Brevet FR2145438A1 — publié le 19730223

Ta presente invention concerne de façon générale des interrupteurs de courant et des détecteurs de défauts de mise à la masse, et plus précisément un dispositif et un procédé destinés à empecherla mise hors de fonctionnement de ces ensembles au fait d'une mise à la masse par inadvertance du conducteur neutre d'un système de distribution d'énergie. Jusqu'à présent, on a réalisé divers types dtinterrupteurs et de détecteurs de défaut de mise à la masse pour protéger la vie hu maine et les biens contre les chocs électriques et les détériorations résultant du contact entre les conducteurs lors/ mise à la masse dans un système de distribution d'énergie ayant un conducteur neutre mis à la masse au niveau ae l'alimentation. La plupart de ces dispositifs comprennent/transformateur différentiel comportant un noyau magnétique et des bobinages primaires ayant au moins un tour et montés en série avec les conducteurs du système de distribution. "e trans*ormateur aiY*érentiel comprend aussi un bobinage secondaire par exemple relié à un dispositif destiné à indiquer ae façon visi le ble un défaut d'isolement et/ou à interrompre/ passage du courant dans le système de distribution à la suite d'un tel défaut. Dans des conditions normales, l'intensité totale qui passe dans les conducteurs est égale à celle qui passe dans le conducteur neutre, si bien que le flux magnétique dans le noyau du transformateur est nul et e passe pas de courant dans le bobinage secondaire.Lorsqu'il se produit un défaut d'isolement, le courant qui circule dans les conducteurs d'amendiffère de celui qui circule dans le conducteur neutre d'une quantité proportionnelle à l'importance du défaut d'isolement. Cette différence provoque la création d'un flux magnétique non nul dans le noyau du transformateur, d'oU apparition d'un signal d'erreur dans le bobinage secondaire. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique non 213 321 décrit un exemple de dispositif protecteur contre les défauts d'isolement du type décrit. Bien que les dispositifs décrits fonctionnent de façon satisfaisante dans la plupart des cas, ils présentent de sérieux inconvénients lorsqu'il se produit une mise à la masse du conducteur neutre avec une faiblie impédance entre le transformateur différentiel et la charge. Dans les conditions normales, le courant dû au défaut de mise à la masse revient à l'alimentation par l'intermédiaire de la masse, en court-circuitant la partie du conducteur neutre associée au transformateur différentiel. La mise à la masse du conducteur neutre du c8té de la charge du transformateur assure la création d'un autre trajet vers l'alimentation, et il peut se produire un courant de défaut de mise à la masse, une partie de ce courant revenant à l'alimentation par l'intermédiaire du conducteur neutre et du transformateur.Ceci réduit dans une grande mesure la sensibilité du transformateur et il est impossible de prévoir le niveau de l'inten sité du courant de défaut nécessaire pour assurer le déclenchement, l'augmentation de cette intensité du courant de défaut de mise à la masse dépendant de l'impédance placée entre le conducteur neutre et la masse. De plus, la mise à la masse du conducteur neutre des deux cotés du transformateur transforme ce conducteur en bobinage se con- daire en court-circuit, ce qui impose une charge très importante aux conducteurs/restants.Ceci réduit aussi la sensibilité du transformateur et rend difficile la prévision de l'intensitd du courant de défaut d'isolement qui doit provoquer le déclenchement. Jusqu'à présent, on a proposé diverses techniques pour résoudre le problème posé par la mise à la masse du conducteur neutre. Selon une de ces techniques, on place un commutateur d'essai qui simule un défaut de mise à la masse correspondant à l'intensité qu' on veut détecter. Si le système fonctionne convenablement par ailleurs, la mise à la masse d'un conducteur neutre empêche la détection du défaut simulé lorsque le commutateur est fermé. Cette technique présente des inconvénients évidents. Par exemple, elle nécessite qu'on essaie de façon répétée le système et elle n'indique pas si le fait qu'on ne détecte pas de courant simulé de défaut de mise à la masse est dA à la mise à la masse du conducteur neutre. Selon une autre technique connue, on monte en série avec le conducteur neutre une impédance, par exemple une bobine d'induction. Bien que cette technique empêche que le conducteur neutre forme un secondaire en court-circuit, elle présente l'inconvénient important de n'assurer la protection que lorsque le courant de charge existe à une intensité supérieure à une valeur prédéterminée. Selon la technique décrite dans le brevet des Etats-Unis d' Amérique n0 3 506 906, on induit une tension dans le conducteur neutre , et cette tension provoque un déséquilibre dans les conducteurs lorsque le conducteur neutre est à la masse. Un transformateur induit la tension dans le conducteur neutre et a un bobinage secondaire monté en série avec ce conducteur et un bobinage primaire alimenté par le système de distribution. Pour assurer un fonctionnement convenable de la plupart des détecteurs de défaut de mise à la masse, il est nécessaire que cette tension induite soit présente pendant pratiquement la totalité de la motié de chaque cycle du courant d'alimentation. Pour permettre le passage d'une telle énergie, le noyau du transformateur doit avoir une section de l'ordre de 1cm2 s'il est en métal.S'il est en céramique à ferrite, il faut utiliser une section nettement supérieure. Ces noyaux de grande dimension ne donnent pas satisfaction lorsqu'on les utilise dans des dispositifs miniatures de protection contre les défauts de mise à la masse, par exemple dans le cas du disjoncteur et de l'interrup teur de défaut de mise à la masse décrits dans la demande de brevet français NO 7 116 862 déposée le 10 mai 1971 par la Demanderesse. L'invention concerne un dispositif et un procédé destinés à empêcher que le dispositif de protection différentiel contre les défauts de mise à la masse soit rendu inopérant par mise à la masse du conducteur neutre. On constate selon l'invention que dans le cas de la plupart des dispositifs de protection contre les défauts de mise à la masse, il n'était pas réellement nécessaire que la tension induite soit présente de façon continue pendant un demi-cycle entier. Dans de nombreux dispositifs, on constate qu'il est suffisant que la tension induite existe seulement pendant une impulsion unique au cours du demi-cycle. Aussi, on induit selon l'invention dans le conducteur neutre une tension à une fréquence nettement supérieure à celle du courant d'alimentation. Lors de la mise à la masse de ce conducteur, cette tension provoaue le passage d'un courant entraînant le déséquilibre des intensités dans les conducteurs d'alimentation et neutre. Dans un mode de réalisation préféré, la tension induite comprend un train d'împulsions.i'utilisa- tion d'impulsions ou d'autres formes d'ondes à fréquence élevée permet de réduire de façon notable la dimension et le prix des noyaux des transformateurs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressor tiront mieux dans la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure 1 est un schéma de mode de réalisation de système selon l'invention ; et la figure 2 est un schéma synoptique d'un autre mode de réalisation de système selon l'invention. On a représenté les modes de réalisation des figures comme étant associés à un système de distribution d'énergie comprenant plusieurs conducteurs laissant passer un courant alternatif entre une alimentation, placée à gauche sur leMessins,et une charge, placée à droite sur lesssessins.Le système de distribution est d'un type monophasé classique 120/240 volts à trois fils, fonctionnant à une fréquence de 50 hertz. Le système comprend deux conducteurs L1 et B2 d'alimentation et un conducteur neutre N. Ce dernier est mis à la masse au niveau de l'alimentation. Ce système n'est qu'un exemple, mais on peut mettre en oeuvre l'invention avec tout système monophasé ou polyphasé de distribution alternatif et ayant plusieurs conducteurs dont l'un est mis à la masse au niveau de l'alimentation. le système représenté sur la figure 1 comprend un dispositif 10 de détection de défauts de mise à la masse, -monté de façon à contrôler l'intensité du courant dans les conducteurs et à fournir un signal de défaut lorsque le courant total dans les conducteurs St B2 n'est pas égal au courant passant dans le conducteur neutre N. Le signal fourni par le dispositif 10 parvient à un interrupteur 11 de défaut d'isolement qui comprend un dispositif destiné à interrompre le passage du courant dans les conducteurs lorsqu'il existe un déséquilibre. Dans ce mode de réalisation, l'appareil comprend un générateur 12 d'impulsionsmonté de manière à induire une tension pulsée dans le conducteur neutre N. Le dispositif 10 comprend un transformateur différentiel comportant un noyau toroidal 16 dans lequel passe chacun des conducteurs Lî, 12 et N, en formant des bobinages primaires ayant au moins un tour. Un bobinage secondaire 17 comportant plusieurs tours est enroulé sur le noyau 16. Son rôle est de fournir un signal de sortie à l'interrupteur 11. L'interrupteur 11 comprend un dispositif destiné à recevoir des signaux de défaut d'isolement provenant du bobinage 17 et à les transformer de manière à exciter la bobine de déclenchement18 d'un disjoncteur comportant plusieurs contacts 19 reliés au conducteur du circuit de distribution. L'interrupteur li peut être d'un type classique, par exemple comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nd 3 213 321 ou dans les demandes de brevet des Etats Unis d'Amérique nO 18 158 du 10 mars 1970 déposée par Ellwood S. DOUGLAS et Wallace W. WAHLGREN et nO 19 625 du 16 mars 1970, déposée par Ellwood S. DOUGLAS. Dans une variante, si on ne veut pas une interruption automatique du passage du courant, on peut remplacer l'interrupteur par un indicateur de défaut d'isolement, tel que décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 39 056 du 20 mai 1970, déposée par Ellwood S. DOUGLAS et Wallace W. WAHLGREN. Le générateur 12 d'impulsions comprend un commutateur unidirectionnel commandé 21, une résistance de charge 22, un condensateur 23 de minutage et un transformateur 24 de sortie. Le courant continu nécessaire au fonctionnement parvient au générateur par un pont redresseur biphasé comprenant des diodes 26 à 29 montées de manière à recevoir le courant des conducteurs du circuit de distribution. La résistance 22 et le condensateur 23 sont montés en série entre les sorties du pont redresseur. La jonction entre eux est reliée à la première borne 21a du commutateur unidirectionnel commandé. L'autre côté du condensateur est relié à une extrémité du bobinage primaire 31 du transformateur 24. L'autre borne 21b du commutateur 21 est reliée à l'autre extrémité du bobinage 31.Celui-ci/ sur sur sur un noyau toroïdal 32 en matière magnétique.Du fait de la courte période intégrée de passa dsns ge du courant induit par le générateurile transformateur, le noyau 32 peut avoir une section de l'ordre de quelques millimètres carrés. "e transformateur comprend aussi un bobinage secondaire à un seul tour formé par le conducteur neutre et passant dans l'orifice du noyau. Dans une variante, on peut utiliser le cas échéant d'autres types de générateurs d'impulsions au lieu du circuit représenté sur la figure 1. De tels circuits peuvent comprendre un thyristor triode à blocage inverse, une diode à quatre couches, un commutateur uni-ou bilatéral ou un multivibrateur à transistor. De façon analogue, on peut utiliser d'autres alimentations pour remplacer le pont redresseur de la figure 1. Par exemple, on peut prélever directement l'énergie nécessaire au générateur à des alimentations continues qui existent déjà dans la plupart des dispositifs de protection contre les défauts de mise à la masse, et dans certains cas on peut la prélever directement aux lignes alternatives d'alimentation. On va maintenant décrire le fonctionnement et l'utilisation du système représenté sur la figure 1. En l'absence du défaut d'isolement, le courant total passant dans les conducteurs Lui, 12 est égal à l'intensité du courant passant dans le conducteur N. il y a donc un flux magnétique nul qui passe dans le noyau 16, et il n'existe pas de tension induite dans le bobinage 17. Lorsqu'il se produit un défaut de mise à la masse, l'intensité totale dans les conducteurs d'alimentation n'est plus égale à l'intensité dans le conducteur neutre. il se pro duit donc un flux magnétique non nul dans le noyau 16, et il induit un signal de défaut de mise à la masse dans le bobinage 17.L'interrupteur il excité met sous tension la bobine 18 en ouvrant les contacts 19, ce qui interrompt le passage du courant dans le circuit de distribution. le condensateur 23 se charge du fait du passage du courant dans le pont redresseur, par l'intermédiaire de la résistance 22. la tension aux bornes du condensateur s'élève jusqu'à ce qu'elle atteigne la tension d'amorçage du commutateur 21, et celui-ci conduit alors en créant une tension aux bornes du bobinage 31 du transformateur. Le courant dans ce bobinage s'élève progressivement puis chute lors de la déchar- ge du condensateur. le commutateur 21 ne conduit plus et le condensateur 23 recommence à se charger par l'intermédiaire de la résistance 22. le processus recommence tant que les conducteurs du système de distribution sont sous tension. Ainsi, le bobinage 31 reçoit un train continu d'impulsions en tension, et celles-ci induisent des impulsions dans le conducteur neutre qui passent dans le royau 32. Ces impulsions dans le conducteur neutre n'ont pas d'effet sur l'équilibre des intensités dans le système de distribution tant que ce conducteur n'est pas mis à la masse du coté de la charge du transformateur 24.Lorsqu'il se produit une telle mise à la masse, les imbu'suions de tension créent un courant dans le conducteur neutre,tui n'apparait pas dans l'nlnou1'autre des conducteurs de la ligne d'alimentation. le dispositif 10 détecte ce déséquilibre et provoque l'ouverture des contacts 19 en interroripant le passage du courant dans le système de distribution. Le système représenté sur la figure 2 est analogue à celui de la figure 1, pour l'essentiel. Une bobine de réaction 36 remplace cependant le générateur d'impulsions et fournit une tension à fréquence élevée dans le bobinage 31. la bobine peut comprendre un générateur d'm- pulsions du type représenté sur la figure 1. il peut aussi comprendre un oscillateur ou un générateur classique de signaux destinés à fournir une onde d'un certain signe ou une autre forme d'onde répétitive à la fréquence voulue. Ce système diffère aussi de celui de la figure 1 en ce que tous les conducteurs passent maintenant dans le noyau 32 du transformateur 24. le fonctionnement et l'utilisation du système de la figure 2 sont identiques à ceux du système de la figure 1, et la tension produite par la bobine 36 est induite dans les conducteurs Lui, L2 ainsi que N. De cette manière, si l'un des conducteurs d'alimentation est au contact d'un conducteur sous tension non protégé, la tension induite provoque un déséquilibre entre les intensités circulant dans les conducteurs, ce qui provoque l'ouverture des contacts 19. Un tel court-circuit peut se produire par exemple lorsque l'un des conducteurs L1, L2 est au contact de lui-même de part et d'autre du dispositif de protection. la fréquence ou la vitesse de répétition de la bobine 36 et du générateur 12 est telle qu'elle est compatible avec le type de détecteur de défaut de mise à la masse utilisé dans le système. Par exemple, dans le cas d'un interrupteur du type décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique N 3 213 321, la fréquence de la tension induite doit être de l'ordre de cinq fois la fréquence du courant d'alimentation. Avec un circuit d'échantillonnage d'impulsions du type décrit dans la demande de brevét des Etats-Unis d'Amérique N 19 625 précité, il faut que les impulsions dans le conducteur neutre soient synchronisées avec le temps d'échantillonnage. Dans le cas du système à mise en mémoire de flux, tel que décrit dans le demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N 18 158 précité, les impulsions de tension induites dans le conducteur neutre doivent se produire légèrement avant les impulsions d'échantillonnage. Ainsi, des impulsions dans le conducteur neutre peuvent avoir la même fréquence que les impulsions d'échantillonna- ge, tout en étant légèrement déphasées.Dans une variante; les impulsions dans le conducteur neutre peuvent avoir une fréquence nettement supérieure à celle des impulsions d'échantillonnage, si bien qu' une impulsion au moins dans le conducteur neutre tombe dans chaque in tervallé compris entre deux impulsions d'échantillonnage. On a décrit jusqu'à présent le procédé de l'invention à propos de 'deux modes de réalisation préférés du système destinés à sa mise en oeuvre. On peut résumer ce procédé en disant qu'on crée une tension alternative à une fréquence supérieure à celle du courant d'alimentation et on utilise cette tension pour induire une tension dans le conducteur neutre du système de distribution, de manière qu'il circule un certain courant dans ce conducteur lors d'une mise à la masse. Ce cou rant provoque un déséquilibre des courants qui circulent dans les divers conducteurs du système de distribution. Un détecteur de défaut de mise à la masse détecte ce déséquilibre et l'indique ou interrompt le passage du courant. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Dispositif protecteur destiné à être associé à un système de distribution d'énergie comportant un conducteur neutre et au moins un conducteur d'alimentation dans lequel circule un courant entre une source d'alimentation et une charge, le conducteur neutre étant mis à la masse au niveau de la source d'alimentation, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif détecteur de défaut d'isolement monté de manière à contrôler l'intensité du courant dans les conducteurs et à fournir un signal de défaut lorsque le courant total dans les conducteurs d'alimentation n'est pas égal au courant passant dans le conducteur neutre, et un dispositif à bobine de réaction associé au conducteur neutre et destiné à fournir un courant à haute fréquence à ce conducteur lorsqu'il est mis à la masse ailleurs qu'au niveau de ladite source d'alimentation, le courant à haute fréquence provoquant un déséquilibre des intensités dans les conducteurs d'alimentation et neutre, en provoquant la création par le dispositif de détection d'un signal de défaut. 2. Dispositif selon la revendication1, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif associé et destiné à interrompre le passage du courant dans les conducteurs d'alimentation et neutre lors de l'exis- tance d'un signal de défaut. 3. Dispositif selon la revendication t, caractérisé en ce que le dispositif à bobine de réaction comprend un générateur d'impulsions associé au conducteur neutre par l'intermédiaire d'un transformateur. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le générateur comprend un élément de commutation à semiconducteur. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le transformateur comprend un noyau toroidal en matière magnétique, un bobinage primaire formant au moins un tour sur le noyau et relié à la sortie du générateur d'impulsions, et un bobinage secondaire formant au moins un tour et monté en série avec le conducteur neutre. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé'en ce que le dispositif à bobine dé réaction fournit aussi un courant à haute fréquence à l'un des conducteurs d'alimentation lors du contact de ce conducteur avec un conducteur non protégé. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif à bobine de réaction comprend un transformateur ayant plusieurs bobinages secondaires d'un tour au moins, montés en série avec les conducteurs d'alimentation et neutre. 8. Dispositif de protection contre les défauts de mise à la masse, du type comprenant un dispositif de détection de défaut dtiso- lement, destiné à contrôler le passage de courant dans des conducteurs d'alimentation et neutre reliant une source et une charge, le conducteur neutre étant relié à la masse au niveau de la source de l'alimentation, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur d'impulsions destiné à fournir des impulsions de tension à une fréquence supérieure à celle du courant de ladite source, et un transformateur ayant un bobinage primaire destiné à recevoir le signal de sortie du générateur et un bobinage secondaire d'un tour au moins, monté en série avec le conducteur neutre et destiné à induire les impulsions de tension dans ledit conducteur neutre, ces impulsions créant un courant dans ce conducteur lors de sa mise à la masse, en provoquant un déséquilibre des intensités des courants qui circulent dans les conducteurs d'alimentation et neutre. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le générateur d'impulsions comprend un commutateur unidirectionnel commandé et un condensateur de minutage destiné à commander l'amorçage dudit commutateur. 10. Procédé destiné à empêcher qu'un dispositif différentiel de protection contre les défauts de mise à la masse devienne inopérant du fait de la mise à la masse du ceté de la charge, du conducteur neutre d'un système de distribution d'énergie dont le conducteur neutre est normalement mis à la masse du côté de la source d'alimentation, caractérisé en ce qu'on crée une tension à l'aide d'une bobine de réaction à une fréquence supérieure à celle du courant du système de distribution, et on l'utilise pour induire dans le conducteur neutre une tension, de manière que, lors de la mise à la masse du conducteur neutre, il circule dans celui-ci un courant provoquant un déséquilibre dans des intensités des courants ss es conducteurs du système de distribution, en provoquant la mise en action du dispositif de protection contre les défauts de mise à la masse. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on induit une tension,à l'aide de la tension de la bobine de réaction, dans les. autres conducteurs du système de distribution de manière à empêcher que le dispositif de protection ne devienne inopérant lors du contact de l'un de ces autres conducteurs avec un/conducteur non protégé.