Brevet FR2092641A1 — publié le 19720128

, La présente invention est relative à un transformateur de potentiel électronique, destiné notamment à équiper un poste blindé oû règne une atmosphère d'hexafluorure de soufre CSF6) pour assurer l'isolement électrique du poste. Les postes blindés à SF6 sont de volume réduit j les réducteurs de tension 5 classiques, capacitifs ou bobinés, généralement isolés au papier imprégné dans l'huile ont un volume trop grand pour les postes blindés à SF6.. Un but de l'invention est de réaliser un transformateur de potentiel de volume réduit. Il est souhaitable également que le poste blindé et le transformateur aient le 10 même type d'isolement. Un autre but de l'invention est donc de réaliser un transformateur dont les parties placées à l'intérieur du poste sont isolées à l'hexafluorure de soufre. Un autre but de l'invention est de réaliser un transformateur de potentiel pouvant être aisément adapté à tout type de poste blindé ou même classique. 15 L'invention a pour objet un transformateur de potentiel électronique destiné notamment à équiper un poste électrique dans lequel se trouve un conducteur élecr trique porté à haute tension, dans une atmosphère gazeuse isolante, caractérisé par le fait qu'il comprend - un diviseur capacitif ayant un premier et un second condensateurs, ledit premier 20 condensateur étant constitué par une pièce métallique creuse dans laquelle est engagée partiellement une extrémité dudit conducteur, la pièce métallique et ladite extrémité étant maintenues à distance l'une de l'autre, ledit second condensateur étant disposé à l'extérieur du poste et ayant une borne reliée électriquement de manière étanche à ladite pièce, l'autre borne étant reliée à 25 la terre par l'intermédiaire d'un troisième condensateur, - un préamplificateur, dont l'entrée est reliée aux bornes du second condensateur, i comprenant un amplificateur opérationnel, monté en circuit amplificateur à impédance d'entrée élevée présentant une très faible impédance de sortie et muni d'un circuit de contre-réaction permettant de régler le- gain du préamplificateur, 30 - un amplificateur comportant un second amplificateur opérationnel relié à la sortie dudit préamplificateur et associé à un étage de' puissance et - au transformateur de sortie ayant un enroulement primaire relié à la sortie dudit étage de puissance. L'invention sera bien comprise par la description qui va suivre de divers 35modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples nullement limitatifs en référence au dessin ci-annexé dans lequel : - la figure 1 est un schéma global du transformateur électronique de potentiel, - la figure 2 est un schéma d'un mode de réalisation d'un des condensateurs du montage de la figure 1, 40- la figure 3 est un schéma détaillé du préamplificateur. 70 20428 2 2092641 - la figure 4 est un schéma expliquant la variation et la stabilité du gain du préamplificateur, - la figure 5 est un schéma détaillé de l'amplificateur opérationnel dont est muni le préamplificateur, 5 - la figure B est un schéma global du transformateur électronique selon une variante. - la figuré 7 est un circuit de correction de la dérive de l'amplificateur. La figure 1 est un schéma global du transformateur de potentiel électronique salon l'invention. 10 II comprend un diviseur capacitif constitué de trois capacités en série, C1, C2, C3. C1 est la capacité reliée à la haute tension HT. Cette capacité, selon une caractéristique de l'invention, est constituée de deux armatures dont l'une, référencée 41 dans la figure 2, est une barre haute 15 tension du poste blindé 40 et dont l'autre est une pièce métallique 42, entourant l'extrémité de la barre 41, et maintenu à une distance fixe de cette barre par des supports isolants. A l'intérieur du poste règne une atmosphère d'hexafluorure de soufre SFBu Les éléments 41, 42 et le SF6 constituent une capacité C1 de valeur supérieure à 20 10 pF> compte tenu de certaines dimensions géométriques. La forme de la pièce 42 n'est pas impérative. Dans la figure 2, on a représenté un cylindre à fond plat. Dn peut envisager, en variante, une-forme parallélépipé-dique, avec ou sans fond, ou une forme de calotte sphérique> ou un cylindre coaxial à la barre, sans fond. 25 La pièce 42 est reliée au condensateur C2 par une connexion 43 traversant de manière" étanche [l'étanchéité est schématisée par le joint 44] le poste blindé. Le condensateur C2 doit avoir une capacité très stable dans le temps et en fonction de la température. On choisira de préférence un condensateur à diélectrique solide très stable par exemple du polycarbonate ou mime du mica. La valeur 30 de la-capacité C2 sera choisie aisément par l^homme de l'art, en fonction de la haute tension et de la valeur de C1 pour obtenir quelques volts aux bornes de C2. Le condensateur C3 est une capacité de découplage (par exemple au papier ' imprégné à l'huile) pouvant supporter des tensions -transitoires très importantes. Le condensateur C3 est relié à la terre TP qui existe au poste blindé. Le 35 préamplificateur 10 est situé à côté du poste blindé. L'amplificateur 20 est généralement placé à une certaine distance du poste blindé, dans un local distinct. Le préamplificateur"10 et l'amplificateur 20 sont reliés par l'intermédiaire de leur circuit d'alimentation à yne terre locale TM. Le rôle de C3 est d'atténuer l'effet des différences de potentiel transitoires 40 entre la terre TP et la terre TM ; la mesure n'est pas perturbée et les appareils 70-20428 3 2092641 .situés en aval de C2 ne sont pas détruits. A titre d'exemple pour un poste haute tension à 38 100 V efficaces, C1 étant de l'ordre de 10pF, C2 de l'ordre de 0,22 F, C3 sera choisi voisin de 10 microfarads. 5 Aux bornes de C2 est disposé un circuit d'amplification et d'adaptation d'impédance. En effet, la puissance fournie par le pont diviseur C1, C2 est très faible. Or, les applications industrielles nécessitent une puissance de sortie de l'ordre de la centaine de VA..Il est donc nécessaire d'amplifier le signal aux bornes de CZ. 10 Le circuit d'amplification comprend deux parties : un préamplificateur dont l'entrée est connectée aux bornes de C2, servant également d'adaptateur d'impédance suivi d'un amplificateur de puissance. Si on veut que la tension aux bornes de C2 soit une image fidèle de la tension aux bornes de C1, il est nécessaire que l'impédance d'entrée du circuit 15 d'amplification soit élevée (à titre d'exemple, elle doit être supérieure à 10^ ohms, si on veut que le déphasage de la tension de mesure par rapport à la tension primaire soit inférieur à 10 minutes, pour obtenir une classe de précision de l'ensemble du transformateur égale à 1]. On pourrait envisager de réaliser une haute impédance d'entrée par une longue liaison entre C2 et le circuit 20 d'amplification : mais cette liaison ferait antenne et capterait des signaux parasites. C'est pourquoi on choisit de disposer un circuit préamplificateur aux bornes de C2. Ce préamplificateur est placé juste à côté du poste blindé alors que l'amplificateur est placé dans une salle de mesure distincte du poste, parfois 25 très éloignée de ce dernier. Le préamplificateur représenté par le bloc 10 dans la figure 1 comprend essentiellement un amplificateur opérationnel 11, muni d'un circuit de réglage du gain comprenant des résistances R1, RZ et un potentiomètre P et d'un circuit de protection. 30 Le circuit 10 est détaillé dans la figure 3. L'amplificateur opérationnel est relié aux bornes de C2 par l'intermédiaire d'un pont diviseur comprenant les résistances RB et R7, d'un filtre comprenant la résistance R5 et les condensateurs C4 eet C5, et des diodes D1 et D2. Le gain est réglé par le pont comprenant les résistances R1, R2, R3, R'3, 35 R4, R'4 et le potentiomètre P CR'3 est égal à R3 et R'4 égal ààR4J. Ce pont permet de faire en sorte que le rapport du signal v dé sortie du préamplificateur à la tension u aux bornes de C1 soit constante dans le temps et quelle que soit la température et indépendants des tolérances des capacités C1 et C2» En effet, en désignant par R la valeur de la résistance du potentiomètre P, 40 par x et 1-x les parties respectives de part et d'autre du curseur» le pont peut être représenté par le schéma équivalent de la figure 4 comprenant en série 70 20423 2092641 quatre résistances R2, r2, R1, r1, r avec : R4(R3+xR) 1 R4[R3 + [1-x) R) r2 = —————;r— r - R4=R3+xR R4 + R3 - [1-xjR Le gain G de l'amplificateur opérationnel vaut : R4CR3 + xR] R4 + R3 + xR 1 + — R4 R3+[1-xJR R1 + R4 + R3 + [1-xïR soit : „ „ (R3-i-xR) ÎR2+R4] + R2R4 . R4 - R3 * (i-x]R G = 1 + 10 R3+(1-x)R R1+R4 +R1R4 R4 + R3 + xR ou bien l R2 + r2 G = 1 + R1 f ri calculons : dr2 dr2 d(R3 = xR) d[R4 + R3 + xR) 15 r2 r2 R3 + xR R4 + R3 + xR dr2 R4 r2 lR3+xR)(R4+R3+xR) en se limitant à la variation de R. rXdR dr2 = R4xdR _ R4 . 1 . dR r2 (R3+xRJ CR4+R3+xR) R4 + R3 + xR R3 R xR 20 II suffit de choisir R3 et R grands devant R4 pour que toute erreur sur R ou variation de R en fonction de la température ne perturbe pas r2; ainsi si R = 1QR4 et R3 = 2R4 : dr2 1~ • 1 . dR r2 3 + 10x ' 1+_2_ R pour x variant de^o*,! à 0,5, on dr2 variant de 0,083 = 0,089 25 F2 ■ de même par un calcul analogue on obtient : dr1 _ R4 1 . DS r1 R4 + R3 + (1-x]R ' „ R3 R 1 + Tmôr On peut ainsi rendre négligeables les variations de R sur v2 et r1 qui 30 seront pratiquement indépendants des variations de R. Pour obtenir un gain réglable et stable, on peut prendre un potentiomètre de qualité moyenne et l'associer à des résistances R1, R2, R3, R4 très stables, ce qui permet d'obtenir une très bonne résolution, et une stabilité du gain malgré des variations importantes de température. 35 A titre d'exemple P peut être un potentiomètre à piste cermet ayant un -g ■ - - coefficient de température de + 100.10 /°C„ les résistances R1, R2n R3, R4 sont des résistances à couche métallique ayant un coefficient de température de + 15.Uf6/°C ou + 25.10~B/°C. Les résistances R5: et. R6 sont des résistances de protection s la résistance 40 R6 est très faible vis-à-vis de R?, dont le but est de fixer.1'impédance d'entrée 70 20428 5 2092641 du système sensiblement à la valeur R7, C4 et C5 sont des capacités d'antipara-sitage assurant une protection efficace de l'amplificateur contre des ondes transitoires haute fréquence. Les valeurs de C4, C5 et CB sont faibles de manière à ne pas introduire de déphasage néfaste. g Le circuit préamplificateur est protégé par le circuit comprenant les transis tors T1, T2, les diodes D3, D4, D5, D6, D7, D8, les diodes Zener DZ1, et DZ2, les résistances R8 à R 15. Ce circuit joue le rôle de limiteur de tension, à la fois du côté positif et du côté négatif. Il permet enfin de choisir la tension d'écrêtage à la valeur souhaitée j dans une gamme de" tension où il n'existe pas de diode Zener. La tension uQ est une tension continue par exemple 15 volts (tension d'alimentation de 1'amplificateur]. Les amplificateurs opérationnels classiques fournissent en général un courant maximal de 5 mA sous 10V sur une résistance de 2000 ohms. Afin d'obtenir une ,jg puissance supérieure on associé à l'amplificateur opérationnel 11, le circuit représenté dans la figure 5, et comprenant les transistors 108 et 109, montés en s uiveur par l'intermédiaire des résistances 101 à 107 et des diodes D10, D11. Ce circuit, désigné par le terme anglais Booster, permet d'obtenir 50 mA sous 10V, sur une résistance de charge de 200 ohms. 20 Grâce à cela la liaison entre le préamplificateur placé au même endroit que le poste blindé et l'amplificateur situé dans une salle de mesure parfois éloignée du poste blindé, peut être une liaison à impédance relativement basse, dont l'effet d'antenne est réduit. Le signal délivré à l'entrée de l'amplificateur de puissance n'est pas perturbé par 1'environnemnt extérieur. • 25 L'amplificateur, schématisé par le bloc 20 de la figure 1, comprend un am plificateur opérationnel 21 associé à un étage de puissance 22 (par' exemple du type de celui représenté dans la figure 5 mais avec plusieurs transistors de puissance]. La gaîne de l'étage de puissance est fixée par les résistances R3 et R4 qu'on choisira à haute stabilité. 30 A la sortie de l'amplificateur, est disposé un transformateur 30 qui fournit sur son enroulement secondaire 32, une tension analogue à la tension de mesure habituelle obtenue par les diviseurs classiques.■ Ainsi, pour une tension nominale sur l'enroulement primaire 31, de 10V, (correspondant à la tension nominale sur C1), on au secondaire 100/vj3~ volts, 35 avec une puissance de 50 à 100 VA. Le transformateur n'a à supporter qu'un isolement basse tension, donc il pourra être "choisi de faible volume et de poids réduit. Il assure l'isolement entre la terre de l'amplificateur de puissance 30 TM, et la terre des:circuits secondaires, TS. 40 Le dispositif de l'invention est de volume réduit, comme on vient de le voir. 70 20428 B 2092641 En outre, il est d'un prix de revient faible car seuls les éléments C2, R1, R2, R3 et R4 doivent être de qualité (stables dans le temps en fonction des variations de température). L'ensemble constitue une chaine ouverte. Aussi, pour obtenir une classe de 5 précision de 1 pour l'ensemble, on peut avoir : - pour le diviseur capacitif ............. 0,3 - pour l'amplificateur et préamplificateur 0,2 - pour le transformateur 0,5 Pour obtenir une classe de précision de 0,5 on peut avoir : q - pour le diviseur capacitif 0,2 - pour l'amplificateur et préamplificateur ...... 0,1 - pour le transformateur 0,2. □ans ce dernier cas, bien que l'ensemble soit d'un prix de revient compétitif avec les solutions classiques et d'un poids moindre, on doit noter cepen-.jg dant que le transformateur de puissance 50VA et de classe de précision 0,2 est coûteux, lourd et volumineux/ c'est pourquoi, le dispositif peut être complété comme il est montré dans la figure 6. Cette version comporte toujours le diviseur capacitif C1, C2, C3, le préamplificateur 10 et la partie constituée par 1'amplificateur 20 et le transforma-20 teur 30 mais on dispose une boucle de contre réaction. Le transformateur 30 qui délivrera la puissance (50.VA ou 100 VA) _est de classe de précision de 2 par exemple (pour la même puissance le poids du transformateur passe de 35 kg à 4 kg, le prix variant en gros dans les mêmes proportions). Pour constituer la boucle, il faut adjoindre au dispositif un transformateur 2g Tr'2 lequel sera très précis, mais auquel on demandera une puissance très réduite (de l'ordre de 0,2 VA), ce transformateur ne sera pas très coûteux et très volumineux. - - • L'ensemble aura, si R3 et R20 sont des résistances très stables, une classe de précision voisine de celle du transformateur Tr2. 30 Enfin, le montage peut être complété par un circuit de compensation de la dérive de l'amplificateur. L'étage de puissance 30, pilote le transformateur de sortie. Il délivre un courant relativement important (de l'ordre de 5A pour 50 VA et 10 A pour 100 VA). Cet étage pour diverses raisons peut dériver c'est-à-dire qu'il y a en sortie la 35 présence d'une composante continue, alors qu'il n'y en pa point à l'entrée. Afin de ne pas modifier les caractéristiques du transformateur par suite d'un courant continu dû à cette dérive, on peut prévoir un circuit qui aura pour but d'éliminer cette dérive. le Soit Vvj =-'V sin wt le signal à l'entrée de l'amplificateur de puissance et 4Q v^ son signal de sortie. En désignant par G le gain de l'amplificateur de 70 20428 7 2092641 •puissance on a : v~ - - - - G\/ sir. uït 2 11 désignons par v-'q la dérxve, il en résulte que : v2 " " Gv1 + "20 5 Pour éliminer l'effet de v^, il suffit d'appliquer à l'entrée de l'ampli ficateur un-signal : v^-tel que - Gv L,10 20 c'est-à-dire : - v - V10 G 10 Le montage correspondant est représenté dans la figure 7. Il comprend : un amplificateur opérationnel 41 qui, associé à ses réseaux ds réaction (résistances 42 à 44), effectue la différence entre les signaux d'entrée v^et de sortie 2 de l'amplificateur de puissance. Il reçoit en entrée v^ et - Gv^ + = v^, il délivre, en sortie un signal 15 /j V2Q -égal à - vt —(-Gv^ * v2Q) = - Vl - Vl - ^L= - "g"= " V1Q C'est le signal changé de signe qu'il faut appliquer-à l'entrée de l'ampli- 43 1 ficateur 30.Les résistances 42 et 43 sont telles que ^ . C'est pourquoi on dispose un second amplificateur opérationnel 51 fonction-20 nant en inverseur. Le circuit d'entrée et de réaction de 51 comprend des résistances et des capacités ayant les valeurs indiquées dans la figure, ce qui fait que 51 fonctionne également en filtre dont la fréquence de coupure est voisine de 5 à 10 HZ. Son signal de sortie V est appliqué par l'intermédiaire d'une résistance 45 = R3 à l'entrée de l'amplificateur- de puissance. 25 Le transformateur de potentiel électronique de l'invention présente de nom breux avantages. La réalisation de la capacité haute tension est facile. L'isolement est assuré par le SF6. Si la tension primaire est changée, il suffit de modifierCI, le reste étant inchangé. 30 Par rapport au réducteur de tension capacitif classique, ce dispositif délivre une onde parfaitement sinusoïdale même en régime transitoire. Ce dispositif ne présente pas le phénomène d'entretien de sous-harmoniques et sa réponse ne dépend pas des caractéristiques de la charge. Il transmet bien les composantes apériodiques et même mieux que les transformateurs bobinés par suite d'un 35 couplage plus serré entre primaire et secondaire par.suite d'un simple isolement basse tension. Ce dispositif pourra être utilisé tel quel, avec les protections électroniques futures fonctionnant en moins d'une demi-période. Il est possible de contrôler dans le temps les caractéristiques de l'ensem-40 ble sans couper la haute tension. Pour ce faire, il suffit de prévoir sur la 70 20428 a 2052641 b.oîte où sont logés le préamplificateur et les condensateurs C2 et C3, un bouton poussoir permettant de passer sur une position contrôle, et un connecteur par l'intermédiaire duquel on applique à l'entrée de l'amplificateur un signal analogue à celui délivré par le diviseur capacitif. 5 Ce dispositif é'.ite tout transport de puissance dans la filerie de liaisons entre le transformateur et le lieu d'exploitation de l'information délivrée. L'amplificateur de puissance et le transformateur sont localisés à l'endroit même d'utilisation de l'information. La capacité de oécouplage élimine l'effet de différences de potentiel transitoires entre la terre locale du diviseur et la 10 terre locale de l'amplificateur et de son alimentation. La sortie se faisant par transformateur, il n'y a pas de problème non plus du côté utilisation au point de vue terre. En cas d'incident sur la capacité basse tension ou sur la partie électronique la remise en service est pratiquement instantanée par échange standard de 15 l'élément défectueux. Seul le remplacement du préamplificateur demande un réglage simple en prenant un transformateur de potentiel de la même phase pour référence. 70 20428 9 2092641 REVENDICATIONS » 1/- Transformateur de potentiel électronique destiné notamment à équiper un poste électrique blindé dans lequel se trouve un conducteur électrique porté à haute tension dans une atmosphère gazeuse isolante, caractérisé par le fait qu'il comprend : - un diviseur capacitif ayant un premier et un second condensateur, ledit premier condensateur étant constitué par un pièce métallique creuse dans laquelle est engagée partiellement une extrémité dudit conducteur, la pièce métallique et ladite extrémité étant maintenues à distance l'une de l'autre, ledit second condensateur étant disposé à l'extérieur du poste et ayant une borne reliée électriquement de manière étanche à ladite pièce, l'autre borne étant reliée à la terre par l'intermédiaire d'un troisième condensateur, - un circuit préamplificateur dont l'entrée est reliée aux bornes du second condensateur, comprenant un amplificateur opérationnel monté en amplificateur à haute impédance d'entrée, présentant une très faible impédance de sortie et muni d'un circuit de contre-réaction permettant de régler le gain du préamplificateur, - un circuit amplificateur comportant un second amplificateur opérationnel relié à la sortie dudit préamplificateur et associé à un étage de puissance, - un transformateur de sortie ayant un enroulement primaire relié à la sorite dudit étage de puissance, 2/- Transformateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite pièce métallique a la forme d'un cylindre muni d'un fond, disposé coaxialement audit conducteur. 3/- Transformateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite pièce métallique a la forme d'un parallélépipède creux dont une face a été ctée. 4/- Transformateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite pièce métallique a la forme d'une calotte sphérique. 5/- Transformateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de contre réaction du premier amplificateur opérationnel comprend deux résistances de bonne qualité mises en série par l'intermédiaire d'un potentiomètre et dont l'une est reliée à la terre. B/- Transformateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'un circuit de protection à diodes et transistors est connecté à la borne d'entrée du premier amplificateur opérationnel. 7/- Transformateur selon l'une des revendications 1 à B, caractérisé par le fait qu'un circuit de puissance, comprenant deux transistors montés en suiveur, est disposé à la sortie du premier amplificateur opérationnel. S/- Transformateur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait 70 20428 10 2092641 .que le second amplificateur est muni d'un circuit de contre réaction constitué par le primaire d'un second transformateur dont le secondaire est disposé en parallèle sur le secondaire dudit transformateur de sortie. 9/- Transformateur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait 5 que l'amplificateur est muni d'un circuit de correction de dérive comprenant un troisième amplificateur opérationnel monté en additionneur et recevant sur ses entrées la tension d'entrée et la tension de sortie du circuit amplificateur et un quatrième amplificateur opérationnel monté en inverseur dont l'entrée est reliée à la sortie du troisième amplificateur opérationnel et dont la sortie est reliée à 10 l'entrée du second amplificateur opérationnel. 10/- Transformateur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le circuit préamplificateur est disposé au voisinage immédiat du poste. 11/- Transformateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'amplificateur et le transformateur sont situés à l'endroit même 15 de la mesure et de l'utilisation de l'énergie délivrée par le dispositif.