Dispositif de mesure de courant électro-optique
Pour mesurer le courant traversant un conducteur qui se trouve à un potentiel élevé, on s'est servi de transformateurs magnétiques classiques. Toutefois,
I'utilisation de tensions d'exploitation très élevées, par exemple supérieures à 400 000 volts, nécessite la mise en oeuvre de transformateurs du type classique d'un prix prohibitif en raison des difficultés concernant l'isolement de telles tensions. Pour éviter cet inconvénient, on a proposé (voir l'article Current measurement by means of the Faraday effect paru dans la revue britannique The Engineers Digest , de décembre 1956, vol. 17, page 499) d'utiliser un faisceau lumineux émis par une source qui se trouve à un potentiel voisin de celui du sol et qui est polarisé par un polariseur.
Le plan de polarisation de ce faisceau subit une rotation lorsque le faisceau traverse un corps transparent approprié, tel qu'un flint lourd, situé au voisinage d'un conducteur à potentiel élevé dans un champ magnétique créé par le courant à mesurer. En effet Faraday a découvert que certains corps transparents isotropies, liquides ou solides, placés dans un champ magnétique, produisent une rotation du plan de polarisation d'un faisceau lumineux qui les traverse parallèlement à la direction du champ magnétique. La rotation est particulièrement grande pour les corps possédant une grande dispersion de réfraction, tels que les flints. La rotation du plan de polarisation est proportionnelle au champ magnétique créé par un courant traversant une bobine disposée autour du corps transparent.
Le faisceau sortant de ce corps est redirigé vers le sol où il traverse un deuxième polariseur ou analyseur derrière lequel se trouve une cellule photo-électrique ou un photomultiplicateur mesurant l'intensité lumineuse du faisceau sortant de l'analyseur. Une disposition convenable des axes de polarisation des polariseurs permet d'obtenir une modulation par effet
Faraday du flux du faisceau frappant la cellule photo-électrique. En mesurant le signal électrique de sortie de la cellule photo-électrique on obtient une mesure indirecte du courant circulant dans le conducteur à haute tension et qui fait naître le champ magnétique produisant la polarisation rotatoire magnétique.
Le signal de sortie de la cellule photo-électrique est appliqué à un montage électronique comprenant un amplificateur et ce dernier alimente les différents dispositifs de mesure du courant, de comptage, de protection contre la surcharge et de protection contre les courts-circuits. Ces différents dispositifs ont des seuils de fonctionnement différents.
Ainsi un dispositif de mesure ou de comptage doit fonctionner correctement par exem ple jusqu'à 2 ou 3 1N IN. étant l'intensité nominale), un dispositif de surcharge jusqu'à 10 à 15 IN et un dispositif de court-circuit par exemple jusqu'à 20 à 40 il. On conçoit que l'amplificateur alimentant des différents dispositifs doit fournir une puissance très considérable lorsqu'il continue à alimenter ces différents dispositifs jusqu'à une valeur de 40 IN et l'invention a pour but de permettre la diminution de la puis- sance et par conséquent de l'encombrement des amplificateurs et des autres dispositifs électroniques associés.
Selon l'invention le dispositif de mesure électro-optique d'un courant circulant dans un conducteur à potentiel élevé, et comprenant une source de lumière émettant un faisceau lumineux et se trouvant sensiblement au potentiel de la terre, des moyens pour diriger le faisceau vers le conducteur à potentiel élevé, un polariseur pour polariser la lumière du faisceau et un dispositif de rotation magnétique du plan de polarisation du faisceau lumineux sous l'influence et en fonction d'un champ magnétique créé par le courant à mesurer des moyens de mesure comprenant un dispositif photo-électrique étant prévus pour élaborer ledit faisceau et mesurer ledit courant en fonction du degré de rotation dudit plan de polarisation,
est caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour diviser le faisceau divisionnaire traverslant un dispositif de rotation magnétique distinct excité par le courant à mesurer, chaque faisceau divisionnaire émergeant de son dispositif de rotation magnétique étant élaboré indivi duellement par des moyens de mesure distincts de ceux des autres faisceaux divisionnaires.
Ledit faisceau lumineux peut tre guidé au moins sur une partie de son trajet par un tube de guidage de lumière grâce à la réflexion vitreuse à incidence rasante sur la paroi intérieure de ce tube. Le tube pourra tre constitué par toute matière opaque et polie intérieurement. Mais il pourra aussi tre réalisé en matières transparentes, car aux angles d'incidence qui intéressent (85 à 90" par rapport à la normale de la paroi du tube), le coefficient de réflexion vitreuse de ces matières est très voisin de l'unité.
Sous ces incidences, la lumière polarisée conserve son plan de polarisation et un faisceau de lumière polarisée peut tre guidé de la sorte. On peut ainsi guider la lumière sans faire appel à un guide hautement poli ou métallisé ce qui est exclu à cause des différences de potentiel entre la ligne et la terre.
Afin d'éviter les conséquences d'une défaillance de la source de lumière, la source de lumière peut tre constituée par une pluarlité de sources indépendantes dont les faisceaux se mélangent intimement à l'intérieur dudit guide en un faisceau unique désiré sur lesr dites moyens de division.
Ainsi à une certaine distance de l'entrée du tube de guidage et après un certain nombre de réflexions successives, le faisceau sera constitué de façon homogène de rayons lumineux issus de toutes les sources.
Si l'on partage le faisceau initial en deux ou plusieurs faisceaux divisionnaires, à l'aide de prismes ou miroirs, chacun de ces faisceaux sera constitué de rayons provenant en parties égales de chacune des sources indépendantes de telle sorte que si l'une d'entre elles vient à disparaître, chaque faisceau émergent continuera d'tre alimenté par l'ensemble des autres sources ce qui est d'un gros intért pour la sécurité de fonctionnement.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre d'un exemple d'exécution représenté aux dessins annexés dans lesquels:
La fig. 1 est une coupe selon la ligne I-I de la fig. 2, d'un dispositif selon l'invention;
la fig. 2 est une coupe selon la ligne II-II de la fig. 1;
la fig. 3 montre à une échelle agrandie une vue de côté du dispositif de mélange des faisceaux;
la fig. 4 est une vue de dessus du dispositif de la fig. 3.
Sur les figures trois sources de lumière indépendantes 10, 1 1 et 12 émettent un rayonnement visible, infrarouge ou ultraviolet. Les sources sont situées du côté où s'effectue la mesure, à un potentiel égal ou voisin de celui du sol. Les faisceaux émis traversent chacun un système optique 13 les dirigeant horizontalement à 1200 les uns des autres dans la direction d'un dispositif de mélange 15 complrenant trois surfaces réfléchissantes 16, 17 et 18 dirigeant les faisceaux émis par les sources 10, 11, 12 vers l'extrémité inférieure d'un tube de guidage de lumière 19. Les faisceaux sont intimement mélangés à l'intérieur du tube 19 grâce à la réflexion vitreuse sous incidence rasante (85 à 90 ) sur la paroi du tube.
Les faisceaux mélangés sont ainsi dirigés vers un conducteur à potentiel élevé (non représenté) dont on veut connaître le courant le traversant et qui peut traverser le capot 14 de l'appareil. Un système à prismes ou à miroirs 20 analogue à la pièce 15 divise le faisceau émergeant du tube 19 en trois faisceaux horizontaux, à 1200 les uns des autres, chaque faisceau divisionnaire étant redirigé par un prisme 21 vers l'intérieur d'un tube de guidage 22, 23 respectivement 24 disposés symétriquement autour du tube 19. On décrira maintenant un seul dispositif d'élaboration des faisceaux descendants 25, les deux autres dispositifs étant identiques.
Le faisceau 25 traverse un polariseur 26 et un corps transparent 27 placé dans un champ magnétique axial créé par une bobine 28 traversée par le courant il, circulant dans le conducteur à potentiel élevé (avec lequel la bobine est connectée en série), ou par un courant proportionnel. Sous l'effet du champ magnétique le plan de polarisation du faisceau 25 subit à l'intérieur du corps 27, qui possède un indice de Verdet élevé et qui peut tre constitué par un flint lourd, une rotation angulaire proportionnelle à l'intensité du champ magnétique, produit par le courant proportionnel ou égal à celui circulant dans le conducteur à potentiel élevé. Cet effet est connu sous le nom de polarisation rotatoire magnétique ou effet
Faraday.
Côté mesure, à un potentiel voisin de celui du sol, cette rotation du plan de polarisation est détectée par une méthode de compensation. Le faisceau sortant du dispositif de rotation magnétique du plan de polarisation 27 traverse un deuxième dispositif de rotation magnétique du plan de polarisation 29, analogue au dispositif 27, et qui est placé dans un champ magnétique créé par une bobine 30 et dont la direction est parallèle à celle des rayons lumineux. La rotation produite dans la cellule 29 est en sens inverse de celle produite dans la cellule 27 et compense celle-ci de façon à permettre une mesure par une méthode de zéro.
La méthode de comparaison est basée sur le fait que, lorsque les deux rotations sont égales et en sens contraire le faisceau sortant est polarisé dans le mme plan que le faisceau entrant dans le premier dispositif de rotation 27 et le courant secondaire i2 parcourant la bobine 30, est alors proportionnel au courant circulant dans le conducteur à potentiel élevé. Toute différence, si minime soit-elle, entre les ampère-tours primaires et secondaires se traduit par une légère rotation du plan de polarisation du faisceau sortant du dispositif de rotation 29, dans un sens ou dans l'autre par rapport à l'orientation initiale fixe. Le faisceau émergeant du dispositif 29 traverse un système optique 31 pour frapper une lame semi-réfléchissante 32 disposée sous l'angle d'incidence de Brewster.
La lame 32 divise le faisceau en deux faisceaux polarisés éclairant respectivement deux cellules photo-électriques 33 et 34 faisant partie d'un montage équilibré concrétisé par le rectangle 35. Les cellules 33 et 34 sont montées en opposition électrique pour fournir un signal secondaire débarassé des perturbations rapides du faisceau lumineux. Ce signal est amplifié dans un amplificateur 36 lequel produit le courant i qui alimente la bobine 30 et la charge extérieure 37 constituée par un applareil de mesure ou relais. Le fonctionnement est tel que l'amplificateur 36 agit sur le courant secondaire i de telle façon que la différence entre les ampère-tours primaires et secondaires ait toujours tendance à devenir nulle.
Pour que le détecteur photo-sensible 33 recoive un signal qui permet de piloter l'amplificateur 36, il doit toutefois subsister, en régime établi, une légère différence périodique entre les ampère-tours primaires et secondaires.
L'ensemble du dispositif optique sera de préférence placé à l'intérieur d'une enceinte de protection dont la partie médiane est constituée par un isolateur 38.
Les trois faisceaux descendants 25 sont utilisés pour alimenter respectivement trois dispositifs de mesure, de protection, de signalisation, de déclenchement, etc. dont les seuils maximaux de fonctionnement sont différents. A titre d'exemple le premier faisceau peut transmettre une information pour un dispositif de mesure de courant et de comptage de l'énergie électrique, le deuxième faisceau un dispositif de protection ou de surcharge et le troisième faisceau un dispositif de protection contre les courts-circuits. L'amplificateur 36 alimentant le premier dispositif peut alors se saturer par exemple à 2 ou 3 IN, celui du deuxième dispositif à 10 à 15 IN et celui du troisième dispositif à 20 à 30
IN ce qui permet de diminuer considérablement la puissance délivrée par les amplificateurs.