Brevet FR2156163A1 — publié le 19730525

la présente invention concerne les disjoncteurs de fuites à la terre. Une difficulté rencontrée avec les disjoncteurs de fuites à la terre connus est qu'ils ne fonctionnent pas toujours de façon suffisamment rapide ou sum samment fiable dans le cas d'un défaut de fuites à la terre. L'invention crée un disjoncteur de fuites à la terre portant des bornes d'entrée, des bornes de sortie, un dispositif de contact pour établir ou couper la connexion entre les bornes d'entrée et de sortie respectives lorsque le disjoncteur est respectivement à l'état de marche et d'arret, une bobine de déclenchement, une armature de déclenchement associée magnétiquement à la bobine de déclenchement, un dispositif pour exciter la bobine de déclenchement dans le cas d'un défaut de fuites à la terre, si bien que l'armature de déclenchement est déplacée par le champ magnétique de la bobine de déclenchement et ladite connexion est coupée, et un dispositif à l'état de marche créant un champ magnétique additionnel qui agit sur 1' armature de déclenchement pour compenser le Jeu mécanique éventuel du mécanis- me de déclenchement, Un disjoncteur de fuites à la terre selon l'invention va maintenant être décrit à titre d'exemple en regard des figures annexées dans lesquelles La fig. 1 représente le circuit électrique du disjoncteur raccordé à un appareil consommant de l'énergie. Les fig. 2 et 3 montrent schématiquement une partie du disjoncteur dans ses deux états de fonctionnement, La fig. 4 représente une autre forme d'une partie du circuit électrique de la fig. 1, Les fig. 5 et 6 représentent des modifications du circuit de la fig. 1. L'invention concerne particulièrement les caractéristiques de protection des fuites à la terre du disjoncteur et bien qu'un disjoncteur tel que dui décrit ci-après puisse également comporter des caractéritiques de protection contre les surcharges et les échauffements, celles-ci ne sont pas décrites. Comme le montre la fig. 1, le disjoncteur comporte les bornes d'entrée principales 1 èt 2 auxquelles sont raccordé lors de l'utilisation les conducteurs d'entrée. Par exemple, dans le cas d'un système en 240 volts, les bornes 7 et 2 sont raccordées respectivement aux conducteurs d'entrée neutre et de phase. Dans le cas d'un système en 110 volts fourni par un transformateur ayant un enroulement secondaire avec un point mu divan raccordé à la terre, les bornes d'entrée 1 et 2 sont raccordées respectivement à deux conducteurs de phase d'entrée raccordés eux-mêmes aux deux extrémités de l'enroulement secondaire. Dans la présente description, on suppose que l'on utilise le disjonc- teur avec un système en 240 volts, et par conséquent les bornes d'entrée 1 et 2 sont raccordées au conducteur neutre (N) et au conducteur de phase (P). Le disjoncteur comporte également une borne à la terre principale 3 qui, lors de l'utilisation, est normalement raccordée à la terre, une borne de sortie 4 du cadre qui est raccordée au cadre du disjoncteur et les bornes de sortie 5 et 6 auxquelles, lors de l'utilisation, les conducteurs neutre et de phase sont respectivement raccordés. Des contacts mobiles 7 et 8 sont placés respectivement entre les bornes 7 et 5 et 2 et 6. Lors de l'utilisation, l'4nergie est apportée à un dispositif consommant de l'énergie 9 raccordé aux bornes 5 et 6 et dans le cas d'un défaut des fuites à la terre, les contacts mobiles 7 et 8 s'ouvrent, ce qui coupe l'alimentation de l'appareil 9. Une borne du cadre 10 de l'appareil 9 est raccordée à la borne 4. Dans un autre mode de réalisation, le contact mobile 7 est remplacé par une connexion fixe. Entre les bornes 5 et 6 sont raccordées en série, une bobine de préexcitation 11 de 160 ohms et une résistance 12 de 8,1 kilo bhis. On voit que lorsque les contacts mobiles 7 et 8 sont ferme; la bobine de préexcitation Il est excitée en permanence et la résistance 12 a pour but de réduire la tension à travers la bobine 11, si bien que la bobine Il peut comporter moins de spires et par conséquent être plus petite qu'elle ne le serait autrement A c8té de la bobine de préexcitation, se trouve une bobine de déclenchement 13 de 160 ohms dont les bornes sont raccordées aux bornes 3 et 4. La nature et le fonctionnement de la bobine de déclenchement 13 correspondent à ceux d'une bobine de déclenchement normale d'un disjoncteur. Un condensateur 14 de 450 volts et 2 microfarads est raccordé entre les bornes 3 et 5 et une résistance 15 de 100 ohms est raccordée entre les bornes 4 et 5. L'enroulement de travail 16 d'un relais électromagnétique 17 de 50-60 ohms est raccordé entre les bornes 3 et 4 et l'armature 18 du relais relie en pont une paire de contacts fixes normalement fermés 19 et 20 lorsque l'enroulement de travail 16 est désexcité. Les contacts 19 et 20 sont placés dans un trajet situé entre les bornes 4 ct 6 par l'intermédiaire d'un contact mobile ?1 normalement ouvert, des contacts 20 et 19 et d'une résistance 22 de 500 ohms. Un autre trajet entre les bornes 4 et 6 comporte une résistance 23 de 3.000 ohms. Le contact mobile 21 est associé au levier 24 du disjoncteur. Lorsque le levier 24 est en position d'arrêt les contacts mobiles 7 et 8 sont ouverts et le contact mobile 21 est ouvert lorsque le levier 24 est en position intermédiaire les contacts mobiles 7 et 8 sont fermés et le contact mobile 21 est ouvert et lorsque le levier 24 est en position verrouillée de marche, les contacts mobiles 7, 8 et 21 sont fermés. La bobine de préexcitation 17 et la bobine de déclenchement 13 sont enroulées ensemble, si bien qu'elles entourent toutes deux le trajet du déplacement d'une armature de déclenchement 25. Ces éléments sont représentés plus en détail par les fig 2 et 3 décrites ci-après et il est plus pratique actuellement de poursuivre la description enregard de la fig. 1. Si l'on suppose que les conducteurs d'entrée neutre et de phase sont raccordés aux bornes d'entrée 1 et 2, que les contacts 7 et 8 sont ouverts et que le levier 24 est en position d'arrêt les contacts 19 et 20 sont fermés et le contact mobile 21 ouvert le mouvement du levier 24 en position intermédiaire ferme les contacts 7 et 8, Si bien que l'énergie est apportée à l'appareil 9 et le courant peut s'écouler de la borne 6 par la résistance 23, la borne 4 et l'enroulement de travail 16 du relais 17 vers la borne 3. le courant traversant l'enroulement de travail 16 excite le relais 17, si bien que les contacts 19 et 20 s'ouvrent. lorsque le levier 24 poursuit son mouvement dans la position de marche, le contact mobile 21 se ferme. Les paramètres sont choisis de telle sorte que, s(il se produit une fuite de courant 9 la terre, l'enrnulemént de travail 16 du relais 17 soit désexcité provoquant la fermeture des contacts 19 et 20. Ceci crée un trajet de la borne 6 par la résistance 22, les contacts 19 et 20 et le contact mobile 21 vers la borne 4 Dans ce cas, la bobine de déclenchement 13 est raccordée en série dans un trajet à faible résistance entre la borne 6 et la borne 3, si bien qu'une tension importante est appliquée à la bobine de déclenchement 13 en provoquant le déplacement de l'armature de déclenchement 25, Si bien que le disjoncteur est déclenché.Il convient de noter à cet égard que si la connexion de la borne 3 à la terre n'a pas été établie ou a été coupée, le disjoncteur est quand même déclenché par suite de la présence du condensateur +,4 fournissant un trajet entre la borne 3 et la borne 5. Les paramètres sont égalementtels que dans la condition de marche du disjoncteur où la tension d'entrée normale est appliquée aux bornes d'entrée 1 et 2, la tension à travers la bobine de pré-excitation 11 est telle qu'elle ne provoque qu'un faible mouvement initial de l'armature de déclenchement 25, ce mouvement n'étant pas suffisant pour déclencher le disjoncteur. Cependant, Si on applique aux bornes 1 et 2 une tension supérieure à la tension normale, le champ magnétique créé par la bobine de préexcitation Il est tel qu'il entraîne de façon plus importante la bobine de déclenchement 25 dans l'enroulement Il de préexcitation provoquant le déclenchement du disjoncteur. Comme précédemment décrit, l'excitation de la bobine de déclenchement 13 provoque le déclenchement du disjoncteur. Ceci est expliqué plus en détail par les fig. 2 et 3 qui vont maintenant être décrites. La bobine Il de préexcitation et la bobine de déclenchement 13 sont montées dans un cadre 26 comportant un bras 27 portant un levier mobile 28 qui fonctionne en association avec l'armature de déclenchement 25. L'armature 25 est constituée d'un corps cylindrique 29 qui est mobile dans le sens de l'axe dans une ouverture cylindrique 30 traversant la bobine 11 de préexcitation et la bobine de déclenchement 13. Un épaulement 31 est fixé à l'extrémité supérieure du corps 29 et un ressort hélicoïdal 32 entoure le corps 29 entre l'épaulement 31 et le cadre 26. Un bras 33 portant un arrêt 34 à son extrémité extérieure- prolonge l'épaulement 31 à travers une ouverture du levier 28. Près de l'extrémité du levier 28 éloigné du bras 27 se trouve une ouverture 35 à c8té de laquelle se trouve une butée 36 qui fonctionne en association avec un prolongement d'un levier pivotant 38. Le levier 38 pivote autour d'un axe 39 monté dans un bras 40 porté par le cadre 26. Un ressort hélicoïdal fonctionnant en association avec le levier 38 entoure l'axe 39 et porte des extrémités 41 qui repoussent le levier 38 dans la direction de la flèche 42 de la fig. 3. La fig. 2 montre la position relative des éléments lorsque la bobine Il de préexcitation est désexcitée, tandis que la fig. montre la position des éléments lorsque la bobine de préexcitation 11 est normalement excitée. Dans ce cas, l'armature de déclenchement 25 est ramenée dans l'ouverture 30 en amenant la butée 34 contre le levier 28. En d'autres termes, le Jeu mécanique du système est rattrapé, mais le prolongement 37 repose encore contre la butée 36 et le levier 38 ne peut se déplacer dans la direction de la flèche 42. Cependant, s'il se produit un défaut tel que la bobine de pré excitation Il exerce une force magnétique plus importante sur l'armature 25 ou tel que la bobine de déclenchement 13 soit excitée, l'armature de déclenchement 25 est attirée plus profondément dans l'ouverture 30 et le levier 28 est tiré vers le bas.Ceci permet au prolongement 37 de se déplacer vers la gauche comme le montre la fig. 3 et le levier 38 peut alors se déplacer dans la direction de la flèche 42 eous l'action des extrémités 41 du ressort hélicoïdal entourant l'axe 39, ce qui déclenche le disjoncteur et ouvre les contacts 7 et 8 de la fig. 1. Comme la bobine de préexcitation Il a rattrapé le Jeu mécanique du système, le déclenchement se réalise de façon très rapide et efficace en partie du fait que l'armature de déclenchement 25 se déplace sur une distance plus petite et en partie parce que le corps 29 est déjà à une certaine distance dans l'ouverture 30 et par conséquent est plus proche de la région où le champ magnétique est maximal. Comme le montre la fig. 1, il convient de souligner que bien que le jeu mécanique du système soit rattrapé par l'action de la bobine 11 de préexcitation, il est nécessaire d'exciter la bobine de déclenchement 13 pour que l'enroulement de travail 16 du relais 17 soit tout d'abord désexcité. On peut donc choisir les paramètres de telle sorte que ceci ne se produise pas pour des valeurs faibles du courant de fuites à la terre, et ceci présente l'avantage que bien que le disjoncteur ne se déclenche pas pour des valeurs faibles du courant de fuites à la terre, toute fuite de valeur suffisante désexcite l'enroulement 16 de travail du relais 17, si bien que le disjoncteur répond extrêmement rapidement. il convient également de noter que Si les conducteurs neutre et de phase d'entrée sont raccordés respectivement par erreur aux bornes 2 et 1, le disjoncteur se déclenche De plus, il convient de noter que les résistances 15 et 23 sont nécessaires au fonctionnement du disjoncteur. Comme ces résistances sont raccordées entre les bornes 5 et 4 et 4 et 6, ceci apporte une autre possibilité d'améliorer la sécurité d'un système électrique qui va être décrite en regard de la fig. 4. Cette figure montre un appareil 9 qui, dans ce cas, est un moteur électrique ayant un enroulement de travail 43, des fils d'alimen- tation 44, 45 ét 46 6pkrs de l'utilisation sont destinés à être raccordés respectivement aux bornes 5, 4 et 6 d'un disjoncteur comme illustré par la fig. 1. La caractéristique particulière de cet agencement est que, dans ce cas, les résistances 15 et 23 ne sont pas disposées dans le disjoncteur lui-même, mais dans l'appareil 9. Donc, le disjoncteur ne peut être mis dans la position de marche sans que l'appareil 9 soit raccordé, c'est-à- dire que l'énergie électrique ne peut être apportée par le disjoncteur à une sortie d'énergie si un appareil 9 comportant les résistances 15 et 23 n'est pas raccordé à cette sortie. De plus, Si l'une quelconque des lignes disposées entre les bornes 5, 4 et 6 du disjoncteur (fig. 1) et les résistances 15 et 23 est coupée, le disjoncteur se déclenche immédiatement. Comme le montre la fig. 1, une difficulté qu'on rencontre avec les disjoncteurs connus est que Si 1&commat; appareil 9 tombe dans l'eau, les résistances, au moins dans le cas de l'eau pure, entre le fil de phase, le fil neutre et le fil de cadre raccordés respectivement aux bornes 6, 5 et 4 peuvent rester suffisamment élevées pour que le disjoncteur ne se déclenche pas. La fig. 5 montre comment on peut modifier le disjoncteur de l'invention pour résoudre ce problème. ns ce cas, un enroulement de travail 47 d'un elais 48 est raccordé entre les bornes 4 et 5, l'armature 49 reliant en pont les contacts 50 et 51 normalement ouverts placés dans un trajet à faible résistance entre la borne 6 et la borne 4.Donc, ni une résistance élevée apparaît entre le fil de phase, le fil neutre et le fil du cadre raccordés à un appareil, un courant circule en excitant l'enroulement de travail 47 du relais 48 dont l'armature 49 ferme les contacts 50 et 51, appliquant ainsi une tension à la bobine de déclenchement 13 (fig. 1) du disjoncteur, comme il a été précédemment décrit. Comme le montre la fig. 6, on peut prévoir un dispositif de contrôle constitué d'un commutateur manuel 52 normalement ouvert monté en série avec une résistance avipropriée 53 entre la borne 6 et la borne 4. En fermant le comlutateur 52, on applique une tension à la bobine de déclenchement 13 ( fig.1) et par conséquent, Si elle fonctionne normalement, le disjoncteur se déclenche. On peut bien entendu réaliser diverses autres modifications sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, en se référant à la fig. 1, on voit que bien qu'on ait décrit la bobine de préexcitation Il et la bobine de déclenchement 13 comme étant des bobines séparées, elles peuvent en pratique constituer une bobine unique avec une prise intermédiaire. fle plus, la bobine de préexcitation Il et la bobine de déclenchement 13 peuvent être montées côte à côte auquel cas l'armature 25 est fourchue et comporte deux corps 29 qui pénètrent respectivement dans les deux bobines 11 et 13. D'une autre façon, on peut réaliser deux portions de corps 29 alignées selon l'axe, les deux portions de corps 29 étant réunies par une tige de laiton qui les écarte. La disposition est telle que comme le montre la fig. 2, la portion supérieure 29 du corps pénétrant juste dans la bobine de préexcitation 17 ( comme représenté) et la portion inférieure du corps 29 (non représentée) pénétrant juste dans la bobine de déclenchement 13. Egalenent, bien qu'on ait décrit des relais électro-magnétiques 17 (fig. 1) et 48 (fig. 5) qui ferment les contacts respectivement lorsqu'ils sont désexcités ou excités, on peut utiliser d'autres formes de dispositifs électriques capables de couper ou d'établir un trajet de courant, telles que par exemple des redresseurs commandés à semi-conducteurs. BEVE~,ICATIONS 1 - Disjolleteur de fuites à la terre, caractérisé en ce qu'il est constitué de bornes d'entrée, de bornes de sortie d'un dispositif de contact pour établir et rompre une connexion entre les bornes d'entrée et de sortie lorsque le disjoncteur est respectivement en position de marche et d'arrêt, d'une bobine de déclenchement, d'une armature de déclenchement associée manétiquement à la bobine de déclenchement, d'un dispositif pour exciter la bobine de déclenchement lorsqu'il se produit un défaut de fuites à la terre, si bien que l'armature de déclenchement est déplacée par le champ magnétique de la bobine de déClenchement et ladite connexion est rompue, et d'un dispositif dans la position de marche pour créer un champ magnétique addi- tionnel qui agit sur-l'armature de déclenchement pour rattrapper le jeu mécanique éventuel du mcanisme de déclenchement. 2 - Disjoncteur suivant la revendication i, caractérisé en ce que le dispositif pour créer un champ magnétique additionnel est constitué d'une bobine de préexcitation qui est associée magnétiquement à l'armature de déclenchement et qui, lorsque le disjoncteur est en position de marche,est excitée en permanence. 3 - Disjoncteur suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé encre qu'il comporte lne première et une seconde borne de sortie de ligne et une borne de sortie du cadre, en ce que la bobine préexcitée est raccordée dans un trajet entre la première et la seconde borne de ligne de sortie et en ce que qu'une résistance est raccordée en série avec la bobine de préexcitation dans ledit trajet. 4 - Disjoncteur vivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la bobine de déclenchement et la bobine de préexcitation sont bobinées ensemble en entourant le trajet de déplacement de l'armature de déclenchement. 5 - Disjoncteur suivant l'une des revendications 1 à 4, cara térisé en ce qu'il comporte une première et une seconde borne de sortie de ligne, une borne de sortie du cadre et une borne > la terre et un dispositif de commutation pour raccorder la bobIne de déclenchement dans un trajet entre la première borne de sortie de ligne et la borne à la terre, dans le cas d'un défaut de fuitesà la terre. 6 - Disjoncteur suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif de commutation est un repais électroma nétique dont ltelroulement de travail est raccordé entre la borne de sortie du cadre et la borne à la terre,ce relais ayant une armature qui, lorsque l'enroulemert de travail est désexcité dtablit une connexion dans un trajet entre la première borne de sortie de line et la borne de sortie du cadre par l'intermédiaire d'un contact mobile qui est associé au levier du disjoncteur et qui n'est fermé que lorsque le disjoncteur est en position verrouillée de marche. 7 - Disjoncteur suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'enroulement de travail est maintenu normalement désexcité par un courant passant par une première résistance raccordée entre ls première borne de sortie de l ne et la borne de sortie du cadre et en ce qu'une seconde résistance est raccordée entre la borne de sortie ds cadre et la seconde borne de sortie de ligne. 8 - Disjoncteur suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la première et la seconde résistance, sont disposées dans un appareil qu'on utilise avec le disjoncteur, Si bicn oue l'on ne peut mettre le disjoncteur en position de marche si l'appareil n'est pas raccordé à la première et à la seconde borne de sortie de ligne et à la borne de sortie êi cadre. 9 - Disåoncteur suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de commutation placé dans un trajet entre la seconde borne de sortie de ligne et la borne de sortie du cadre, ce dispositif de commutation provoquant l'applicatio d'une tension à la bobine de déclenchement lorsqu'il se produit une résistance élevée entre la première et la seconde borne de sortie de ligne ou la borne du cadre. 10 - Disjoncteur suivant l'une des revendication 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de commutation manuel pour exercer une tension de contre à la bobine de déclenchement.