L'électrification massive transforme les systèmes, mais elle ne les rend pas nécessairement plus fiables. Nouveaux composants, interactions électriques et thermiques, hausse des températures ambiantes, etc. : les sources de défaillance se multiplient et deviennent parfois plus difficiles à détecter. Comment les comprendre, les analyser et, surtout, mieux les prévenir ? Le point avec Paul Mazet, ingénieur au Cetim.

Pourquoi l’électrification change-t-elle la donne en matière de défaillances ?

Paul Mazet : Dans un système électrifié, les composants électriques et électroniques viennent s'ajouter aux autres éléments, ce qui crée des interactions entre les phénomènes électriques, mécaniques et thermiques. Prenons l’exemple d’un contact électrique mal serré. Il s’agit d’un défaut mécanique au niveau du contact qui peut augmenter la résistance électrique, provoquer un échauffement et conduire à une dégradation du système.

Les systèmes électrifiés sont également très sensibles à la température. Or, les conditions thermiques auxquelles ils sont soumis peuvent évoluer. Un train conçu il y a dix ans pour fonctionner dans une certaine plage de températures peut ainsi être confronté aujourd’hui à des conditions plus sévères du fait de l’évolution du climat. Ces conditions sont susceptibles d’augmenter le risque de défaillance.

La chaleur ne provoque d'ailleurs pas nécessairement une panne immédiate. Elle peut d'abord entraîner une baisse des performances. On a alors souvent la possibilité de réduire la puissance d’un équipement ou, dans le cas d’un train, sa vitesse, pour rester dans la plage de fonctionnement nominale. Mais lorsque les contraintes deviennent trop importantes, la dégradation des performances peut aller jusqu’à la défaillance, voire à l’emballement thermique.

Pourquoi les défaillances électriques sont-elles plus difficiles à analyser ?

En mécanique, une défaillance laisse souvent des traces : une rupture, de la limaille dans l’huile, du bruit, des vibrations ou des indices visibles sur la pièce. En électrique ou en électronique, c’est beaucoup moins systématique. Une panne peut être intermittente : au moment de l’expertise, le phénomène a disparu et ne laisse parfois aucune trace. Elle peut aussi être difficile à localiser lorsque le défaut se situe au cœur d’un composant miniaturisé, comme un transistor de puissance.

Dans notre travail d’analyse de défaillance, cela nous conduit à envisager plusieurs scénarios, à les confronter aux observations et à rechercher des indices plus fins. La compréhension du système dans son ensemble devient également essentielle, car une défaillance peut résulter de l’interaction entre plusieurs composants ou phénomènes. Nous pouvons alors poursuivre l’investigation en laboratoire, avec des analyses au microscope ou de la tomographie, ou encore des essais multi-physiques. L’intelligence artificielle peut aider à orienter les recherches, sans pour autant établir seule la cause d’une défaillance.

Comment concevoir des systèmes électrifiés plus fiables ?

La première condition est de disposer d’une véritable expertise électrique et électronique dès la conception. Un bureau d’études ne peut plus se reposer sur des compétences mécaniques complétées par quelques notions d’électricité. Les systèmes électrifiés nécessitent des compétences dédiées, capables notamment de prendre en compte les problématiques d’intégration.

La conception doit aussi adopter un raisonnement multiphysique, une approche notamment mise en œuvre au Cetim, pour tenir compte de ces conditions de fonctionnement. Cela signifie considérer simultanément les propriétés électriques et thermiques des composants, ainsi que leur intégration dans le système entier. Cette démarche s’applique jusqu’aux éléments les plus simples : un isolant de câble, par exemple, peut voir ses performances se dégrader avec la température et provoquer des fuites de courant, voire des claquages. Le choix des matériaux et des composants devient donc une étape à part entière de la fiabilité.

Enfin, les normes fournissent un cadre réglementaire, mais elles ne suffisent pas nécessairement à garantir la fiabilité dans toutes les conditions auxquelles le système sera confronté. Il est donc essentiel d’anticiper. L’analyse de risques et l’AMDEC permettent justement d’explorer de nombreux scénarios dès la conception pour éviter les défaillances.

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