Brevet FR2008016A1 — publié le 19700116

L'invention concerne les dispositifs de protection par trans- formateur différentiel contre les fuites à la terre ; de façon plus précise l'invention concerne des moyens qui améliorent le fonctionnement ou la fiabilité des dispositifs connus de protection à haute sensibilité par transformateur différentiel contre les fuites à la terre. succinctement, l'invention concerne, dans un dispositif de protection contre les fuites à la terre comprenant un tranafor*- teur différentiel dont les primaires sont traversés par le courant de puissance et un interrupteur ou équivalent dont la bobine de dé- clenchement est alimentée, directement ou non, par le secondaire dudit trs-sforsateur différentiel, un perfectionneient comprenant l'adjonction d'une réactance, saturable, dont l'enroulement est connecté, directement ou non, en série avec un primaire dudit transformateur différentiel, de préférence le primaire du neutre. L'invention concerne salement diverses conditions de saturation de laite réactance0 Succinctement encore, l'invention concerne, dans le dudit doit positif, l'adjonction, en aval dudit dispositif, d'une impédance de charge préliminaire, et diverses conditions concernant ladite im- pédale. Pour expliquer l'état actuel du problème, on expliquera d'abord le fonctionnement du dispositif connu à hante sensibilité par transformateur différentiel contre les fuites à la terre, en se ré- gérant à la figure 1. L'ensemble 1 est un dispositif à haute sensibilité de protection par transformateur différentiel contre les fuites à la terre qui comprend habituellement un interrupteur ou contacteur ou disjoncteur 2 qui s'ouvre lorsque sa bobine de déclenchement 3 reçoit un signal électrique d'amplitude suffisante, et un noyan magnétique 4, généralement de haute perméabilité magnétique, avec deux (ou davantage) enroulements primaires 10 et Il insérés sur les conducteurs 6 et 7 allant au circuit à protéger, si bien que la somme vectorielle des courants dans les enroulements 10 et il est nnlle aussi longtemps que le courant électrique ne sort pas des conducteurs isolés du circuit à protéger.L'interrupteur 2 et le noyau magnétique 4 peuvent constituer un seul ensemble logé dans un même bottier, ils peuvent aussi être mécanitpiement séparés, tout en restant électriquement associés, en formant deux ensembles ayant le même rôle que l'ensemble précédent. La figure 1 montre un ensemble 1 installé dans une limentation monophasée, depuis un transiorma- teur d'alimentation 15, d'une charge 16 (par exemple moteur, transformateur, ou autre consommateur) Le principe de fonctionnement qui va Otre décrit s'applique également aux circuits polyphasés, selon une transposition bien connue de l'homme de l'art. Le dispositif est établi de telle façon que, lorsqu'il n'y a pas de fuite à la terre depuis l'un des conducteurs 6 ou 7 ou depuis la charge 16, alors les ampères-tours des bobinages 10 et Il se contrebalancent l'un l'autre, et ainsi il n'y a pas de flux ma gnéticae induit dans le noyau 4. La bobine de déclenchement 3 ne reçoit ainsi aucun signal quel que soit le courant de puissance absorbé par la charge 16. Si maintenant on suppose qu'il y a une fuite de courant élec- trique à la terre par exemple su point 9 du conducteur 6, alors lee ampères-tours supplémentaires qui en résultent dans 1' enroulement 10 ne sont pas contre-balancés par un même nombre d'ampères-tours dans 1' enroulement 11. Un flux Magnétique alternatif est ainsi induit dans le noyau 4 et induit à son tour une force lectro-motrice dans le secondaire 12 qui envoie du courant dans la bobine de d± clenchement 3, ceci provoquant l'ouverture de l'interrupteur 2 qui coupe 11 alimentation du circuit en défaut. Le dispositif qui vient d'8tre décrit est bien connu dans l'art et généralement fonctionne de manière satisfaisante. Cependant il peut se produire fortuitement, ou volontairement, un ensemble de conditions sous lesquelles le dispositif est moins sensible, ou mOme insensible, aux courants de défauts, par exemple au point 9. Lorsqu'il existe une connexion à la terre au point 13 sur le conducteur 7 qui devient alors le conducteur neutre et lorsqu'il existe en plus une connexion à la terre au point 14 du mbme conducteur, alors il se peut que le dispositif de protection 1 ne réponde pas à une fuite de courant au point 9 du conducteur 6 qui est le conducteur de phase. La raison de ce défaut de fonctionnement est la suivante les deux connexions à la terre au points 13 et 14 forment un circuit à basse impédance qui shunte I'enroulemènt 11. ainsi lorsqu'un courant de défaut survient au point 9, les ampères-tours supplé- dentaires dans l'enroulement 10 produisent des ampères-tours les contre-balançant à travers l'enroulement Il et ledit circuit à la terre, dont la basse impédance ne permet pas ltinduction d'un flux magnétique appréciable dans le noyau 4. Ainsi le secondaire 1? n'envoie pas de courant appréciable à la bobine de déclenchement 3 et l'interrupteur 2 n'est pas déclenché. Un objet de l'invention est un perfectionnement au moyen dugWel le dispositif de protection par transformateur différen- tiel contre les fuites à la terre répond toujours aux défauts à la terre mSme dans le cas de mises à la terre du conducteur de neutre à la fois du c8té alimentation et du c8té charge du dis positif. Selon la présente invention le dispositif de protection différentielle contre les fuites à la-terre est muni de et coxbi- né avec une réactance appropriée à noyau saturable dont I'en- roulement est connecté, directement ou non, an série avec un etn- roulaient primaire du dispositif, habituellement le primaire qui est en série dans le conducteur de neutre du circuit, ou l'enrou- lement prévu ou disposé à cette fin. on entend ici, par réactance appropriée à noyau saturable, une réactance qui fournit une impédance de valeur substantielle lorsqu'elle est traversée par des courants su dessous de ou proches du seuil nominal de sensibilité du dispositif, mais qui est saturée aux valeurs prévues du courant de puissance et ainsi présente une impédance n6gligeable aux courants de puissance.En pratique il est bien entendu désirable de maintenir l'impédance aux courants de puissance aussi basse que possible tout au obtenant cependant une impédance suffisante aux courants voisins du seuil nominal de sensibilité. ainsi de préférence la réactance sera déterminée pour se saturer effectivement à des courants pro chers du seuil nominal de sensibilité du dispositif et de prEféren- ce légèrement au-dessws de cette valeur. Une impédance convenable pour des courants proches de la saturation sera substantiellement plus grande que l'impédance effective de la bobine de déclenchement. il est désirable que le courant de saturation ne soit pas plus grand que les premiers multiples du courant nominal du seuil de sensibilité du dispositif. On décrira maintenant l'invention en se référant aux figures suivantes donnés à titre d'exemples non limitatifs : la figure 2 analogue à la figure 1 est un schéma d'une exécution monophasée de l'invention la figure 3 est un graphe des millivolts par tour en fonction des milliampèrextour de la réactance employée dans l'exécution selon la figure 2 la figure 4 est un schéma partiel d'une exécution triphasée de l'invention. Avec référence à la figure 2 : on y retrouve les mêmes principaux organes décrits à propos de la figure 1, et avec les mimes références : transformateur d'alimentation 15 ; conducteur neutre 7 et (par exemple un) conducteur de phase 6 ; interrupteur 2 équipé d'une bobine de déclenchement 3 actionnée par un flux magnétique alternatif induit, de valeur déterminée, dans un noyau magnétique 4 par deux (ou davantage) enroulements 10 et 17 placés sur ce noyau magnétique et en série avec les conducteurs principaux 6 et 7. Selon une disposition de l'invention, le dispositif 17 comprend en outre une réactance 18 à noyau saturable comprenant un noyau magnd- tique 19 et un enroulement 20 connecté en série sur le conducteur de neutre 7 avec l'enroulement 11. La bobine de déclenchement 3 est représentée sur la figure 2 directement connectée au secondaire 12 mais on peut employer des relais intermédiaires comme il est bien connu dans l'art : la bobine de déclenchement reste sensible au flux magndtique. Selon l'invention, on déterminera la réactance saturable de telle sorte qu'un courant alternatif à la fréquence d'alimentation, de préférence équivalant approximativement au seuil de sensibilité du dispositif et traversant l'enroulement 20, y produise un flux magnétique alternatif, induit dans le noyau 19, d'une valeur approchant la valeur de la saturation magnétique dudit noyau. Ainsi la réactance présentera une impédance négligeable au passage des courants de puissance qui sont beaucoup plus élevés que le niveau de sensibilité du dispositif. Avec référence à la figure 3, ce graphe représente à titre d'exemple la courbe d'induction type d'un noyau 19, la force magnéto-motrice étant en abcisses en milliampère x tour et l'induction étant en ordonnée et en millivolt par tour. L'enroulement comprend sept tours pour un dispositif ayant une sensibilité de fuite à la terre~de 20 milliampères. Poyr le seuil de sensibilitd du disposi tif la force magnétomotrice sera de 7 x 20 = 140 milliampère x tour. Pour cette force magnétomotrice l'induction (ou tension de réactance) dans le noyau est d'environ 10 millivolts par tour (comme le montre la figure 3) soit une chute de tension totale de 70 miii'- volts à travers l'enroulement. ainsi l'impédance de la réactance = 0,07 / 0,02 = 3,5 Ohms. Pour un courant de puissance, par exemple de 60 ampères, traversant l'enroulement 20, l'impédance sera consi dérablement réduite : tension de saturation 0,013 x 7 0,091 impédance à 60 ampères = 60 = 60 = 60 = 0,0015 Ohms On voit ainsi l'avantage de l'adjonction d'une telle rEac- tance. D'une part elle ne présente dans le circuit d'alimentation qu'une impédance additionnelle négligeable ce qui permet de transmettre de lourdes charges moyennant une faible perte de puissance. D'autre part elle augmente la fiabilité du dispositif comme on va le voir ci-après dans deux cas. Considérons un cas s où la charge 16 n'absorbe aucune puissance et ot en 13 et 14 il y a des défauts à la terre de basse impé- dance. Le dispositif répondra à un courant de défaut à la terre au point 9 d'une valeur approximativement égale au seuil nominal de sensibilité du dispositif parce que l'enroulement Il est en série avec une impédance de valeur substantielle qui empêche l'établisse- ment des ampères-tours d'équilibrage dans cet enroulement. Presque tous les ampères-tours résultant de l'enroulement 10 seront utili sés pour produire un flux magnétique dans le noyau 4 et envoyer de l'énergie au déclencheur 3. Il est évident que l'impédance effective de la bobine de déclenchement 3 doit être basse en comparaison avec 1' impédance de la réactance 18 pour les valeurs de courant de fuite de l'ordre du seuil de sensibilité du dispositif.On remarquera que ceci est facile à obtenir pour l'impédance de 3,5 Ohms de la réactance aux courants proches de la saturation. Dans un autre cas ou cas B, la charge 16 absorbe du courant et il n'y a qu'une seule connexion à la terre en 13. Dans ces conditions le dispositif répondra encore à un courant de fuite à la terre au point 9 d'une valeur équivalente au seuil nominal de sensibilité du dispositif. Cependant, à l'instant ot une connexion à la terre de basse résistance est applique au point 14 le dispositif répond immédiatement et coupe l'*limentation mOrne stil n'y a pas de défaut au point 9. Ceci est un avantage, qui résulte de ce qu'une grande partie du courant de puissance dans le connecteur de neutre est effectivement détournée de l'enroulement Il et qu'une partie suffisante des ampères-tours de puissance dans l'enroulement 10 est disponible pour déclencher l'interrupteur 2. Les deux cas ci-dessus sont de simples exemples de comportement du nouveau dispositif dans deux jeux de conditions. Nais il est évident pour l'homme de l'art de prévoir l'amélioration d'ensemble des performances du nouveau dispositif. L'invention n'est pas du tout limitée aux valeurs données dans ces exemples, dont il ne résulte pas que l'invention devrait seulement être appliquée dans les ordres de grandeur des chiffres donnés.On peut expliquer le principe de l'invention en énonçant que la réactance 18 à noyau saturable fournit une impédance appréciable en circuit avec l'un des primaires (par exemple primaire 11) du noyau,4 et, si cette im pédance est grande par rapport à l'impédance effective de la bobine de déclenchement 3, permet à un flux magnétique suffisant d' être induit dans le noyau 4 par un autre enroulement et de faire fonctionner la bobine de déclenchement 3 lorsqu' il survient un court circuit accidentel à la terre. Sur la figure 2, la réactance saturable 18 a été figurée en aval de l'enroulement 11, mais il est évident pour l'homme de l'art que la réactance saturable 18 peut aussi bien être placée en amont du transformateur différentiel 4. il n'est pas nécessaire que la réactance saturable 18 soit lo gee dans la même enceinte que le dispositif, il peut être avantageux de la monter separdment, par exemple de l'incorporer à la barre de neutre dans le panneau de distribution. La réactance saturable peut selon l'invention btre employée similairement pour une distribution de puissance triphasée quatre fils. La figure 4 représente la disposition des enroulements primaires en correspondande avec la réactance saturable (la figure 4, tour simplifier le tracé, ne représente pas l'interrupteur et sa bobine de déclenchement)r- Comme déjà renoncé il est important que l'impédance effective de la bobine de déclenchement 3 soit aussi basse que possible par rapport à l'impédance en non-saturation de la réactance 18. il est facile d'obtenir un rapport de 1 à 10 mais quoi qu'il en soit on remarquera que la sensibilité du relais à un courant de fuite à la terre au point 9 lorsque les pâles 13 et 14 sont connectés à la terre est légèrement réduite.Dans un exemple il a été constaté que la sensibilité de la réponse était de 38 milliampères contre 20 milliampères en l'absence de terre au point 14. Selon une autre dispositiende l'invention une impédance de charge préliminaire 21 (figure 2) est connectée à la sortie dudit dispositif selon l'invention, c'est-à-dire entre le conducteur de ligne 6 du côté charge 16 par rapport à l'enroulement 10, et le conducteur de neutre 7 du côté charge en aval de la réactance 18. La valeur de cette impédance doit être telle quelle puise un nombre d'ampères-tours additionnel à travers l'enroulement 10 suffisant pour surpasser les ampères-tours d'équilibrage qui traversent linroulement Il en raison des mises à la terre en 13 et en 14. Dans un exemple on a constaté qu'une résistance de charge préliminaire de 10 000 Ohms (4 watts) était suffisante pour faire disparaître toute différence de sensibilité du dispositif, que les points 19 et 14 soient mis simultanément à la terre ou non ; la tension d'alimentation était de 200 volts et la charge 16 n'absorbait pas de courant. En variante l'invention prévoit de choisir l'impédance de charge préliminaire telle quelle absorbe un courant suffisant pour produire le déclenchement du dispositif à l'instant où le point 14 est, en plus du point 13, connecté à la terre. En ce cas l'impédance sera approximativement de 5 000 Ohms pour une tension d'alimentation de 200 volts. On remarquera qu'autrement, c'est-à-dire en dehors de l'emploi d'une réactance saturable, une charge préliminaire serait excessivement importante et d'un prix prohibitif. La charge préliminaire selon l'invention peut prendre la forme d'une résistance, d'une inductance ou même d'un composant tel qu'une lampe indicatrice marche/arrêt. Bien entendu la charge préliminaire peut aussi bien être montée dans l'enceinte du dispositif ou séparément. R B V E N D I C A T I O N S 1 - Dispositif de protection par transformateur différentiel contre les fuites à la terre, comprenant un transformateur diffé- rentiel muni de primaires traversés par le courant de puissance et un interrupteur ou équivalent dont la bobine de déclenchement est alimentée, directement ou non, par le secondaire dudit transformateur différentiel, caractérisé par l'adjonction dhne réactance k noyau saturable, dont l'enroulement est connecté, directement ou non, en série avec un enroulement primaire du dispositif. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit enroulement primaire est celui connecté en série, directement ou non, avec le conducteur de neutre. 3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, carac taris en ce que ladite réactance présente une impédance notable pour les courants inférieure k ou proches du seuil nominal de sen sibilité du dispositif, et est saturée aux valeurs normales de courant de puissance et leur offre une impédance négligeable. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le courant de saturation de ladite réactance ntest pas supérieur aux premiers multiples du courant de seuil nominal de sensibilité du dispositif. 5 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la réactance se sature-substantiellement à des courant proches du seuil nominal de sensibilité du dispositif. 6 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, Ca- ractérisé en ce que l'impédance de ladite réactance pour des cou ranis proches de la saturation est substantiellement plus grande que l'impédance effective de ladite bobine de déclenchement du die- positif. 7 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une impédance de charge préliminaire est con bectée entre le conducteur de ligne du côté charge dudit primaire et le conducteur de neutre du côté charge de ladite réactance. 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite impédance de charge préliminaire est déterminée pour prendre des ampères-tours additionnels depuis un enroulement auquel la réactance n'est pas connectée qui surpassent les ampbreJ- tours d'équilibrage qui seraient induits dans ltenroulement auquel la réactance est connectée lors d'un court circuit à la terre. 9 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite impédance de charge préliminaire est déterminé pour prendre un courant suffisant pour produire le déclenchement du dispositif lors d'une mise à la terre du conducteur de neutre en aval dudit dispositif. 10 - Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, caracté- risé en ce que ladite impédance de charge préliminaire est résistive, ou est inductive, ou est une lampe indicatrice marche-arrEt.