnétiques, et desdeuxièmes bouts opposés aux premiers bouts, les fils conducteurs étant de
calibre à supporter un courant provoquant, entre les fils conducteurs de la paire,
25 une répulsion ayant une intensité susceptible de briser de la glace ou du givre sur
l'élément structural par un éloignement des fils conducteurs l'un de l'autre en
réponse à la répulsion, les fils conducteurs ayant des propriétés de rigidité etd'élasticité telles que les fils conducteurs retrouvent leur forme autour de
l'élément structural après l'éloignement causé par la répulsion; des moyens pour30 connecter électriquement les deuxièmes bouts des fils conducteurs de la paire
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ensemble; et des moyens pour isoler électriquement les fils conducteurs de la
paire l'un de l'autre et de l'élément structural.
L'invention apporte aussi une méthode pour déglacer un élément structural
allongé à contour fermé, comprenant les étapes de: positionner au moins une
5 paire de fils conducteurs le long de l'élément structural, les fils conducteurs étant
préformés pour s'enrouler, I'un à côté de l'autre, le long et autour de l'élément
structural en suivant une trajectoire substantiellement hélicoldale 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
10 ayant des premiers et deuxièmes bouts opposés, les fils conducteurs étant
pourvus de moyens pour isoler électriquement les fils conducteurs l'un de l'autre
et de l'élément structural, les fils conducteurs étant de calibre à supporter uncourant 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
15 par un éloignement des fils conducteurs l'un de l'autre en réponse à la répulsion,
les fils conducteurs ayant des propriétés de rigidité et d'élasticité telles que les
fils conducteurs retrouvent leur forme autour de l'élément structural après
l'éloignement causé par la répulsion; connecter électriquement les deuxièmes
bouts des fils conducteurs ensemble; et appliquer des impulsions
20 électromagnétiques entre les premiers bouts des fils conducteurs pour générer ledit courant dans les fils conducteurs.
Le dispositif de déglaçage selon l'invention est adaptable à tout élément
structural aérien déjà existant, isolant électrique ou conducteur, dont la surface
présente un contour fermé comme, par exemple, les tiges et câbles aériens de
25 sections variées: circulaire, carrée, rectangulaire, etc. Le dispositif de déglaçage
est applicable à un conducteur de ligne électrique sous tension, autour de laquelle
il forme un genre d'enveloppe ou de gaine. La méthode de déglaçage ne demande
qu'une faible énergie; étant de type mécanique, qui utilise des impulsions
électromagnétiques, elle requiert de 100 à 1000 fois moins d'énergie que les
30 techniques de type thermique. Le dispositif de déglaçage forme une unité
indépendante en elle-même de l'élément structural qu'elle recouvre. Ainsi, il ne
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- nécessite pas d'y être attaché. Il peut être mis en place sur les câbles lors de leur
fabrication en usine ou sur les câbles déjà en place.
BREVE DESCRlPTiON DES FIGURES
L'invention est davantage décrite ci-dessous par le biais d'exemples, en
référence aux dessins suivants où:
Figures 1 et 2 sont des vues de côté en élévation montrant deux formes
de fils conducteurs selon l'invention;
Figure 3 est une vue de côté en élévation du dispositif de déglaçage selon
1 0 I'invention;
Figure 4 est une vue en coupe du dispositif de déglaçage prise le long des
lignes 4-4 de la Figure 3;
Figures 5 et 6 sont des vues en coupe transversale montrant le dispositif
de déglaçage selon l'invention, monté sur deux éléments structuraux de nature
1 5 différente; et
Figure 7 est une vue de côté en élévation montrant un dispositif de
déglaçage selon l'invention, monté sur un élément cylindrique court.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES RÉALISATIONS PRÉFÉRÉES
En référence aux Figures 1 et 2, il est montré deux formes de fils
préformés 2, convenant à la construction du dispositif de déglaçage selon
l'invention. La forme du fil 2 illustré à la Figure 1 convient à un élément structural
(non-illustré dans la figure) dont la surface externe forme un contour circulaire,
tandis que la forme du fil 2 illustré à la Figure 2 convient à un élément structural
(non-illustré dans la figure) dont la surface externe forme un contour rectangulaire
ou carré. D'autres formes de fils préformés peuvent être évidemment utilisés de
manière à convenir à la forme du contour de l'élément structural.
En référence aux Figures 3 et 4, le dispositif de déglaçage selon l'invention
sert à déglacer un élément structural allongé 4 (en pointillé dans les figures) à
30 contour fermé. Dans sa configuration de base, le dispositif comporte au moinsune paire de fils 6, 8 électriquement conducteurs préformés pour s'enrouler, I'un
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à côté de l'autre, le long et autour de l'élément structural 4 en suivant une
trajectoire généralement hélicoïdale tout en épousant le contour de l'élément
structural 4 avec un jeu prédéterminé entre les fils conducteurs 6, 8 et l'élément
structural 4. Dans les Figures 3 et 4, le dispositif comporte trois paires 5, 7, 9 de
5 fils conducteurs 6, 8, comme on le voit mieux à la Figure 4. Les fils conducteurs
6, 8 ont des premiers bouts 10, 12 pour recevoir des impulsions
électromagnétiques, et des deuxièmes bouts 14, 16 opposés aux premiers bouts
10, 12. Les fils conducteurs 6, 8 sont de calibre à supporter un courant
provoquant, entre les fils conducteurs 6, 8 de chaque paire, une répulsion ayant10 une intensité susceptible de briser de la glace ou du givre sur l'élément structural
4 par un éloignement des fils conducteurs 6, 8 I'un de l'autre en réponse à la
répulsion. Les fils conducteurs 6, 8 ont des propriétés de rigidité et d'élasticité
telles que les fils conducteurs 6, 8 retrouvent leur forme autour de l'élément
structural 4 après l'éloignement causé par la répulsion. Le dispositif de déglacage
15 comporte un joint de compression 1 8 pour connecter électriquement les
deuxièmes bouts 14, 1 6 des fils conducteurs 6, 8 de la paire ensemble. Un jointsoudé peut tout aussi bien faire l'affaire, comme n'importe quel autre genre de
connecteur convenant à cette fin. Le dispositif de déglaçage comporte également
des gaines 20, 22 en matériau isolant recouvrant les fils conducteurs 6, 8
20 respectivement, pour les isoler électriquement l'un de l'autre et de l'élément
structural 4.
Optionnellement ou dépendamment de l'application et de la configuration
du dispositif de déglaçage, les espaces complémentaires aux espaces occupés par
les paires de fils 6, 8 sur le contour de l'élément structural 4 peuvent être
25 comblés à l'aide de fils préformés 24 identiques ou similaires aux fils conducteurs
6, 8, s'agençant en parallèle avec ces derniers pour former une gaine torsadée
autour de l'élément structural 4. Tout autre moyen de remplissage convenant à
cet fin peut bien entendu être utilisé au lieu des fils préformés 24.
Pour déglacer l'élément structural allongé 4 à contour fermé, il suffit de
30 positionner chaque paire de fils conducteurs 6, 8 le long de l'élément structural 4,
de manière à ce qu'ils s'enroulent l'un à côté de l'autre, le long et autour de
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I'élément structural 4 en suivant une trajectoire généralement hélicoïdale tout en
épousant le contour de l'élément structural 4, laissant un jeu prédéterminé entre
les fils conducteurs 6, 8 et l'élément structural 4. Il suffit ensuite de connecter
électriquement les deuxièmes bouts 14, 1 6 des fils conducteurs 6, 8 ensemble,
5 et d'appliquer des impulsions électromagnétiques entre les premiers bouts 10, 12
des fils conducteurs 6, 8 pour générer le courant voulu dans les fils
conducteurs 6, 8.
De façon à obtenir une enveloppe dotée de la capacité de déglaçage, il faut
disposer d'éléments présentant une résistance mécanique suffisamment grande,
10 d'une part pour qu'ils puissent casser la glace sans se déformer de façon
permanente, et d'autre part pour qu'ils puissent épouser le plus parfaitement
possible la surface à protéger. Pour satisfaire simultanément ces deux conditions,
I'invention fait appel à la technologie développée pour la fabrication des fils
préformés, qui est modifiée de façon à la rendre adaptable au déglaçage par
impulsions électromagnétiques. A ce jour, les fils préformés sont utilisés pour la
fabrication d'attaches de friction, leur longueur ne dépassant pas présentement
3 à 4 mètres. L'invention nécessite d'augmenter cette longueur à quelques
centaines de mètres, ce qui constitue une application vraisemblablement inusitéede fils préformés d'une longueur de 300 à 400 mètres.
Le dispositif de déglaçage selon l'invention fonctionne par l'application
d'impulsions électromagnétiques pour le déglasage de toute surface à contour
fermé d'un élément structural, conducteur ou isolant, de sections cylindriques,
tubulaires, rectangulaires, carrées, etc.
Le dispositif selon l'invention forme en quelque sorte une gaine antigivre
ou une enveloppe déglaçable par impulsions électromagnétiques constituée de filspréformés 6, 8, 24 épousant la surface extérieure de l'élément structural 4 qu'elle
doit protéger. La rigidité intrinsèque des fils préformés 6, 8, 24 dans l'assemblage
et l'agencement particulier des fils conducteurs isolés préformés 6, 8 par paires
~e.g. 5, 7, 9 dans la Figure 4) fait en sorte que le dispositif constitue une unité
30 déglaçable en elle-même totalement indépendante de l'élément structural 4 autour
duquel elle doit être placée.
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- La capacité à épouser la surface recouverte par la gaine vient de la mise en
forme préalable des fils 6, 8, 24 qui doivent préférablement être préformés de
façon à pouvoir s'adapter aux dimensions précises de l'élément structural 4 ainsi
qu'à la forme particulière de sa surface. Ainsi, toute surface fermée d'un élément
5 structural peut être recouverte d'une telle gaine, rigide, déglaçable, constituée de
fils préformés 6, 8, 24 à sa forme particulière. La technique utilisée pour le
préformage est celle jugée la plus adéquate, compte tenue du matériau choisi
pour les fils 6, 8, 24. Le matériau des fils 6, 8, 24 se doit d'être suffisamment
élastique et rigide pour pouvoir conserver sa forme préalable après sa mise en
10 place sur l'élément structural 4 et lors de l'activation du système de déglaçage.
Il n'est pas nécessaire que les fils 6, 8, 24 soient tous d'un même matériau.
La capacité de déglaçage du dispositif selon l'invention provient des fils
conducteurs 6, 8 préformés qui sont intégrés par paires dans la gaine antigivre.Ces fils 6, 8 doivent être isolés électriquement des autres fils conducteurs et de
15 I'élément structural 4 de façon à pouvoir véhiculer l'impulsion de courant
nécessaire au déglaçage. Dans chaque paire, les fils isolés 6, 8 sont disposés de
façon à être adjacents l'un à l'autre et à ce que le sens du courant dans l'un soit
inverse à celui circulant dans l'autre. De cette façon, le courant engendré lors de
l'activation de la source d'impulsions (non-illustrée), produira entre les deux fils
20 6, 8 adjacents une force électrique répulsive proportionnelle au carré du courant
et inversement proportionnelle à leur espacement. Ainsi, en faisant passer une
impulsion de courant très élevé (e.g. 8 000 A) entre deux fils 6, 8 parallèles du
dispositif, il se produit pendant une fraction de seconde une très grande force de
répulsion entre les deux fils 6, 8. Pour limiter la puissance de la source
25 d'impulsions, le déglaçage peut être réalisé de manière séquencée, i.e. en
envoyant les impulsions non pas dans toutes les paires 5, 7, 9 simultanément,
mais successivement dans l'une après l'autre. Toute source d'impulsions
appropriée peut être utilisée. Les fils 28, 30 de la source d'impulsions peuventêtre reliés aux fils conducteurs 6, 8 du dispositif par l'entremise de joints de30 compression 32 ou de joints soudés (non-illustrés) ou tout autre type de
connecteurs appropriés.
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La gaine antigivre est assemblée sur l'élément structural 4 à déglacer en
laissant un certain jeu 26 entre les fils 6, 8, 24, tel qu'illustré à la Figure 4. C'est
ce jeu 26 qui permet le déplacement des fils 6, 8 sous l'effet des impulsions decourant, qui viennent alors frapper les autres fils 6, 8, 24 qui leur sont parallèles.
5 Ce brusque mouvement permet de casser la couche de glace en surface de la
gaine antigivre. Par ailleurs, la forme particulière qui est imposée aux fils 6, 8, 24
lors du préformage permet de réaliser une gaine antigivre de grande rigidité
mécanique qui, lors de l'injection des impulsions de courant, ne peut se déplacer
dans certains cas que vers l'extérieur, et ainsi casser de façon efficace la glace.
10 A la fin de chaque impulsion, les fils 6, 8, 24 reprennent leur position initiale en
raison de la très grande élasticité de l'alliage utilisé.
Le dispositif de déglaçage selon l'invention permet d'appliquer la méthode
des impulsions électromagnétiques pour le déglaçage de toute surface tubulaire,
qu'elle soit conductrice ou isolante.
En référence à la Figure 5, il est montré une coupe transversale d'une tige
cylindrique 34 recouverte d'une gaine antigivre selon l'invention, constituée defils conducteurs isolés 6, 8 préalablement préformés en spirale sinusoïdale
correspondant au diamètre de la tige 34 auquel on ajoute 1 mm pour assurer un
jeu 26 entre la tige 34 et la gaine antigivre. De cette façon, la gaine antigivre
20 n'est pas solidaire de la tige 34 et ne peut être soumise aux contraintes
mécaniques subies par la tige 34 dans l'assemblage. La même gaine antigivre
peut être appliquée à tout élément cylindrique, par exemple un câble et un hauban
déjà existant. L'exemple montré à la Figure 5 est celui d'un hauban en acier de
34 mm de diamètre dont la gaine est composée de fils d'aluminium 36 (e.g.
25 alliage de la nuance 6021 T83) de 4,6 mm de diamètre recouverts de 1 mm d'un
matériau isolant 38. Le pas du fil préformé 6, 8 est d'environ 10 fois la valeur du
diamètre du hauban.
En référence à la Figure 6, il est montré une gaine antigivre placée sur un
gros tube 40. Avec une fabrication appropriée des fils préformés 6, 8 de façon
30 à épouser le contour cylindrique, il est possible de déglacer des tubes de gros
diamètres sur de grandes longueurs.
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En référence à la Figure 7, il est montré une gaine antigivre toroïdale
constituée de fils 6, 8 enroulés avec un pas très court. Un tel arrangement
convient parfaitement à un gros tube 40 de faible longueur. Dans cette variante,les fils conducteurs isolés 6, 8 vont, lors de la décharge de courant, se déplacer
5 longitudinalement pour casser la glace.
Un alliage d'aluminium conducteur de grande résistance mécanique (par
exemple, la nuance 6021 T83) convient fort bien à la fabrication des fils
conducteurs 6, 8 préformés isolés servant au déglasage. Pour leur recouvrement,
on peut utiliser comme matériel isolant 20, 22 de préférence une matière
10 plastique de grande résistance mécanique (par exemple, le polyéthylène réticulé
ou son équivalent) de façon à pouvoir préformer les fils d'aluminium 6, 8 après
leur recouvrement avec l'isolant 20, 22. Enfin, les dimensions des fils
conducteurs isolés 6, 8 sont choisies compte tenu de l'alliage utilisé, de façon à
maximiser l'impulsion de courant pour casser la glace sans engendrer de
15 déformations permanentes au niveau des fils 6, 8, sous les conditions de
températures susceptibles d'être rencontrées.
Pour les fils préformés 24 autres que ceux servant au déglaçage de la gaine
antigivre, tout matériau, alliage métallique conducteur ou matière plastique
isolante peut être utilisé selon les besoins. Comme pour les fils conducteurs isolés
20 6, 8, la seule condition à satisfaire est que le matériau retenu soit suffisamment
rigide pour briser la glace et suffisamment élastique pour pouvoir conserver
l'intégrité de sa forme après la pose sur l'élément structural 4 et lors du
déglaçage .
La source d'impulsions électromagnétiques utilisée pour engendrer les
25 courants de déglaçage dans les fils conducteurs 6, 8 peut être composée de
plusieurs unités (non-illustrées) de condensateurs montés en batterie, qui sont
chargés à la tension requise pour obtenir une impulsion de 1 à 3 millisecondes
avec une crête de courant de 6-8 kA dans les paires de fils conducteurs isolés 6,
8 servant au déglaçage. La décharge des condensateurs peut être commandée à
30 I'aide d'un circuit utilisant des thyristors (non-illustré).
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Un dispositif de détection de glace (non-illustré) peut être intégré au
système de déglaçage pour activer automatiquement la source d'impulsions afin
de casser une épaisseur donnée de glace, par exemple, 1 ou 2 mm. Sous l'action
de la forte impulsion de courant, les fils 6, 8 se repoussent alors de facon
5 brusque, ce qui a pour effet de briser la couche de glace en surface de la gaine
antigivre en très petits morceaux, qui sont alors expulsés tout autour.
Des changements et des modifications aux réalisations décrites peuvent
être apportées sans sortir de la portée ou l'esprit de l'invention. La portée del'invention est considérée n'être limitée que par la portée des revendications
1 0 annexées.
