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Diagnostic de défauts non francs dans les réseaux de câbles – SODDA

Diagnostic de défauts non francs dans des réseaux filaires complexes

Les câbles sont présents dans les systèmes électriques ou électroniques, souvent considérés comme peu importants : leur rôle est pourtant fondamental, (alimentation électrique ou transmission d’information). Cependant la maintenance est négligée et aucun système n’existe pour en fournir un diagnostic.

Les cables sont présents partout, mais leur diagnostic est absent

En trente ans, la longueur des câbles d’automobile a décuplé, passant à plus de 4000 mètres : le réseau d’interconnexion est considéré par les constructeurs comme un maillon faible pour les véhicules modernes. Pour aider à la maintenance, les calculateurs dans les véhicules sont équipés de fonction d’autodiagnostic. Ceci a permis de voir que 70% des équipements renvoyés aux constructeurs étaient en bon état. La panne venait d’autre chose… le faisceau de câbles et la connectique. <br />L’exemple du secteur automobile n’est pas isolé. Les bâtiments et infrastructures ont des ordres de grandeurs supérieurs : 1000 km de câbles dans une centrale nucléaire, 5000 km dans un bâtiment moderne, et 50000 km le long des voies ferrées en France. Un domaine d’application est en train d’apparaître : les smart grids, réseaux d'électricité intelligents qui optimisent la production et la distribution ainsi que l'offre et la demande entre producteurs et consommateurs. Le diagnostic de câbles est fondamental dans ce domaine, pour le réseau principal de distribution et les réseaux secondaires. De quoi donner des cauchemars aux agents chargés de la maintenance. <br />Car c’est bien de maintenance qu’il s’agit dans un premier temps : déceler les signes précurseurs d'un défaut de connexion filaire, localiser précisément l’endroit du défaut pour le réparer en un temps minimum, si possible sans interrompre le service. Le besoin d’un système de diagnostic – détection, localisation et caractérisation – de défauts dans un réseau de câbles est aujourd’hui présent pour de nombreuses applications. <br />Une des principales limites des méthodes, basées sur le principe de la réflectométrie, est la difficulté à détecter des défauts non francs (tels que rupture de brins, usure localisée de l’isolant, blindage percé) qui sont souvent les signes avant-coureurs de problèmes plus fâcheux. S’il était possible de détecter et localiser précisément ces défauts, cela aiderait à la maintenance préventive ou le pronostic.

Si l’information de défaut est importante, prévenir de l’apparition prochaine du défaut peut se révéler très avantageux. C’est le pronostic : détecter les prémisses de l’apparition d’un défaut pour prévenir la maintenance ou le superviseur afin d’augmenter la durée de vie et la fiabilité du système.
L’objectif du projet SODDA est d’étudier, en alliant théorie et expérimentation, les signatures des défauts non francs et de concevoir des méthodes innovantes et adaptées à ces signatures a priori très difficiles à déceler. Le projet sera mené par un consortium académique, en proche contact avec un comité industriel chargé d’orienter les travaux vers des préoccupations réalistes et pertinentes.
La démarche suivie dans le projet s’appuiera sur l’étude de problèmes directs comme les caractérisations numériques des signatures de défauts non francs et sur l’étude de problèmes inverses comme l’identifiabilité des signatures en fonction des mesures disponibles. L’approche numérique sera menée en utilisant plusieurs méthodes (code 3D éléments finis – du commerce et universitaire optimisé pour les géométries filaires, code « Laplace », FDTD, etc.) afin de confronter les résultats et garantir que les données utilisées par la suite sont validées. Elle sera complétée par des mesures expérimentales. L’étude de détectabilité d’un défaut privilégiera le cas des mesures non invasives comme la réflectométrie, afin d’éviter de perturber l’exploitation du câble. L’étude d’identifiabilité en vue d’un diagnostic plus fin après détection du défaut, pourra envisager des mesures plus riches. A notre connaissance, cette caractérisation précise de défauts non francs et l’étude de leur détectabilité / identifiabilité n’existe pas encore.

Les résultats des problèmes directs (données expérimentales et valeurs de réflectométrie simulées) ou inverses (méthodes de détection et d’identification), serviront dans la suite du projet : d’une part à choisir et orienter les méthodes de diagnostic, d’autre part à fournir des valeurs pour validation sur des cas tests proposés par le comité industriel.
Les verrous principaux du projet portent sur :
• Le développement de modules de simulation spécialisés dans les géométries filaires,
• La création d’une base de données de signatures et de caractérisations de défauts non francs,
• L’étude de méthodes de diagnostic spécifiques de ces défauts,
• L’étude de méthodes de traitement du signal capables d’extraire des réflectogrammes les signatures de défauts non francs.

Le problème de la détection et du diagnostic de défauts non francs devient de plus en plus pertinent, car les défauts francs (court-circuit ou circuit ouvert), même s'ils sont courants et importants pour nos partenaires industriels, représentent des défauts «aboutis«, c'est-à-dire que leur diagnostic se fait après qu'ils aient été détectés par leurs conséquences sur le système concerné. Un défaut non franc est donc de deux types : défaut localisé sur une faible portion du câble, soit sur l'isolant (abrasion, écrasement) soit sur le conducteur (corrosion, microcoupure), et défaut réparti sur l'ensemble de la longueur du câble (vieillissement). Il peut aussi être vu comme la prémisse d'un futur défaut franc, sa détection permet alors d'apporter une information supplémentaire au diagnostic : celle du pronostic de défaut.
Les enjeux sont donc importants, car ils concernent aussi bien la maintenance que la sécurité des systèmes. Le pronostic de défaut permettra de livrer des informations à l'avance pour préparer et cibler la maintenance. On parlera alors de maintenance préventive.

Les câbles sont présents dans les systèmes électriques ou électroniques, de manière discrète car considérés comme peu importants : leur rôle est pourtant fondamental, (alimentation électrique ou transmission d’information). Cependant la maintenance est négligée et aucun système n’existe pour en fournir un diagnostic rapide et précis.
L’exemple des transports : la course à plus de sécurité et de confort, plus les contraintes du développement durable, entraîne une augmentation de la part de l'électronique dans l'automobile.
En trente ans, la longueur des câbles d’automobile a décuplé, passant à plus de 4000 mètres : le réseau d’interconnexion est considéré par les constructeurs comme un maillon faible pour les véhicules modernes. L’augmentation de complexité s’accompagne de l’augmentation du taux de pannes. Pour aider à la maintenance, les calculateurs embarqués dans les véhicules sont équipés de fonction d’autodiagnostic. Ceci a permis de voir que 70% des équipements renvoyés aux constructeurs étaient en état de fonctionnement. La panne venait d’autre chose… le faisceau de câbles et la connectique.
L’exemple du secteur automobile n’est pas isolé. Les bâtiments et infrastructures ont des ordres de grandeurs supérieurs : 1000 km de câbles dans une centrale nucléaire, 5000 km dans un bâtiment moderne, et 50000 km le long des voies ferrées en France. Un domaine d’application est en train d’apparaître : les smart grids, réseaux d'électricité intelligents qui utilisent des technologies informatiques pour optimiser la production et la distribution ainsi que l'offre et la demande entre producteurs et consommateurs. Le diagnostic de câbles est fondamental dans ce domaine, pour le réseau principal de distribution et les réseaux secondaires. De quoi donner des cauchemars aux agents chargés de la maintenance.
Car c’est bien de maintenance qu’il s’agit dans un premier temps : déceler les signes précurseurs d'un défaut de connexion filaire, localiser précisément l’endroit du défaut pour le réparer en un temps minimum, si possible sans interrompre le service. Le besoin d’un système de diagnostic – détection, localisation et caractérisation – de défauts dans un réseau de câbles est aujourd’hui présent pour de nombreuses applications.
Ce besoin a été identifié il y a quelques années et a conduit au lancement de plusieurs projets, financés par l’ANR ou EUREKA : le projet SEEDS suivi de 0-DEFECT dans l’automobile, INSCAN pour les câbles le long des voies ferrées, VECADIS pour les câbles HTA enterrés... Ces travaux coopératifs ont permis de jeter les bases des méthodes de diagnostic de câbles – avec une preuve de faisabilité dans le cas des défauts francs (court-circuit, circuit ouvert) – et quelques résultats théoriques sur les problèmes inverses associés dans le cas des défauts non francs. Ils ont aussi permis d’en identifier les limites.
Une des principales limites des méthodes, basées sur le principe de la réflectométrie, est la difficulté à détecter des défauts non francs (tels que rupture de brins, usure localisée de l’isolant, blindage percé) qui sont souvent les signes avant-coureurs de problèmes plus fâcheux. S’il était possible de détecter et localiser précisément ces défauts, cela aiderait à la maintenance préventive ou le pronostic.
En effet, si l’information de défaut est importante, prévenir de l’apparition prochaine du défaut peut se révéler très avantageux. C’est le pronostic : détecter les prémisses de l’apparition d’un défaut pour prévenir la maintenance ou le superviseur afin d’augmenter la durée de vie et la fiabilité du système.
L’objectif du projet SODDA est d’étudier, en alliant théorie et expérimentation, les signatures des défauts non francs et de concevoir des méthodes innovantes et adaptées à ces signatures a priori très difficiles à déceler. Le projet sera mené par un consortium académique, en proche contact avec un comité industriel chargé d’orienter les travaux vers des préoccupations réalistes et pertinentes.

Coordinateur du projet

Monsieur AUZANNEAU Fabrice (COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES - CENTRE D'ETUDES NUCLEAIRES SACLAY) – fabrice.auzanneau@cea.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CEA LIST COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES - CENTRE D'ETUDES NUCLEAIRES SACLAY
INRIA INSTITUT NATIONAL DE RECHERCHE EN INFORMATIQUE ET EN AUTOMATIQUE - (INRIA Siège)
ESYCOM UNIVERSITE PARIS-EST MARNE LA VALLEE
LGEP ECOLE SUPERIEURE D'ELECTRICITE (SUPELEC)

Aide de l'ANR 339 929 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2012 - 36 Mois

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