Brevet FR2036941A1 — publié le 19701231

L'invention concerne un relais de protection différentielle, c'est-à-dire un relais destiné à actionner un appareil de coupure disposé sur une ligne d'alimentation en courant alternatif lorsque les appareils alimentés par la ligne présentent un défaut d'isolement par rapport à la terre. De tels relais sont utilisés en particulier pour la protection contre les risques d'électrocution par contact direct ou indirect avec un conducteur actif de la ligne, par exemple dans les installations de chantier On connait des relais de protection différentielle comportant un transformateur homopolaire disposé- sur la ligne à protéger et débitant un signal fonction du courant homopolaire dans un circuit à accumulation. L'énergie accumulée est envoyée sur un circuit à seuil agissant sur un circuit interrupteur placé en série avec une bobine de déclenchement. Le seuil de déclenchement aux relais étant très'faible (30 mA pour la protection contre l'électrocution), on a pensé à utiliser un circuit doubleur de tension pour augmenter le niveau du signal de défaut. Mais la présence des condensateurs constituant ce circuit augmente notablement le temps de réponse de l'appareil. Or, on exige souvent un temps de réponse global de 30 ms. Le temps de réponse de l'appareil de coupure et de sa bobine de commande est de l'ordre de 20 ms. I1 ne reste alors que 10 ms, soit une demi-période en 50 Hz pour le circuit de détection, ce qui ne peut être obtenu avec un circuit doubleur de tension. On voit qu'il faut que le circuit de détection agisse à la première alternance du courant de défaut dépassant le seuil. En outre, il faut que l'appareil ne soit pas détérioré lorsqu'il se produit des courants de défaut très élevés, par exemple dans le cas d'un défaut franc phase-terre. L'invention a pour objet un relais de protection différentielle à faible temps de réponse, agissant à la première-alternance du courant de défaut et protégé contre les courants de défauts élevés. I1 est notamment remarquable par le fait que le circuit interrupteur est constitué par un premier transistor dont la base reçoit le signal provenant du circuit à seuil et dont la jonction collecteur émetteur est mise en série avec la bobine par l'intermédiaire de la jonction émetteur-base d'un deuxième transformateur de type opposé dont le collecteur est relié à la base du premier. Selon une autre caractéristique de l'invention, le signal provenant du transformateur homopolaire est envoyé sur le primaire d'un transformateur dont le secondaire débite dans un pont redresseur deux alternances dont le signal continu est envoyé sur le circuit à seuil. L'invention est décrite en détail ci-après en se référant au dessin ci-annexé dans lequel les figures 1 à 4 représentent différents modes de réalisation de l'invention. On voit sur les figures une ligne 1 alimentant un appareil 1. Un transformateur différentiel 3 dont le primaire est constitué par l'ensemble des conducteurs actifs de la ligne comporte un enroulement secondaire 4 qui fournit un courant proportionnel au courant homopolaire de la ligne. L'enroulement secondaire 4 débite dans une résistance variable, réalisée par exemple au moyen d'un potentiomètre 5 et sur laquelle sont branchés en parallèle deux diodes 6 et 7 disposés tête bêche. Une des bornes de la résistance variable 5 est reliée à la borne négative de l'alimentation et l'autre à la base d'un transistor 8 par l'intermédiaire d'un condensateur 9. La base du transistor 8 est reliée à la borne négative de l'alimentation par l'intermédiaire d'une résistance 11, d'une résistance variable 12 et d'un condensateur en série 13 ; l'émetteur du transistor 8 est relié directement à la borne négative et son collecteur à la borne positive de l'alimentation par l'intermédiaire d'une résistance 14 d'une part et à la base d'un deuxième transistor 15 d'autre part. Le collecteur de ce dernier est relié à la borne positive par l'intermédiaire d'une résistance 16, et son émetteur est relié à la borne négative par une résistance 17 d'une part et à la borne commune aux résistances Il et 12 par l'intermédiaire d'une résistance 18 d'autre part. Le collecteur du transistor 15 est également relié par l'intermédiaire d'un condensateur 19 au primaire d'un transformateur 21 dont la deuxième borne est reliée à la borne négative. Le secondaire de ce transformateur débite dans un pont de redresseurs 22 dont la borne continue négative est branchée sur la borne négative et la borne continue positive sur la base d'un transistor 23 par l'intermédiair d'une diode Zener 24. La base de ce transistor 24 est connectée à la borne négative par l'intermédiaire d'une résistance 25 et d'un condensateur 26 en parallèle. Son émetteur est réuni directement à la borne négative et son collect-eur est réuni à la base d'un transistor 27 dont le collecteur est relié à la base du transistor 24. Un condensateur 28 et une diode 29 sont mis chacun en parallèle sur la jonction émetteur-base du transistor-27, l'anode de la diode étant reliée à l'émetteur. En outre, ce dernier est relié à la borne négative au moyen d'un condensateur 31. Dans la figure 1, la bobine 32 d'un relais est branchée entre la borne positive et l'émetteur du transistor. Des contacts de ce relais sont disposés dans le circuit d'alimentation de la bobine 33 d'un appareil de coupure 34 disposé sur la ligne 1 en amont de l'appareil Dans les relais représentés sur les figures 2 et 3, la bobine 33 de la figure 1 est supprimée et remplacée par une résistance 35 et l'émetteur du transistor 27 est relié par l'intermédiaire d'une résistance 40 à la base d'un transistor 36 dont l'émetteur est connecté directement à la borne négative et le collecteur connecté à une bobin 37 reliée par ailleurs à la borne positive. Dans la réalisation représentée par la figure 2, les contacts de la bobine 37 commandent une bobine 38 actionnant l'appareil de coupure 34. Dans la réalisation représentée par la figure 3, c'est la bobine 37 qui actionne directement l'appareil de coupure 34. Le relais représenté figure 4 est analogue à celui de la figure mais il comporte en outre un circuit de temporisation inseré entre lc sortie positive du pont redresseur et la diode Zener 23. Il est cons titué par une résistance série 39, de préférence variable, et un con densateur en parallèle 41. Par ailleurs deux des diodes constituant le pont 22 sont des diodes Zener. Ces diodes sont les deux diodes reliées à la même borne:ducôté alternatif du pont, à savoir les diodes 42 et 43 comme représenté ou les diodes 44 et 45. Le fonctionnnement des relais qui viennent d'être décrits est le suivant L'enroulement secondaire 4 du transformateur homopolaire 3 fouri un courant fonction du courant homopolaire à la résistance 5 qui est réglée pour ajuster la tension recueillie à ses bornes et obtenir une caractéristique de détection linéaire. Les deux diodes 6 et 7 écrêtent le signal dans le cas de courants de défaut élevés et protègent ainsi le relais. Le signal recueilli aux bornes de la résistance 5 est amplifié par un amplificateur de type connu constitué par les éléments 8 à 17 et dont le gain est réglable linéairement au moyen de la résistai" variable 12. Le signal obtenu est alors envoyé sur le primaire du transformateur 21 et dont le secondaire est isolé galvaniquement par rapport à la source d'alimentation en courant continu de l'amplificateur. La tension secondaire est redressée en double alternance et envoyée sur la diode Zener 23 constituant le circuit à seuil. L'interposition du transformateur 21 permet de redresser les deux alternances du signal homopolaire tout en reliant le pôle négatif du pont de redresseurs au pôle négatif de la source d'alimentation. Les deux résistances 5 et 12 sont ajustées de façon que lorsque le courant homopolaire atteint la valeur désirée, le signal fourni par le redresseur 22 atteint la tension de déclenchement de la diode Zener. Celle-ci est alors débloquée et un courant circule dans la jonction base-émetteur du transistor 24 qui devient conducteur, ce qui entraine la conduction du transistor 27. L'ensemble devient alors plus conducteur et présente une caractéristique à résistance négative analogue à celle d'une diode Shockley, mais dont le courant de fuite est beaucoup plus faible et la tension de basculement est réglable. Lorsque le circuit interrupteur a basculé, la bobine 32 est alimentée, ses contacts mettant la bobine 33 de l'appareil de coupure 34 sous ou hors tension selon qu'il s'agit d'un appareil de coupure à émission ou à manque de tension. On voit quela présence du transformateur permet d'obtenir un fonctionnement à la premiers alternance du courant de défaut. Par ailleurs, la constante de temps du circuit interrupteur étant très faible, on obtient un temps de réponse de l'ensemble au plus égal à 10 ms. c'est-à-dire une demi-période en 50 Hz. La diode 29 sert à compenser en température le circuit interrupteur. En effet, les deux transistors se compensent pratiquement à une diode près. Si l'on choisit une diode Zener 23 à faible coefficient df température, l'ensemble est à peu près parfaitement compensé en température, le gain des transistors n'ayant pas d'influence. Les condensateurs 26, 28 et 31 qui sont choisis de faible capacité court-circuitent le circuit interrupteur pour les fréquences élevées du signal d'entrée et le rendent insensible aux parasites du secteur. Cet antiparasitage est nécessaire car on a constaté que, si le circuit interrupteur n'est pas antiparasité, la manoeuvre d'appareils de coupure en aval du transformateur 34 peut entraîner un déclenchement intempestif du relais. Le relais représenté figures 2 et 3 est analogue à celui de la figure 1, mais la bobine 32 est remplacée par une résistance de charge 35 et le circuit interrupteur commande un transistor 36 en série avec une bobine à manque de tension 37. Le transistor 36 est normalement saturé et la bobine 37 est alimentée. Lorsque le circuit interrupteur bascule, le transistor 36 se bloque et la bobine 37 n'est plus alimentée. Cette dernière peut constituer la bobine d'un appareil de coupure à manque de tension (figure 3) ou commander par un contact repos la bobine 38 d'un appareil de coupure à émission (figure 2). Cette disposition permet d'obtenir une sécurité positive en effet la disparition de la tension d'alimentation entraîne automatiquement le fonctionnement de l'appareil de coupure. Le relais représenté figure 4 comporte un circuit de temporisation de type connu constitué par la résistance 39 et le condensateur 41. Le réglage du retard est obtenu en faisant varier la résistance 39. Pour obtenir une temporisation constante quel que soit le niveau du signal de défaut, celui-ci est écrêté à une valeur légèrement supérieure à celle du seuil de la diode Zener 23. Cet écrêtage est obtenu par exemple au moyen de deux diodes Zener 42 et 43 du pont redresseur 22. La somme des seuils de ces dernières est légèrement supérieure à celui de la diode Zener 23. On peut par exemple choisir 9 V pour la diode 23 et 6 V pour chacune des diodes 42 et 43. Cet écrêtage peut également être obtenu du côté alternatif au moyen d'un circuit écrêteur alternatif, tel qu'un circuit constitué de deux diodes Zener tête bêche et disposé par exemple en parallèle sur le pont 22 du côté alternatif. Cette temporisation à temps constant permet--d'obtenir en particulier une sélectivité dans un réseau comportant plusieurs relais de protection différentielle en série. Les avantages présentés par le relais selon l'invention sont les suivants - très bonne stabilité en température, du fait de la diode 29 et du faible coefficient de température de la diode Zener 23. - une bonne précision de son seuil de déclenchement grâce à la diode Zener 23. - un faible temps de réponse, inférieur ou égal à la demipériode, grâce au circuit interrupteur et au transformateur 21 permettant le fonctionnement a la première alternance du courant de défaut. - insensibilité aux parasites du secteur. - protection de l'ensemble contre les courants de défaut élevés. - temporisation réglable à temps constant, indépendante du niveau du signal de défaut. La description ci-dessus n'a été fournie qu'à titre d'exemples nullement limitatifs et il est évident que l'on peut y apporter des modifications ou variantes sans sortir du cadre de la présente invention. Ainsi, la ligne représentée est monophasée, mais il est évident que le relais peut être utilisé sur des réseaux polyphasés. Par ailleurs, on peut remplacer certains éléments par des éléments équivalents ; on peut utiliser par exemple d'autres circuits à seuil qu'une diode Zener. REVENDICATIONS 1/ - Relais de protection différentielle comportant un transformateur homopolaire disposé sur la ligne à protéger et dont le signal de sortie est envoyé sur un circuit à seuil agissant sur un circuit interrupteur commandant une bobine électromagnétique actionnant un appareil de coupure, remarquable par le fait que le circuit interrupteur est constitué par un premier transistor dont la base reçoit le signal provenant du circuit à seuil et dont la jonction collecteurémetteur est mise en série avec la bobine par l'intermédiaire de la jonction émetteur-base d'un deuxième transistor de type opposé dont le collecteur est relié à la base du premier. 2/ - Relais de protection différentielle selon la revendication 1, remarquable par le fait qu'une diode est branchée entre la base et l'émetteur du deuxième transistor. 3/ - Relais de protection différentielle selon la revendication 1, remarquable par le fait qu'un condensateur est branché entre la base et l'émetteur de chacun des deux transistors. 4/ - Relais de protection différentielle selon la revendication 1, remarquable par le fait qu'un condensateur est branché en parallèle sur l'ensemble du circuit interrupteur. 5/ Relais de protection différentielle selon la revendication 1, remarquable par le fait que le circuit à seuil est constitué par une diode Zener. 6/ - Relais de protection différentielle selon la revendication 1, remarquable par le fait que le signal provenant du transformateur homopolaire est envoyé sur le primaire d'un transformateur dont le secondaire débite dans un pont redresseur à deux alternances dont le signal continu est envoyé sur le circuit à seuil. 7/ - Relais de protection différentielle selon la revendication 1, remarquable par le fait que le signal du transformateur homopolaire est amplifié au moyen d'un amplificateur à gain réglable. 8/ - Relais de protection différentielle selon la revendication 1, remarquable par le fait que deux diodes disposées tête bêche sont branchées en parallèle sur le secondaire du transformateur homopolaire 9/ - Relais de protection différentielle selon la revendication 1, remarquable par ie fait qu'une résistance variable est branchée en parallèle sur le secondaire du transformateur homopolaire. 10/ - Relais de protection différentieile selon la revendication 1, remarquable par le fait que le circuit interrupteur commande un transistor en série avec une bobine à manque de tension. 11/ - Relais de protection différentielle selon la revendication 10, remarquable par le fait que ladite bobine à manque de tension commande directement l'appareil de coupure. 12/ - Relais de protection différentielle selon la revendication 1, remarquable par le fait qu t un circuit de temporisation est branché en amont du circuit à seuil. 13/ - Relais de protection différentielle selon les revendications 6 et 12, remarquable par le fait que le signal de défaut est écrêté au moyen de deux diodes Zener remplaçant deux diodes du pont redresseur. 14/ - Relais de protection différentielle selon les revendications 6 et 12, remarquable par le fait que le signal de défaut est écrêté au moyen d'un circuit écrêteur alternatif disposé en amont du pont redresseur. 15/ - Relais de protection différentielle selon la revendication 14, remarquable par le fait que ledit écrêteur est constitué par deux diodes Zener tête bêche en série.