La présente invention concerne les appareils ou installations électriques comprenant une enceinte à l'intérieur de laquelle sont disposés des conducteurs traversés par des courants électriques. L'enceinte est habituellement remplie d'un gaz d'isolement sous pression, par exemple l'hexafluorure de soufre (SF6), l'air comprimé ou l'azote. Ces appareils ou installations sont par exemple des disjoncteurs à moyenne et haute tension, des installations avec enveloppe métallique à la terre (connues aussi sous la dénomination d'installations blindées) ou des câbles de transport d'énergie isolés à l'azote.
Ces appareils ou installation sont le siège d'arcs électriques, soit normaux, soit accidentels;
Les arcs électriques normaux sont ceux qui se produisent lors de l'ouverture, et éventuellement lors de la fermeture, d'un appareil de coupure. Il est intéressant pour l'exploitant de pouvoir déterminer la durée de l'arc et l'intensité du courant d'arc, afin de déterminer l'usure de l'appareil et de déterminer son programme d'entretien.
Les arcs électriques peuvent être accidentels, en raison d'un défaut d'isolement; généralement de tels arcs conduisent à la destruction de l'appareil qu'il faut remplacer; mais il est intéressant pour l'exploitant de connaître la durée et l'intensité de l'arc afin d'essayer d'en déterminer les causes et de prévenir de tels accidents dans le futur.
Dans les brevets français n<o> 9 0130 49 et 9 112 472, il a été signalé l'utilisation d'une fibre optique fluorescente associée à un photo-détecteur pour détecter la lumière émise par l'arc de coupure d'un disjoncteur, permettant ainsi de déterminer la durée de l'arc électrique et la plage approximative de l'intensité du courant.
on rappelle qu'une fibre optique fluorescente est une fibre optique plastique dont le coeur est dopé à l'aide d'éléments fluorescents. Les photons traversant la fibre optique excitent ces éléments et provoquent l'émission de lumière, de plus grande longueur d'onde, proportionnelle au rayon incident. Contrairement à une fibre optique classique, qui guide uniquement la lumière introduite à son extrémité dans son cône d'acceptance, la fibre dopée absorbe l'intensité lumineuse par toute sa périphérie. Le faible rendement du phénomène de fluorescence (quelques %) est compensé par la grande surface d'excitation. On obtient un phénomène de concentration de lumière aux extrémités de la fibre.
Les fibres dopées, en raison de leur technologie, possède une très forte absorption et leur utilisation est limitée à quelques dizaines de centimètres. Il est donc nécessaire de connecter à une extrémité de la fibre fluorescente une fibre optique classique qui assure le transport de l'information lumineuse, sans atténuation notable, vers le photo-détecteur.
Un but de la présente invention est de définir une méthode et un dispositif pour déterminer avec une plus grande précision l'intensité du courant d'un arc électrique.
L'invention est fondée sur l'observation qu'il y a concordance et proportionnalité entre l'intensité lumineuse d'un arc et l'intensité du courant de l'arc ou plus exactement la puissance électrique de l'arc. Cette observation a été corroborée par des essais décrits dans l'article "DC circuit breaking using electric arc oscillation", 2nd Middle East Power System Conference, MEPCON 92, 6-9 Jan. 1992 (Egypt).
L'invention a pour objet un procédé pour déterminer l'intensité du courant d'un arc électrique survenant dans un appareil électrique déterminé ou dans un type déterminé d'appareil électrique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes:
- on place dans ledit appareil déterminé ou dans un appareil dudit type déterminé une fibre optique fluorescente en un endroit où la fibre peut recevoir la lumière émise par un arc électrique éventuel sans être endommagée, ladite fibre étant reliée à un convertisseur opto-électronique fournissant les données numérisées à un ordinateur pilotant une table traçante,
- on étalonne le convertisseur opto-électronique en provoquant dans l'appareil une série d'arcs pour des valeurs déterminées du courant d'arc et de durée d'arc et on mesure les réponses correspondantes du convertisseur opto-électronique,
de telle sorte qu'on obtient une base de données fournissant les valeurs du signal du convertisseur opto-électronique en fonction du courant d'arc et de la durée de d'arc, l'ordinateur pouvant tracer l'onde de courant en corrélation avec l'onde de courant mesurée par une méthode classique, par exemple à l'aide d'un transformateur d'intensité, ou d'un shunt de courant.
- lorsque survient un arc dans l'appareil, on recueille le signal fourni par le convertisseur opto-électronique,
- on déduit le courant d'arc par un programme de comparaison utilisant la base de données précitée, en tenant compte de la puissance de l'arc.
On observe que la tension d'arc Ua peut être considérée comme constante, de sorte que la puissance électrique P = UaI varie comme I. Cette tension d'arc est de valeur relativement faible, de quelques centaines de volts pour un disjoncteur à SF6.
Lorsque l'appareil est un appareil triphasé à plusieurs pôles, on place une fibre optique dans chaque pôle, chacune des fibres étant reliée à un convertisseur opto-électronique.
L'invention est précisée maintenant sur un exemple de mise en oeuvre du procédé appliqué à un disjoncteur triphasé comprenant trois pôles, en référence au dessin annexé dans lequel:
la fig. 1 est un schéma d'un dispositif permettant de constituer pour un pôle de disjoncteur une base de données corrélant l'intensité du courant d'arc à l'intensité en sortie d'un convertisseur opto-électronique,
la fig. 2 est un diagramme montrant les variations, lors d'une ouverture du disjoncteur, du courant mesuré d'une phase et le courant calculé à partir du signal lumineux.
La fig. 1 représente schématiquement un pôle de disjoncteur comprenant une chambre de coupure 1 au sommet d'une colonne isolante 2. Il n'a été représenté que les contacts d'arc fixe 3 et mobile 4, reliés respectivement aux prises de courant 5 et 6 du pôle; le contact d'arc mobile est relié par une tige de manoeuvre 8 à une commande 10.
Une fibre optique fluorescente 14 est disposée en un endroit de la colonne isolante choisi de manière que la fibre puisse recevoir, sans être endommagée, la lumière émise par un arc électrique établi entre les contacts d'arc.
La fibre optique fluorescente 14 est reliée, par une fibre optique ordinaire 15 à un convertisseur opto-électronique 16 situé à l'extérieur du pôle. Ce convertisseur comporte de préférence une photo-diode et un système d'enregistrement.
Le disjoncteur 1 est alimenté lors des essais d'étalonnage en usine par un transformateur de puissance 19 lié à un alternateur 18. La valeur du courant I est réglée par une inductance 20 mesurée à l'aide d'un transformateur d'intensité 21.
Les valeurs mesurés par les appareils 16 et 21 sont numérisées et envoyées à un ordinateur 22 pilotant une table traçante 23.
On réalise les essais en fixant, à l'aide de la source 18, la valeur du courant crête injecté dans les contacts d'arc et en provoquant l'arc par la manoeuvre de la commande qui sépare les contacts d'arc et qui détermine aussi la durée d'arc.
La table traçante permet d'enregistrer sur un même graphique les variations de l'intensité électrique et les variations du signal du convertisseur opto-électronique. On peut en déduire un facteur de correspondance K à multiplier à l'intensité lumineuse exprimée en millivolts par exemple, pour retrouver le courant exprimé en ampères.
Selon la durée de l'arc, on aura une intensité lumineuse couvrant une alternance complète ou non.
La fig. 2 est un diagramme montrant un exemple de l'évolution de la valeur du courant I (mesuré par le transformateur d'intensité (21) et du courant calculé Id à partir de la mesure de l'intensité lumineuse.
L'instant t0 est celui du début de l'ouverture des contacts, l'instant t min 0 est celui de l'ouverture complète des contacts, et l'instant t1 est celui de l'extinction du courant dans le disjoncteur.
L'intensité lumineuse apparaît à l'instant t0 et disparaît à l'instant t1.
Dans cet exemple, la lumière atteint sa valeur maximale après la crête du courant mesuré à cause du temps d'arc insuffisant. Pour bien capter la lumière, il faut que la durée d'ouverture des contacts d'arc soit suffisante.
Dans le cas de la coupure en charge triphasée, on aura trois temps d'arc différents, un temps d'arc long, un temps d'arc moyen et un temps d'arc court.
La coupure dans la phase ayant un temps d'arc long permet de déterminer facilement la crête du courant. On peut aussi calculer la crête maximale Ic à partir de la dérivée du courant au zéro de courant. En effet, dans le cas du courant symétrique sinusoïdal, on a:
di/dt = 2 f Ic, f étant la fréquence du courant.
En calculant la dérivée au zéro de courant, on aura Ic.
Ainsi, avec la coupure triphasée symétrique, on aura les données suivantes:
- valeur crête Ic de la phase ayant le temps d'arc le plus long,
- les trois valeurs de di/dt,
- les trois instants de passage du courant à zéro.
Ces données permettent à l'ordinateur de tracer l'évolution des trois courants dans les trois phases.
Pour mieux décrire la forme de l'onde de courant, surtout dans sa partie descendante, à partir de l'intensité lumineuse, afin de bien calculer le di/dt, on peut utiliser la méthode des moindres carrés employée souvent dans les logiciels de graphiques scientifiques et d'analyse des données; cette méthode est mise en oeuvre par exemple par le logiciel EASYPLOT de la société SPIRAL SOFTWARE.
Dans le cas de la coupure triphasée asymétrique, connaissant la valeur crête du courant dans une ou deux phases, connaissant les pentes aux zéros du courant et les instants de passage par zéro du courant, l'ordinateur selon le programme établi peut reconstituer l'évolution des trois courants et en déduire les valeurs des intensités.
On notera que l'onde lumineuse n'évolue que dans le même sens, que l'onde de courant soit positive ou négative.
L'invention s'applique particulièrement aux appareils de coupure.
The present invention relates to electrical apparatus or installations comprising an enclosure inside which are arranged conductors traversed by electric currents. The enclosure is usually filled with an insulating gas under pressure, for example sulfur hexafluoride (SF6), compressed air or nitrogen. These devices or installations are, for example, medium and high voltage circuit breakers, installations with an earthed metal casing (also known as shielded installations) or nitrogen-insulated energy transport cables.
These devices or installation are the seat of electric arcs, either normal or accidental;
Normal electric arcs are those which occur during the opening, and possibly during the closing, of a breaking device. It is advantageous for the operator to be able to determine the duration of the arc and the intensity of the arc current, in order to determine the wear of the device and to determine its maintenance program.
Electric arcs can be accidental, due to an insulation fault; generally such arcs lead to the destruction of the device which must be replaced; but it is interesting for the operator to know the duration and intensity of the arc in order to try to determine the causes and prevent such accidents in the future.
In French patents n <o> 9 0130 49 and 9 112 472, it was reported the use of a fluorescent optical fiber associated with a photo-detector to detect the light emitted by the breaking arc of a circuit breaker , thus determining the duration of the electric arc and the approximate range of current intensity.
it is recalled that a fluorescent optical fiber is a plastic optical fiber whose core is doped with the aid of fluorescent elements. The photons passing through the optical fiber excite these elements and cause the emission of light, of longer wavelength, proportional to the incident ray. Unlike a conventional optical fiber, which guides only the light introduced at its end into its acceptance cone, the doped fiber absorbs light intensity through its entire periphery. The low efficiency of the fluorescence phenomenon (a few%) is compensated by the large excitation surface. A phenomenon of light concentration is obtained at the ends of the fiber.
Because of their technology, doped fibers have a very high absorption and their use is limited to a few tens of centimeters. It is therefore necessary to connect to one end of the fluorescent fiber a conventional optical fiber which ensures the transport of light information, without significant attenuation, to the photo-detector.
An object of the present invention is to define a method and a device for determining with greater precision the intensity of the current of an electric arc.
The invention is based on the observation that there is concordance and proportionality between the light intensity of an arc and the intensity of the current of the arc or more exactly the electric power of the arc. This observation was corroborated by tests described in the article "DC circuit breaking using electric arc oscillation", 2nd Middle East Power System Conference, MEPCON 92, 6-9 Jan. 1992 (Egypt).
The subject of the invention is a method for determining the intensity of the current of an electric arc occurring in a given electrical appliance or in a given type of electrical appliance, characterized in that it comprises the following steps:
- A fluorescent optical fiber is placed in said determined device or in a device of said determined type in a place where the fiber can receive the light emitted by a possible electric arc without being damaged, said fiber being connected to an opto-electronic converter supplying the data digitized on a computer driving a plotter,
- the opto-electronic converter is calibrated by causing a series of arcs in the device for determined values of the arc current and arc duration and the corresponding responses of the opto-electronic converter are measured,
so that a database is obtained providing the values of the opto-electronic converter signal as a function of the arc current and the arc duration, the computer being able to trace the current wave in correlation with the current wave measured by a conventional method, for example using an intensity transformer, or a current shunt.
- when an arc occurs in the device, the signal supplied by the opto-electronic converter is collected,
- the arc current is deduced by a comparison program using the aforementioned database, taking into account the power of the arc.
It is observed that the arc voltage Ua can be considered as constant, so that the electric power P = UaI varies as I. This arc voltage is of relatively low value, of a few hundred volts for a circuit breaker with SF6.
When the device is a three-phase device with several poles, an optical fiber is placed in each pole, each of the fibers being connected to an opto-electronic converter.
The invention is now specified on an example of implementation of the method applied to a three-phase circuit breaker comprising three poles, with reference to the appended drawing in which:
fig. 1 is a diagram of a device making it possible to constitute for a circuit breaker pole a database correlating the intensity of the arc current to the intensity at the output of an opto-electronic converter,
fig. 2 is a diagram showing the variations, during opening of the circuit breaker, of the current measured by a phase and the current calculated from the light signal.
Fig. 1 schematically represents a circuit breaker pole comprising a breaking chamber 1 at the top of an insulating column 2. It has only been shown the fixed 3 and movable arcing contacts 4, connected respectively to the sockets 5 and 6 of the pole; the movable arcing contact is connected by an operating rod 8 to a control 10.
A fluorescent optical fiber 14 is placed in a location of the insulating column chosen so that the fiber can receive, without being damaged, the light emitted by an electric arc established between the arcing contacts.
The fluorescent optical fiber 14 is connected, by an ordinary optical fiber 15 to an opto-electronic converter 16 located outside the pole. This converter preferably comprises a photo-diode and a recording system.
The circuit breaker 1 is supplied during the factory calibration tests by a power transformer 19 linked to an alternator 18. The value of the current I is adjusted by an inductance 20 measured using a current transformer 21.
The values measured by the apparatuses 16 and 21 are digitized and sent to a computer 22 driving a plotter 23.
The tests are carried out by setting, using the source 18, the value of the peak current injected into the arcing contacts and by causing the arcing by the operation of the command which separates the arcing contacts and which determines also the arc duration.
The plotter makes it possible to record on a single graph the variations in the electrical intensity and the variations in the signal from the opto-electronic converter. We can deduce a correspondence factor K to multiply with the light intensity expressed in millivolts for example, to find the current expressed in amps.
Depending on the duration of the arc, there will be a light intensity covering a full alternation or not.
Fig. 2 is a diagram showing an example of the evolution of the value of the current I (measured by the intensity transformer (21) and of the current calculated Id from the measurement of the light intensity.
The instant t0 is that of the start of the opening of the contacts, the instant t min 0 is that of the complete opening of the contacts, and the instant t1 is that of the extinction of the current in the circuit breaker.
The light intensity appears at time t0 and disappears at time t1.
In this example, the light reaches its maximum value after the peak of the measured current due to insufficient arc time. To receive the light properly, the opening time of the arcing contacts must be sufficient.
In the case of three-phase load breaking, there will be three different arc times, a long arc time, an average arc time and a short arc time.
The break in the phase having a long arc time makes it possible to easily determine the peak of the current. We can also calculate the maximum peak Ic from the derivative of the current at zero current. Indeed, in the case of the symmetrical sinusoidal current, we have:
di / dt = 2 f Ic, f being the frequency of the current.
By calculating the derivative at zero current, we will have Ic.
Thus, with the symmetrical three-phase break, we will have the following data:
- peak value Ic of the phase with the longest arc time,
- the three values of di / dt,
- the three instants of passage of the current to zero.
These data allow the computer to trace the evolution of the three currents in the three phases.
To better describe the shape of the current wave, especially in its downward part, from the light intensity, in order to correctly calculate the di / dt, we can use the least squares method often used in graphics software scientific and data analysis; this method is implemented for example by the EASYPLOT software from the company SPIRAL SOFTWARE.
In the case of asymmetrical three-phase cutoff, knowing the peak value of the current in one or two phases, knowing the slopes at zero of the current and the instants of zero crossing of the current, the computer according to the established program can reconstitute the evolution of the three currents and deduce the values of the intensities.
It will be noted that the light wave evolves only in the same direction, whether the current wave is positive or negative.
The invention is particularly applicable to switching devices.