ESSAI D’IMPULSIONS “SURGE” SUR ENROULEMENTS


Introduit aux États-Unis en début des années ’50 comme essai systématique dans la production et réalisé pour la première fois en Europe par notre société en 1958, l’essai d’Impulsions de Haute Tension, aussi appelé SURGE TEST, est l’épreuve la plus dure, rapide et sûre pour la détection de défauts sur quelconque enroulement électrique, non seulement de ceux déjà présents au moment de l’essai, mais aussi de ceux à l’état latent qui certainement pourraient provoquer dans le temps la détérioration de l’objet.

En fait, les défauts de l’isolant d’un conducteur (gravures, fissures, défauts, etc.), bien que initialement n’entraînent pas de problèmes, après un certain temps, même court de fonctionnement, en raison des cycles thermiques et des contraintes mécaniques et électromagnétiques, peuvent provoquer des courts-circuits résultants du brûlage de l’enroulement.

Le principe de fonctionnement est essentiellement le suivant: un générateur à haute tension charge un condensateur, qui stocke l’énergie.

Le condensateur va être fait décharger, à la fréquence du réseau (50 fois par seconde), par l’intermédiaire d’un système SCR, sur les enroulements à l’essai; ce qui provoque des sollicitations très strictes, parce que le front raide de haute tension soumet l’isolation entre les spires à des sollicitations fort semblables à celles qui se produisent en raison de phénomènes transitoires, lors de l’utilisation normale des machines électriques, en raison de décharges atmosphériques, d’impulsions de manœuvre, de perturbations causées par des équipements spéciaux (par exemple : soudeuse).

La résonance entre l’inductance de l’enroulement en cours de test et la capacité montée dans l’instrument, se traduit par une oscillation amortie de la tension dans la phase de décharge.

La fréquence de cette oscillation est déterminée par l’inductance L de l’enroulement en cours de test (nombre de spires, type et qualité du fer, disposition des enroulements, type de connexion entre les différentes bobines), tandis que l’amortissement sera dû au facteur de qualité Q du même (et donc absence de courts-circuits, de dispersions vers la masse, etc.).

En comparant cette courbe de réponse avec celle d’un étalon ou celle qui est stockée dans la mémoire, on peut détecter des différences dues à des défauts, même de petite importance, tels que: courts-circuits entre les spires ou entre les couronnes, mauvaises connexions, un nombre différent de spires, isolations défectueuses, etc.

Afin de guider l’utilisateur vers la meilleure utilisation de cet instrument, nous donnons ci-dessous quelques informations sur les points importants de ce type de preuve, en soulignant les aspects de grande utilité et avantage basés sur notre longue expérience et la collaboration avec d’importantes industries qui ont mené des sérieux tests de laboratoire.

A – GÉNÉRATION DE L’IMPULSION

L’un des principaux facteurs de qualité de notre instrumentation est le système de génération de l’impulsion de haute tension que, appliquée aux enroulements, détermine la sévérité de l’essai.

Parmi les différents systèmes possibles, le plus important et sûr est celui à décharge du condensateur.

En effet, il combine à la sécurité et à la constance dans le temps, une simplicité de circuit qui signifie fiabilité et coût réduit par rapport à d’autres systèmes.

Les éléments qui déterminent les caractéristiques du générateur d’impulsions sont essentiellement:

  • la vitesse de montée de la tension
  • l’énergie de l’impulsion
  • la fréquence de répétition des impulsions

 

La vitesse de montée de l’impulsion de la tension est déterminée essentiellement par le type de composant utilisé pour fermer le circuit sur l’enroulement à l’essai.

Le schéma du principe de fonctionnement est le suivant:

schema resistenza prova impulsi

 

 

 

 

 

T1 = Variateur de tension

T2 = Transformateur élévateur de tension

D = Diode rectifieuse à 1 demi-onde

C = Condensateur de décharge

Z = Impédance série de protection

I = Interrupteur électronique. Cela signifie un système constitué de diodes rapides et SCR, qui simule un interrupteur électromécanique

L = Enroulement à l’essai

E = Circuit de détection et examen de la courbe de réponse

 

En utilisant T1 on détermine la valeur de tension désirée. Il faut garder à l’esprit que cette valeur de tension est une valeur de pic, qui à la différence de valeurs telles que la rigidité diélectrique en alternance, sont exprimées en valeur efficace.

La diode D charge le condensateur C, tandis que l’interrupteur I est ouvert. Dans le demi-cycle suivant, le circuit de déclenchement ferme I qui pourvoit à décharger C sur L, étant donné que D ne conduit pas.

andamento tensione nel trasformatore

 

 

 

 

 

a = Évolution de la tension aux bornes du secondaire de H.T. du transformateur

b = Courbe en caractères gras: évolution de la charge du condensateur

c = Point de clôture de l’interrupteur électronique

d = Oscillation amortie de décharge

 

La partie qui nous intéresse le plus est évidemment la partie – d -, qui est le résultat effectif de notre essai. Examinons en particulier l’oscillation de la tension qui se produit aux bornes de l’enroulement à l’essai  à partir de l’instant où il est fermé.

oscillazione tensione

 

 

 

 

 

 

 

V = Évolution de la courbe d’évanouissement de l’oscillation due aux pertes (facteur Q)

Vo = Tension appliquée

t1 Temps de montée de la tension, soit temps de clôture de l’interrupteur électronique

fFréquence de résonance du circuit oscillant de laquelle on découle la valeur de L en Henry

P1-P2 = Valeurs de pic

Ainsi, on peut voir comment la fréquence d’oscillation est déterminée par la résonance qui se déclenche entre la valeur de capacité du condensateur interne de la décharge et l’inductance de l’enroulement en cours d’essai, selon la relation:

relazione induttanza

 

 

 

Ceci théoriquement. Dans la pratique, cependant, d’autres facteurs interviennent pour rendre «spécifique» la courbe de réponse de chaque enroulement, c’est à dire:

  • la capacité parasite entre les spires et vers la masse
  • l’inductance de protection de la série « Z » qui, à l’intérieur de l’instrument, limite le courant de pic en cas de court-circuit net des enroulements à l’essai, aux valeurs maximales prévus et permet d’éviter la destruction de l' »interrupteur électronique »
  • l’inductance dispersée
  • la qualité et la quantité de fer du noyau
  • la résistance ohmique de l’enroulement

Cela signifie que pour chaque enroulement correspond une courbe précise et explique pourquoi des enroulements exactement égaux, mais qui ont été construits en utilisant différentes machines ou différents outils de support (noyau) des bobines, ont des écarts d’une certaine entité dans la courbe de réponse.

L’évanouissement de l’oscillation V, au contraire, est essentiellement déterminé par R (résistance ohmique de l’enroulement) et par L (inductance) comme indiqué par la formule relative à l’évolution de la tension dans le temps.

Même dans ce cas, d’autres facteurs interviennent pour modifier cette valeur, en particulier en présence de pertes tant d’isolation existant entre les spires de l’enroulement à l’essai (court-circuit plus ou moins net) que des dispersions vers la masse.

En substance, une ou plusieurs spires en court-circuit se comportent comme si, dans un transformateur, un enroulement secondaire avait été mis en court-circuit: nous aurions une diminution considérable de l’inductance du primaire avec une absorption anormale de l’énergie, en tenant compte du fait que la relation entre l’inductance et le nombre de spires est quadratique (doublant le nombre de spires d’un enroulement, l’inductance devient quadruple).

Dans notre cas, puisque l’énergie en jeu est celle fournie par le condensateur (accumulée au cours de la phase de charge), nous aurons un amortissement plus rapide de l’oscillation.

smorzamento oscillazione condensatore

 

 

 

 

 

Il est à noter également, que t1, le temps de montée de la tension (temps nécessaire pour passer de 10% à 90% de la tension maximale), est une valeur très importante, comme indiqué au point A: plus le temps est court, plus l’essai est sévère.

Dans nos appareils, ce temps est conforme à ce qui est requis par la norme IEC 60034-15 (de 0,2 2 µs + 0,3 /- 0,1 µs).

En ce qui concerne l’interprétation des valeurs de L et Q, voir ci-dessous au point D.

B – ÉNERGIE DE L’IMPULSION

Le deuxième point décisif pour l’efficacité de l’essai, est l’énergie de l’impulsion.

L’énergie des impulsions dans un essai de « SURGE » est donnée essentiellement par celle stockée par le condensateur C et ensuite appliquée, lors de la phase de décharge, à l’enroulement à l’essai.

Elle est liée à la tension d’essai et à la capacité du condensateur, par la relation suivante:

W = ½ C V2

W = énergie en Joule               C = valeur de la capacité en Farad           V = tension d’essai

Il en résulte que la version standard de notre instrumentation, avec un condensateur de 0,05 µF et une tension maximale de 5.000V, fournit une impulsion avec énergie

W = 0,625 J

La valeur de l’énergie doit être optimisée afin de permettre toujours le déclenchement d’une éventuelle décharge entre les points critiques d’un enroulement, mais, en même temps, éviter qu’une valeur trop grande puisse créer des brûlures inutiles ou même nuisibles.

En outre, étant donné que la capacité du condensateur et l’inductance de l’enroulement forment un circuit oscillant, dans le cas de très faibles valeurs de l’inductance, pour avoir une oscillation suffisamment lisible sur l’écran, il faut avoir une capacité réduite de manière adéquate.

Il convient également de souligner une différence importante entre notre système de génération et ceux de la concurrence.

Dans notre cas, l’interrupteur électronique est conçu comme un système de court-circuit total; cela permet au condensateur C et à l’inductance L d’être toujours connectés, et donc, le circuit oscillant qui en découle, fais en sorte que l’oscillation amortie résultante ait une fréquence constante, avec la meilleure exploitation de l’énergie utilisée et par conséquent une plus grande sévérité de l’essai.

En d’autres termes, l’interrupteur de type bidirectionnel que nous utilisons, permet à la charge d’entrer en résonance avec le condensateur de décharge, ce qui entraîne une sollicitation de l’enroulement à l’essai dans les deux sens, alors que la tension agit à la fois avec les valeurs positives et négatives au cours de chaque oscillation.

En revanche, dans les systèmes de la concurrence, l’interrupteur « I » est unidirectionnel (pour des raisons évidentes de coûts) et donc l’énergie emmagasinée par le condensateur se décharge sur l’inductance qui, cependant, ne pouvant pas se renfermer sur le même, fais en sorte que l’enroulement puisse entrer en résonance uniquement à l’intérieur de sa fréquence naturelle (capacités parasites) provoquant ainsi une dissipation de l’énergie de l’impulsion appliquée initialement.

Ceci est également connu par la forme d’onde de l’oscillation amortie qui en découle: de fréquence plus basse dans la première période, et beaucoup plus élevée dans la queue (avec par conséquent une amplitude plus faible, c’est à dire tension) en raison de la très faible valeur des capacités parasites par rapport à celle de décharge.

Il est clair que ce système, à égalité de tension, il est moins sévère que le nôtre, puisque pour améliorer les résultats de l’essai, il faut avoir une énergie initiale plus élevée, ce qui, cependant, dans le cas de décharge, pourra causer une brûlure plus importante dans le point critique.

Enfin, il convient de souligner l’importance de la vitesse de répétition des impulsions par minute, qui doit être adaptée pour simuler un essai de vie qui puisse mettre en évidence tous les éventuels points faibles d’un enroulement.

C – TENSION D’ESSAI

Bien que différentes législations, notamment dédiées aux enroulements de grosses machines électriques, abordent le sujet (CEI 34-15, IEEE 522, etc.), pour le choix de cette valeur, on se réfère par analogie à celle utilisée dans l’essai de rigidité diélectrique, avec la variante que cette valeur est celle de crête. On utilise, donc, la formule suivante:

Vp = (2 V + 1000) x K

Où:

Vp =    Tension d’essai

V   =    Tension de travail de l’enroulement à l’essait

K  =     Valeur comprise entre 1,2 et 1,6 aux choix de l’utilisateur

TCette valeur est donnée par le fait que la tension d’impulsion est relative à la valeur de pointe (valeur efficace 1,41). L’excursion possible est en fonction des caractéristiques de l’enroulement à l’essai et de la qualité souhaitée.

Il est très important de préciser que, toutefois, il peut y avoir des différences considérables entre la tension d’essai fixée et la tension effectivement présente aux extrémités de l’enroulement à l’essait.

En effet, observant la figure, on notera que l’impédance Z qui assure la sécurité de l’interrupteur électronique en cas de court-circuit, conjointement à l’impédance des câbles de connexion et des circuits de commutation, provoque une chute de tension qui est fonction de la valeur d’impédance de la même charge (cas limite: court-circuit de la charge, tension aux bornes = 0).

Par conséquent, en particulier pour les valeurs d’inductance particulièrement faibles  (enroulements avec peu de spires et  peu de fer), la chute de tension peut être importante dans le but de la sévérité de l’essai.

Il faut donc toujours vérifier la valeur exacte de la tension effectivement appliquée, en particulier en présence de basses impédances.

Ceci est réalisé en comptant les centimètres (carreaux du grillage) d’amplitude du premier pic de la courbe de réponse, à la gauche de l’écran, et les multiplier par la valeur du diviseur de tension (V / cm) placé dans la partie inférieure gauche de l’écran (par exemple: 4 carreaux – 200 V / cm = 800 V de tension d’impulsion effectivement appliquée aux bornes à l’essai).

D – EXAMEN DES COURBES DE RÉPONSE

Les résultats des essais de SURGE-TEST entre les spires d’un enroulement sont évalués essentiellement en fonction de deux paramètres: L et Q.

L = Indique la valeur d’inductance de l’enroulement

La valeur est calculée au moyen de la détection de la fréquence de résonance (f) qui est, comme on l’a vu, en fonction du nombre de spires, des connexions des différents enroulements entre eux et le noyau de fer. Si la valeur trouvée est différente de celle stockée, il est possible, par un examen visuel de la courbe de réponse, de remonter aux possibles causes mentionnées ci-dessus.

Q = the value indicated is related to the oscillation damping time as seen in the picture (and relevant explanation), due to the losses in the existing insulation. The value is generated by the ratio of the peak values of the first oscillations.

 

Plus la valeur Q est élevé, plus bas est l’amortissement et donc meilleure la qualité de l’objet à l’essai (absence de court-spires, court entre les couronnes, dispersions).

Lors d’un essai contre courbe étalon mémorisée, afin de permettre une évaluation objective et quantifiable de l’objet à l’essai, on applique les rapports suivants:

Qs = facteur de qualité de l’étalon                                  Ls = inductance de l’étalon

 

induttanza del campione

 

 

 

 

 

 

Plus cette valeur est proche à 100, plus élevée résulte la qualité de l’objet à l’essai.

Les deux valeurs sont affichées sur l’écran et, à travers les seuils fixés, on peut avoir le résultat automatique par voyant vert-rouge de GO – NO GO.

Toutes les données peuvent être imprimées sur l’imprimante, si présente.

Il existe un troisième paramètre pour évaluer la qualité d’un enroulement: la présence de l’effet de couronne appelé également décharges partielles.

Ceci se produit entre deux points de l’enroulement entre lesquels l’isolation n’est pas parfaite; ce qui provoque une petite fuite d’électrons qui, en raison de leur faible quantité ne parviennent pas à ioniser l’air, et par conséquent à déterminer une véritable décharge.

Ce phénomène, visible dans l’obscurité, il est noté comme une légère luminescence (d’où le nom « effet couronne ») et, du point de vue acoustique, comme un crépitement plus ou moins intense en fonction de son entité.

Ce phénomène, en lui-même pas grave, peut déterminer, dans un temps qui peut être assez long, un vieillissement plus rapide des isolants présents dans ce point, pour atteindre ensuite la brûlure de l’enroulement.

Sur l’écran de l’appareil de notre instrumentation, ce phénomène apparaît comme une suroscillation, habituellement comprise entre 2-4 et 10 MHz, présente au-dessus de l’onde sinusoïdale, comme illustré ci-dessous, qui diminue d’intensité avec l’amortissement de l’oscillation.

display sovra oscillazione

Sur les appareils de type informatisé pour les essais de production (H4 / C – H5 / C – H14 / C), le phénomène, en plus que visuellement peut être détecté et quantifié automatiquement pour une analyse plus complète de toute la production.

Il faut, cependant, faire quelques considérations très importantes.

L’effet «Couronne» est certainement indice de carence d’isolation et donc, bien qu’on n’arrive pas à atteindre une véritable détérioration, implique probablement une vie plus courte de l’enroulement sous essai.

Toutefois, pour éviter d’alarmismes excessifs, il convient de noter que puisque ces décharges partielles ont lieu dans l’air qui sépare les points en cause, l’humidité et la température de l’environnement, influent considérablement sur leur entité.

Il convient de s’en rappeler surtout quand il s’agit de systèmes automatiques de détection.

En fait, il est extrêmement difficile d’établir des seuils d’acceptation valables pour toutes les conditions environnementales et qui restent constantes dans le temps.

Habituellement, il est préférable d’augmenter de quelques points de pourcentage la valeur de la tension d’essai, afin d’arriver éventuellement à la véritable décharge et d’ignorer ce facteur très incertain.

En outre, l’essai de SURGE est habituellement effectué sur enroulements pas encore imprégnés (ceci parce-que la situation est plus critique et pour faciliter la réparation éventuelle), par conséquent les points où il y a des défauts sur l’émail ou petites abrasions, le problème disparaît avec la contribution de la peinture d’imprégnation.