Méthodes et outils d'aide au diagnostic et à la maintenance des tableaux électriques basse tension - Page 1 - test Tous nos livres sont imprimés dans les règles environnementales les plus strictes Il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement la présente publication sans autorisation du Centre Français d’exploitation du droit de Copie (CFC) – 20 rue des GrandsAugustins – 75006 PARIS – Tél. : 01 44 07 47 70 / Fax : 01 46 34 67 19. © Éditions Edilivre – Collection Universitaire – 2008 ISBN : 978-2-35607- 646-5 Dépôt légal : Octobre 2008 Tous droits de reproduction, d’adaptation et de traduction, intégrale ou partielle réservés pour tous pays. INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE THESE pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’INP Grenoble Spécialité : « Génie Electrique » préparée au laboratoire de Génie Electrique de Grenoble (UMR 5269 INPG-UJF-CNRS), dans le cadre de l’Ecole Doctorale « Electronique, Electrotechnique, Automatique & Traitement du Signal» présentée et soutenue publiquement par Kahan N’GUESSAN le 07 décembre 2007 METHODES ET OUTILS D’AIDE AU DIAGNOSTIC ET A LA MAINTENANCE DES TABLEAUX ELECTRIQUES GENERAUX PAR LE SUIVI DES GRANDEURS PHYSIQUES CARACTERISTIQUES ET DE LEUR FONCTIONNEMENT DIRECTEUR DE THESE : ROGNON Jean-Pierre CO-DIRECTEUR(S): ROSTAING Gilles JURY M. Guy CLERC M. Guy CLERC M. Mohamed BENBOUZID M. Jean-Pierre ROGNON , M. Gilles ROSTAING, Albert FOGGIA, Eric JOUSEAU , Président , Rapporteur , Rapporteur , Directeur de thèse , Co-encadrants Je tiens vivement à remercier : Jean-Pierre ROGNON, directeur adjoint de l’école centrale de Lyon, Gilles ROSTAING, maitre de conférence à l’INP Grenoble, et Albert FOGGIA, professeur à l’INP Grenoble, pour l’intérêt particulier qu’ils ont porté à ce travail de thèse. Ils ont su me donner les directions scientifiques pertinentes. Jean-Pierre ROGNON et Gilles ROSTAING ont été respectivement directeur et codirecteur de cette thèse. Albert FOGGIA a participé de très près au pilotage des travaux. Ce dernier a suscité en moi un engouement à faire cette thèse pendant que j’effectuais mon stage de fin d’étude d’ingénieur. Je l’en remercie. Je remercie tout particulièrement le professeur Guy CLERC de l’université de Lyon 1 et le professeur Mohamed El Hachemi BENBOUZID de l’université de Bretagne occidentale qui ont bien voulu accepter de juger ce travail de thèse en tant que rapporteurs. Leurs remarques très pertinentes ont permis d’améliorer la qualité du manuscrit final. Le professeur Guy CLERC a par ailleurs, fait l’honneur de présider le jury de cette thèse. Je le remercie sincèrement. Je tiens également à remercier Eric JOUSEAU docteur ingénieur chez Schneider-Electric, pour son pragmatisme, son altruisme, et le temps incalculable qu’il a consacré à ce travail de thèse. Il a été un support et un soutien précieux sur tous les plans, du début à la fin de cette thèse. J’aimerais remercier spécialement deux hommes qui ont eu suffisamment confiance en moi pour me confier ce travail de thèse : Frédéric DUMAS et Jean-Christophe IANESELLI chez Schneider-Electric, les initiateurs de cette thèse, sans qui je ne serais là à partager la joie d’une tâche accomplie. Frédéric DUMAS a su guider mes premiers pas durant cette thèse, me mettant en contact avec des personnes clés. C’est un responsable altruiste, plein d’idées innovantes, avec qui, il est plaisant de travailler et qui a beaucoup participé à mon épanouissement durant cette thèse. Jean-Christophe IANESELLI en tant que responsable du département auquel je fus affecté, a défendu ce projet de thèse et a mis tous les moyens qu’il fallait pour sa réussite. Je leur en suis infiniment reconnaissant Je remercie tous les experts de Schneider-Electric avec lesquelles j’ai eu des discussions techniques très constructives. Ces discussions m’ont permis de réunir un certain nombre de données nécessaires pour le développement des outils mis en place durant cette thèse. Je citerais parmi ces experts, Christophe KILINDJIAN, Pascal LEPRETRE et Didier VANDOOREN, ils ont tous manifesté un intérêt particulier à travailler sur ce sujet de thèse. Milles mercis à Christophe KILINDJIAN qui a bien voulu mettre à notre disposition le cœur de calcul de son logiciel EChaufPc®. Je remercie Lehdi KISMOUNE chez Schneider-Electric qui m’a prêté le matériel pour les essais sur le tableau OKKEN. Je ne saurais oublier, Florence FRANCOIS ingénieur au G2ELAB que je remercie pour sa grande disponibilité et son apport notamment sur la prise en main de la technique des réseaux Bayésiens. C’est quelqu’un de très sympathique. Remerciement spécial à Daniel ROYE et Pierre GRANJON, professeur et professeur assistant à l’INP Grenoble, tous deux pour leur sympathie, leur disponibilité et leurs aides notamment sur l’essai de vibration. Remerciements Je remercie Sédic BACHA et Jean-Louis COULOMB tous deux professeurs à l’INP Grenoble et responsables respectifs des équipes SYREL et MAGE du G2ELAB. Les différents séminaires auxquels j’ai été convié dans ces équipes m’ont beaucoup édifié. Je remercie Patrick AUDIFFRET responsable du laboratoire d’essai d’échauffement chez Schneider-Electric à Montmélian qui acceptait chaque fois que besoin était, de me trouver des créneaux horaires dans son laboratoire malgré un taux de charge élevé. Je dis un grand merci à Jean-Yves BATAILLARD chez Schneider-Electric pour sa gentillesse et son ingéniosité dans la construction des bancs d’essais. Je profite aussi pour dire toute ma reconnaissance aux techniciens de laboratoire chez SchneiderElectric que sont Serge BONENTE aujourd’hui retraité, Serge FORTUNA, et Lionel pour l’aide qu’ils m’ont apporté durant les manipulations. Une dédicace spéciale à toutes les personnes grâce à qui je me suis pleinement épanoui durant ces 3 années de thèse, Les membres de l’équipe des Services et Projets chez Schneider-Electric avec Nathalie CADORIN en particulier, mes amis et le personnel du G2ELAB, tous et toutes, pour leur convivialité. Enfin un grand merci à Danielle pour son soutien moral. « Ce travail est un cadeau à ma mère Adjoua et mon père N’Guessan» SOMMAIRE INTRODUCTION.............................................................................................. 9 CHAPITRE 1 :CONTEXTE DE L’ETUDE ............................................................ 15 I. II. 1. 2. 3. 4. 5. 6. III. 1. 2. IV. PROBLEMATIQUE .....................................................................................................................................15 LE TABLEAU ELECTRIQUE BASSE TENSION ET SES CONSTITUANTS ....................................................15 L’ENVELOPPE ............................................................................................................................................16 LES CLOISONNEMENTS INTERNES .............................................................................................................16 LA DISTRIBUTION ......................................................................................................................................17 L’APPAREILLAGE ......................................................................................................................................17 LES CABLES DE RACCORDEMENTS CLIENTS ..............................................................................................17 EXEMPLE DE TABLEAUX ELECTRIQUES.....................................................................................................18 ETAT DES LIEUX DES CAUSES DE DEFAILLANCES DES TABLEAUX ELECTRIQUES BT .......................18 LES GRANDES FAMILLES DE CAUSES DE DEFAILLANCES DES TABLEAUX ELECTRIQUES ..........................19 REPARTITION DES GRANDES FAMILLES DE DEFAILLANCES ......................................................................20 DETECTION ET DIAGNOSTIC DES DEFAUTS DES TABLEAUX ELECTRIQUES PAR LA MESURE DE LA TEMPERATURE ................................................................................................................................................21 1. LA SURVEILLANCE THERMIQUE HIER ET AUJOURD’HUI............................................................................21 2. LA SURVEILLANCE THERMIQUE DE DEMAIN .............................................................................................22 CONCLUSION................................................................................................ 24 CHAPITRE 2 :LE CONTACT ELECTRIQUE ET LES ESSAIS DE MISE EN EVIDENCE DES PHENOMENES LIES A SA DEGRADATION ............................................... 27 INTRODUCTION............................................................................................ 27 I. GENERALITES SUR LE CONTACT ELECTRIQUE.......................................................................................28 1. LES CONTACTS DANS LE TABLEAU ELECTRIQUE.......................................................................................29 2. UTILISATION DES FORMULES DE RESISTANCES DE CONTACTS DANS LE CAS REEL ...................................29 II. LES ESSAIS DE MISE EN EVIDENCES DES PHENOMENES PHYSIQUES LIES A LA DEGRADATION DES CONTACTS........................................................................................................................................................30 1. ESSAI DE MISE EN EVIDENCE DU BOUCHON THERMIQUE ..........................................................................30 2. ESSAI DE DESSERRAGE PROGRESSIF..........................................................................................................35 3. ESSAI DE VIEILLISSEMENT ACCELERE .......................................................................................................39 4. ESSAI VIBRATOIRE ....................................................................................................................................41 CONCLUSION................................................................................................ 45 CHAPITRE 3 :LA THERMIQUE DANS LE TABLEAU ELECTRIQUE ET LE POSITIONNEMENT DES CAPTEURS DE TEMPERATURE .................................. 49 INTRODUCTION............................................................................................ 49 I. LA THERMIQUE DANS L’ARMOIRE ELECTRIQUE....................................................................................50 1. LA CONDUCTION DANS L’ARMOIRE ELECTRIQUE......................................................................................50 5 2. 3. II. 1. 2. 3. 4. LA CONVECTION DANS L’ARMOIRE ELECTRIQUE ..................................................................................... 51 LE RAYONNEMENT DANS L’ARMOIRE ELECTRIQUE.................................................................................. 51 LE POSITIONNEMENT DES CAPTEURS DE TEMPERATURES DANS L’ARMOIRE ELECTRIQUE ............. 51 LES CRITERES DE PRIORITE....................................................................................................................... 52 TABLEAU DES PRIORITES DANS LA POSE DES CAPTEURS.......................................................................... 56 AUTRES PRECAUTIONS A PRENDRE DANS LA POSE DES CAPTEURS .......................................................... 57 LA QUESTION DU NOMBRE DE CAPTEURS ................................................................................................. 58 CONCLUSION ................................................................................................ 59 CHAPITRE 4 :SYSTEME DE DETECTION ......................................................... 63 INTRODUCTION :.......................................................................................... 63 I. II. 1. 2. III. 1. 2. 3. IV. 1. 2. 3. INDICATEUR DE FRANCHISSEMENT DES SEUILS DE TEMPERATURES ................................................... 64 INDICATEUR DE VIEILLISSEMENT ......................................................................................................... 66 ALGORITHME DE CALCUL DU FACTEUR DE VIEILLISSEMENT ................................................................... 67 EXEMPLE DE SIMULATION DU CALCUL DE VIEILLISSEMENT .................................................................... 69 DETECTION DE L’ECHAUFFEMENT ANORMAL PAR COMPARAISON A UN MODELE PHYSIQUE ........ 71 ETAT DES LIEUX DES LOGICIELS DE SIMULATION A NOTRE DISPOSITION................................................. 71 DETECTION D’ECHAUFFEMENT ANORMAL A L’AIDE D’ECHAUFPC ......................................................... 75 DE ECHAUFPC A ECHAUFWEB ................................................................................................................ 80 DETECTION DE L’ECHAUFFEMENT ANORMAL PAR LES RESEAUX DE NEURONES............................. 82 DES NEURONES BIOLOGIQUES AUX NEURONES ARTIFICIELS.................................................................... 82 L’APPRENTISSAGE DES RESEAUX DE NEURONES ...................................................................................... 84 APPLICATION DES RESEAUX DE NEURONES A LA DETECTION AUTOMATIQUE DE CONTACTS DEFAILLANTS 86 CONCLUSION ................................................................................................ 89 CHAPITRE 5 :SYSTEME DE DIAGNOSTIC ....................................................... 93 INTRODUCTION :.......................................................................................... 93 I. 1. II. 1. 2. III. 1. 2. 3. LES RESEAUX BAYESIENS....................................................................................................................... 94 UN EXEMPLE SIMPLE DE RESEAU BAYESIEN ............................................................................................ 95 LA MISE EN ŒUVRE DU RESEAU BAYESIEN POUR LE DIAGNOSTIC DE L’ARMOIRE ELECTRIQUE ..... 98 ACQUISITION D’INFORMATIONS ET CREATION DE GRAPHE ...................................................................... 98 REMPLISSAGE DES TABLES DE PROBABILITES CONDITIONNELLES......................................................... 103 EVALUATION ET UTILISATION DU RESEAU BAYESIEN ..................................................................... 106 EVALUATION .......................................................................................................................................... 106 UTILISATION DU RESEAU BAYESIEN ...................................................................................................... 108 ADAPTATION AUTOMATIQUE DES PROBABILITES DES RESEAUX BAYESIENS PAR UN PROCESSUS D’APPRENTISSAGE ......................................................................................................................................... 112 CONCLUSION .............................................................................................. 115 CHAPITRE 6 :LE SYSTEME COMPLET : EXEMPLE D’APPLICATION ................ 119 INTRODUCTION.......................................................................................... 119 6 I. II. III. 1. 2. IV. V. TABLEAU OKKEN EN CONDITION REELLE D’UTILISATION. ..............................................................120 POSITIONNEMENT DES CAPTEURS .......................................................................................................121 MODELISATION ET DETECTION .........................................................................................................122 MODELISATION .......................................................................................................................................122 DETECTION..............................................................................................................................................126 DIAGNOSTIC.........................................................................................................................................129 ETAT DES LIEUX DU SYSTEME GLOBAL ...............................................................................................131 CONCLUSION.............................................................................................. 134 CONCLUSION GENERALE ............................................................................ 135 ANNEXES .................................................................................................... 139 ANNEXE 1 : RESISTANCES (ÉLECTRIQUE ET THERMIQUE) D’UN CONTACT. ............................................141 1. LE PASSAGE DU COURANT A L’INTERFACE D’UN CONTACT ELECTRIQUE ...............................................141 2. LE PASSAGE DU FLUX THERMIQUE A L’INTERFACE D’UN CONTACT ELECTRIQUE ..................................142 ANNEXE 2 : EXEMPLE DE CALCUL DE LA RESISTANCE THERMIQUE.........................................................145 ANNEXE 3 : RESULTATS DE L’ESSAI DE DESSERRAGE PROGRESSIF SUR LES CONTACTS DE TYPE BOULONNE. ....................................................................................................................................................147 ANNEXE 4 : THEORIE DE TRANSFERT THERMIQUE ....................................................................................149 1. CONDUCTION ..........................................................................................................................................149 2. CONVECTION...........................................................................................................................................150 3. RAYONNEMENT.......................................................................................................................................150 ANNEXE 5 : ALGORITHME DE VIEILLISSEMENT .........................................................................................153 ANNEXE 6 : TABLES DE PROBABILITES ASSOCIEES AUX VARIABLES INTERMEDIAIRES ET TERMINALES DU RESEAU BAYESIEN.........................................................................................................................................155 ANNEXE 7 : TABLES DES PARAMETRES DIMENSIONNELS ECHAUFWEB EN FONCTION DE LA SECTION DES CABLES ISOLES ..............................................................................................................................................157 ANNEXE 8 : ANALYSE DE SENSIBILITE SUR LES TEMPERATURES RESULTANTES DU MODELE THERMIQUE DE DETECTION PAR RAPPORT AUX ERREURS SUR LES DIMENSIONS DE JEUX DE BARRES. .......................159 BIBLIOGRAPHIE ......................................................................................... 161 7 INTRODUCTION Aujourd’hui, que ce soit dans l’industrie lourde ou dans le tertiaire, les usagers d’électricité ont de plus en plus le souci de se garantir une continuité de service, compte tenu des pertes souvent énormes engendrées par un arrêt de fonctionnement de leur installation. Dans toute installation électrique, l’énergie provenant du distributeur d’électricité, après la transformation MT/BT, est acheminée vers les utilisateurs finaux en passant par un ou plusieurs tableaux électriques (Figure 1). Figure 1 : Exemple de réseau électrique industriel simplifié. Le tableau électrique regroupe une grande partie de l’appareillage et des éléments servant à la répartition et la mesure de l’énergie électrique ainsi qu’à la protection des équipements et de leurs 9 utilisateurs. Ce regroupement d’appareillages et éléments, tous d’une importance capitale pour le bon fonctionnement de l’application en aval, fait du tableau électrique basse tension un point critique du réseau électrique. C’est donc un élément clé de la distribution électrique. De son bon fonctionnement, dépend la sécurité et la disponibilité de l’ensemble de l’installation électrique (en aval). Les constructeurs d’équipements électriques tels que Schneider-Electric, possédant la maitrise de la mise en œuvre des tableaux électriques, ont toujours eu le souci de répondre à ce besoin de sécurité et de disponibilité. Ils préconisent donc une stratégie de maintenance préventive (agir avant le dysfonctionnement) par opposition à la maintenance curative (agir après le dysfonctionnement). Par ailleurs, il existe plusieurs niveaux de maintenance préventive (Figure 2). Maintenance Prédictive Diagnostic: Monitoring « Film » Performance minimum requise Diagnostic Ponctuel « Photo » Maintenance de routine Nettoyage et graissage Durée de vie Maintenance conditionnelle T Figure 2 : Différents types de maintenances préventives. Schneider-Electric, comme tous les constructeurs d’équipements, propose systématiquement à ses clients un premier niveau de maintenance préventive dite de routine. Il se fait à intervalle de temps régulier afin de garantir les performances minimales, dans la durée de vie des équipements, cela à condition qu’ils soient utilisés dans les conditions normales. Dans des cas d’installations nécessitant un haut niveau de fiabilité, de disponibilité ou de performances, les constructeurs, dont Schneider-Electric, peuvent prescrire un plan de maintenance dont l’objectif est d’agir après avoir détecté l’amorce d’une dégradation, avant même que l’équipement ne soit hors service. Contrairement à la maintenance de routine, cette dernière est initiée par le constat d’un début de détérioration. Dans cette catégorie, nous pouvons distinguer deux sous niveaux, la maintenance conditionnelle et la maintenance prédictive. Dans le premier cas, les inspections sont espacées (mois, années) et permettent de détecter des états de dégradation 10 avancée. Dans le deuxième cas, les inspections plus fréquentes (minute, heure, jour) permettent de détecter un état de dégradation moins avancé. Toutefois la frontière entre ces deux types de maintenances reste floue. Schneider-Electric développe des outils aidant aux différents types de maintenances qu’il propose. Le groupe offre déjà à ses clients la possibilité de suivre leur parc installé à travers des informations concernant la gestion de la maintenance de routine de leur installation. Ces clients peuvent aussi accéder à des grandeurs électriques telles que la puissance consommée, le courant, la tension, et le taux d’harmoniques. Toutes ces informations sont rapatriées sur un serveur et traitées. Les experts Schneider-Electric les utilisent pour des recommandations dans le but de mener des actions préventives, qui vont dans le sens de garantir une énergie beaucoup plus fiable, disponible et moins chère. Dans cette dynamique, la division Service de Schneider-Electric, dans sa stratégie de développement des services prédictifs, a initié cette thèse d’aide à la maintenance des tableaux électriques par le suivi des grandeurs physiques. L’idée est donc de se servir des mesures réalisées, et éventuellement d’autres grandeurs physiques, pour aider à la maintenance prédictive des tableaux électriques [1]-[2]. Une enquête impliquant des experts Schneider-Electric nous révèle que la principale cause de défaillance des tableaux électriques est le « défaut de raccordement » conduisant à un échauffement local de la connexion et pouvant dégénérer en un amorçage. La plupart des autres causes de défaillance (surcharges, harmoniques, mauvaise ventilation), conduisent également à une élévation de la température. Dès lors, la température semble être une grandeur physique qui pourrait aider à détecter et diagnostiquer un ensemble important des modes de défaillances des tableaux électriques. Ainsi, le but premier de cette thèse est d’élaborer un outil de détection et de diagnostic des tableaux électriques, basé principalement sur la mesure de la température, mais également des autres grandeurs accessibles. Ce document est le rapport de cette thèse. Il est organisé de la façon suivante : o Le chapitre 1 situe le contexte général et la problématique de notre étude. o Le chapitre 2 présente des expériences de compréhension des principaux défauts des tableaux électriques. o Le chapitre 3 donne une aide sur l’emplacement des capteurs de température dans le tableau électrique en se basant sur les résultats des expériences. 11
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