Câbles d`énergie : recherche et identification de défauts
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Câbles d’énergie : recherche et identification de défauts par Henri KUZYK Formateur Chef de projet au SFP (Service de la Formation Professionnelle) d’Électricité de France 1. 1.1 1.2 Généralités................................................................................................. Câbles d’énergie .......................................................................................... Défauts ......................................................................................................... 2. Procédure de recherche de défauts .................................................... — 6 3. 3.1 3.2 3.3 Identification du défaut ......................................................................... Mesure de résistance d’isolement ............................................................. Essai diélectrique......................................................................................... Mesure de continuité .................................................................................. — — — — 6 6 8 8 — 8 Références bibliographiques ......................................................................... Pour en savoir plus........................................................................................... D 4 541v2 – 2 — 2 — 4 Doc. D 4 545 es matériels électriques ont évolué de manière extrêmement importante au cours des 5 à 10 dernières années et des méthodes de recherche des défauts ont considérablement été améliorées. D’ailleurs, après un jeu de chaises musicales très âpre, il ne reste plus que deux constructeurs de voitures laboratoires en Europe. Dans ce même temps, assez logiquement, plusieurs méthodes ont progressivement décliné ou ont disparu. En conséquence, les modes opératoires ont finalement été adaptés à cette nouvelle situation. Après l’apport déterminant de Henri HUBIN (chef de la Division technique Électricité du Site SFP de Nanterre) dans les méthodes de recherche de défauts, c’est aujourd’hui, un très petit groupe d’experts du Service de la Formation Professionnelle (SFP) d’Électricité de France qui entretient ce savoir. Une salle de cours exceptionnelle permet de mettre en œuvre pratiquement tous les matériels existants, dans des conditions quasi réelles en prenant en compte toutes les contraintes réglementaires et de sécurité. En plus de la formation des utilisateurs (Électricité de France, RTE, filiales d’EDF, entreprises d’électricité ou d’éclairage public, autres distributeurs en Europe et dans le monde), cet outil permet également de participer au développement de nouveaux équipements, en partenariat avec les constructeurs de matériels et de les valider. Pour des techniques particulièrement nouvelles telles que les essais à très basses fréquences (VLF), le diagnostic de câbles ou la mesure des décharges partielles, ce partenariat implique la Division Recherche & Développement du groupe EDF. Ce fascicule fait partie d’un dossier sur la recherche de défauts dans les réseaux de câbles d’énergie : — [D 4 541v2] « Câbles d’énergie : recherche et identification de défauts » ; — [D 4 542] « Câbles d’énergie : prélocalisation des défauts par échométrie » ; — [D 4 543] « Câbles d’énergie : théorie de l’échométrie » ; — [D 4 544] « Câbles d’énergie : méthodes de localisation des défauts » ; — [Doc. D 4 545] « Câbles d’énergie. Pour en savoir plus ». L Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 4 541v2 − 1 CÂBLES D’ÉNERGIE : RECHERCHE ET IDENTIFICATION DE DÉFAUTS ______________________________________________________________________________ 1. Généralités 1.1.2 Câble à champ non radial 1.1 Câbles d’énergie Cette structure concerne essentiellement les câbles basse tension. Cependant, il y a quelques dizaines d’années, on a posé en réseau des câbles à champ non radial jusqu’à des tensions de service de 15 kV. L’isolant est principalement du papier imprégné d’huile, migrante ou non (figure 4). On peut les classer selon différents critères. Par niveau de tension : hormis les cas particuliers des câbles à huile ou à gaz en HTB, on note que tous les câbles à isolement papier ou synthétique, quels que soient leurs niveaux de tension, bénéficieront des mêmes méthodes de prélocalisation et de localisation de défauts. Par type de réseau : arborescents en basse-tension, à coupure d’artère avec ou sans dérivation ou en double dérivation en HTA ou encore strictement sans dérivation en HTB, la structure des réseaux va seulement conditionner le choix de certaines méthodes de prélocalisation en raison du rapport efficacité/sécurité. Par structure de câble : avant d’en arriver aux câbles unipolaires à isolation synthétique posés aujourd’hui, nous avons connu diverses évolutions en passant par les câbles tripolaires métallisés, les câbles « tri plomb », ceux à ceinture, etc. La structure des câbles influence directement le nombre des mesures à réaliser pour caractériser le type du défaut. Faute d’écran individuel, on constate que les isolants sont le siège de contraintes importantes. En effet, le champ électrique en un point quelconque de l’isolant est constamment variable en grandeur et en dimension. Les lignes de force peuvent être tangentielles. Si des bulles de gaz (vacuoles) sont emprisonnées entre les couches de papier, on risque la destruction de l’isolant (figures 5 et 6). Ce câble ne dispose que d’un seul écran, collectif. Les défauts phase/écran, mais aussi ceux entre phases sont possibles. 1.1.3 Tensions maximales d’essais La tension assignée est un ensemble de trois valeurs exprimées en kV qui s’écrivent habituellement sous la forme suivante : U 0 /U ( U M ) 1.1.1 Câble à champ radial — U0 est la tension efficace entre phase et écran ; D’une manière générale, un câble unipolaire se présente sous la forme d’un condensateur cylindrique (figure 1) constitué essentiellement de : — une âme conductrice câblée ou segmentée, en cuivre ou en aluminium (les sections variant entre 0,35 et 1 600 mm2) ; — un écran semi-conducteur interne (pour les câbles dont la tension d’utilisation est supérieure à 3 kV), extrudé ou rubané, dont le rôle est d’homogénéiser le champ électrique ; — une enveloppe isolante en matériau polymérique (polyéthylène, polyéthylène réticulé, caoutchouc, polychlorure de vinyle, les enveloppes isolantes en papier imprégné n’étant plus utilisées que pour les câbles haute tension courant continu) dont l’épaisseur varie entre 0,5 et 30 mm selon la tension d’utilisation et la nature du matériau ; — un écran semi-conducteur externe (cas des tensions supérieures à 3 kV), dont le rôle est d’homogénéiser le champ électrique au niveau des électrodes ; — un écran métallique (en plomb, en aluminium ou en cuivre), dont le rôle est : • de constituer une électrode de référence, • de permettre l’évacuation des courants de courts-circuits homopolaires, — U est la tension efficace entre deux phases ; — UM est la tension efficace entre phases, pour laquelle le câble et ses accessoires ont été conçus. C’est la valeur de U0 qui sert à définir l’épaisseur de l’isolant, la tension d’essai diélectrique et la tension maximale à mettre en œuvre en situation de recherche de défauts. Ce qu’on a appelé « tension spécifiée » il y a quelques années correspond à U0. Écran semi-conducteur externe Gaine PVC Laque vinylique Enveloppe isolante PRC Écran en aluminium Semi-conducteur interne Poudre hygroscopique Âme conductrice en aluminium Figure 1 – Câble S23 radial • d’assurer l’étanchéité radiale, • d’orienter et de canaliser les lignes du champ électrique. — enfin, une gaine de protection externe en matériau polymérique, jouant un rôle de protection contre la corrosion, favorisant l’étanchéité, la protection mécanique à la pose et, lorsque cela est nécessaire, assurant une isolation électrique de l’écran par rapport au sol. Dans cette structure de câble, les écrans sont tous au même potentiel et reliés à la terre. Les lignes de forces sont toujours perpendiculaires aux couches de l’isolant (figure 2a). Chaque conducteur dispose d’un écran individuel (figure 2b). Ce câble ne peut donc subir que des défauts phase/écran. Le défaut phase/phase direct est impossible par construction, en théorie. Les utilisateurs disent que cela peut être une réalité. On ne pose, aujourd’hui, que des câbles torsadés (figure 3). D 4 541v2 − 2 a câble unipolaire b câble tripolaire Figure 2 – Câble radial Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 ______________________________________________________________________________ CÂBLES D’ÉNERGIE : RECHERCHE ET IDENTIFICATION DE DÉFAUTS Isolement XLPE extrudé épaisseur 5,5 mm Poudre hygroscopique Écran semiconducteur extrudé Âme câblée aluminium section 95, 150 et 240 mm2 Gaine extérieur PVC de 3 mm d’épaisseur Écran aluminium de 0,2 mm d’épaisseur Écran semiconducteur extrudé, pelable et rainuré longitudinalement Figure 3 – Câble XLPE Conducteur Matelas Écran Ceinture Écran semiconducteur Isolant Revêtement Feuillards d’acier Neutre périphérique Neutre sous plomb Gaine extérieure Conducteur Armure Bourrage Isolant Figure 6 – Câble BT non radial Gaine étanche 1.1.3.1 En situation de recherche de défaut a Ceinture Bourrage isolante Matelas Revêtement L’expérience a montré que pour les ouvrages BT et HTA, il ne fallait pas dépasser trois fois la valeur de la tension assignée U0 du câble ou de la liaison en essai. Tension limite maximale d’essais = 3 U0 Conducteur Cette prescription s’applique à toutes les étapes d’une recherche de défauts : essais diélectriques, méthodes de mesure, localisation par ondes de choc, etc. Gaine étanche Isolant Armure b Figure 4 – Câble papier Exemples câble BT : U0 = 0,6 kV → Umax ≤ 1,8 kV câble BT : U0 = 1 kV → Umax ≤ 3 kV câble HTA 5,5 kV à ceinture : U0 = 5,5 kV → Umax ≤ 16,5 kV câble HTA 20 kV à champ radial : U0 = 12 kV → Umax ≤ 36 kV 1.1.3.2 Sur câbles neufs HTA avant première mise en service À ce jour, c’est la norme internationale CEI 60502 qui régit ces essais pour les câbles HTA et HTB. Conducteur Isolant Ceinture isolante Écran métallique Lignes de champ électrique Figure 5 – Câble ceinture non radial Si on les réalise en tension continue, la limite des essais est fixée à 4 U0 et la durée de l’essai est de 15 min appliqué entre chaque conducteur et l’écran. On doit faire autant d’essais que le câble comporte de phases. La norme prévoit une alternative pour réaliser les essais à fréquence industrielle en appliquant : — soit un essai pendant 5 min à la tension entre phases du réseau ; — soit un essai pendant 24 h à la tension nominale de service du réseau. En effet, des travaux menés dans le cadre de la CIGRE [1] montre que le test à tension continue est préjudiciable pour les câbles synthétiques anciens, car des zones de l’isolation restent polarisées Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 4 541v2 − 3 CÂBLES D’ÉNERGIE : RECHERCHE ET IDENTIFICATION DE DÉFAUTS ______________________________________________________________________________ après application de la tension, ce qui occasionne des contraintes de champs qui viennent s’ajouter à celles de la tension de service. Des recommandations ont été éditées dans ce sens par la CIGRE [2]. Une autre alternative, mise en œuvre par certains électriciens européens, en Allemagne notamment, consiste à réaliser le test à très basses fréquences (VLF) à 0,1 Hz et a été intégrée au document normatif européen [3]. Concernant les réseaux d’Électricité de France, au lieu d’appliquer ce type d’essais nécessitant des équipements nouveaux, c’est l’état de la gaine extérieure qui est contrôlé. Un appareil agréé, le TESTECRAN, mesure la résistance de la gaine (entre l’écran et la terre). Dans le cas où cette valeur est inférieure à 2 MΩ, on se retrouve dans le cas d’une recherche de défauts classique, avec une suspicion d’incident. La limite des essais retombe à 3 U0. Si on est au-dessus de cette valeur, le câble est considéré comme bon. Les générateurs VLF pourraient, toutefois, être utilisés dès à présent. 1.1.3.3 Sur câbles BT Aucun essai particulier n’est à appliquer hormis une vérification à l’ohmmètre sur une position 500 V – 10 mA. Cependant, l’essai à 3 U0 reste possible. 1.1.3.4 Diagnostic des câbles Les techniques de diagnostic des câbles n’entrent pas dans le périmètre traité par le présent dossier. Ces techniques visent à apprécier l’état d’un réseau et par extension se prononcer sur sa pérennité. Ces techniques sont l’objet de développements permanents mais on peut ici donner les potentialités de certaines d’entres elles à partir de travaux menés à la R&D d’EDF. Mesure de l’angle du facteur de perte (tangente delta) : cette mesure peut être réalisée à une très basse fréquence fixe (0,1 Hz ou en balayant un spectre basse fréquence entre 0,001 et 100 Hz) permettant de déceler les altérations de tronçons de câbles qui sont dues à une pénétration d’humidité (isolation en PE ou en papier imprégné). Mesure de décharges partielles : cette mesure permet d’identifier et de localiser, par réflectométrie, des points faibles d’un tronçon qui sont le siège de microdécharges dans l’isolant, révélatrices d’un travail électrique qui induit la dégradation de ce dernier. On peut donc, à partir de ces mesures, déceler les tronçons les plus critiques et hiérarchiser leur remplacement préventif ou tout du moins celui des points faibles localisés (accessoires de jonction, par exemple). 1.1.4 Principales spécifications des câbles actuellement utilisés L’impédance caractéristique moyenne de ces câbles vaut 40 Ω. Un récapitulatif des tensions assignées est consultable dans le tableau 1. Les câbles à isolation synthétique extrudée ont remplacé, depuis une quinzaine d’années, en basse BT et en moyenne tension HTA et, depuis dix ans environ, en haute tension alternative (HTB), les câbles à isolation au papier imprégné. Cependant, on rencontre toujours ces anciens câbles sur les réseaux. Un tableau des normes concernées est consultable en [Doc. D 4 545]. 1.2 Défauts On peut séparer les défauts sur les câbles en deux grandes familles : les défauts d’origine externe et les défauts d’origine interne. D 4 541v2 − 4 (0) Tableau 1 – Principales tensions assignées (en kV) Tension nominale du réseau Câbles à champ non radial Câbles à champ radial U0/U Anciens câbles U0 U0/U 0,6 Anciens câbles U0 0,6 1 1 3 3/3 3,2 3,2 5,5 3,2 6 5,5 6/6 10 6/10 5,8 10 15 8,7/15 8,7 15 20 12/20 11,6 30 18/30 17,5 45 26/45 26 63 36/63 90 52/90 150 87/150 225 130/225 400 231/400 1.2.1 Défauts d’origine externe Ils peuvent être dus : — soit à une agression mécanique externe : coup de pioche ou de pelleteuse (dans ce cas facilement décelables), accrochage par une ancre ou un chalut dans le cas des câbles sous-marins ; — soit à une pénétration d’eau au niveau du complexe externe (entre gaine de protection et écran), suite à une détérioration au cours du tirage ou à de trop fortes contraintes thermomécaniques locales pendant le fonctionnement du câble ; — soit à un défaut de montage d’un accessoire (jonction, dérivation ou extrémité). 1.2.2 Défauts d’origine interne Ils sont principalement dus : — soit à un défaut de fabrication qui n’a pas été décelé lors des essais de réception en usine (présence de vacuoles, impureté créant des décharges partielles conduisant à la dégradation progressive de l’enveloppe isolante) ; on peut néanmoins considérer que ce type de défaut est peu fréquent dans la mesure où les câbles, d’une part, subissent des essais de qualification poussés qui mettraient en évidence de tels risques de défauts, d’autre part, font l’objet d’essais de purge et de réception à de très hauts niveaux de tension (2,2 U0) avant leur livraison en réseau ; — soit à un échauffement local important dans le cas d’un terrain de très forte résistivité thermique ; — soit à un vieillissement à long terme du diélectrique (c’était le cas des câbles à isolation au papier imprégné). Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 ______________________________________________________________________________ CÂBLES D’ÉNERGIE : RECHERCHE ET IDENTIFICATION DE DÉFAUTS 1.2.3 Fréquence des défauts Âme Depuis l’introduction des câbles à isolation synthétique extrudée, le taux d’avaries (défauts entre conducteur(s) et écran(s)) du réseau de distribution et de transport d’énergie électrique, hors zone d’accessoires, est inférieur à 2 défauts par 100 km de liaison triphasée et par an sur ces types de câbles. En revanche, sur les anciens câbles encore en service, les taux d’avaries sont beaucoup plus importants : jusqu’à 4 fois plus. Rd Éclateur Écran Figure 7 – Défaut d’isolement résistant 1.2.4 Nature des défauts électriques On peut classer les défauts d’origine externe en quatre familles : — les défauts d’isolement résistants ; — les défauts d’isolement éclateurs ; — les défauts de continuité ; — les défauts intermittents. Âme Éclateur Écran 1.2.4.1 Défauts d’isolement résistants Ils se présentent comme une résistance shunt de valeur finie Rd placée entre un conducteur de phase et l’écran métallique ou le neutre, ou entre deux conducteurs (cas des câbles à champ non radial, par exemple). Cette résistance est constituée d’un pont de carbone plus ou moins continu dont la valeur peut être comprise entre quelques ohms et plusieurs mégohms. Son schéma électrique est celui de la figure 7. La caractérisation est donc faite à partir de la mesure de Rd et de la tension d’amorçage de l’éclateur. On dit qu’un défaut est franc si Rd est inférieure à 5 Ω et que la tension d’amorçage en courant continu est nulle ou extrêmement faible. a schéma du défaut G avec C ic et id capacité du câble, courants de charge et de décharge, Rarc résistance de l’arc, Ri résistance interne du générateur. Dans ces conditions, la tension u aux bornes du câble a l’allure de la figure 9. Sur cette figure, τ est la constante de charge qui vaut environ 10–3 s pour un câble de 10 km et une impédance interne de 30 Ω. La durée de charge du câble jusqu’à Ua peut atteindre quelques secondes, celle de la décharge quelques millisecondes. 1.2.4.3 Défauts de continuité Il s’agit d’une coupure d’un ou de plusieurs conducteurs, écran ou neutre compris, avec une résistance de défaut shunt Rd plus ou moins grande (figure 10), et une résistance de défaut série Rc plus ou moins petite. u Uc C Ua b schéma électrique équivalent Figure 8 – Défaut d’isolement éclateur Dans ce cas, au moment de l’amorçage, toute l’énergie emmagasinée dans la capacité constituée par le câble se décharge dans l’éclateur. Si le générateur de tension est assez puissant (courant limite élevé), le câble se recharge alors jusqu’à la tension Ua ; on dit qu’il relaxe. En effet, jusqu’à ce que le courant de décharge id = 0 à la tension d’extinction, on a (u étant la tension délivrée par le générateur) d’après le schéma électrique équivalent (figure 8b) : di c • pour u < Ua : u = R i i c + C -------dt • pour u ≥ Ua : U a = R arc i d Rarc G générateur de tension continue Uc tension aux bornes du câble 1.2.4.2 Défauts d’isolement éclateurs Il s’agit de défauts d’isolement à très forte résistance shunt, mais qui, soumis à une tension croissante, se comportent comme un éclateur (figure 8) avec une tension d’amorçage Ua. Ri ic u τ = RiC Uc Ua UuC Ua Uc t tension d’amorçage tension aux bornes du condensateur s’il n’y avait pas d’amorçage UuC tension résiduelle aux bornes du condensateur après amorçage Figure 9 – Courbe de relaxation Coupure d’un conducteur Rd Rc Écran Figure 10 – Défaut de continuité Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 4 541v2 − 5 CÂBLES D’ÉNERGIE : RECHERCHE ET IDENTIFICATION DE DÉFAUTS ______________________________________________________________________________ 1.2.4.4 Défauts intermittents Ces défauts ont la particularité de provoquer un déclenchement ou une fusion des protections, mais surtout de se réisoler immédiatement après. Faute de pouvoir l’identifier, le câble est, immanquablement, restitué à l’exploitation. Synthèse sur les défauts Compte tenu de la nature différente des défauts, nous allons voir comment conduire une recherche de défauts et choisir les méthodes de localisation appropriées. 2. Procédure de recherche de défauts Avant de pouvoir intervenir sur un câble, les étapes suivantes doivent être exécutées selon la réglementation française en vigueur : — suite au déclenchement d’une protection, le service qui a en charge l’exploitation du réseau concerné doit isoler le tronçon de câble supposé en défaut ; — ce tronçon de réseau doit être consigné (UTE C18-510 ou CPP Carnet de Prescription au Personnel) et réquisitionné par un chargé de consignation/réquisition au profit d’un chargé d’essais avec la délivrance d’un avis de consignation et de réquisition. Ce chargé d’essais doit être un électricien habilité par son employeur et formé aux techniques de recherche de défauts ; dès lors, toutes les communications entre le chargé d’essais et un éventuel personnel de manœuvre (Code Général des manœuvres EDF) se feront uniquement par messages collationnés ; — pour qu’une recherche de défauts soit rapidement fructueuse, les plans du réseau (schéma d’exploitation du réseau type arête de poisson et cartographie précise) doivent être fournis au chargé d’essais ; — en déplacement, le conducteur du véhicule doit respecter les règles du code de la route ; — au lieu du point d’injection, les règles de stationnement propres aux chantiers doivent être appliquées (pour EDF, règles rappelées dans l’annexe au carnet de prescription au personnel CCP – Prévention des risques généraux) ; — le véhicule laboratoire doit être raccordé dans cet ordre, afin de garantir la sécurité des opérateurs et des tiers (synoptique d’un véhicule laboratoire en figure 11). Les raccordements du véhicule laboratoire à l’extérieur sont les suivants. — Câble de terre principale vers terre des masses du poste (liaison équipotentielle). Il est nécessaire de créer cette terre des masses si celle-ci n’existe pas. — Câble de terre auxiliaire vers, soit des plaques de cuivre sous les roues du véhicule, soit un petit piquet de terre planté au pied du véhicule (contrôle de présence des terres et mesure de l’élévation du potentiel local). — Les trois phases de mesure du véhicule vers les trois phases du câble en défaut ainsi que les écrans de ces câbles interconnectés et reliés à l’écran du câble en défaut ou au neutre. — Enfin, on raccordera le câble d’alimentation du véhicule. Cette opération, selon le type de connecteur d’extrémité disponible, peut relever des Travaux sous Tension. — Certains véhicules peuvent également comporter une alimentation autonome. La recherche de défauts comporte trois étapes principales qui sont les suivantes. • Première étape : identification du défaut (§ 3). Il s’agit de la détermination des caractéristiques et de la nature du défaut. Cette D 4 541v2 − 6 étape fondamentale permet de choisir la méthode la plus appropriée au défaut. Ainsi, on renforce ses chances d’aboutir rapidement et avec succès. Cette étape comporte elle-même trois phases : mégohmmètre, essai diélectrique, recherche d’un éventuel défaut de continuité. • Deuxième étape : prélocalisation [D 4 542]. Après l’avoir choisie, c’est la mise en œuvre de cette méthode qui fournira une mesure. Prise depuis le véhicule ou depuis une boucle, cette mesure est reportée sur les plans du réseau soit pour affiner la mesure ou lever une incertitude, soit pour préparer l’étape suivante. • Troisième étape : localisation précise de l’endroit du défaut [D 4 544]. Dans l’immense majorité des cas, on utilisera une méthode magnéto-acoustique : les ondes de choc. Dans quelques pourcents des cas, on devra recourir aux méthodes de fréquences audibles. À noter : le tracé du câble préalable (par une méthode de champ magnétique) est, dans ce dernier cas, toujours obligatoire. La réglementation française impose la restitution de l’avis de fin de réquisition dès localisation du défaut. En effet, il est strictement interdit de travailler sur ou autour d’un câble réquisitionné, ce que pourraient faire les terrassiers pour dégager l’endroit du câble en défaut. Dans certains cas, une nouvelle réquisition devra être prononcée pour permettre des essais d’ondes de chocs « fouille ouverte », afin de confirmer l’emplacement du défaut. On peut noter l’avertissement suivant, dès qu’une injection de haute tension est en question : si une quelconque partie conductrice (phase, écran, neutre, etc.) est en contact direct avec la terre à un endroit non prévu pour cela sans qu’un autre conducteur soit concerné, il est alors STRICTEMENT INTERDIT d’injecter des ondes de choc, que ce soit en situation de prélocalisation ou bien de localisation précise ou pour n’importe quelle autre raison. 3. Identification du défaut Cette détermination fait appel à des méthodes simples de mesure de résistance d’isolement et de continuité des conducteurs, ainsi qu’à des essais de tenue en tension. Il est important de mener cette investigation complètement à son terme avant de prétendre faire un choix de méthode, même si les éléments déjà connus semblent clairs. « On a vu trop souvent des recherches de défauts avorter ou fortement retardée pour cause de précipitation et d’obstination mal placée. » 3.1 Mesure de résistance d’isolement On détermine la résistance apparente entre chaque conducteur de phase et l’écran relié à la terre ou le neutre ou entre deux conducteurs de phase. Si on est certain que la liaison est intégralement réalisée en câbles à champ radial, seules les trois mesures phase/écran sont utiles. Cependant, si le défaut a dégénéré (mauvais fonctionnement des protections) en un défaut bipolaire, les autres mesures peuvent être utiles. Si la liaison est ou comporte du câble à champ non radial, il faut compléter la mesure précédente par les trois mesures phase/phase. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 ______________________________________________________________________________ CÂBLES D’ÉNERGIE : RECHERCHE ET IDENTIFICATION DE DÉFAUTS Vers mémoires de transistoires de l´échomètre Générateur de tension multicalibre BT : 2 ou 3 kV HTA : 8 kV 16 kV 32 kV Fonctions HT Intérieur véhicule Extérieur du véhicule laboratoire Sélecteur de coupleurs linéaires (méthodes impulsions de courant Générateur d’ondes de chocs par association de condensateurs 1,2 kJ en BT 2,4 kJ en HTA Câbles de liaison HT Filtre Réflexion sur l’arc Sélection HT ou BT Sélecteur de phases Échométrie Fréquences audibles Fonctions BT Terre auxiliaire Mégohmmètre Terre principale Contrôleur de terres Bornes BT Figure 11 – Schéma de principe d’un véhicule laboratoire Enfin, s’il s’agit d’un câble sans écran, après l’avoir isolé à toutes ses extrémités, on ajoutera autant de mesures complémentaires conducteur/terre que le câble comporte de conducteurs (ex. : 3 phases, 1 neutre et 1 conducteur de protection). Nota : ce dernier type de câble est « normalement » interdit d’emploi sur les réseaux de distribution français. En revanche, on peut le trouver en zone privée, au-delà du disjoncteur de branchement. Les mesures sont réalisées en utilisant un mégohmmètre en position 500 V ou 1 000 V ; on changera successivement de calibre (kΩ puis Ω) pour connaître la valeur du défaut, si nécessaire. Nota : on rappelle que l’ordre de grandeur est plus important que la connaissance des décimales : inutile donc d’attendre que les mégohmmètres numériques se stabilisent. « On décharge les piles sans améliorer la mesure. » Notons encore que le temps nécessaire à la réalisation de ces mesures est très faible : quelques secondes chacune. Trois, six, dix ou onze mesures ne vont pas avoir une influence prépondérante sur la durée totale d’une recherche de défauts. Deux jeux de valeurs de Rd sont importants pour connaître le défaut : (0) Catégorie Réseaux sans dérivation Réseaux avec dérivations 1 Du court-circuit jusqu’à 130 à 150 Ω Du court-circuit jusqu’à 30 à 50 Ω 2 Entre 130 à 150 Ω et quelques mégohms Entre 30 à 50 Ω et quelques mégohms 3 Au-delà de quelques mégohms Au-delà de quelques mégohms NB : ces valeurs résultent de l’étude du comportement du coefficient de réflexion en tension Ku (figure 12) Lorsque la valeur d’un défaut est située dans la première catégorie, la méthode d’échométrie BT en comparaison (méthode échométrique classique étudiée en [D 4 542, § 1.1]) permettra d’en prélocaliser la position (tout du moins pour le défaut situé sur la phase en cours de mesure.) En revanche, dès que la valeur est située au-delà de cette limite (catégorie 2 ou 3 ), l’essai diélectrique est indispensable pour choisir la méthode appropriée. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 4 541v2 − 7 CÂBLES D’ÉNERGIE : RECHERCHE ET IDENTIFICATION DE DÉFAUTS ______________________________________________________________________________ En utilisant un générateur de tension dont l’intensité de courant maximal est limitée à 10 mA, on applique une tension croissante à chaque conducteur de phase successivement par rapport à l’ensemble des autres conducteurs du câble réunis à la terre (cette mise à la terre est automatiquement réalisé par le sélecteur de phase du véhicule laboratoire). Rc Coefficient Ku V Zc Zc 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1 10 Zone 9 inexploitable 100 1 000 10 000 Rc « Attention, il est important de limiter la valeur du courant sinon on prend le risque de « brûler » le défaut. On verra dans la suite de l’article qu’il est bien plus facile d’avoir à traiter des défauts de type éclateur que des défauts de type résistant. Autrefois très utilisé, le brûlage à fort courant est aujourd’hui une technique à abandonner, notamment pour ce qui vient d’être dit, mais aussi pour les risques, notamment d’incendie, que cela induit sur les réseaux de distribution ou aux autres concessionnaires (éclairage public, gaz, etc.). » Courbe de réflexion avec Zc = 40 Ω Lors de l’essai, on doit pouvoir monter la tension jusqu’à 3 U0. La durée de cet essai est limitée à quelques secondes après une montée régulière jusqu’à cette valeur. a défaut de continuité V Zc Rd On remet alors le générateur à zéro et on observe la vitesse de décharge du câble. Lorsque le matériel comporte un ampèremètre de contrôle, on peut mesurer la valeur du courant de charge pendant la montée en tension. Zc Coefficient Ku Zone inexploitable 0 Si la tension monte peu ou ne monte pas avec un courant important, le défaut est de type isolement résistant (cf. § 1.2.4.1). Si le câble passe en relaxation avant d’atteindre 3 U0, le défaut est de type isolement éclateur (cf. § 1.2.4.2). – 0,2 – 0,4 – 0,6 3.3 Mesure de continuité – 0,8 –1 1 10 100 150 1 000 10 000 Rd Cette mesure consiste à vérifier la présence ou non de coupures le long des conducteurs. Pour cela, il faut : Courbe de réflexion avec Zc = 40 Ω b défaut d’isolement Figure 12 – Courbes de réflexion pour les défauts d’isolement et de continuité 3.2 Essai diélectrique Comme nous venons de le voir, l’essai diélectrique est indispensable pour éclairer le choix de la méthode de prélocalisation dès que la valeur de Rd s’élève quelque peu. — soit pouvoir court-circuiter les âmes entre elles à l’extrémité opposée à celle de la mesure (par exemple en fermant le sectionneur de mise à la terre et en court-circuit). La mesure est alors effectuée au moyen d’un simple mégohmmètre ; — soit réaliser une mesure de capacité du conducteur par rapport à la terre, dans le cas d’un câble sans dérivation (pont de Sauty ou Nernst, abandonnés aujourd’hui) ; — soit encore en mettant en œuvre une méthode échométrique : la méthode classique. Aujourd’hui, c’est la méthode échométrique qui est privilégiée compte tenu de sa facilité de mise en œuvre. Cette méthode sera étudiée en [D 4 542, § 1.1]. Références bibliographiques [1] SRINIVAS (N.N.) et BERNSTEIN (B.S.). – Effect of DC testing on XLPE insulated cables. JICABLE 1995. Publication CEI 60502-2 § 20 Essais après pose 1997. D 4 541v2 − 8 [2] Essais après pose des systèmes de câble haute tension à isolation extrudée. Groupe de travail Cigre 21 09. Electra no 173 1997. [3] Câbles de distribution, à isolation extrudée, pour des tensions assignées de 3,6/6 (7,2 kV) à 20,8/36(42) kV inclus. Document d’harmonisation HD 620 S1 (1996). Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008
