EP0678887A1 - Appareillage électrique à détection de pression intégrée - Google Patents

Appareillage électrique à détection de pression intégrée Download PDF

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EP0678887A1
EP0678887A1 EP95400852A EP95400852A EP0678887A1 EP 0678887 A1 EP0678887 A1 EP 0678887A1 EP 95400852 A EP95400852 A EP 95400852A EP 95400852 A EP95400852 A EP 95400852A EP 0678887 A1 EP0678887 A1 EP 0678887A1
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EP
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envelope
mattress
pressure
light
optical fiber
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Withdrawn
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EP95400852A
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German (de)
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Inventor
Jean-Luc Bessede
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Grid Solutions SAS
Original Assignee
GEC Alsthom T&D SA
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/668—Means for obtaining or monitoring the vacuum
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/26—Means for detecting the presence of an arc or other discharge

Definitions

  • the present invention relates to electrical devices comprising an envelope inside which prevails a pressure different from the pressure outside the envelope.
  • many high and medium voltage electrical devices include a casing in which the pressure is different from the external pressure.
  • the pressure in the envelope can be a few hectopascals, as for example in circuit breakers insulated with sulfur hexafluoride or in cables with gas insulation insulated with nitrogen. In other cases, the pressure in the envelope may be a few millionths of a hectopascal, for example in the case of the so-called “vacuum” interrupter bulbs.
  • This type of control device is not suitable for checking the vacuum of vacuum insulated equipment.
  • An object of the present invention is to provide an enclosure apparatus comprising a pressure detection member integrated into the enclosure.
  • Another object of the invention is to carry out a detection of universal type, making it possible to control both the pressure of a few hectopascals of an apparatus insulated with sulfur hexafluoride (circuit breakers, installations with metallic shell to the ground, called armored ) that the very low pressure (also called “vacuum”), which prevails in a bulb of a vacuum switch.
  • Another object of the invention is to carry out, as regards the vacuum switches, a control and measurement of the vacuum at any time, even outside the periods of operation of the device.
  • Another object is to carry out a reliable and low-cost detection.
  • the subject of the invention is an electrical apparatus comprising a casing subjected to an operating pressure different from the external pressure, provided with means for detecting a leak causing a change in the pressure in the apparatus, characterized in that said means comprise a first optical fiber mattress arranged to be subjected, during a pressure variation in said envelope, to stress, said means further comprising a light source for sending light into the fibers of said mattress and a detector of the phase variation of the light enters its entry into the fiber mat and its exit.
  • the invention also relates to a vacuum interrupter comprising a cylindrical envelope and two lateral flanges, provided with means for detecting a loss of vacuum, characterized in that said means comprise a first optical fiber mat arranged to undergo, during a pressure variation in said envelope, a constraint, said means further comprising a light source for sending light into the fibers of said mattress and a detector of the phase variation of light between its entry into the fiber mattress and its exit .
  • the fiber mat is glued to an outer face of the envelope over its entire surface.
  • the optical fiber mattress is placed between a portion of the envelope and a part integral with the envelope and against which the optical fiber mattress is pressed under the action of the pressure variation in the envelope.
  • the optical fiber mat is integrated within the envelope, during the manufacture of the latter.
  • the apparatus comprises a second mattress of optical fibers, identical to the first mattress of optical fibers and receiving a light identical to that of the first mattress of optical fibers, and arranged next to the envelope so as to undergo the same variations in temperature as the envelope without being subjected to the constraints thereof, the phase detector receiving the light having passed through the second mat of optical fibers and carrying out a differential measurement.
  • the invention is based on the phase variation undergone by the light passing through an optical fiber when the optical fiber is subjected to a stress.
  • This example concerns vacuum switches.
  • FIG. 1 shows a vacuum interrupter 1, comprising a cylindrical envelope 2 made of glass or porcelain and two metal end flanges 3 and 4.
  • a first mattress of optical fibers 5 is bonded by its entire surface to the envelope of the vacuum interrupter.
  • Such a mattress is marketed for example by the company TACT SA (Advanced techniques of tactile sensors).
  • the mattress is glued to the envelope of the bulb using glue, after a vacuum has been created in the envelope.
  • the mattress 5 is supplied by a light source 6, preferably a polarized monochromatic source. Any increase in pressure inside the bulb (due for example to a leak) results in an increase in the volume of the bulb, and therefore of its external surface.
  • the optical fibers of the mattress 5 are therefore subjected to tensile stresses which result in a variation of the phase of the light, which can be measured by polarimetric or interferometric means by means of a measurement circuit symbolically represented by the rectangle. 7.
  • This circuit receives a phase reference thanks to an optical member 8 which derives part of the light emitted by the source 6.
  • a circuit like circuit 7 is well known to those skilled in the art and reference may be made, for example, to " Engineering techniques, Measuring transformers, by Jean-Pierre DUPRAZ, D 4 724-11.
  • a second reference optical fiber mat can be provided, designated by 9 in FIG. 1, subject to the same temperature variations as the mattress 5, but not subject to the same constraints.
  • the mattress 59 receives part of the light thanks to an optical deflection member 8.
  • the phase detector 7 performs a differential measurement.
  • the fiber optic mattress 15 is clamped between the envelope 2 and a rigid insulating part 16, linked to the flanges 3 and 4.
  • the mattress 15 is powered by a light source 6 and is connected at the output to a phase difference measurement circuit 7.
  • the envelope expands and compresses the mattress 15 against the part 16, causing a phase variation of light.
  • the mattress undergoes, in addition to a tensile stress, a compressive stress, which gives it increased sensitivity.
  • FIG. 3 illustrates another variant application of the invention to a vacuum interrupter.
  • This figure shows a section of a vacuum interrupter 4; in the thickness of the envelope is arranged a mattress of optical fibers 25, the ends of which exit outside the envelope and are connected respectively to a light source 6 and to a polarimetric or interferometric detector 7; this arrangement is used when the envelope of the vacuum interrupter is made of polymer or composite, the mattress being incorporated into the material of the envelope at the time of the manufacture of the vacuum interrupter and capable of withstanding the polymerization conditions.
  • the mattress can be placed in a thinned area of the envelope.
  • the sensitivity will be all the better as the rigidity of the envelope will be low.
  • the vacuum detection is done as indicated previously.
  • FIG. 4 shows a portion of an installation of the shielded type comprising a metal casing 30 to the ground and a conductor 31 supported by insulating cones such as the cone 32.
  • the interior of the casing is filled with insulating gas such as sulfur hexafluoride SF6 or nitrogen, under a pressure of several hectopascals.
  • the optical fiber mat 15 is bonded to the internal wall of the envelope 10, and its outputs pass through the envelope in a sealed manner so as to be connected respectively to the light source 6 and detector 7.
  • the fiber optic mat, 45 is glued to the insulating cone. Its ends protrude outside the envelope and are connected respectively to the light source 6 and to the detector 7.
  • reference mattresses can be provided to overcome temperature variations.
  • the invention is not limited to the examples described but applies to any electrical apparatus comprising an enclosure whose internal pressure is different from the external pressure.

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Abstract

Appareillage électrique comprenant une enveloppe (2, 10) soumise à une pression de fonctionnement différente de la pression extérieure, muni de moyens pour détecter une fuite entraînant une modification de la pression dans l'appareil, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent un premier matelas de fibres optiques (5, 15, 25, 35, 45) agencé pour subir, lors d'une variation de pression dans ladite enveloppe, une contrainte, lesdits moyens comprenant en outre une source lumineuse (6) pour envoyer de la lumière dans les fibres dudit matelas et un détecteur (7) de la variation de phase de la lumière entre son entrée dans le matelas de fibres et sa sortie. <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne les appareils électriques comprenant une enveloppe à l'intérieur de laquelle règne une pression différente de la pression à l'extérieur de l'enveloppe.
  • D'une manière générale, de nombreux appareillages électriques à haute et moyenne tension comprennent une enveloppe dans laquelle la pression est différente de la pression extérieure. La pression dans l'enveloppe peut être de quelques hectopascals, comme par exemple dans les disjoncteurs isolés à l'hexafluorure de soufre ou dans les câbles à isolation gazeuse isolés à l'azote. Dans d'autres cas, la pression dans l'enveloppe peut être de quelques millionièmes d'hectopascals, par exemple dans le cas des ampoules des interrupteurs dits "à vide".
  • Dans tous les cas, la constance de la pression, au moins en dehors des phases de coupure pour ce qui concerne les appareils de coupure, est un facteur de bon fonctionnement futur de l'appareil. Aussi est-il nécessaire de contrôler la pression aussi précisément que possible.
  • Ce contrôle est effectué pour les appareils à pression de plusieurs hectopascals (disjoncteurs, réducteurs de mesure, appareillages blindés) au moyen de pressostats, dont la technologie, malgré les difficultés dus aux risques de fuite, est assez bien maîtrisée. Mais ces appareils restent onéreux.
  • Ce type d'appareil de contrôle ne peut convenir au contrôle du vide des appareillages à isolation par le vide.
  • Il a été proposé, pour les appareillages de coupure à vide, de contrôler le vide au moment d'une coupure, au moyen de la mesure des rayons X dont l'intensité grandit lorsque le vide diminue. On pourra par exemple se référer au document EP-A1-0 543 732 Cette technologie est de mise en oeuvre coûteuse et donne des résultats incertains. En outre elle ne peut être mise en oeuvre que lorsqu'une coupure a lieu, puisqu'elle est fondée sur l'analyse de l'arc électrique qui se développe dans la chambre de coupure.
  • Un but de la présente invention est de réaliser un appareillage à enveloppe comprenant un organe de détection de pression intégré à l'enveloppe.
  • Un autre but de l'invention est de réaliser une détection de type universelle, permettant de contrôler aussi bien la pression de quelques hectopascals d'un appareillage isolé à l'hexafluorure de soufre (disjoncteurs, installations avec enveloppe métallique à la terre, dites blindées) que la pression très faible (appelée aussi "vide"), qui règne dans une ampoule d'un interrupteur à vide.
  • Un autre but de l'invention est de réaliser, pour ce qui concerne les interrupteurs à vide, un contrôle et une mesure du vide à tout moment, même en dehors des périodes de fonctionnement de l'appareil.
  • Un autre but est de réaliser une détection fiable et de faible coût.
  • L'invention a pour objet un appareillage électrique comprenant une enveloppe soumise à une pression de fonctionnement différente de la pression extérieure, muni de moyens de détecter une fuite entraînant une modification de la pression dans l'appareil, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent un premier matelas de fibres optiques agencé pour subir, lors d'une variation de pression dans ladite enveloppe, une contrainte, lesdits moyens comprenant en outre une source lumineuse pour envoyer de la lumière dans les fibres dudit matelas et un détecteur de la variation de phase de la lumière entre son entrée dans le matelas de fibres et sa sortie.
  • L'invention a également pour objet une ampoule à vide comprenant une enveloppe cylindrique et deux flasques latéraux, munie de moyens pour détecter une perte de vide, caractérisée en ce que lesdits moyens comprennent un premier matelas de fibres optiques agencé pour subir, lors d'une variation de pression dans ladite enveloppe, une contrainte, lesdits moyens comprenant en outre une source lumineuse pour envoyer de la lumière dans les fibres dudit matelas et un détecteur de la variation de phase de la lumière entre son entrée dans le matelas de fibres et sa sortieAppareillage.
  • Dans un premier mode de réalisation, le matelas de fibres est collé sur une face extérieure de l'enveloppe par toute sa surface.
  • En variante, le matelas de fibres optiques est placé entre une portion de l'enveloppe et une pièce solidaire de l'enveloppe et contre laquelle vient se presser le matelas de fibres optiques sous l'action de la variation de pression dans l'enveloppe.
  • Selon une autre variante, le matelas de fibres optiques est intégré au sein de l'enveloppe, lors de la fabrication de celle-ci.
  • Avantageusement, l'appareillage comprend un second matelas de fibres optiques, identique au premier matelas de fibres optiques et recevant une lumière identique à celle du premier matelas de fibres optiques, et disposé à côté de l'enveloppe de manière à subir les mêmes variations de température que l'enveloppe sans en subir les contraintes, le détecteur de phase recevant la lumière ayant traversé le second matelas de fibres optiques et effectuant une mesure différentielle.
  • L'invention est explicitée par la description ci-après des divers modes de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel:
    • la figure 1 représente schématiquement une ampoule à vide avec un matelas de fibres optiques collé à la partie extérieure de l'enveloppe,
    • la figure 2 représente en coupe axiale une ampoule à vide avec un matelas de fibres optiques serré entre l'enveloppe de l'ampoule et un élément solidaire de l'ampoule,
    • la figure 3 représente la section d'une ampoule à vide avec un matelas de fibres optiques intégré dans l'épaisseur de l'enveloppe,
    • la figure 4 est une vue en coupe axiale d'une portion d'un conducteur électrique de type blindé, avec matelas de fibres optiques sur la paroi interne de l'enveloppe ou sur le cône isolant support du conducteur.
  • L'invention se fonde sur la variation de phase subie par la lumière traversant une fibre optique lorsque la fibre optique est soumise à une contrainte.
  • On va décrire, en référence à la Fig. 1, un exemple d'application de l'invention dans lequel la contrainte subie par la fibre est une contrainte de traction.
  • Cet exemple concerne les interrupteurs à vide.
  • La figure 1 montre une ampoule à vide 1, comprenant une enveloppe cylindrique 2 en verre ou en porcelaine et deux flasques d'extrémité métalliques 3 et 4.
  • Un premier matelas de fibres optiques 5 est collé par toute sa surface sur l'enveloppe de l'ampoule à vide. Un tel matelas est commercialisé par exemple par la société TACT SA (Techniques avancées de capteurs tactiles).
  • Le matelas est collé sur l'enveloppe de l'ampoule au moyen de colle, après que le vide ait été fait dans l'enveloppe.
  • Le matelas 5 est alimenté par une source de lumière 6, de préférence une source monochromatique polarisée. Toute augmentation de pression à l'intérieur de l'ampoule (due par exemple à une fuite) se traduit par une augmentation du volume de l'ampoule, donc de sa surface extérieure. Les fibres optiques du matelas 5 sont donc soumises à des contraintes de traction qui se traduisent par une variation de la phase de la lumière, qu'on peut mesurer par voie polarimétrique ou interférométrique au moyen d'un circuit de mesure représenté symboliquement par le rectangle 7. Ce circuit reçoit une référence de phase grâce à un organe optique 8 qui dérive une partie de la lumière émise par la source 6. Un circuit comme le circuit 7 est bien connu de l'homme du métier et on pourra se référer par exemple aux "Techniques de l'Ingénieur, Transformateurs de mesure, par Jean-Pierre DUPRAZ, D 4 724- 11.
  • Pour s'affranchir des variations dues aux changement de température, on peut prévoir un second matelas de fibres optiques de référence, désigné par 9 dans la Fig. 1, soumis aux mêmes variations de température que le matelas 5, mais non soumis aux mêmes contraintes. Le matelas 59 reçoit une partie de la lumière grace à un organe de déviation optique 8. Le détecteur de phase 7 effectue une mesure différentielle.
  • Dans la figure 2, où les éléments communs aux Fig. 1 et 2 ont reçu les même numéros de référence, le matelas de fibres optiques 15 est serré entre l'enveloppe 2 et une pièce rigide isolante 16, liée aux flasques 3 et 4. Comme précédemment, le matelas 15 est alimenté par une source lumineuse 6 et est relié en sortie à un circuit de mesure de différence de phase 7. En cas d'augmentation de pression à l'intérieur de l'ampoule, l'enveloppe se dilate et comprime le matelas 15 contre la pièce 16, entraînant une variation de phase de la lumière. Le matelas subit, outre une contrainte de traction, une contrainte de compression, ce qui lui confère une sensibilité accrue. Comme indiqué ci-dessus, il est possible de prévoir un second matelas de référence pour s'affranchir des variations de température.
  • La figure 3 illustre une autre variante d'application de l'invention à une ampoule à vide. Cette figure montre une section d'une ampoule à vide 4; dans l'épaisseur de l'enveloppe est disposé un matelas de fibres optiques 25 dont les extrémités sortent à l'extérieur de l'enveloppe et sont reliées respectivement à une source lumineuse 6 et à un détecteur polarimétrique ou interférométrique 7; cette disposition est utilisée lorsque l'enveloppe de l'ampoule à vide est réalisée en polymère ou en composite, le matelas étant incorporé dans la matière de l'enveloppe au moment de la fabrication de l'ampoule à vide et pouvant supporter les conditions de polymérisation.
  • Pour améliorer la sensibilité du capteur, le matelas peut être placé dans une zone amincie de l'enveloppe.
  • La sensibilité sera d'autant meilleure que la rigidité de l'enveloppe sera faible.
  • La détection de vide se fait comme indiqué précédemment.
  • Comme indiqué plus haut, il est possible de prévoir un matelas de fibres optiques de référence permettant de s'affranchir des variations de températures.
  • La figure 4 montre une portion d'une installation de type blindé comprenant une enveloppe métallique 30 à la terre et un conducteur 31 supporté par des cônes isolant tel que le cône 32. L'intérieur de l'enveloppe est rempli de gaz isolant tel que l'hexafluorure de soufre SF6 ou l'azote, sous une pression de plusieurs hectopascals.
  • Dans un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, le matelas de fibres optiques 15 est collé sur la paroi interne de l'enveloppe 10, et ses sorties traversent l'enveloppe de manière étanche pour être reliées respectivement à la source de lumière 6 et au détecteur 7.
  • En variante, le matelas de fibres optiques, 45, est collé sur le cône isolant. Ses extrémités sortent à l'extérieur de l'enveloppe de manière étanche et sont reliées respectivement à la source de lumière 6 et au détecteur 7.
  • En cas de diminution de la pression intérieure de l'enveloppe, en raison d'une fuite par exemple, les contraintes subies par le matelas 35 ou le matelas 45 varient. Comme précédemment, on peut prévoir des matelas de référence pour s'affranchir des variations de température.
  • L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits mais s'applique à tout appareillage électrique comprenant une enveloppe dont la pression intérieure est différente de la pression extérieure.

Claims (6)

1/ Appareillage électrique comprenant une enveloppe (2, 10) soumise à une pression de fonctionnement différente de la pression extérieure, muni de moyens pour détecter une fuite entraînant une modification de la pression dans l'appareil, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent un premier matelas de fibres optiques (5, 15, 25, 35, 45) agencé pour subir, lors d'une variation de pression dans ladite enveloppe, une contrainte, lesdits moyens comprenant en outre une source lumineuse (6) pour envoyer de la lumière dans les fibres dudit matelas et un détecteur (7) de la variation de phase de la lumière entre son entrée dans le matelas de fibres et sa sortie.
2/ Ampoule à vide (1) comprenant une enveloppe cylindrique (2) et deux flasques latéraux (3, 4), munie de moyens pour détecter une perte de vide, caractérisée en ce que lesdits moyens comprennent un premier matelas (5, 15, 25) de fibres optiques agencé pour subir, lors d'une variation de pression dans ladite enveloppe, une contrainte, lesdits moyens comprenant en outre une source lumineuse (6) pour envoyer de la lumière dans les fibres dudit matelas et un détecteur (7) de la variation de phase de la lumière entre son entrée dans le matelas de fibres et sa sortieAppareillage.
3/ Ampoule à vide selon la revendication 2, caractérisée en ce que le matelas de fibres optiques (5) est collé sur une face extérieure de l'enveloppe par toute sa surface.
4/ Ampoule à vide selon la revendication 2, caractérisée en ce que le matelas de fibres optiques (15) est placé entre une portion de l'enveloppe et une pièce (16) solidaire de l'enveloppe et contre laquelle vient se presser le matelas de fibres optiques sous l'action de la variation de pression dans l'enveloppe.
5/ Ampoule à vide selon la revendication 2, caractérisée en ce que le matelas de fibres optiques (25) est intégré au sein de l'enveloppe (2), lors de la fabrication de celle-ci.
6/ Appareillage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un second matelas de fibres optiques (9), identique au premier matelas de fibres optiques (5) et recevant une lumière identique à celle du premier matelas de fibres optiques, et disposé à côté de l'enveloppe de manière à subir les mêmes variations de température que l'enveloppe sans en subir les contraintes, le détecteur de phase (7) recevant la lumière ayant traversé le second matelas de fibres optiques et effectuant une mesure différentielle.
EP95400852A 1994-04-19 1995-04-14 Appareillage électrique à détection de pression intégrée Withdrawn EP0678887A1 (fr)

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CA2147228A1 (fr) 1995-10-20
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