Système de mesure de champ électrique pour la caractérisation sans contact, vectorielle et à grande dynamique de la tension basse fréquence en environnement industriel

Contact-less and and vectorial measurement system for low frequency voltage characterization in industrial environment

• Auteur / Autrice : Laurane Gillette
• Direction : Gwenaël Gaborit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance le 27/10/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Nadège Courjal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Sylvestre, Christophe Volat, Jean-Louis Coutaz, Valérie Borel-Murin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Xémard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique

Basse tension

Électromagnétisme

Mots clés libres

Électromagnétisme

Électro-Optique

Caractérisation

Équipements industriels

Electromagnetism

Electro-Optic

Characterization

Industrial equipments

Résumé

L’objectif de ces travaux de thèse est de faire la preuve de concept, la validation expérimentale et la réalisation de système de mesure de champ électrique pour la caractérisation de câbles monoconducteur, multiconducteurs ou d’équipements de tension basse fréquence en environnement industriel. Ces travaux répondent à des problématiques de diagnostic énergétique ou de caractérisation d'appareillage haute tension. Le système permet une mesure vectorielle, sans contact des champs rayonnés par les conducteurs afin de s’affranchir de la nécessité d’habilitation électrique (aucune ouverture d’armoire électrique) et surtout sans nécessiter l’interruption de la chaîne de production. Les mesures sont faites en temps réel et permettent d’obtenir des informations sur les tensions, les phases ou encore les positions des conducteurs au sein d’un câble. Deux technologiques différentes sont proposées afin de répondre à cette problématique. La première technologie développée est basée sur l’effet Pockels et amène à la réalisation de sonde électro-optique totalement diélectrique donc non invasive pour la mesure. Cette sonde électro-optique permet, selon la configuration, la mesure des trois composantes du champ électrique. Cette première technologique est utilisée pour les systèmes haute tension. Une deuxième technologie, électrique, permet de répondre aux attentes des industriels en termes de coût et est utilisée pour des applications basse tension, comme le diagnostic électrique des câbles de tension. Un autre aspect a été développé dans le cadre des travaux de thèse afin de proposer une mesure puissancemétrique. Une technologique qui permet la mesure de champs magnétiques pour compléter les informations relatives aux câbles ou équipements industriels a été développé. Cette mesure se fait également sans contact et permet d’obtenir des informations sur le courant et ainsi déduire des informations sur la puissance. Le système électro-optique a permis de caractériser des systèmes haute tension tels que des câbles, des isolateurs ou encore des appareillages de commutation à isolation gazeuse (GIS). Le système électrique (pince puissancemétrique) a permis la caractérisation complète de câble d'énergie: position des conducteurs, tension des conducteurs, courant, phase, détection d'harmoniques ou mesure de décharges partielles.

The aim of this work is to propose the proof of concept, the experimental validation and the realization of electric field measurement system for the characterization of cables (single or multicore) or low frequency voltage equipment in industrial environment. The problematic are the energy diagnostics and high voltage device characterization. The developed system allows a conctact-less vector measurement of the fields radiated by drivers without requiring the interruption of the production chain. The measurements are made in real time and allow to obtain information about the voltage, the phase or the positions of the conductors in a cable. Two different technologies are proposed to address this problem. The first developed technology is based on the Pockels effect and leads to the realization of an electro optic probe totally dielectric and non invasive for the measurement. This electro optic probe allows, depending on the configuration, to measure the three components of the electric field. This technology is used, mainly, for high voltage applications. A second technology, based on electric sensors, is suitable for the industrial's expectations in terms of cost. It is used for low voltage applications such as electric diagnostics voltage cables. A complementary study has been developed to propose a wattmeter clamp. Thus, a technology allowing to measure the magnetic field has been implemented. This development is also contactless and provides information on the current in order deduce information on power. The electro-optical system has allowed characterization of high-voltage systems such as cables, insulators or switchgear gas-insulated (GIS). The electrical system (wattmeter clamp) offers a complete characterization of power cable: position of drivers, voltage drivers, current, phase, harmonic detection or measurement of partial discharge.