TRIDELTA Überspannungsableiter GmbH

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1 Dispositif de diagnostic pour l évaluation de l état de fonctionnement des parafoudres à oxyde métallique 1 Introduction Les éclateurs ou compteurs de décharge utilisés jusqu ici, permettent seulement l évaluation conditionnelle de l état de fonctionnement des parafoudres. Partant des études connues et de nos propres recherches concernant le tenue en service des parafoudres, un dispositif de diagnostic a été développé qui remplit les exigences suivantes: saisie des données de diagnostic sans interruption du fonctionnement aucune modification de la structure interne du parafoudre, pas de traversées supplémentaires nécessaires analyse de l état de fonctionnement du parafoudre exclusivement par l analyse du courant de fuite. 2 Critères de l évaluation des parafoudre La tension de service permanente est à l origine d un courant de fuite continu aux parafoudres sans éclateur (parafoudres à oxyde métallique). Pendant qu il s agit de la tension permanente U c, la composante capacitive domine (plage ma), au cas des augmentations temporaires de la tension ou procédés de décharge, la composante résistive prédomine (A jusqu au ka). Si à cause de la surcharge et/ou du vieillissement des varistances d oxyde métallique un courant de fuite résistif provoque une telle quantité de chaleur qu elle n est plus évacuée par la surface du parafoudre, le parafoudre sera détruit (thermal runaway). Au cours du temps de fonctionnement du parafoudre, des problèmes suivants peuvent apparaître : charges de courant d haute amplitude fréquentes ou processus de décharge à haute énergie provoquent des modifications irréversibles de la courbe caractéristique de la varistance (dégradation). Cela a pour conséquence l augmentation du courant de fuite du parafoudre. la modification de la distribution du potentiel par pollution externe peut augmenter les pertes en puissance dissipée dans la pile des varistances du parafoudre à oxyde métallique. L augmentation de la température des varistances est une conséquence du courant de fuite élevé et de l augmentation des pertes en puissance dissipée causés par des telles conditions de service. Edition 03/2005 Page 1

2 Par les raison mentionnées il est utile d évaluer l état du parafoudre au cours de son fonctionnement. Comme critère d évaluation se propose le courant de fuite avec sa composante capacitive et résistive. Dans le résultat des études menées (Fig. 1) des critères suivantes peuvent être déduits: dans la zone qui intéresse, la 3 ème harmonique du courant de fuite est presque proportionnelle à sa composante résistive. Par cela on dispose d un critère d évaluation suffisant pour les parafoudres à oxyde métallique (MOA) parce que la partie résistive du courant de fuite conduit au réchauffement de l oxyde métallique par la charge de tension. Indépendamment de l évaluation de la 3 ème harmonique du courant de fuite, l état du parafoudre peut être déterminé par la relation entre valeur crête et valeur effective (facteur Crest) du courant de fuite. A cause de la partie descendante dans la zone de la tension permanente du parafoudre (U c ) ce critère n est pas si sur à utiliser comme la 3 ème harmonique, mais il en est un bon complément. En plus la forme d onde du courant peut être observée par un oscilloscope et comparée avec des figures de référence. Fig. 1: Analyse du courant de fuite à 2 varistances à oxyde métallique Edition 03/2005 Page 2

3 Pour cette raison on peut déterminer des caractéristiques suivantes du parafoudre avec le dispositif de diagnostic: valeur effective valeur crête 3 ème harmonique forme d onde Pour assurer que les résultats de l analyse du courant de fuite sont fiables il faut prendre en considération que le courant de fuite est déterminé de manière essentielle par les facteurs suivantes (Fig. 2): type du parafoudre (type à varistances, construction spécifique) relation tension de service - tension permanente U c capacités parasitaires vers la terre et envers des composants voisins température ambiante et rayonnement solaire direct pollution de la surface du parafoudre Capacité de la varistance Non-linéarité de la varistance Pollution extérieure conductrice de la surface de l enveloppe Arcs électriques partiels Capacités parasitaires Adaptateur à pince Fig. 2: Facteurs d influence à l analyse du courant de fuite Edition 03/2005 Page 3

4 3 Principe de fonctionnement du dispositif de diagnostic Le dispositif de diagnostic est composé d un transformateur de courant à flux compensé (Fig. 4) et d une unité du traitement des signaux avec indicateur (Fig. 3). Comme montré par le schéma de principe (Fig. 4), le courant Ip par l enroulement primaire (connexion terre avec N p = 1) cause un flux magnétique Φ p au tore magnétique. A l aide de l amplificateur opérationnel le courant est conduit par l enroulement compensatoire N s qui provoque au tore magnétique le contre-flux Φ s. La différence de flux induit dans l enroulement indicateur Ni une tension E jj, qui dirige le courant de compensation I s de manière que la différence de flux est minimisée. La chute du potentiel sur la résistance de mesure R m, directement proportionnel au courant I p dans sa valeur et sa phase, est transmise au traitement de signaux situé en aval (amplificateur, filtre, redresseur). 1 connexion au pince-adaptateur/ indicateur 2 amplificateur 3 analyse spectrale 4 mesure valeur crête 5 mesure valeur effective 6 batterie 7 commutateur sélectif 8 affichage Fig. 3: Unité de traitement de signaux avec affichage Edition 03/2005 Page 4

5 V amplificateur N p enroulement primaire N s enroulement de compensation N i enroulement indicateur E ii tension induit à l enroulement indicateur U v tension de sortie de l amplificateur U m tension proportionnel au courant primaire Φ I p I s flux magnétique au tore courant primaire (courant de fuite) courant de compensation Lois des mailles: E i = U v U m U s avec: et : et : et : et : suit : U v = v Eii Eii = jω Ni ( Φp Φs ) Φ = AL I N Ei = 0 Np = 1 R m Um = Ip R s + R m Ns jω v N A i L = I p R σ m ( compensation) ( connexion de terre) Fig. 4: Transformateur de courant à compensation de flux Edition 03/2005 Page 5

6 4 Réalisation technique du dispositif de diagnostic Le dispositif de diagnostic comprend un adaptateur-pince (indicateur), un câble de connexion et une unité d évaluation (ABLEITERDIAG). Il y a 3 types de dispositifs de diagnostic (pour fréquences nominales de 50 Hz, 60 Hz et 16 ⅔ Hz). Pour l évaluation du courant de fuite de 100 µa jusqu au 20 ma, 2 étendues d échelle sont à la disposition (2 ma, 20 ma). 2 sorties de signaux de mesure (douilles BNC) permettent la visualisation oscilloscopique du courant de fuite avant et après les étages de filtration. Toutes les autres fonctions et conditions d utilisation sont montrés au Tab. 1 et en Fig. 5 à l exemple d un dispositif de diagnostic pour une fréquence nominale de 50 Hz. Avant la mise en service il faut introduire des batteries de 1,5 V (taille AA) dans la boîte de batteries. Faire attention à la polarité une mauvaise polarité peut détruire le dispositif! Pour réaliser des mesures, le ABLEITERDIAG doit être connecté avec le adaptateur-pince (indicateur) par le câble de connexion. Ensuite il faut fermer l adaptateur-pince autour de la connexion à terre du parafoudre. 1 affichage 2 interrupteur de service 3 bouton de sélection du mode de service 4 bouton-touche de remise (valeur crête) 5 6 sélecteur filtres 7 8 commutateur du champ de mesure 9 sortie signal de mesure (après filtre) 10 sortie signal de mesure (original) 11 douille d entrée Fig. 5: Platine avant et éléments de réglage pour fréquence nominale de 50 Hz Edition 03/2005 Page 6

7 Élément de réglage Interrupteur de service (2) Bouton de sélection de mode de service (3) Bouton-touche de remise (4) Sélecteur filtres (5), (6), (7) Commutateur du champ de mesure(8) Sorties signaux de mesure (9), (10) (1 MΩ, < 50 pf) zone 2 ma: 100 mv = 1 ma zone 20 ma: 1 V = 1 ma Douille d entrée (11) Fonction Connecte et déconnecte le dispositif Choisit le mode de service (mesure de valeur effective ou de valeur crête) Les mesures de valeur crête sont possibles seulement pour la zone de fréquences «f < 500Hz». La mesure de valeur de crête est réalisée par le chargement d un condensateur. La valeur crête peut être falsifiée par des événements transitoires du réseau ou des perturbations extérieures du champ extrêmement fortes. Ce bouton permet le contrôle par la remise de la valeur crête. Les trois actionneurs servent au choix des zones de fréquence L actionneur (5) active la zone «f < 500Hz». Des perturbations à haute fréquence de provenance du réseau sont atténuées par moyen d un filtre bassepas. Dans cette zone sont mesurés les valeurs crête et effectives. L actionneur (6) active la zone «f > 5kHz». Dans cette zone peut être mesurée la valeur effective des perturbations à haute fréquence (phénomène des décharges partielles). L actionneur (7) «f = 150Hz» active la mesure de la troisième harmonique (valeur effective) de courant de fuite. Choisit la zone de mesure (2 ma / 20 ma). Possibilité de connecter un oscilloscope. Cela permet le contrôle optique de la forme de courbe du courant de fuite. Sortie «B» (10) montre le courant de fuite non-filtré. Sortie «A» (9) montre le signal à la sortie du filtre qui est activé. Ici le câble de liaison d adaptateur-pince est à connecter. Tab. 1: Eléments de réglage et fonctions pour fréquence nominale de 50 Hz Edition 03/2005 Page 7

8 5 Indications concernant la réalisation des mesures Pour les mesures tenir compte de la norme DIN DE 0101 «Installations à courant de haute intensité avec tension c.a. de plus de 1 kv» ou des normes nationales correspondantes. Ne pas faire des mesures au cours d orages ou des opérations de couplage. Ne pas introduire des signaux étrangers dans le sorties des signaux de mesure (9) et (10) pour éviter la destruction du «ABLEITERDIAG». Assurer que seulement le courant qui passe par le parafoudre est évalué. Exécuter toutes les mesures seulement quand la surface du parafoudre est sèche pour exclure des courants de fuite à la surface de la boîte et des perturbations à haute fréquence par des couches étrangères humides. Positionner l adaptateur-pince autant que possible pour chaque mesure au même endroit autour du câble de mise à terre. Tenir l adaptateur-pince de manière que le câble passe horizontalement par l adaptateur. Corriger les valeurs mesurées aux conditions standards de service suivant Fig. 5 et Fig. 6. Pratiquer une première mesure (mesure initiale) toute suite après la mise en service du parafoudre. Documenter les valeurs de mesure dans un tableau suivant Tab. 2. Répéter la mesure au cas des grandes divergences avec la mesure initiale. Cela évite des falsifications des valeurs de mesure par des événements de décharge qui se sont produits immédiatement avant la mesure. Actionner le bouton-touche de remise (4) avant la mesure de la valeur crête. Cela évite des erreurs par des événements transitoires du réseau ou perturbations extérieures du champ extrêmement fortes. En cas de doute contrôler la forme de courbe du courant de fuite à la sortie du signal «B» (10) et comparer avec les courbes de référence suivant Fig. 7. Un dépassement de la zone de mesure est signalé dans l affichage gauche par «1», les autres chiffres sont fermées. Batteries épuisées sont signalées dans l affichage par «B». Edition 03/2005 Page 8

9 valeur effective valeur crête 3ème harmonique multiplicateur ,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 U / U r Fig. 6: Conversion aux conditions standards de service (tension) 1,20 valeur effective valeur crête 3ème harmonique 1,15 1,10 multiplicateur 1,05 1,00 0,95 0,90-10 C 0 C 10 C 20 C 30 C 40 C température Fig. 7: Conversion aux conditions standards de service (température) Edition 03/2005 Page 9

10 Protocole de mesures Site du parafoudre: Type de parafoudre: N de parafoudre: Année de fabrication: Date Température Tension de réseau ( C) (kv) Humidité de l air (%) Valeur effective Valeur crête (ma) (ma) 3 ème harmonique (ma) Valeur effective corrigée (ma) Valeur crête corrigée (ma) 3 ème harmonique corrigée (ma) Tab. 2: Exemple pour le saisie des valeurs mesurées 6 Evaluation des résultats Les parafoudres sont en règle quand les conditions suivantes sont remplies simultanément pour les valeurs corrigées du Tab. 2: la valeur crête ne dépasse pas 4 ma, la valeur effective ne dépasse pas 2 ma et la 3 ème harmonique ne dépasse pas 0,1 ma. Si une de ces conditions n est pas remplie, il faut répéter les mesures en courtes intervalles. Par cela des erreurs de mesures peuvent être évités et des tendances peuvent être constatées. Si le dépassement des limites supérieures se confirme, il est conseillé de documenter la forme de courbe du courant de fuite par moyen d un oscilloscope placé à la sortie de signal «B» (10) et de transmettre le résultat à TRIDELTA. Edition 03/2005 Page 10

11 Courant de fuite à l état de service normal Courant de fuite à l état de service immédiatement après une surtension Courant de fuite à l état de service anormal Fig. 8: Oscillogramme du courant de fuite Edition 03/2005 Page 11