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1 METHODES ET OUTILS DAIDE AU DIAGNOSTIC ET A LA MAINTENANCE PREVENTIVE DES TABLEAUX ELECTRIQUES PAR LE SUIVI DE GRANDEURS PHYSIQUES CARACTERISTIQUES Présenté

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1 1 METHODES ET OUTILS DAIDE AU DIAGNOSTIC ET A LA MAINTENANCE PREVENTIVE DES TABLEAUX ELECTRIQUES PAR LE SUIVI DE GRANDEURS PHYSIQUES CARACTERISTIQUES Présenté par Kahan Nguessan le 7 décembre 2007 ENCADRANTS Jean-Pierre ROGNON (G2ELAB) Gilles ROSTAING(G2ELAB) Albert FOGGIA(G2ELAB) Eric JOUSEAU (=S=)

2 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 2/42 Le tableau électrique: Ses constituants 1-CONTEXTE Jeux de barres horizontales Câbles de raccordements clients Cloisons Appareillage Unités fonctionnelles

3 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 3/42 Objectif de la thèse 1-CONTEXTE Mesures de grandeurs disponibles - Températures - courants - Traitement des données - simulation par modélisation - comparaison au modèle - analyse vieillissement Restitution des résultats - franchissement de seuils limites - détection de tendances anormales

4 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 4/42 Enquête sur les causes de défaillances 1-CONTEXTE –Interrogation de 6 experts –Exploitation de base de cas réels (Chorus experts) –Exploitation des retours clients ( SETBT) Constats: La principale cause de défaillance est le défaut de raccordement. 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

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

6 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 6/42 Zoom sur le contact électrique 2-ESSAIS La discontinuité à linterface du contact Rc (Résistance électrique) & Rth (Résistance thermique) Cependant les formules pour évaluer ces résistances relèvent encore du domaine théorique. Contact électrique

7 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 7/42 Essais sur les différents types de contacts 2-ESSAIS Contact boulonné Pincé Contact boulonné sur chant Contact boulonné à plat Pince dembrochage Essai de bouchon thermique Essai de desserrage progressif Essai de vieillissement accéléré Essai de vibrations

8 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 8/42 Essai de bouchon thermique 2-ESSAIS 101°C 58°C Une moitié de barre dans le four à 200°C et Pince dembrochage 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). Dans cette configuration il serait judicieux de placer le capteur côté appareil avant le contact 101°C 58°C

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

10 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 10/42 Essai de vibrations 2-ESSAIS Bonne corrélation entre desserrage et amplitude du signal pour les petits desserrages MAIS Difficulté dinterprétation des résultats pour des forts desserrages Doù une complémentarité possible entre température et vibration

11 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 11/42 Synthèse ESSAIS Le phénomène de bouchon thermique a été mis en évidence. Les capteurs doivent être placés au plus près du point à surveiller Chaque phase du circuit électrique devra être instrumentée Les essais de desserrage montrent qu à partir de 1/8ième une élévation significative de température Le contact vieillit dans le temps, le vieillissement est accéléré par les surcharges La mesure de vibration bien que se heurtant a des difficultés dinterprétation peut être un moyen complémentaire de mesure de détection de défauts des contacts électriques. Les observations faites nous permettent daborder la phase de positionnement des capteurs de températures dans le tableau électrique

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

13 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 13/42 Les échanges thermiques dans le tableau électrique 3-Position de capteurs La conduction 60 à 70 % des phénomènes déchanges thermiques Avec la convection il peut exister une différence de température de plus de 20°C entre le haut et le bas du tableau électrique

14 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 14/42 Les critères de priorité dans le positionnement 3-Position de capteurs Les connexions à proximité de gros appareils (calibre >=NS400) Les connexions clients Les connexions des jeux de barres isolées ou près des parties isolées(<20cm) Les connexions jeux de barre nue loin disolant (>70cm) Pince dembrochage Contact boulonné Haut Milieu Bas 1.Le Contexte : 2.La Technologie de raccordements 3.Le niveau de hauteur

15 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 15/42 Matrice de priorité dans le positionnement 3-Position de capteurs La situation est prioritaire devant la situation

16 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 16/42 Remarques 3-Position de capteurs Problématique du positionnement des capteurs nombre, positionnement efficace Très peu de marge de manœuvre pour loptimisation du nombre et du placement des capteurs (Redondance dinformation quasi inexistante) Importance de la matrice de priorité instrumentés les points les plus critiques et où lon peut voir un défaut. Le coût de linstrumentation est sans comparaison devant le coût de larrêt imprévu dune installation défaillante Solution financièrement rentable

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

18 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 18/42 Schéma global de détection de défauts 4-DETECTION Système réel Modèle Courants Image thermique du tableau Températures ambiantes Températures des contacts Courants Températures ambiantes comparaison Etat du contact? Vieillissement du contact? Calcul de vitesse de vieillissement Franchissement de seuil de températures Atteinte des seuils de températures ? NIVEAU1 NIVEAU 2 Niveau 1 Détection dun état de dégradation en général avancé ( Uniquement mesures de températures) Niveau 2 Détection dun état de dégradation en général moins avancé ( Mesures de courants+températures)

19 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 19/42 Exemples déchauffements limites 4-DETECTION NIV1 Constituant des tableaux électriques Limites déchauffement admissibles IEC Bornes pour câbles extérieurs,+70°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 Répond au besoin des clients de se référer à la norme pour diagnostiquer leurs installations Appareil Jeu de barres enveloppe 25°C 30°C 105°C 70°C Bouchon thermique

20 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 20/42 Estimation du vieillissement des contacts électriques 4-DETECTION NIV1 Définition du facteur de doublement Notion utilisée dans IEC T t T+ t/2 Température d utilisation Durée de vie probable Le vieillissement dun contact est dû à : Son ambiante Ta: Son échauffement propre Tc : Reste à vivre: (1-K)*durée de vie normale Vitesse de vieillissement (1heure de ( T a, T c ) K heures de ( T a norm, T c norm )

21 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 21/42 Données de simulation de vieillissement 4-DETECTION NIV1 Modélisation exponentielle dun desserrage progressif Modélisation sinusoïdale de la température ambiante On considère une durée de vie de 20ans Utilisation normale: Echauffement <=70°C dans une ambiante intérieure <= 60°C Température ambiante annuelle Echauffement propre du contact Température propre du contact

22 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 22/42 Exemple de simulation du vieillissement 4-DETECTION NIV1 Ex: Seuil(alarme)=Vn+3 ans Données de simulation Modélisation exponentielle dun desserrage progressif Modélisation sinusoïdale de la température ambiante On considère une durée de vie du contact: 20ans Résultats de la simulation Durée de vie Temps

23 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 23/42 Détection par comparaison à un modèle physique 4-DETECTION NIV2 Modélisation EchaufWeb ® Approche unifilaire, différences finies. Adapté à un système où la conduction est le phénomène prépondérant. Conduction 60 à 70 % des échanges dans les tableaux électriques. Base de données de lappareillage =S= à enrichir Nécessité de caler le modèle (avec les paramètres nécessitant une estimation empirique: Rth, Rc, Coeff déchanges) Mon apport… Réflexion des limites du logiciel Comment lutiliser au mieux en vue de la détection Définition dune démarche de modélisation température ambiante en entrée, calage du modèle… Courants Image thermique du tableau électrique Comparaison Ecart de températures (état du contact) Températures des contacts électriques Tableau électrique Modèle Thermique (EchaufWeb) Méthode nodale Différences finies Températures

24 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 24/42 Détection de défauts de contact par les réseaux de neurones 4-DETECTION NIV2 Un neurone: Le perceptron Un réseau de neurones Exemple dutilisation des réseaux de neurones: estimation de frontière Contacts sans défaut Contacts défaillants Réalise une fonction non linéaire paramétrée à valeurs bornées

25 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 25/42 Processus dapprentissage à laide des réseaux de neurones 4-DETECTION NIV2 Apprentissage à partir dune liste dentrées/sortie Entrées: I(t), T(t), dI/dt, dT/dt Sortie: État du contact: 1 = mauvais 0=bon Rc État du contact 0 1 État estimé du contact Réseau database entrées + État réel du contact - Erreur database 1/8 ième du couple nominal

26 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 26/42 Validation du réseau de neurones (RN) après apprentissage 4-DETECTION NIV2 Ce test donne des résultats nous permettant de conclure sur la faisabilité dune telle méthode: Le courant et la température sont des informations suffisantes pour estimer létat du contact Dégradation du contact

27 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 27/42 Synthèse 4-DETECTION 4 indicateurs de détection de léchauffement anormal NIVEAU 1 -Franchissement de seuil -Calcul de vieillissement NIVEAU 2 -Comparaison modèle physique -Réseau de neurones Module de DIAGNOSTIC (Réseau Bayésien) Informations à interpréter

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

29 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 29/42 Diagnostic à laide de réseaux Bayésiens 5-DIAGNOSTIC Le but : En cas de défaut: Pouvoir remonter les causes du défaut. Identifier les risques potentiels de défaillances compte tenu de lenvironnement et de lutilisation du tableau. Intégrer le retour dexpériences dans le diagnostic (apprentissage) Lon se tourne naturellement vers les Réseaux bayésiens. Très intuitif ( facilite la mise en œuvre avec les experts Schneider-Electric) Permet de calculer les probabilités des causes effets mais aussi effets causes sur le même modèle Plusieurs applications réussies dans lindustrie

30 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 30/42 Réseau Bayésien: Un Exemple classique 5-DIAGNOSTIC Mon jardin est mouillé est causé par loubli de débrancher mon arroseur ou par la pluie Lorsque Mon jardin et celui de mon voisin sont mouillés jai plus tendance à croire quil a plu 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) Pluie (P) Mon Jardin est mouillée (J) Le jardin de mon voisin est mouillé (W)

31 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 31/42 Le réseau Bayésien du tableau électrique 5-DIAGNOSTIC Le graphe causal et les tables de probabilités sont construits en réunissant les données des experts Mon apport : Recueil de données des experts et leurs transformation en informations nécessaires pour bâtir le réseau. Calcul de certaines probabilités difficiles à obtenir ( hypothèse noisy- or) Validation de la méthodologie auprès d un expert en réseau Bayésien ( Philippe Leray)

32 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 32/42 Utilisation du réseau Bayésien: Exemple tiré du réseau global 5-DIAGNOSTIC diagnostic conséquence Causes probables Analyse de risques « Cause Conséquences probables»

33 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 33/42 Evaluation du réseaux Bayésien ( 14 vecteurs tests ) 5-DIAGNOSTIC 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

34 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 34/42 Résultats du test du réseau Bayésien 5-DIAGNOSTIC On évalue la capacité du réseau à prédire létat de la variable « échauffement anormal » du réseau Bayésien avec des probabilités ayant été initialisées à partir des contributions des experts

35 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 35/ CONTEXTE 2. ESSAIS DE COMPREHENSION DES PHENOMENE DE DEGRADATION DES CONTACTS. 3. POSITIONNEMENT DES CAPTEURS 4. MODULE DE DETECTION 5. MODULE DE DIAGNOSTIC 6. EXEMPLE DAPPLICATION 7. CONCLUSION ET PERSPECTIVES

36 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 36/42 ESSAI sur le Tableau Okken 6-APPLICATION 9 points de mesures / phases 2 appareils Modélisation Echaufweb

37 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 37/42 Tableau Okken: détection de défaut via EchaufWeb ® 6-APPLICATION 1600A – vérification de la validité du modèle 1000A Les nombreux essais montrent que: Plus de 4°C décart Défaut probable Défaut contact 9 Desserrage

38 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 38/42 Tableau Okken: diagnostic de défauts Obstruction de ventilation 6-APPLICATION Observation: Evidence: Température interne élevée Questions: Quelle est la cause la plus probable? Etape 1 température externe élevée Etape 1 Etape 2 Etape 2 Mauvaise ventilation

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

40 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 40/42 CONCLUSION

41 Thèse de doctorat: Aide à la maintenance préventive des tableaux électriques Kahan NGUESSAN 41/42 Quelques PERSPECTIVES Automatisation de lopération de calage ( EchaufWeb) optimisation avec une fonction objectif à définir Mise en complémentarité du réseau de neurones et EchaufWeb Analyse décisionnelle: Automatisation possible de la prise de décisions après un diagnostic à partir de règles expertes Automatisation possible du positionnement des capteurs à partir dun modèle numérique du tableau électrique: Les règles de la matrice de priorité sont une bonne base Modèle Bayésien dynamique permettant de faire des prédictions à plus long terme par simulation Développer les mêmes méthodes sur dautres produits ( tableaux MT), ou avec dautres grandeurs ( vibration par exemple) Processus dapprentissage (Réseau Bayésien) à partir des retours dexpérience sur lensemble du parc installé

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

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