Essai et diagnostic de câbles moyenne tension au moyen de sources de tension sinusoïdales TBF

 

Auteur : Martin Jenny, directeur produit chez BAUR Prüf- und Messtechnik GmbH, Sulz (Autriche) 

 

L'évaluation de l'état des installations de câbles aide les opérateurs de réseaux moyenne tension à planifier et à entretenir efficacement leurs réseaux. L'emploi de sources de tension sinusoïdales TBF (très basse fréquence) pour la mesure permet de rendre le diagnostic de câble économique et de l'intégrer simplement dans le travail quotidien. Ce type de source peut être appliqué pour l'essai comme pour le diagnostic de câbles, il est léger et livre des résultats fiables.

 

Pour utiliser l'évaluation de l'état des installations de câbles en vue d'améliorer la planification des investissements et de la maintenance, il est nécessaire d'effectuer des mesures de diagnostic. Elles fournissent par exemple des informations sur le vieillissement ou les défauts cachés. Les opérateurs de réseau qui souhaitent, en plus des essais de câbles, effectuer également des diagnostics, se demandent ainsi comment réduire le temps et les coûts nécessaires pour obtenir des résultats significatifs. La pertinence des résultats de mesure dépend, entre autres facteurs, de la source de tension du système de test et de mesure. Des sources diverses sont disponibles sur le marché : systèmes à résonnance 50 Hz, TBF sinusoïdale 0,1 Hz (TBF = Très Basse Fréquence), DAC Damped AC (tension alternative amortie) ou TBF cos-rect (cosinus rectangle, aussi appelé 50 Hz Slope). Le présent article décrit les raisons pour lesquelles la TBF sinusoïdale à 0,1 Hz représente la meilleure solution pour l'utilisation quotidienne.

 
Un aspect essentiel réside dans le fait qu'une source de tension TBF sinusoïdale à 0,1 Hz ne soit pas uniquement adaptée à l'essai de câbles, mais qu'elle donne également de bons résultats pour les mesures de diagnostic. Les mesures déterminantes ici sont la mesure tan-delta (aussi appelée mesure du facteur de dissipation) et la mesure des décharges partielles (mesure DP dans ce qui suit), voir l'encadré. Une vue d'ensemble des caractéristiques des diverses sources de tension permet d'expliciter ce point.

 
Caractéristiques de diverses sources de tension

 
Qu'attend-on principalement de la source de tension ?

  • L'aptitude à l'essai de câbles/à l'essai en tension de tenue
  • Une précision de mesure élevée pour la mesure du facteur de dissipation
  • Des résultats significatifs de mesure DP (tension d'apparition et d'extinction, niveau de DP et pattern de DP par phase) et bonne localisation de celles-ci.
  • Des résultats hautement reproductibles afin d'assurer la comparabilité des mesures espacées dans le temps et les résultats de différentes liaisons câblées du réseau.
  • La possibilité d'appliquer plusieurs méthodes en parallèle, c'est-à-dire de gagner du temps en les combinant
  • Un poids réduit, une manipulation simple, des raccordements aisés, une facilité d'utilisation, des mesures rapides

 

Le tableau 1 compare les sources de tension dans l'optique de ces diverses exigences. En ce qui concerne l'essai en tension de tenue, la quasi-totalité des sources de tension du marché se sont avérées adaptées, que ce soit en théorie ou dans la pratique. La tension sinusoïdale TBF à 0,1 Hz est toutefois la seule à convenir aussi bien pour la mesure de décharges partielles que pour celle du facteur de dissipation (tan delta). Il faut observer que ce qui compte, c'est la forme de la tension : Pour obtenir des résultats fiables indépendants de la liaison câblée, une courbe sinusoïdale idéale (à fréquence constante) présente des avantages. Dans le cas de mesures effectuées avec une sinusoïde idéale, les utilisateurs peuvent raisonnablement comparer les résultats de mesure de différentes liaisons câblées ou de types de boîtes de jonction différents.

 

Tableau 1 : Comparaison de différentes formes de tension par rapport à diverses exigences pratiques


Exigence

TBF sinusoïdale

VLF cos-rect

Appareils à résonnance 50 Hz

DAC

Essai en tension de tenue conformément à IEC,

VDE (CENELEC), IEEE

oui

oui

oui

oui, norme IEEE en préparation

Signal de test indépendant de la charge

oui

La phase de commutation varie dans la plage de 30 à 250 Hz selon IEEE400.2 [7], la phase de rechargement varie en fonction de la charge

Fréquence de test dépendante de la longueur du câble

Fréquence de test dépendante de la longueur du câble

Précision de mesure tan-delta

élevée (1*10E-4)

inadaptée pour tan delta

élevée

moyenne

Sensibilité / comparabilité tan-delta

élevée

inadaptée pour tan delta

moyenne, sensibilité inférieure à TBF

moyenne, fonction de la charge

Localisation des DP possible

oui

oui

oui

oui

Niveau et pattern de DP comparables à la mesure à 50 Hz

oui

pas encore analysé suffisamment

oui

oui

Tension d'apparition des DP comparable à la mesure à 50 Hz

oui

pas encore analysé suffisamment

oui

oui

Source de tension compacte

oui

oui

non

oui






 

En ce qui concerne la mesure du facteur de dissipation, il s'est avéré qu'une mesure TBF sinusoïdale était supérieure même à la mesure de 50 Hz du fait de sa précision élevée et de sa sensibilité. À la basse fréquence de 0,1 Hz, les valeurs tan-delta pour les câbles isolés par PE s'avèrent plus élevées, ce qui permet de détecter plus facilement une légère augmentation du tan delta. Du fait de ses bonnes caractéristiques, le 0,1 Hz sinusoïdal a déjà été pris en compte dans des normes (IEEE 400.2-2013) dans lesquelles aussi bien des niveaux d'essai que des valeurs limites sont disponibles pour différentes régions.

 

L'aptitude de différentes sources de tension pour la mesure des décharges partielles a déjà fait l'objet de diverses publications scientifiques. Dans la plupart d'entre elles, il s'agissait de la comparaison des résultats de mesure avec ceux qui avaient été mesurés à la fréquence de service (50 ou 60 Hz). On peut résumer les résultats des publications [1] à [6] de la manière suivante :


Une source de tension TBF cos-rect a donné, à la comparaison de mesures avec 2 x U0 sur six boîtes de jonction vétustes, un niveau de DP environ 5,5 fois supérieur (env. 5500 pC) par rapport à la mesure à 50 Hz et TBF sinusoïdale [6]. Les mesures à 50 Hz et 0,1 Hz sinusoïdal ont présenté des niveaux pratiquement identiques. Les valeurs de mesure plus élevées avec une source de tension TBF cos-rect signifient que la mesure représente une contrainte plus élevée pour des boîtes de jonction usagées. En outre, on constate, en comparant les sources de tension sinusoïdales et rectangulaires [6], que la forme d'onde de la tension d'essai a une influence plus grande que l'augmentation du niveau de 2 x U0 à 3 x U0.

 

En ce qui concerne les mesures DP avec TBF sinusoïdale, les publications précitées ont indiqué que la hauteur de la tension d'apparition des DP étaient comparable à celle de la mesure à 50 Hz lorsque les essais étaient effectués sur des objets réels - et non sur des objets de laboratoire / préparés artificiellement. Dans le cas de défauts créés artificiellement, les tensions d'apparition étaient en partie différentes entre la mesure TBF et la mesure à 50 Hz. C'est pourquoi les défauts artificiels et les objets de test de laboratoire sont inappropriés pour sélectionner la source de tension optimale pour le terrain [4].

 

En ce qui concerne les niveaux de DP et leur pattern (répartition des valeurs mesurées), les publications citées ont également rapporté que les résultats obtenus avec la TBF sinusoïdale à 0,1 Hz étaient comparables à ceux des mesures à 50 Hz. Ceci vaut pour les boîtes de jonction usagées à technologie d'emboîtement comme à technologie thermo-rétractable. S'agissant de la localisation des décharges partielles, aucune différence notable n'est apparue.

 

Une comparaison des procédures entre la TBF sinusoïdale à 0,1 Hz, la résonnance 50 Hz, la résonnance 20-400 Hz et DAC, appliquées à quatre liaisons câblées avec 42 défauts différents, a finalement permis de conclure que, pour les essais sur divers câbles moyenne tension, aucune des technologies n'était significativement meilleure qu'une autre [2]. Cette étude n'a pas permis de démontrer l'existence d'un rapport clair entre le niveau de DP et/ou la tension d'apparition et la source de tension. C'est pourquoi, lorsqu'il s'agit de choisir entre les sources de tension analysées, l'utilisateur doit plutôt s'intéresser à des critères pratiques tels que la réalisation des missions, le poids, la maniabilité et la polyvalence.

 

Conséquences pratiques

 

Pour la mise en œuvre pratique, il y a lieu de considérer, outre la précision et la fiabilité des mesures, divers aspects supplémentaires. Les points suivants, entre autres, se révèlent importants pour la mise en œuvre sur le terrain :

 

  • Simplicité de transport et de raccordement de l'équipement de mesure
  • Dépenses de personnel, besoin de formation
  • Temps nécessaire pour le raccordement
  • Temps nécessaire pour la mesure
  • Rapport coût/service
  • Importance des résultats de mesure pour la maintenance préventive

 

Dans cette optique, leur poids réduit et leur compacité permettent aux sources de tension TBF de marquer des points par rapport aux sources de tension à 50 Hz. Comme la source de tension TBF sinus peut être utilisée pour l'essai de câbles mais également pour les mesures de diagnostic tan delta et DP, elle permet aux techniciens réseau d'effectuer toutes les mesures importantes sur des câbles neufs et usagés avec une seule source de tension. Par rapport à la mise en œuvre de plusieurs sources de tension pour différents essais et mesures, l'utilisation d'une source de tension TBF sinusoïdale unique présente l'avantage net d'un gain de temps, le raccordement durant bien moins longtemps. L'emploi d'une source de tension universelle permet en outre d'utiliser en parallèle des méthodes d'essai et de mesure, comme par exemple pour le Monitored Withstand Test (MWT en abrégé). MWT désigne l'exécution partiellement simultanée de l'essai et du diagnostic de câble au moyen de la méthode tan-delta. Etant donné que, pour le MWT, le technicien ne doit raccorder qu'un seul appareil et qu'il peut lancer un processus de travail conjoint, il est en mesure d'exécuter en un minimum de temps supplémentaire l'essai habituel après la pose ou la réparation d'une liaison câblée tout en déterminant l'état du câble.

 

La combinaison de l'essai et de la mesure de diagnostic (le MWT) présente les avantages suivants :

 

  • Dispositif d'essai simple, déroulement simple (pas de raccordement supplémentaire ni formation pour le MWT)  Réduction de la durée du test (par exemple de 60 à 15 minutes) lorsque le câble est en bon état.
  • Pas de surcharge du câble
  • Exploitation du résultat en temps réel
  • Interprétation facile de l'état du câble grâce au « smiley » sur l'écran.
  • Résultats précis sur l'état du câble

 

Récupération d'informations complémentaires

 

Les informations de la mesure intégrale du facteur de dissipation et de la mesure locale de DP se complètent et/ou se confirment mutuellement, donnant ainsi aux techniciens de réseau et de maintenance des critères meilleurs ou plus nombreux pour juger de l'état de leurs installations.

 

Pourquoi est-il si important d'avoir la possibilité d'effectuer aussi bien une mesure du facteur de dissipation qu'une mesure des décharges partielles ? Un exemple : Typiquement, il est possible au moyen de la mesure DP de détecter les boîtes de jonction défectueuses, par exemple des garnitures mal montées ou possédant des inclusions conductrices (voir tableau 2). Toutefois, ce n'est pas le cas si les boîtes de jonction sont mouillées. Dans cet exemple (voir figures 1 et 2 et tableau 3), mesuré sur le réseau de Hong Kong, la mesure tan delta a fourni les indications correspondantes. L'écart-type tan-delta sur le conducteur 2, visible sur la figure 1, laissait présumer une boîte de jonction mouillée, aucune activité DP n'étant révélée par la mesure DP (trop d'humidité). Le MWT, c'est-à-dire la combinaison de l'essai de câbles et de la mesure tan delta durant 15 minutes, a permis à la boîte de jonction de sécher, entraînant une nette diminution des valeurs du tan delta (fig. 2). Ceci a permis de renforcer la thèse de l'humidité.



Écart-type

Résultat

Tests à effectuer

Mesures à prendre

Commentaire

< 0,010

Câble en bon état

Arborescences d'eau

Quelques DP seulement

• tan delta • DP

Aucune, puisque en bon état

Écart-type tan delta faible

Aucune DP, aucune DP importante

0,010 à 0,080

Arborescences d'eau et DP

DP uniquement

• tan delta • DP

Vieillissement modéré en ce qui concerne les arborescences d'eau

Concentration de DP à analyser

Arborescences d'eau modérées - pas de mesure immédiate

Remplacer les boîtes de jonction en cas de concentration de DP

0,080 à 0,500

Infiltration d'eau dans des boîtes de jonction

tan delta

DP peut ne pas montrer de valeurs élevées

Seul le tan delta montre l'effet

Valeurs DP amorties par l'infiltration d'eau, la DP ne peut pas servir de critère

La détection de défaut de gaine peut indiquer l'endroit de la boîte de jonction mouillée, car des courants de fuite y apparaissent

Les boîtes de jonction avec indication de DP faibles devraient être examinées (malgré les valeurs de DP faibles)

> 0,500

élevée

inadaptée pour tan delta

moyenne, sensibilité inférieure à TBF

moyenne, fonction de la charge

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf



Tableau 2 : Exemple de ligne directrice pour l'interprétation de l'écart-type du tan delta


STDTD

0,5*U0 (kV)//3,5

U0 (kV)//6,5

1,5*U0 (kV)//10

L1

0,068

0,036

0,060

L2

4,453

2,313

9,343

L3

0,063

0,004

0,050



Tableau 3 : Valeurs mesurées dans l'illustration 1

 

La source de tension et le travail quotidien

 
Il y a à peu près dix ans, la société Elektrizitätswerk Mittelbaden Netzbetriebsgesellschaft mbH (en abrégé E-Werk Mittelbaden) a effectué une comparaison entre la TBF sinusoïdale à 0,1 Hz et une méthode à 50 Hz pour la mesure des décharges partielles sur plus de 40 liaisons câblées. Comme la méthode à 50 Hz a conduit, à l'époque, à des analyses très différentes et surtout à davantage de pronostics négatifs qui n'ont pas été avérés jusqu'à ce jour, l'entreprise a opté pour la méthode TBF sinusoïdale à 0,1 Hz. Entretemps, la mesure TBF sinusoïdale a fait ses preuves au cours de centaines de mesures. C'est le cas notamment des mesures de diagnostic effectuées sur 240 km avec 500 liaisons partielles dans le réseau 20 kV de E-Werk Mittelbaden, sur des liaisons à câbles isolés à papier imprégné et des portions mixtes.

 

Chez E-Werk Mittelbaden, ces liaisons câblées sont diagnostiquées au moyen de TBF sinusoïdale à 0,1 Hz au travers des DP et, depuis sept ans environ, également de la mesure tan delta. Selon Werner Brucker, responsable du fonctionnement réseau, l'emploi des deux méthodes de diagnostic permet d'obtenir une bonne vue d'ensemble du vieillissement et de l'état du réseau. Toutes les portions classées à risque sont remplacées à brève échéance. La délimitation des portions défectueuses permet des économies importantes car il n'est pas nécessaire de renouveler des tracés complets.

 

La mesure TBF s'est avérée appropriée dans la pratique pour l'essai de mise en service de systèmes câblés neufs ou modifiés, afin de localiser avec précision les défauts et de détecter également à l'avenir les défauts dans les garnitures au moyen d'une mesure DP simultanée, si bien que les efforts nécessités par la relève de défauts (défauts de montage éventuels) ou par la maintenance (travaux d'excavation) restent minimes.

 
Pour Brucker, un avantage important de la source de tension TBF sinusoïdale réside dans son poids et sa grande facilité d'utilisation au quotidien. La technologie 0,1 Hz peut être transportée et exploitée par une personne unique, ce qui ne serait certainement pas possible avec un système à 50 Hz.

 
La mise en œuvre d'un laboratoire mobile de recherche des défauts de câble transportant deux personnes n'est que rarement nécessaire, l'appareil portable de mesure et d'essai étant suffisant pour la plupart des longueurs de câble. Une mesure sur sept seulement demande ainsi la mise en œuvre d'un laboratoire mobile de recherche des défauts de câble.

 
Pour E-Werk Mittelbaden, l'utilisation de la technologie TBF à 0,1 Hz s'avère très avantageuse en termes de coûts : Les mesures peuvent être facilement effectuées en un temps réduit par un seul collaborateur. La durée réduite du raccordement et des mesures ainsi que le faible besoin en personnel permettent de mesurer un nombre relativement élevé de liaisons câblées par an. Les liaisons ou les portions jugées critiques à la suite des mesures entrent dans les prévisions à court terme de réparation ou de remplacement. Les budgets de maintenance peuvent ainsi être utilisés de façon ciblée. Grâce à la connaissance des points faibles du réseau et à la maintenance basée sur l'état, il est possible, malgré la croissance du réseau moyenne tension, d'optimiser les coûts d'exploitation de celui-ci en ayant un taux de pannes réduit.

 
Le plan d'entretien de la société E-Werk Mittelbaden représente environ 4 millions d'euro, dont 2,5 millions pour le réseau de distribution. Les coûts du diagnostic de câble se montent aujourd'hui à 90 000 €/an.

 
Des tests comparatifs ayant eu lieu avant l'achat des équipements TBF ont montré à Bruckner que des différences notables apparaissaient au cours de ses mesures entre la TBF sinusoïdale à 0,1 Hz et les mesures à 50 Hz.

 
Toutefois, dans la pratique, il n'est plus question, depuis longtemps, de changer, car E-Werk Mittelbaden est bien rôdée avec les mesures TBF sinusoïdale à 0,1 Hz et leur interprétation, et est capable d'utiliser de façon très fiable les valeurs mesurées pour la classification des liaisons câblées. Même la prévision du risque de panne à court ou moyen terme d'une liaison câblée s'avère, avec l'expérience accumulée, relativement exacte, si bien que les mesures de maintenance peuvent être classées en conséquence sur le plan des priorités.

 

Conclusion

 
Avec la source de tension TBF sinusoïdale, il est possible d'effectuer les essais de câbles et les diagnostics d'une liaison câblée avec un seul opérateur et avec un équipement portable. La sinusoïde idéale, indépendante de la charge, présente de nombreux avantages lorsqu'il s'agit d'obtenir des résultats reproductibles et comparables. Ainsi, à l'économie de temps, le diagnostic ajoute les attraits suivants :

  • Mise en œuvre ciblée des budgets d'entretien
  • Économies de coûts grâce à la délimitation de sections défectueuses
  • Taux de panne réduit
  • Effet positif sur la structure des coûts par rapport au taux de panne du réseau
  • Qualité des nouvelles liaisons câblées (détection des erreurs de montage avant une panne éventuelle)

 

Références

 
[1] The Use of the 0,1 Hz Cable Testing Method as Substitution to 50 Hz Measurement and the Application for PD Measuring and Cable Fault Location ; M. Muhr, C. Sumereder, R. Woschitz

 
[2] Jicable 11 – Investigation of the Technologies for Defect Localization and Characterization on Medium Voltage Underground Lines ; G. Maiz (Iberdrola Distribución, Spain)

 
[3] New Studies on PD Measurements on MV Cable System at 50 Hz and Sinusoidal 0,1 Hz (VLF) Test Voltage ; K. Rethmeier, P. Mohaupt, V. Bergmann, W. Kalkner, G. Voigt

 
[4] Partial Discharge Measurements on Service Aged Medium Voltage Cables at Different Frequencies ; G. Voigt, P. Mohaupt

 

[5] VLF-TE Messungen an betriebsgealterten Mittelspannungskabel (Abschlussbericht) ; G. Voigt

 

[6] Grundlagenuntersuchung zum Teilentladungsverhalten in kunststoffisolierten Mittelspannungskabeln bei Prüfspannungen mit variabler Frequenz und Kurvenform, D. Pepper

 

[7] IEEE 400.2-2013 IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF) (less than 1 Hz)



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Fig. 1 : mesure du facteur de dissipation sur câble triphasé : le conducteur 2 présente un écart-type élevé.

Fig. 2 : effet de séchage de la boîte de jonction humide pendant un MWT