Inverse problems for electrical cable diagnosis from reflectometry measurements
Problèmes inverses pour le diagnostic de câbles électriques à partir de mesures de réflectométrie
Résumé
Electric cables are ubiquitous in many devices and systems where they are
used for data or power transmission. These connection links are most often installed
for long periods of operation during which they are subject to aging and
sometimes exposed to harsh environments. While electric cables fulfill important
and sometimes even critical functions, they might fail due to the hard constraints
they have to endure. This motivates the need for monitoring tools, in order to
detect early faults and to intervene as soon as possible, before they mutate into
heavier damage whose consequences can be detrimental and expensive. EDF company
is very affected by this problematic insofar as it operates significant lengths
of cables for energy distribution, but also in power plants for power supply of the
diverse apparatus, to route data and to transmit measurement. The company has
been leading several studies regarding cable aging, cable faults, and wire diagnosis
methods. The CAIMAN project (Cable AgIng MANagement), sponsored by
the Engineering Department of Nuclear and Thermal Projects (SEPTEN), deals
with these questions. The work presented in this dissertation was conducted in
this context and results from a collaboration with Inria (French National Institute
for Research in Applied Mathematics and Computer Sciences). Starting
from the observation that existing cable diagnosis methods do not offer full satisfaction,
we targeted the goal of developping new tools to improve the state of
the art. Existing techniques rely on a range of tests, some of which are destructive
or involve in-lab investigations, but these still cannot detect some kind of
faults. Among major techniques, reflectometry has the most promising results.
This technique consists in the same principle as a radar. One sends a wave down
a cable from one end. Then the reflected signal is analysed searching for signs of
faults. Yet, this method also suffers some limitations and soft faults remain hard
to detect. Researchers and industries multiply the investigations in the domain of
reflectometry-based techniques, and some get interesting results. Scientists from
Inria developped algorithms for cable parameter estimation from reflectometry
measurements, following an inverse-problem approach. The goal of our work was
to extend these methods to meet the specific needs of EDF. One of the main challenges
we coped with was to take into account electric losses in the resolution of
the inverse problem. Our main contribution is a method to estimate the per unit
length resistance profile of a cable. This estimation reveals resistive faults that
most often only produce weak reflections in reflectometry measurements. Other
contributions concern the improvement of the method based on pre-processing of
the data whose role is to erase the effect of impedance mismatches. This work
breaks new grounds in the domain of reflectometry-based wire diagnosis techniques.
Les câbles électriques sont présents dans de nombreux produits et systèmes
où ils sont utilisés pour transmettre des données ou transporter de l’énergie. Ces
liaisons sont la plupart du temps installées pour des durées d’exploitation longues
au cours desquelles elles doivent subir l’usure du temps, ainsi que celle résultant
d’un environnement parfois agressif. Alors que les câbles électriques assurent des
fonctions essentielles et dans certains cas critiques, ils sont aussi sujets à des défaillances
qui découlent des contraintes qu’ils endurent. Ceci explique la nécessité
de surveiller leur état, afin de détecter au plus tôt les défauts naissants et d’intervenir
avant qu’ils ne dégénèrent en dommages dont les conséquences peuvent être
préjudiciable et économiquement lourdes. L’entreprise EDF est particulièrement
concernée par cette problématique dans la mesure ou elle exploite des longueurs
considérables de câbles pour le transport et la distribution d’électricité sur tout
le territoire bien sûr, mais aussi au sein des centrales qui produisent l’électricité,
pour alimenter les différents organes, et acheminer commandes et mesures.
L’entreprise, attentive à ce que ces câbles soient en bon état de fonctionnement,
mène plusieurs travaux, d’une part pour étudier leur vieillissement et modes de
dégradation, et d’autre part pour développer des méthodes et outils pour la surveillance
et le diagnostic de ces composants essentiels. Le projet EDF CAIMAN
(Cable AgIng MANagement) commandé par le SEPTEN (Service Etudes et Projets
Thermiques Et Nucléaires) traite de ces questions, et les travaux présentés
dans cette thèse ont été conduits dans ce cadre et sont le fruit d’une collaboration
avec Inria (Institut National de Recherche en Informatique et Automatique).
Partant du constat que les méthodes de diagnostic de câbles existantes à l’heure
actuelle ne donnent pas pleine satisfaction, nous nous sommes donné pour objectif
de développer des outils nouveaux. En effet, les techniques actuelles reposent
sur différents moyens dont des tests destructifs, des prélèvements pour analyse
en laboratoire, et des mesures sur site mais qui ne permettent pas de diagnostiquer
certains défauts. Parmi les techniques non destructives, la réflectométrie,
dont le principe est d’injecter un signal électrique à une extrémité du câble et
d’analyser les échos, souffre aussi de certaines de ces limitations. En particulier,
les défauts non-francs restent encore difficiles à détecter. Toutefois les travaux qui
se multiplient autour de cette technique tentent d’en améliorer les performances,
et certains obtiennent des résultats prometteurs. Les chercheurs de l’Inria qui
travaillent sur le sujet ont développé des algorithmes pour exploiter des mesures
de réflectométrie. En résolvant un problème inverse, les paramètres d’un modèle
de câble sont estimés et servent alors d’indicateurs de l’état de dégradation du
câble testé. L’objectif de cette thèse est d’étendre ces méthodes pour répondre
aux besoins spécifiques d’EDF. Un des principaux défis auquel nous avons apporté
une solution est la prise en compte des pertes ohmiques dans la résolution
du problème inverse. Plus spécifiquement, notre contribution principale est une
méthode d’estimation du profil de résistance linéique d’un câble. Cette estimation
permet de révéler les défauts résistifs qui produisent souvent des réflexions
faibles dans les réflectogrammes habituels. Une seconde contribution vise à améliorer
la qualité des données utilisées par cette méthode d’estimation. Ainsi, nous
proposons un pré-traitement des mesures dont le but est de gommer l’effet de la
désadaptation des instruments aux câbles ou celui des connecteurs. Ces travaux
apportent de nouveaux outils pour l’exploitation des mesures de réflectométrie
et des solutions pour le diagnostic de certains défauts encore difficiles à détecter
aujourd’hui.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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