Conception et optimisation d'une sonde magnétique légère pour l'inspection non destructive des lignes à haute tension

Les conducteurs électriques des lignes à haute tension vieillissent et subissent des dégradations dues à la corrosion, aux conditions météorologiques de l'environnement, aux dégâts mécaniques et à la fatigue interne. Si ces dégradations restent ignorées, elles peuvent rapidement évoluer et causer ultimement l'effondrement de la ligne. Il est donc crucial d'évaluer fréquemment l'état des conducteurs par contrôle non destructif. Les conducteurs sont composés d'une âme d'acier protégée par un revêtement en zinc et des couches externes en aluminium. Il existe aujourd'hui plusieurs méthodes pour les inspecter. Hydro-Québec, partenaire du projet, montre un intérêt particulier pour deux technologies prometteuses : une sonde à courant de Foucault, principalement pour la détection des défauts dans les couches d'aluminium et de zinc, et une sonde magnétique, pour la détection des défauts dans l'âme d'acier. Dans ce travail de maîtrise, nous nous intéressons exclusivement à l'inspection par sonde magnétique, l'autre technologie étant étudiée en parallèle dans un projet de doctorat d'une autre étudiante. Les sondes magnétiques actuellement disponibles dans le marché présentent plusieurs lacunes. Elles sont notamment très lourdes (> 20 kg), ont une petite ouverture (< 45 mm) insuffisante pour inspecter certains types de conducteurs, disposent d'un mécanisme de verrouillage nécessitant l'intervention d'un technicien et leurs mesures manquent de sensibilité. Le défi du projet est de trouver des solutions innovantes pour corriger ces différentes lacunes via la conception d'une nouvelle sonde très sensible, légère et déployable par drone, permettant d'automatiser et accélérer les inspections des lignes, tout en éliminant les risques d'intervention humaine. La conception de la nouvelle sonde s'est faite en trois étapes principales. Tout d'abord, nous avons réalisé une simulation numérique par la méthode des éléments finis sur le logiciel Comsol Multiphysics. Cette simulation a permis de comprendre et visualiser les principes de fonctionnement de la sonde magnétique et a également permis d'explorer différentes géométries de sonde et de déterminer leurs avantages et inconvénients. En particulier, une sonde à trois pôles a été retenue comme choix final de géométrie. Cette géométrie dispose d'un design ouvert et, grâce à sa symétrie cylindrique, permet de compenser le décentrement du conducteur durant l'inspection. Il serait ainsi possible de la déployer par drone sans mécanisme de verrouillage, tout en produisant des mesures stables et fiables. Nous avons également optimisé cette géométrie pour respecter une contrainte de poids de 1.5 kg et une grande ouverture de 90 mm.

Abstract

Electrical conductors on high voltage lines are damaged by corrosion, environmental conditions, mechanical stress and internal fatigue. If left unchecked, this damage can deteriorate rapidly and eventually cause the line to collapse. Therefore, it is crucial to regularly assess the condition of conductors through non-destructive testing. These conductors are composed of a zinc-coated steel core and aluminum outer layers. There are various methods of inspecting them, but Hydro-Quebec, the project partner, is particularly interested in two promising technologies: an eddy current probe, mainly to detect defects in the aluminum and zinc layers, and a magnetic probe, to detect defects in the steel core. In this work, we focus exclusively on the magnetic probe, while the eddy current probe is being explored separately as part of a PhD thesis. The magnetic probes currently available on the market have several deficiencies. For instance, they are very heavy (> 20 kg), have a small aperture (< 45 mm) which isn't sufficient to inspect certain types of conductors, and have a locking mechanism that requires a technician to mount it on the power line. In addition, their measurements can be very noisy and difficult to interpret. The challenge of this project is to find innovative solutions to overcome these various shortcomings by developing a new, highly sensitive and lightweight probe that can be deployed by drone to automate and accelerate line inspections and eliminate the risk of human intervention. The design of the new probe was achieved in three main steps. First, we performed a numerical simulation using the finite element method with Comsol Multiphysics software. This simulation allowed us to understand the physics of the magnetic probe and its operation. It also allowed us to study different probe designs and determine their strengths and weaknesses. The final design choice was a three-pole probe. This particular three-pole design has an open and symmetrical geometry, which allows it to compensate for the conductor's imperfect centring during inspection. As a result, it can be deployed with a drone and without any locking mechanism, while providing stable and reliable measurements. We have also optimised this design to meet a weight limit of 1.5 kg and a large aperture of 90 mm. In a second step, we compared several magnetic sensors available on the market in order to choose the best sensor for the probe. Sensors of different technologies were tested using an experimental Helmholtz coil set-up to evaluate their linearity error, sensitivity and repeatability. A Fluxgate sensor performed well with very low noise and high resolution (in the μT range). While this sensor offers high sensitivity, it has a small measuring range (± 2 mT).