METHODES ET OUTILS DAIDE AU DIAGNOSTIC ET A

METHODES ET OUTILS D’AIDE AU DIAGNOSTIC ET A LA MAINTENANCE PREVENTIVE DES TABLEAUX ELECTRIQUES PAR LE SUIVI DE GRANDEURS PHYSIQUES CARACTERISTIQUES ENCADRANTS Jean-Pierre ROGNON (G 2 ELAB) Gilles ROSTAING(G 2 ELAB) Albert FOGGIA(G 2 ELAB) Eric JOUSEAU (=S=) Présenté par Kahan N’guessan le 7 décembre 2007 1

1 -CONTEXTE Le tableau électrique: Ses constituants Jeux de barres horizontales Appareillage Câbles de raccordements clients Unités fonctionnelles Cloisons Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 2

1 -CONTEXTE Objectif de la thèse Traitement des données - simulation par modélisation - comparaison au modèle - analyse vieillissement @ Mesures de grandeurs disponibles - Températures - courants - puissances. . . Restitution des résultats - franchissement de seuils limites - détection de tendances anormales Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 3

1 -CONTEXTE Enquête sur les causes de défaillances – Interrogation de 6 experts – Exploitation de base de cas réels (Chorus experts) – Exploitation des retours clients ( SETBT) Constats: q. La principale cause de défaillance est le défaut de raccordement. q. La plupart des causes de défaillances se manifestent par un échauffement donc un système de surveillance mis en œuvre à partir de la mesure de la température est pertinent Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 4

PLAN DE LA PRESENTATION 1. CONTEXTE 2. ESSAIS DE COMPREHENSION DES PHENOMENES DE DEGRADATION DES CONTACTS 3. 5 POSITIONNEMENT DES CAPTEURS 4. MODULE DE DETECTION 5. MODULE DE DIAGNOSTIC 6. EXEMPLE D’APPLICATION: Tableau OKKEN 7. CONCLUSION ET PERSPECTIVES Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 5/42

2 -ESSAIS Zoom sur le contact électrique Contact électrique q La discontinuité à l’interface du contact Rc (Résistance électrique) & Rth (Résistance thermique) q Cependant les formules pour évaluer ces résistances relèvent encore du domaine théorique. Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 6

2 -ESSAIS Essais sur les différents types de contacts Contact boulonné Pincé Contact boulonné sur chant Contact boulonné à plat Pince d’embrochage q. Essai de bouchon thermique q. Essai de desserrage progressif q. Essai de vieillissement accéléré q. Essai de vibrations Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 7

2 -ESSAIS Essai de bouchon thermique Une moitié de barre dans le four à 200°C et Pince d’embrochage avec 1 pince au lieu de 3 Différence de température de 43°C à comparer à 5°C pour un contact boulonné à plat (serré au couple). 101°C 58°C Dans cette configuration il serait judicieux de placer le capteur côté appareil avant le contact Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 8

2 -ESSAIS Essai de desserrage et de vieillissement Essais contact pincé Desserrage progressif 1/8 Cn Principales conclusions q Au delà de 20 cm du point chaud le défaut est difficilement visible q L’échauffement est significatif à partir d’un couple de serrage très faible (<1/8 Cn) 1500 A vieillissement q Le contact vieillit dans le temps. . 1800 A 2200 A q Les surcharges accélèrent ce vieillissement. . Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 9

2 -ESSAIS Essai de vibrations Bonne corrélation entre desserrage et amplitude du signal pour les petits desserrages MAIS Difficulté d’interprétation des résultats pour des forts desserrages D’où une complémentarité possible entre température et vibration Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 10

ESSAIS Synthèse q. Le phénomène de bouchon thermique a été mis en évidence. q. Les capteurs doivent être placés au plus près du point à surveiller q. Chaque phase du circuit électrique devra être instrumentée q. Les essais de desserrage montrent qu’ à partir de 1/8 ième une élévation significative de température q. Le contact vieillit dans le temps, le vieillissement est accéléré par les surcharges q. La mesure de vibration bien que se heurtant a des difficultés d’interprétation peut être un moyen complémentaire de mesure de détection de défauts des contacts électriques. q. Les observations faites nous permettent d’aborder la phase de positionnement des capteurs de températures dans le tableau électrique Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 11

1. CONTEXTE 2. ESSAIS DE COMPREHENSION DES PHENOMENE DE DEGRADATION DES CONTACTS. 3. 12 POSITIONNEMENT DES CAPTEURS 4. MODULE DE DETECTION 5. MODULE DE DIAGNOSTIC 6. EXEMPLES D’APPLICATIONS 7. CONCLUSION ET PERSPECTIVES Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 12/42

3 -Position de capteurs Les échanges thermiques dans le tableau électrique q. La conduction 60 à 70 % des phénomènes d’échanges thermiques q. Avec la convection il peut exister une différence de température de plus de 20°C entre le haut et le bas du tableau électrique Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 13

3 -Position de capteurs Les critères de priorité dans le positionnement 1. Le Contexte : • • Les Les connexions à proximité de gros appareils (calibre >=NS 400) clients des jeux de barres isolées ou près des parties isolées(<20 cm) jeux de barre nue loin d’isolant (>70 cm) 2. La Technologie de raccordements • • Pince d’embrochage Contact boulonné 3. Le niveau de hauteur • • • Haut Milieu Bas Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 14

3 -Position de capteurs Matrice de priorité dans le positionnement 3 -1 -2 0 -0 -0 La situation 3 -1 -2 est prioritaire devant la situation 0 -0 -0 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 15

3 -Position de capteurs Remarques q. Problématique du positionnement des capteurs nombre, positionnement efficace q. Très peu de marge de manœuvre pour l’optimisation du nombre et du placement des capteurs (Redondance d’information quasi inexistante) q. Importance de la matrice de priorité instrumentés les points les plus critiques et où l’on peut voir un défaut. Le coût de l’instrumentation est sans comparaison devant le coût de l’arrêt imprévu d’une installation défaillante Solution financièrement rentable Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 16

1. CONTEXTE 2. ESSAIS DE COMPREHENSION DES PHENOMENE DE DEGRADATION DES CONTACTS. 3. 17 POSITIONNEMENT DES CAPTEURS 4. MODULE DE DETECTION 5. MODULE DE DIAGNOSTIC 6. EXEMPLES D’APPLICATIONS 7. CONCLUSION ET PERSPECTIVES Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 17/42

4 -DETECTION Schéma global de détection de défauts Modèle Courants Températures ambiantes Températures des contacts Système réel Franchissement de seuil de températures Etat du contact? Vieillissement du contact? Atteinte des seuils de températures ? NIVEAU 1 Calcul de vitesse de vieillissement comparaison NIVEAU 2 Image thermique du tableau Niveau 1 Détection d’un état de dégradation en général avancé ( Uniquement mesures de températures) Niveau 2 Détection d’un état de dégradation en général moins avancé ( Mesures de courants+températures) Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 18

4 -DETECTION NIV 1 Exemples d’échauffements limites Constituant des tableaux électriques Bornes pour câbles extérieurs, Limites d’échauffement admissibles IEC 60439. 1 30°C enveloppe 105°C Jeu de barres +70°C 25°C Organes manuels de commande (métalliques) +15°C Organes manuels de commande isolants +25°C Surfaces extérieures métalliques accessibles +30°C Surfaces extérieures isolantes accessibles +40°C Jeu de Barre souple isolée +90°C Enveloppe tôle +30°C Jeux de barres nus +105°C Appareil Bouchon thermique 70°C Répond au besoin des clients de se référer à la norme pour diagnostiquer leurs installations Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 19

4 -DETECTION NIV 1 Estimation du vieillissement des contacts électriques Définition du facteur de doublement D Notion utilisée dans IEC 60. 905 Le vieillissement d’un contact est dû à : • Son ambiante Ta: Température d ’utilisation T T+D Durée de vie probable t • Son échauffement propre ∆Tc : t/2 • Vitesse de vieillissement (1 heure de (Ta, ∆Tc ) K heures de (Tanorm, ∆Tc norm) • Reste à vivre: (1 -K)*durée de vie normale Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 20

4 -DETECTION NIV 1 Données de simulation de vieillissement q. Modélisation exponentielle d’un desserrage progressif q. Modélisation sinusoïdale de la température ambiante q. On considère une durée de vie de 20 ans Utilisation normale: Echauffement <=70°C dans une ambiante intérieure <= 60°C Température propre du contact Echauffement propre du contact Température ambiante annuelle Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 21

4 -DETECTION NIV 1 Exemple de simulation du vieillissement Données de simulation Durée de vie • Modélisation exponentielle d’un desserrage progressif • Modélisation sinusoïdale de la température ambiante • On considère une durée de vie du contact: 20 ans +3 =Vn ans e) m alar ( l i eu S Ex: Temps Résultats de la simulation Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 22

4 -DETECTION NIV 2 Détection par comparaison à un modèle physique Courants Températures Tableau électrique Modèle Thermique (Echauf. Web) • Méthode nodale • Différences finies Températures des contacts électriques Modélisation Echauf. Web® q Approche unifilaire, différences finies. q. Adapté à un système où la conduction est le phénomène prépondérant. Conduction 60 à 70 % des échanges dans les tableaux électriques. q Base de données de l’appareillage =S= à enrichir q. Nécessité de caler le modèle (avec les paramètres nécessitant une estimation empirique: Rth, Rc, Coeff d’échanges) Image thermique du tableau électrique Comparaison Ecart de températures (état du contact) Mon apport… q. Réflexion des limites du logiciel q. Comment l’utiliser au mieux en vue de la détection q. Définition d’une démarche de modélisation température ambiante en entrée , calage du modèle… Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 23

4 -DETECTION NIV 2 Détection de défauts de contact par les réseaux de neurones Un neurone: Le perceptron Exemple d’utilisation des réseaux de neurones: estimation de frontière Réalise une fonction non linéaire paramétrée à valeurs bornées Contacts sans défaut Un réseau de neurones Contacts défaillants Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 24

4 -DETECTION NIV 2 Processus d’apprentissage à l’aide des réseaux de neurones État du contact Apprentissage à partir d’une liste d’entrées/sortie Entrées: I(t) , T(t), d. I/dt, d. T/dt 1 database Sortie: État du contact: 1 = mauvais 0=bon 0 Rc 1/8 ième du couple nominal État réel du contact entrées + database Réseau - État estimé du contact Erreur Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 25

4 -DETECTION NIV 2 Dégradation du contact Validation du réseau de neurones (RN) après apprentissage Ce test donne des résultats nous permettant de conclure sur la faisabilité d’une telle méthode: Le courant et la température sont des informations suffisantes pour estimer l’état du contact Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 26

4 -DETECTION Synthèse 4 indicateurs de détection de l’échauffement anormal NIVEAU 1 -Franchissement de seuil -Calcul de vieillissement NIVEAU 2 -Comparaison modèle physique -Réseau de neurones Informations à interpréter Module de DIAGNOSTIC (Réseau Bayésien) Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 27

1. CONTEXTE 2. ESSAIS DE COMPREHENSION DES PHENOMENE DE DEGRADATION DES CONTACTS. 3. 28 POSITIONNEMENT DES CAPTEURS 4. MODULE DE DETECTION 5. MODULE DE DIAGNOSTIC 6. EXEMPLES D’APPLICATIONS 7. CONCLUSION ET PERSPECTIVES Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 28/42

5 -DIAGNOSTIC Diagnostic à l’aide de réseaux Bayésiens Le but : En cas de défaut: Pouvoir remonter les causes du défaut. Identifier les risques potentiels de défaillances compte tenu de l’environnement et de l’utilisation du tableau. Intégrer le retour d’expériences dans le diagnostic (apprentissage) L’on se tourne naturellement vers les Réseaux bayésiens. q. Très intuitif ( facilite la mise en œuvre avec les experts Schneider-Electric) q. Permet de calculer les probabilités des causes effets mais aussi effets causes sur le même modèle q. Plusieurs applications réussies dans l’industrie Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 29

5 -DIAGNOSTIC Réseau Bayésien: Un Exemple classique Les Réseaux bayésiens (RB) Les RB sont des graphes causaux dans lesquels il est possible d'effectuer un raisonnement probabiliste. Pour cela, il faut définir plusieurs choses : • La description qualitative des dépendances (le graphe causal) • La description quantitative des dépendances(les probabilités conditionnelles). Oubli de débrancher mon Arroseur (A) Mon Jardin est mouillée (J) Pluie (P) Le jardin de mon voisin est mouillé (W) • Mon jardin est mouillé est causé par l’oubli de débrancher mon arroseur ou par la pluie • Lorsque Mon jardin et celui de mon voisin sont mouillés j’ai plus tendance à croire qu’il a plu Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 30

5 -DIAGNOSTIC Le réseau Bayésien du tableau électrique Le graphe causal et les tables de probabilités sont construits en réunissant les données des experts Mon apport : q. Recueil de données des experts et leurs transformation en informations nécessaires pour bâtir le réseau. q. Calcul de certaines probabilités difficiles à obtenir ( hypothèse noisyor) q. Validation de la méthodologie auprès d’ un expert en réseau Bayésien ( Philippe Leray) Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 31

5 -DIAGNOSTIC Utilisation du réseau Bayésien: Exemple tiré du réseau global diagnostic “conséquence Causes probables ” Analyse de risques « Cause Conséquences probables» Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 32

5 -DIAGNOSTIC Evaluation du réseaux Bayésien ( 14 vecteurs tests ) Cas réels issus de la base de suivi qualité de Schneider-Electric concernant tous, des cas de défauts se manifestant par un échauffement local anormal Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 33

5 -DIAGNOSTIC Résultats du test du réseau Bayésien On évalue la capacité du réseau à prédire l’état de la variable « échauffement anormal » du réseau Bayésien avec des probabilités ayant été initialisées à partir des contributions des experts Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 34

1. CONTEXTE 2. ESSAIS DE COMPREHENSION DES PHENOMENE DE DEGRADATION DES CONTACTS. 35 POSITIONNEMENT DES CAPTEURS 4. MODULE DE DETECTION 5. MODULE DE DIAGNOSTIC 6. EXEMPLE D’APPLICATION 7. CONCLUSION ET PERSPECTIVES Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 35/42

6 -APPLICATION ESSAI sur le Tableau Okken Modélisation Echaufweb q 9 points de mesures / phases q 2 appareils Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 36

6 -APPLICATION Tableau Okken: détection de défaut via Echauf. Web® 1600 A – vérification de la validité du modèle 1000 A Desserrage Défaut contact 9 Les nombreux essais montrent que: Plus de 4°C d’écart Défaut probable Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 37

6 -APPLICATION Tableau Okken: diagnostic de défauts Obstruction de ventilation Etape 1 Etape 2 Observation: Evidence: Température interne élevée Questions: Quelle est la cause la plus probable? Etape 1 température externe élevée Etape 2 Mauvaise ventilation Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 38

1. CONTEXTE 2. ESSAIS DE COMPREHENSION DES PHENOMENE DE DEGRADATION DES CONTACTS 3. 39 POSITIONNEMENT DES CAPTEURS 4. MODULE DE DETECTION 5. MODULE DE DIAGNOSTIC 6. EXEMPLES D’APPLICATIONS 7. CONCLUSION ET PERSPECTIVES Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 39/42

CONCLUSION Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 40

Quelques PERSPECTIVES q. Automatisation de l’opération de calage ( Echauf. Web) optimisation avec une fonction objectif à définir q. Mise en complémentarité du réseau de neurones et Echauf. Web q. Analyse décisionnelle: Automatisation possible de la prise de décisions après un diagnostic à partir de règles expertes q. Automatisation possible du positionnement des capteurs à partir d’un modèle numérique du tableau électrique: Les règles de la matrice de priorité sont une bonne base q. Modèle Bayésien dynamique permettant de faire des prédictions à plus long terme par simulation q. Développer les mêmes méthodes sur d’autres produits ( tableaux MT) , ou avec d’autres grandeurs ( vibration par exemple) q. Processus d’apprentissage (Réseau Bayésien) à partir des retours d’expérience sur l’ensemble du parc installé Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 41

MERCI 42 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan N’GUESSAN 42/42

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