FR2461260A1

FR2461260A1 - Corona discharge intensity measurement device - has circuit sensing difference between peak and average voltage values

Info

Publication number: FR2461260A1
Application number: FR7918165A
Authority: FR
Inventors: Etienne Crochet; Robert Haug
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 1979-07-12
Filing date: 1979-07-12
Publication date: 1981-01-30
Also published as: FR2461260B1

Abstract

The undesirable corona discharge which appears irregularly is detected and measured for amplitude by a detector circuit. The peak and average values are determined both for positive or negative voltages. A corona discharge voltage is applied to a detector input terminal (10) and is connected to ground via a measuring resistor (11). The peak value is determined by a circuit (12) comprising an operational amplifier (17) with a diode (18) in the feedback path to form a peak detector. The amplifier drives a second amplifier (19) via a second diode (20) and memory capacitor (21). A leakage resistor (22) allows the measured value to evolve with time. The output of the circuit is applied to a subtractor (15) with an average value from a resistor (13) and capacitor (14) filter circuit. The difference between the two values is obtained at the output (24).

Description

La présente invention a pour objet un dispositif de détection et de mesure de décharge couronne, permettant de dé
terminer l'existence d'une décharge de ce type, apparaissant soit de façon intempeStive, soit à la suite d'une action volontaire, et de mesurer son intensité.The present invention relates to a device for detecting and measuring crown discharge, making it possible to de
terminate the existence of a discharge of this type, appearing either untimely or following voluntary action, and measure its intensity.

On sait que la décharge couronne est une décharge
électrique qui s'établit dans un gaz entre deux électrodes de ravon de courbure très différent ou entre deux électrodes recouvertes d'une couche diélectrique entre lesquelles existe une tension alternative. De telles décharges se produisent naturellement dans les systèmes électriques à haute tension où elles constituent un phénomène nuisible. On les produit de façon délibérée dans certains appareils pour utiliser
leurs effets secondaires, tels que la génération d'ozone ou l'oxydation de surface lorsqu'elles se produisent en atmosphère oxydante ou la production d'ions.We know that the crown discharge is a discharge
electric which is established in a gas between two electrodes with a very different curvature or between two electrodes covered with a dielectric layer between which there is an alternating voltage. Such discharges occur naturally in high voltage electrical systems where they constitute a harmful phenomenon. They are deliberately produced in certain devices to use
their side effects, such as ozone generation or surface oxidation when they occur in an oxidizing atmosphere or the production of ions.

Les conditions d'apparition de l'effet couronne et
ses effets rendent sa détection et sa mesure difficiles.The conditions for the appearance of the crown effect and
its effects make it difficult to detect and measure.

L'effet couronne ne se manifeste qu'à partir d'un seuil de tension-et l'application d'une tension insuffisante ne la produit pas,alors qu'un courant circule déjà dans le circuit, soit du fait des pertes, soit (en courant alternatif) du fait des capacités.The crown effect only manifests itself from a voltage threshold - and the application of an insufficient voltage does not produce it, while a current is already flowing in the circuit, either due to losses or (alternating current) due to the capacities.

La présente invention vise à fournir un dispositif de détection et de mesure de décharge couronne, susceptible d'être adapté aussi bien à un système où règnent des tensions continues qu'à un système où règnent des tensions alternatives, fournissant une indication certaine sur l'apparition de l'effet couronne et pouvant donner une indication relativement pré
cise sur son intensité.The present invention aims to provide a device for detecting and measuring crown discharge, capable of being adapted both to a system where DC voltages prevail and to a system where AC voltages prevail, providing a certain indication of the appearance of the crown effect and which can give a relatively early indication
cise on its intensity.

Dans ce but l'invention propose notamment un dispo
sitif qui comprend des premiers moyens détecteurs conçus pour mesurer un extremum du courant qui parcourt un circuit, des
seconds moyens détecteurs prévus pour mesurer la valeur moyenne
du courant dans ce même circuit, et des moyens pour faire la
différence des valeurs simultanées des signaux provenant des
deux détecteurs.To this end, the invention notably provides an
which comprises first detector means designed to measure an extremum of the current flowing through a circuit,
second detector means provided for measuring the average value
current in this same circuit, and means to make the
difference in simultaneous values of signals from
two detectors.

Dans son application à un circuit alimenté en tension
continue, le dispositif utilise le fait que la décharge couron
ne donne naissance à un courant qui comprend une composante
continue et une composante impulsionnelle. Si la composante continue du courant de décharge couronne n'est que difficilement discernable de la composante olunique due aux résistances de fuite du circuit, la composante impulsionnelle est, elle, caractéristique de la décharge couronne. Le circuit détecteur d'extremum permet de mesurer son intensité et de la comparer à la valeur moyenne. Dans ce cas les premiers moyens peuvent être constitués soit par un détecteur de crete, soit par un détecteur de vallée. Le signal égal à la différence de ceux fournis par les premiers et seconds moyens sera sensiblement nul si le circuit ne comporte que des courants de fuite.Si une décharge couronne se superpose aux fuites, la valeur d'extremum est notablement altérée et une différence apparait; son-amplitude donne une indication sur l'intensité de l'effet couronne.In its application to a circuit supplied with voltage
continues, the device uses the fact that the crown discharge
does not give rise to a current which includes a component
continuous and an impulse component. If the DC component of the corona discharge current is only difficult to discern from the olunic component due to the leakage resistances of the circuit, the impulse component is itself characteristic of the corona discharge. The extremum detector circuit allows its intensity to be measured and compared to the average value. In this case the first means can be constituted either by a peak detector, or by a valley detector. The signal equal to the difference from those provided by the first and second means will be substantially zero if the circuit has only leakage currents. If a corona discharge is superimposed on the leaks, the extremum value is significantly altered and a difference appears ; sound-amplitude gives an indication of the intensity of the crown effect.

La mesure est évidemment valable aussi bien pour une tension positive que pour une tension négative. The measurement is obviously valid for both a positive and a negative voltage.

Dans le cas d'une alimentation en tension alternative, on pourra utiliser-le dispositif dans toute la mesure où les temps de réaction de la décharge couronne restent négligeables par rapport à la période de la tension d'alimentation, ce qui limite l'application du dispositif aux systèmes dans lesquels la fréquence ne dépasse pas 20 z environ. De plus, les courants capacitifs, qui sont en quadrature avec la composante fondamentale du courant de décharge couronne,doivent être annulés ou compensés. Enfin, le dispositif doit comporter deux voies de mesure correspondant respectivement aux alternances positives et négatives du courant de décharge. In the case of an AC voltage supply, the device can be used to the extent that the reaction times of the corona discharge remain negligible compared to the period of the supply voltage, which limits the application. from the device to systems in which the frequency does not exceed approximately 20 z. In addition, the capacitive currents, which are in quadrature with the fundamental component of the corona discharge current, must be canceled or compensated. Finally, the device must include two measurement channels corresponding respectively to the positive and negative alternations of the discharge current.

Dans tous les cas, les seconds moyens détecteurs pourront être constitués par un circuit de filtrage, notamment par un circuit résistance-capacité. In all cases, the second detector means may be constituted by a filtering circuit, in particular by a resistance-capacitance circuit.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de dispositifs qui en constituent des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère au dessin qui l'accompagne dans lequel
- la figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif de détection d'effet couronne dans un circuit alimenté par une tension continue,
- la figure 2 est un schéma de principe d'un circuit de création d'un courant de compensation permettant d'annuler la composante capacitive du courant parcourant la cellule dans laquelle s'effectue la mesure, utilisable dans un dispositif de détection d'effet couronne dans un circuit alimenté par une tension alternative,(tel que celui montré en figure 4),
- la figure 3 est un schéma de principe d'un séparateur d'alternances positives et négatives, également utilisable dans un dispositif de mesure tel que celui montré en figure 4,
- la figure 4 est un schéma de principe d'un dispositif de détection d'effet couronne dans un circuit alimenté en courant alternatif,
- la figure 5 donne l'allure de la variation des grandeurs électriques au point du dispositif de la figure 4 désigné par la même lettre de référence que celle qui apparalt sur chaque ligne de la figure 5.The invention will be better understood on reading the following description of devices which constitute particular embodiments thereof, given by way of nonlimiting examples. The description refers to the accompanying drawing in which
FIG. 1 is a block diagram of a device for detecting the crown effect in a circuit supplied by a DC voltage,
- Figure 2 is a block diagram of a circuit for creating a compensation current for canceling the capacitive component of the current flowing through the cell in which the measurement is carried out, usable in an effect detection device crown in a circuit supplied by an alternating voltage, (such as that shown in FIG. 4),
FIG. 3 is a block diagram of a positive and negative alternator separator, also usable in a measurement device such as that shown in FIG. 4,
FIG. 4 is a block diagram of a device for detecting the crown effect in a circuit supplied with alternating current,
FIG. 5 gives the appearance of the variation of the electrical quantities at the point of the device of FIG. 4 designated by the same reference letter as that which appears on each line of FIG. 5.

Le dispositif de détection et de mesure montré en figure 1 est destiné à détecter l'apparition de l'effet couronne dans un circuit soumis à une tension continue. Un courant prélevé dans ce circuit est appliqué à l'entrée 10 du dispositif, reliée à la masse par une résistance 11 de mesure. La tension apparaissant aux bornes de la résistance 11 est appliquée à des premiers moyens, constitués par un circuit 12 détecteur d'extremum,et età des seconds moyens détecteurs, destinés à fournir la valeur moyenne du courant, constitués par un filtre RC classique, comprenant une résistance 13 et un condensateur 14. The detection and measurement device shown in FIG. 1 is intended to detect the appearance of the crown effect in a circuit subjected to a DC voltage. A current taken from this circuit is applied to the input 10 of the device, connected to ground by a measuring resistor 11. The voltage appearing at the terminals of the resistor 11 is applied to first means, constituted by an extremum detector circuit 12, and and to second detector means, intended to supply the average value of the current, constituted by a conventional RC filter, comprising a resistor 13 and a capacitor 14.

Le circuit 15, qui peut être constitué par un circuit électronique analogique classique, fournit la différence des signaux provenant des premiers moyens 12 et des seconds moyens 16.The circuit 15, which can be constituted by a conventional analog electronic circuit, provides the difference of the signals coming from the first means 12 and the second means 16.

Dans le mode de réalisation illustré en figure 1, les premiers moyens comportent un amplificateur opérationnel 17 bouclé sur une diode 18 et alimentant un second amplificateur 19 par l'intermédiaire d'une seconde diode 20. En aval de la diode 20 sont-placés un condensateur mémoire 21 et une résistance 22 de fuite permettant à la valeur mesurée d'évoluer au cours du temps. Une résistance 23 reboucle l'ensemble des deux amplificateurs opérationnels 17 et 19. In the embodiment illustrated in FIG. 1, the first means comprise an operational amplifier 17 looped over a diode 18 and supplying a second amplifier 19 via a second diode 20. Downstream of the diode 20 are placed a memory capacitor 21 and a leakage resistor 22 allowing the measured value to change over time. A resistor 23 loops all of the two operational amplifiers 17 and 19.

On voit qu'aucun signal n'apparat sur la sortie 24 du circuit soustracteur 15 aussi longtemps que le courant appliqué à l'entrée 10 n'a qu'une composante continue. Si au contraire des impulsions apparaissent, elles se traduisent par un signal de différence sur la sortie 24, signal dont l'ampli tude mesure l'intensité de l'effet couronne et peut être fourniepar un appareil classique. We see that no signal appears on the output 24 of the subtractor circuit 15 as long as the current applied to the input 10 has only a DC component. If, on the contrary, pulses appear, they result in a difference signal on output 24, a signal whose amplitude measures the intensity of the crown effect and can be supplied by a conventional device.

Il faut noter que l'amplificateur opérationnel 17 peut être monté pour fonctionner soit en détecteur de crête, soit en détecteur de vallée. Dans le-cas d'un courant positif, la crête et la vallée correspondront respectivemeat au maximum et au minimum algébriques du courant. Si le courant est négatif, la crête et la vallée correspondront respectivement au minimum et au maximum algébriques. Dans tous les cas on obtient un signal utilisable. It should be noted that the operational amplifier 17 can be mounted to operate either as a peak detector or as a valley detector. In the case of a positive current, the crest and the valley will correspond respectively to the maximum and minimum algebraic of the current. If the current is negative, the peak and the valley will correspond respectively to the minimum and the maximum algebraic. In all cases, a usable signal is obtained.

Lorsqu'on souhaite transposer les dispositions montrées en figure 1 à un dispositif de mesure pour circuit soumis à une tension alternative, il est nécessaire
- de le compléter par des composants qui annulent ou compensent les courants capacitifs (qui sont en quadrature avec la composante fondamentale du courant de décharge couronne),
- d'effectuer une duplication des circuits de façon à traiter séparément les alternances positive et négative du courant de décharge couronne.When it is desired to transpose the arrangements shown in FIG. 1 to a measuring device for a circuit subjected to alternating voltage, it is necessary
- to supplement it with components which cancel or compensate for the capacitive currents (which are in quadrature with the fundamental component of the corona discharge current),
- to duplicate the circuits so as to treat the positive and negative alternations of the corona discharge current separately.

La compensation du courant capacitif peut s'effectuer par de nombreux procédés. Compensation of the capacitive current can be carried out by numerous methods.

On peut en particulier injecter, dans l'entrée de courant du dispositif de mesure, un courant en opposition de phase, avantageusement de façon apériodique pour compenser à la fois le fondamental et les harmoniques. Si un transformateur d'alimentation est prévu, on peut profiter de la présence d'un enroulement fortement couplé au secondaire délivrant une tension de compensation proportionnelle à la tension de sortie. It is in particular possible to inject, into the current input of the measuring device, a current in phase opposition, advantageously aperiodically to compensate both the fundamental and the harmonics. If a supply transformer is provided, we can take advantage of the presence of a winding strongly coupled to the secondary supplying a compensation voltage proportional to the output voltage.

Une autre solution consiste à prévoir dans le dispositif de mesure un circuit de compensation 25 comprenant un diviseur de tension apériodique suivi d'un inverseur de signal. Another solution consists in providing in the measuring device a compensation circuit 25 comprising an aperiodic voltage divider followed by a signal inverter.

Un tel circuit 25 est montré en figure 2. Il comporte un diviseur résistance-capacité 26, suivi d'un inverseur à amplificateur opérationnel 27 bouclé sur un circuit à résistance 28 et capacité 29.Such a circuit 25 is shown in FIG. 2. It comprises a resistance-capacity divider 26, followed by an inverter with an operational amplifier 27 looped over a resistance 28 and capacity 29 circuit.

Les valeurs de 28 et 29 sont ajustées de façon que la phase de la tension de compensation fournie soit de 180 . Cette tension est appliquée à un condensateur 30 de façon à fournir un courant de compensation. La capacité du condensateur 30 est ajustée de façon à annuler le courant lorsque l'alimentation est inférieure au seuil provoquant l'effet couronne. The values of 28 and 29 are adjusted so that the phase of the compensation voltage supplied is 180. This voltage is applied to a capacitor 30 so as to provide a compensation current. The capacity of the capacitor 30 is adjusted so as to cancel the current when the supply is below the threshold causing the crown effect.

La séparation des courants moyens positif et négatif peut être assurée par le montage montré en figure 3. Ce montage 31 comporte un an,pliiEicateur opérationnel 32 et deux diodes 33. The separation of the positive and negative average currents can be ensured by the assembly shown in FIG. 3. This assembly 31 comprises a year, operational pliiEicator 32 and two diodes 33.

Le dispositif complet peut avoir la constitution montrée t figure 4. On trouve, à partir de l'entrée de tension 34, un inverseur apériodique 25 qui peut être du type montré en figure 4, destiné à injecter un courant de compensation dans l'entrée de courant lova. Celle-ci est suivie de la résistance de mesure lla, qui sera très généralement choisie pour donner une tension de l'ordre de 1 volt efficace quand elle est traversée par le courant à mesurer. Le dispositif comporte avantageusement un montage de protection contre les surtensions 35, constitué sur la figure 4 par deux diodes Zener montées en série1tete-beche. The complete device can have the constitution shown in FIG. 4. There is, from the voltage input 34, an aperiodic inverter 25 which can be of the type shown in FIG. 4, intended to inject a compensation current into the input current lova. This is followed by the measurement resistance lla, which will very generally be chosen to give a voltage of the order of 1 effective volt when it is crossed by the current to be measured. The device advantageously comprises a protection assembly against overvoltage 35, constituted in FIG. 4 by two Zener diodes mounted in series1 head-beche.

Ces diodes limitent les cretes de tension à l'entrée du dispositif à un domaine prédéterminé, typiquement - 15 V.These diodes limit the voltage peaks at the input of the device to a predetermined range, typically - 15 V.

Le dispositif comporte trois branches de mesure dont l'une, qui fournit le courant moyen correspondant d'une part aux alternances positives, d'autre part aux alternances négatives, est constituée par un filtre 16a suivi d'un séparateur 31 qui peut avoir la constitution montrée en figure 3. Les deux autres branches comportent des détecteurs 12a et 12b dé valeur d'extremum, l'un pour l'alternance positive, l'autre pour l'alternance négative. Chaque détecteur 12a ou 12b est suivi d'un filtre passe-bas, constitué par un circuit résistancecapacité pour introduire un déphasage égal à celui du circuit 16a. The device comprises three measurement branches, one of which provides the average current corresponding on the one hand to positive half-waves, on the other hand to negative half-waves, consists of a filter 16a followed by a separator 31 which can have the constitution shown in FIG. 3. The two other branches include detectors 12a and 12b of extremum value, one for positive alternation, the other for negative alternation. Each detector 12a or 12b is followed by a low-pass filter, constituted by a resistance-capacitance circuit to introduce a phase shift equal to that of the circuit 16a.

Enfin, les sorties des branches attaquent, par l'intermédiaire de commutateurs respectifs 35, 36, 37 et 38, les entrées de circuits soustracteurs 39 et 40. Les circuits soustracteurs attaquent eux-memes un sommateur 41 dont le signal de sortie permet d'identifier la présence d'une décharge couronne. Finally, the outputs of the branches attack, by means of respective switches 35, 36, 37 and 38, the inputs of subtractor circuits 39 and 40. The subtractor circuits themselves attack a summator 41 whose output signal allows identify the presence of a crown discharge.

L'utilisation de quatre interrupteurs 35, 36, 37, 38 permet de traiter séparément ou simultanément les signaux de sortie des circuits 12a, -1'2b et 31. On peut ainsi faire apparaitre, à la sortie 42 du sommateur 41
- la composante positive ou négative non impulsionnelle, qu'on peut qualifier de "synchrone" ; on fait apparaître la partie positiVe, la partie négative et le total suivant qu'on ferme 35 seulement , 38 seulement ou 35 et 38.The use of four switches 35, 36, 37, 38 makes it possible to process the output signals of circuits 12a, -1'2b and 31 separately or simultaneously. It is thus possible to appear, at output 42 of summing device 41
- the positive or negative non-impulse component, which can be described as "synchronous"; the positive part, the negative part and the total are shown according to whether one closes only 35, only 38 or 35 and 38.

- la valeur moyenne ; on fait apparaître la partie positive, la partie négative ou le total suivant qu'on ferme uni quement 36, uniquement 37, ou 36 et 37. - the average value; we show the positive part, the negative part or the total depending on whether we only close 36, only 37, or 36 and 37.

- la composante impulsionnelle ; on fait apparaître la partie positive en fermant 35 et 36, la partie négative en fermant 37 et 38, et le total en fermant les quatre interrupteurs. - the impulse component; the positive part is shown by closing 35 and 36, the negative part by closing 37 and 38, and the total by closing the four switches.

Le signal de sortie 42 peut être utilisé pour visualiser les phénomènes à l'aide d'un oscilloscope, pour alimenter un voltmètre efficace ou un wattmètre ou tout autre appareil de mesure. En cas d'utilisation d'un wattmètre, celui-ci sera monté pour multiplier les signaux obtenus en 42 par la tension au point B en introduisant un circuit déphaseur pour canpenser celui des circuits analcgues à 16a. On peut ainsi faire apparaltre les puissances correspondant à chaque composante du coursant.
La figure 5 montre, d'une façon très schématique, l'allure des signaux apparaissant en divers points du dispositif de la figure 4. On voit que le courant (ligne B) reste nul aussi longtemps que la tension alternative instantanée (ligne A) est inférieure à un seul prédéterminé.Au point G on voit apparaître un signal où les impulsions ont disparu par filtrage. Le séparateur donne les alternances positives et négatives (non représentées). En D et E, apparaissent les signaux minimum positif et minimum négatif.The output signal 42 can be used to visualize the phenomena using an oscilloscope, to supply an efficient voltmeter or a wattmeter or any other measuring device. If a wattmeter is used, it will be mounted to multiply the signals obtained at 42 by the voltage at point B by introducing a phase shifting circuit to bypass that of the circuits analogous to 16a. We can thus display the powers corresponding to each component of the current.
FIG. 5 very schematically shows the appearance of the signals appearing at various points in the device of FIG. 4. It can be seen that the current (line B) remains zero as long as the instantaneous alternating voltage (line A) is less than a single predetermined point. At point G, a signal appears where the pulses have disappeared by filtering. The separator gives the positive and negative alternations (not shown). In D and E, the minimum positive and minimum negative signals appear.

Les essais effectués en interposant, entre une électrode plate et une électrode à forte courbure, des feuilles de diélectrique d'épaisseur et de nature très variables (papier, pour condensateur polyéthylène basse densité, terphane, etc. de 10 à quelques dizaines de um) ont montré que le dispositif suivant l'invention permet de détecter l'apparition de l'effet couronne et de mesurer son intensité. The tests carried out by interposing, between a flat electrode and a highly curved electrode, dielectric sheets of very variable thickness and nature (paper, for low density polyethylene capacitor, terphane, etc. from 10 to a few tens of μm) have shown that the device according to the invention makes it possible to detect the appearance of the crown effect and to measure its intensity.

L'invention ne se limite pas aux modes particuliers de
réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemples, il peut etre entendu que la portée du présent brevet s'é
tend à toutes variantes restant dans le cadre des équivalences. The invention is not limited to the particular modes of
embodiments which have been represented and described by way of examples, it can be understood that the scope of this patent extends
tends to all variants remaining within the framework of equivalences.

Claims

1. Device for detecting and measuring crown discharge, characterized in that it comprises first detector means provided for measuring an extremum of the current flowing in a circuit, second detector means provided for measuring the average value of the current in the same circuit, and means for differentiating the simultaneous values of the signals from the two detectors.

2. Device according to claim 1, characterized in that the second detector means are constituted by a filtering circuit, in particular by a resistancecapacity circuit.

3. Device according to claim 1 or 2, intended for a circuit supplied with direct voltage, characterized in that the first means are constituted either by a peak detector or by a valley detector.

4. Device according to claim 1 or 2, intended for a circuit supplied with alternating voltage, characterized in that the first means comprise two channels corresponding respectively to the positive and negative alternations of the discharge current.

5. Device according to claim 4, characterized in that the second means comprise a separator of the positive and negative mean currents, each output being applied to an input of a separate subtractor whose other input receives the output signal from said channel corresponding.

6. Device according to claim 5, characterized in that each of the inputs of the subtractors comprises a selection switch.

7. Device according to claim 5 or 6, characterized in that the outputs of the subtractors attack the inputs of a summator.

8. Device according to any one of claims 4 to 7, characterized in that it comprises a capacitive current compensation circuit, which can be constituted by a current injection circuit.