Brevet FR2125224A1 — publié le 19720929

La présente invention a trait à la détection de la fusion des dispositifs de sécurité à fusibles dans les installations électriques. On sait que les cartouches à fusibles sont presQue toujours équipées d'indicateurs (parfois appelés percuteurs) qui lorsque la cartouche a fonctionné, sortent de facon visible hors de celle-ci pour fournir une indication oDtioue du fonctionnement et Dermettre notamment à un opérateur de retrouver sans hesiter sur un tableau, méme très chargé, la cartouche particulière qu'il convient de remplacer. On a perfectionné ce système en associant à l'indicateur ou percuteur un micro-interrupteur approprie. L'opérateur peut alors disposer d'un tableau de contre sur lequel toute cartouche qui a fonctionné est signalée par un voyant, cette signalisation optique pouvant eventuellement s'accompagner d'une alarme sonore. L'inconvénient de ces indicateurs connus est qu'ils obligent normalement à prévoir dans le cors ou les têtes de la cartouche des orifices non étanches par lesquels l'humidité ou les gaz agressifs peuvent accéder à l'intérieur de celle-ci. On a bien imagine de combiner à l'indicateur ou percuteur des systèmes d'étanchéité plus ou moins absolus, mais cela complique évidement la construction. L'invention vise à remédier aux inconvénients qui précèdent et à permettre d'établir un détecteur indépendant de la cartouche elle-même, ou plus généralement du dispositif de protection à fusibles, et qui signale de façon sûre lorsque celui-ci a fonctionné. L'invention est plus particulièrement, quoique non exclusivement, destinée aux systèmes de protection des installations dans lesquelles lorsqu'un dispositif a fonctionné, la tension qui appa- rat à ses bornes peut varier entre un ordre de grandeur de quel- ques centaines de millivolts et quelques milliers de volts, ce qui constitue évidemment un champ extrêmement étendu, posant des pro blènes très particuliers d'appareillage. Le détecteur suivant l'invention comprend essentiellement une source de courant continu dont une borne est reliée à l'une des bornes du dispositif a > fusibles considéré par un conducteur de référen- ce, une forte résistance ou autre genre d'impédance limitatrice reliant l'autre borne de ce dispositif à fusibles à un point de com- paraison pour faire apparattre entre ce point et le conducteur de référence une tension fonction de celle aui règne aux bornes du dispositif à fusibles, un circuit à déclenchement alimenté par la source de courant continu et propre à passer à l'état conducteur lorsque la tension précitée dépasse une limite déterminée, un ota- ne de signalisation alimenté par ce circuit à déclenchement, et des moyens pour dCriver une tension du circuit à déclenchement et pour appliquer cette tension au point de comparaison en vue de naintenir ce circuit à l'état conducteur indépendamment des tensions transmises à ce point à partir de l'une des bornes du dispositif à fusibles. On comprend que lorsque le fusible est intact la tension du point de comparaison par rapport au conducteur de référence, reste trop faible pour amorcer le circuit de déclenchement. Quand le fusible a fonctionné, cette tension s'élève et elle agit sur le circuit à déclenchement qui devient conducteur en mettant en action l'organe de signalisation et en déterminant du mtme coup l'application au point de comparaison d'une tension propre à maintenir le circuit à déclenchement à l'étant conducteur. Dans le cas où le dispositif à fusibles est branché sur une ligne à courant continu, on doit bien entendu faire en sorte que la polarité de la tension qui apparaît aux bornes du dispositif à fusibles soit orientée dans le sens voulu. I1 en va de meme pour une ligne à courant pulsé.Dans le cas d'une ligne à courant alternatif, il est facile de comprendre que la tension du point de comparaison par rapport au conducteur de référence est elle-mee alternative ; dans ce cas l'une des deux alternances agit comme dans le cas du courant continu. Gr ce à la présence de la résistance limitatrice, dès que le circuit à déclenchement est devenu conducteur, ctest la tension qutil applique au point de comparaison qui fixe pratiquement le potentiel relatif de ce point, les courants alternatifs qui traversent la résistance précitée étant trop faibles pour intervenir. Dans une forme d'exécution préférée l'on dispose une diode de Zener ou équivalent entre le point de comparaison et le conducteur de référence pour limiter la tension entre eux lorsque le dispositif à fusibles a fonctionné. Suivant une dissosition narticulièrement simple on -utilise cette diode de Zener pour faire apparattre la tension à appliquer au circuit à déclenchement. A cet effet on ramène la sortie du circuit de déclenchement à la source à courant continu à travers le point de cpmparaison, la diode de Zener et le conducteur de réfé rence. Dans ces conditions le passage dans cette diode du courant d'alimentation de l'organe de signalisation maintien le oint de comparaison à la tension voulue pour que le circuit de déclenchement demeure à l'état conducteur. L'invention vise é@alement l'application de détecteurs du genre sus-décrit à des installations de batteries de convertisseurs à semi-conducteurs dans lesquelles à chaque cellule est associé un dispositif à fusibles. En pareil cas l'on prévoit un détecteur tour chaque dispositif et l'on alimente les détecteurs de tous les dispositifs montée en parallèle dans un même proupe de cellules par une source de courant continu unicue.D'autre Dart on mesure l'énergie électrique prélevée , Dartir de cette source, par exemple par le moyen d'un ampèremètre, de manière à avoir une indica- tion du nombre des dispositifs à fusibles qui se trouvent à l'état ouvert (c'est-à-dire nui ont fonctionné) à un moment déterminé quelconque. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle orésente et les avantages qu'elle est susceDtible de procurer Fi. 1 est un schéma d'un détecteur suivant l'invention suppose associé à un élément fusible unique. Fis. 2 représente une variante. Fig. @ est le schéma de la partie correspondant à une branche commune dans une installation de redressement de courant alternatif par le moyen ae batteries de diodes 3 semi-conducteurs, avec protection individuelle des diodes par des cartouches à fusibles. En fig. 1 l'on a représenté une ligne 1 sur laquelle est insé- ré un dispositif de protection 2 qu'on supposera à fusible unique pour simplifier les explications. L'une des bornes de ce fusible est reliée par un conducteur w au pôle négatif d'une source 4 de courant continu. L'autre borne est reliée de son côté à un point de jonction A par un conducteur 5 sur lequel est insérée une résistance protectrice 6 de forte valeur ohmique. Entre le point A et le conducteur 3 est disposée une diode de enfer 7 orientée en sunno- sant que le noint A est nositif par rapport au conducteur 3. Il est important de noter que la tension de Zener de cette diode est nettement inférieure à la force Glectromotrice de la source 4. Le point A est encore relié par une résistance 8 à un conducteur 9 qui aboutit à la base d'un transistor T1 de type MPN dont l'émetteur est relié au conducteur 3. Entre les conducteurs 9 et 3 sont montés respectivement un condensateur de filtrage 10 et une résistance de réglage 11, laquelle peut éventuellement être prévue à coefficient de tenpcrature natif pour assurer une meilleure stabilité du fonctionnement du transistor. L'émetteur du transistor T1 est relié par un conducteur 12 et une résistance limitatrice 13, à la base d'un second transistor T2 de type rp. L'émetteur de ce transistor est alimenté à partir du ple positif de la source 4 par l'intermédiaire d'un conducteur 14. Enfin le collecteur du transistor T2 est relié au point A à travers une ampoule de signalisation 15. Le fonctionnement est le suivant On supposeratout d'abord que la ligne 1 est parcourue par du courant continu dans le sens indiqué par la flèche. Aussi longtemps que le fusible 2 est intact, la tension qui apparat à ses bornes, c'est-à-dire entre les conducteurs 5 et 3, est de l'ordre d'une faible fraction de volt. Le point A, qu'on peut appeler "point de comparaison", est donc très faiblement positif par rapport au conducteur 3 qui joue le rôle de conducteur de référence, et la Zener 7 n'est pas conductrice. La résistance 11 est rélée de manière que le transistor T1 reste à l'état non conducteur. La polarisation de la base du transistor T2 est donc nulle ou négligeable, de sorte que l'ampoule 15 n'est parcourue par aucun courant appréciable. Si le fusible 2 vient à fonctionner, la tension entre ses deux bornes s'élève à une valeur notable qui, sous l'effet des phénomènes de self-induction, peut me en certains cas arriver à dépas- ser largement la tension de service de l'installation à laquelle appartient la ligne 1. Le point A devient franchement positif par rapport au conducteur 3, ce qui déclenche le transistor T1, lequel conduit. Son courant de collecteur traverse la jonction base-émetteur du transistor T2 cui conduit à son tour, ce qui a pour effet d'allumer l'ampoule 15, la diode de Zener 7 s'amorçant pour permettre le retour vers le conducteur 3 des courants resDectifs de cette ampoule. et de la résistance 5.Cet état déclenché du système est stable, puisque le courant qui traverse l'anDoule maintient le point A à une tension positive (par rapport au conducteur 3) égale à la tension de fonctionnement de la Zener, donc suffisante pour maintenir TI à l'état conducteur indépendamment des faibles courants transmis par la résistance 6. On a donc bien réalisé un dispositif indicateur de fusion qui ne consomme pratiquement rien tant que le fusible surveillé est intact, et qui est capable de donner une indication précise de la fusion de celui-ci aussit8t qu'elle se produit. En donnant à la résistance 6 une valeur suffisante on peut toujours éviter d'im- poser à la Zener 7 une intensité qui, jointe à celle de l'ampoule 15, dépasserait ses possibilités. La ener 7 protège à son tour la base du transistor T1 à l'encontre de toute tension exagérée. Si maintenant on suppose que la ligne 1 conduit du courant alternatif, on comprend que le point de comparaison A présentera par rapport au conducteur de référence une différence de potentiel alternative pratiquement négligeable tant que le fusible 2 sera intact, mais qui au contraire augmentera lorsque celui-ci aura fonctionné. Si à cet instant la différence de potentiel précitée rend le point A négatif par rapport au conducteur 3, la diode de Zener 7 agira à l'instar d'un court-circuit et il ne se passera rien.Par contre la première alternance positive déclenchera le transistor T1, lequel déclenchera à son tour le transistor T2 oui provoquera l'allumage de l'ampoule 15 et l'arrivée au point A d'un courant continu de puissance bien supérieure au faible courant alternatif que laissera passer la résistance 6, et qui ne pourra intervenir pour bloquer le transistor T1 lors des alternances négatives. On sera donc ramené au cas du courant continu. il reste à envisager le cas d'un circuit à redresseurs. En pareil cas le courant qui traverse la ligne 1 est un courant pulsé qui vient alimenter une diode redresseuse appropriée. Si, comme cela est le plus souvent le cas dans les installations du genre en question, il est prévu d'autres diodes en parallèle, la différence de potentiel aux bornes du fusible, quand celui-ci a fonctionné, est relativement faible dans un sens, puisqu'elle corres- pond aux chutes de tension dans les autres diodes, mais elle peut être très élevée dans l'autre si la diode intéressée a claqué ou si son courant inverse est sensible. On pourra suivant les cas agencer le détecteur pour qu'il fonctionne soit pour l'un, soit pour l'autre de ces deux sens, suivant ce qui apparaîtra le plus judicieux. Dans tous les cas le condensateur 10 intervient pour absorber les parasites à front raide qui pourraient provoquer le déclenchement intempestif du transistor T1 sans que le fusible 2 ait fonctionné. On conçoit que le schéma de fig. 1 peut comporter bien des variantes. Tout d'abord ampoule 15 pourrait être montée en tout point de la branche à forte intensité du circuit de déclenchement constitué par les deux transistors T1 et T2, par exemple sur le conducteur 14, ou bien entre le point de comparaison A et le conducteur de référence 3, en amont ou en aval de la diode de Zener 7, étant entendu que dans chacun de ces cas il y aurait lieu de tenir compte de la chute de tension provoquée par l'ampoule, cette chute de tension polarisant l'émetteur de T2, si l'ampoule est insérée sur le conducteur 14, ou venant s'ajouter à la tension de Zener si cette ampoule est branchée entre le point A et le conducteur 3. Une autre variante consisterait à inverser les types des transistors T1 et T2. Il est facile de constater que toutes les explications données ci-dessus resteraient les mimes en inversant simplement le signe de la tension du point A par rapport au conducteur 3 (et bien entendu en inversant également la polarité de la source et l'orientation de la Zener). D'autre part dans la forme d'exécution de fig. 1 la tension de maintien du transistor T1 à l'état conducteur est directement dérivée de la tension qui apparaît aux bornes de la Zener, mais cela n'a rien d'obligatoire et cette tension de maintien pourrait étre obtenue de toute autre manière, comme le montre bien par exemple le schéma de fig. 2. Dans ce schéma le circuit de l'ampoule 15 ne se ferme plus au point A, mais bien sur le conducteur de référence 3 à travers une résistance de charge 16. La tension que cette résistance fait apparaître est transmise au point A par une diode anti-retour 17. Lè schéma reste autrement le même que celui de fig. 1.On comprend que lorsque le circuit à déclenchement T1- T2 est amorcé, la chute de tension provoquée par la résistance 16 est transmise au point A à travers la diode 17 en assurant ainsi le maintien du transistor 1 à l'état conducteur. On conçoit encore qu'on pourrait remplacer l'ensemble des deux transistors T1 et T2 par un thyristor dont la gâchette serait actionnée par la tension qui apparaît au point de comparaison A par rapport au conducteur de référence 3. Cette tension pourrait etre transmise a la gâchette soit de façon directe, soit à travers un transistor interrneaia.re propre à nouer le ralle d'amplificateur. On comprend de plus qu'en certains cas précis l'on pourrait supprimer la Zener 7 dans le schéma de fig. 2 où son seul rle consiste à limiter la tension du point de comparaison A par rapport au conducteur de référence 3 et par conséquent à protéger le transis tor T1. Il est encore à noter que dans le cas de circuits à tension très -lev-e il y a lieu d'agencer la résistance b de manière qu'elle ne puisse donner lieu à des phénomènes d'amorçage. Les moyens à mettre eri oeuvre étant bien connus dans la tecnnique, on n'insiste- ra tas sur cet aspect de la uestion. Fig. 2 montre à titre d'exemple une application de détecteurs suivant l'invention à une batterie de diodes à semi-conducteur jouant le rôle de convertisseurs de courant alternatif en courant continu. On peut supDoser, par exemple, que le montage adopté est celui en toile, bien connu, le point neutre du circuit alternatif triphasé constituant ici le pôle négatif du circuit continu, tandis que les phases sont reliées au pôle positif de ce circuit par l'in termédiaire de batteries de diodes. On a représenté en 1P un conducteur de phase que des diodes 13 relient au conducteur 20 constituant le pôle positif du circuit continu. Entre chaque diode et le conducteur de phase 18 est interposée une cartouche à fusibles 2. A chaque cartouche est associé un détecteur renfermé dans un bot- tier 21. On aperçoit sur chaque bottier l'ampoule 15 destinée à former voyant. De chacun des bottiers 21 partent les deux conducteurs 3 et 5 décrits en référence à fig. 1, le premier (conducteur de référence) allant au conducteur de phase 18 (qu'on peut consice- rer comme correspondant à l'une des bornes de toutes les cartouches 2), tandis que le second aboutit au conducteur qui relie la cartouche 2 considérée à la diode 19 correspondante.Les conducteurs 14, ou conducteurs d'entrée de courant continu, ce tous les bottiers 21 sont reliés à un conducteur commun 22 qui aboutit au pôle positif de la source de courant continu 4 branchée entre ce conducteur 22 et le conducteur de phase 18 ou'on peut considérer comme une liaison commune aux conducteurs de référence 3 de tous les bottiers. Cette source 4 fonctionne à la façon usuelle par redressement de la tension alternative du réseau (bornes 23). Elle comporte l'isolement voulu entre sa partie alternative et sa partie continue. Elle est préférablement stabilisée pour garantir un fonctionnenent absolument rioureux. Un ampèremètre 24 permet de lire l'intensité alternative quelle absorbe. On verra plus loin commuent cet amDèremètre est gradué. En marche nornale aucune ampoule 15 n'est allumée, l'alimentation 4 ne débite aucun courant et par conséquent l'intensité qui traverse l'ampèremètre 24 ne correspond qu'à l'inévitable courant à vide. Dès qu'un fusible a foncticnn, l'ampoule 15 corresDondan- te s'allume, comme décrit en référence à fig. 1, la source 4 débite et par conséquent l'intcnsité cuvelle absorbe sur le réseau augmente, ce qui est décelé nar l'ampèremètre 24. On comprend que lorsque plusieurs fusibles ont fonctionné, l'ampèremètre indique un courant lus intense.Si les ampoules 15 sont soigneusement étalonnées et si la source de courant 4 est bien stabilise, on peut raduer directement l'ampèremètre 24 en nombre de fusibles fondus, en pourcen- tage de diodes hors d'action, etc. L'installation de fi?. 2 permet par conséquent à un surveillant de savoir par exemple à tout instant quel est le nombre de diodes hors service, pour qu'il puisse intervenir lorsque ce nombre dépasse une limite prédéterminée. Grâce aux amDoules 15 il peut immédiatement relever quelles sont les diodes 19 qu'il convient de remplacer avec leurs cartouches 2. L'ampèremètre 24 peut comporter un dispositif de consigne propre à commander un circuit d'alarme ou d'arrêt automatique lorsque le nombre de diodes mises hors d'action dépasse une limite de sécurité déterminée. On conçoit d'autre part que là encore le schéma représenté en fig. 2 ne constitue qutun exemple et peut comporter bien des variantes. Tout d'abord l'ampèremètre 24 pourrait être monté sur le circuit à courant continu de la source 4, ce qui présenterait éventuellement l'davantage qu'il ne serait pas traversé par le courant magnétisant du ou des transformateurs que cette source peut éventuellement comporter, ni Dar le courant absorbé à vide par le système de stabilisation de tension. On conçoit d'autre Dart que dans l'installation représentée les diodes pourraient être inversées, le conducteur 20 étant négatif. En pareil cas il suffirait d'inverser les types des transistors 1 et T2(avec la source 4 et la Zoner 7). On peut encore imaginer que les cartouches 2 soient insérées non entre le conducteur de phase 18 et les diodes 19, mais bien entre ces dernières et le conducteur continu 20. Ce serait alors ce conducteur 20 qui constituerait le retour commun de tous les conducteurs de référence 3 des détecteurs vers la source 4, le fonctionnement restant autrement le même. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et cuvelle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en rempla çant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. R E V E N D I C A T I O N S I - Détecteur de fusion our dispositif de sécurité à fus i- ples, caractérisé en ce qu'il com@ren - une source e courant continu dont une borne est relise à l'une des bornes du dispositif à fusibles considéré par un conducteur de référence - des moyens à forte impédance reliant l'autre borne de ce dispositif à fusibles à un point de comparaison pour faire nappa rattre entre ce point et le conducteur de référence une tension fonction de celle qui règne aux bornes du dispositif à fusibles. - un circuit à déclenchement alimenté par la source de courant continu et propre à passer à ltétat conducteur, lorsque la tension précitée dépasse une limite déterminée ; - et des moyens pour dériver une tension du circuit à déclenchement et pour appliquer cette tension au point de comDaraison en vue de maintenir ce circuit à l'état conducteur indépendamment des tensions transmises à ce point à partir de l'une des bornes du dispositif à fusibles. 2 - Détecteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une diode de Zener ou élément équivalent branché entre le point de comparaison et le conducteur de référence pour limiter la tension entre eux lorsque le dispositif à fusibles a fonctionné. 3 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérise en ce que la sortie du circuit de déclenchement est ramenée à la source de courant continu à travers le point de comparaison, la diode de Zener et le conducteur de référence, de manière que le passage dans cette diode du courant d'alimentation de ltorgane de signali- sation fasse directement apparaître la tension appliquée au point de comparaison pour que le circuit de déclenchement demeure à l'é- tat conducteur. 4 - Détecteur suivant l'une quelconque des revendications 1 3, caractérisé en ce que le circuit à déclenchement comprend un Dremier transistor commandé par la différence de potentiel entre le point de comparaison et le conducteur de référence, et un second transistor de type inverse du premier, commandé par celui-ci, ce second transistor assurant l'alimentation de l'organe de signalisa tion à partir de la source de courant continu. 5 - Détecteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le circuit à déclenchement comprend un thyristor dont la cette est commandée par la tension qui apparait entre le point de comparaison et le conducteur de référence. 6 - Détecteur suivant la reverld-ication 5, caractérisé en ce -util est révu un transistor nour amplifier la différence de poten - iel q apparat entre le point de comparaison et le conducteur de référence, et pour appliquer la tension ainsi amplifiée à la cette du thyristor. 7 - Installation de détecteurs suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, associés à une batterie d'éléments semiconducteurs protégée par des dispositifs à fusibles, caractérisée en ce quelle comporte un détecteur pour chaque dispositif, les détecteurs de tous les dispositifs montés en parallèle dans un me groupe d'éléments étant alimentés par une source de courant continu unique. 8 - Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que les détecteurs sont reliés au conducteur commun à tous les dispositifs à fusibles considérés, ce conducteur étant à son tour relié à la source de courant continu. 9 - Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisée en ce qu'elle comprend un ampèremètre sensible au courant prélevé par les détecteurs à partir de la source de courant continu, cet ampèremètre étant gradué de façon à donner une indication du nombre de détecteurs ayant fonctionne.