Brevet FR2161752A1 — publié le 19730713

La présente invention concerne la détection des défauts à la terre dans les lignes de distribution d'énergie électrique, et plus particulièrement au niveau des différents départs à moyenne tension des postes de transformation haute tension/moyenne tension. De tels postes comprennent en général un transformateur dont les enroulement primaires sont reliés à ltarrivée d'une ligne haute tension (HT), et dont les enroulements secondaires sont reliés à un Jeu de barres dtoù partent en général plusieurs li gnes à moyenne tension (MT). Lors de l'apparition d'un défaut à la terre sur l'une des lignes MT, il suffit dans la majorité des cas de déclencher pendant un temps très bref l'un ou plusieurs des disjoncteurs de tete prévus entre le Jeu de barres et chacun des départs MT, ou de faire intervenir un disjoncteur shunt approprié pour éliminer le défaut. Arin de limiter au maximum les perturbations de la distribution électrique qui résultent de l'apparition du défaut et de 1' application des procédures propres à l'éliminer, il convient de le localiser le plus rapidement possible pour n'avoir d intervenir que sur la ligne à moyenne tension qui en est affectée. Jusque présent, on faisait appel à cet effet à des relais électromagnétiques à seuil, mais l'augmentation de la capacité des lignes MT, due en particulier à l'utilisation croissante des â- bles souterrains, a obligé les exploitants à relever le seuil dl intervention de ces relais de détection pour lui conférer des valeurs qui tendent de ce fait à notre plus compatibles avec un fonctionnement satisfaisant. La présente invention a pour objet un procédé et un dispositir qui sont exempts de ces inconvénients et qui permettent une détection et une localisation sûres, précises et rapides des défauts à la terre par comparaison de phase entre les intensités homopolaires traversant respectivement les départs MT et le neutre du secondaire MT alimentant les départs. A cet effet, des créneaux de tension sont obtenus à partir de ces intensités respectives pour permettre la comparaison du passage par zéro des courants sinusoIdaux des départs avec une plage temporelle encadrant le passage par zéro correspondant du courant traversant le neutre. De préférence, la plage temporelle précitée est définie par deux constantes de temps choisies en fonction des caractéristiques nominales du réseau (impédance du neutre, capacité, niveau de bruit...). Avantageusement, il est prdvu des moyens de détection d'amplitude propres à tenir compte du niveau de bruit du réseau en ne permettant à la comparaison de phase précitée d'avoir lieu que pour des courants suffisamment importants. Pour fixer les idées, le seuil d'intensitd correspondant est de l'ordre de 0,5 A lorsque le courant maximum admissible dans le neutre du secondaire du transformateur HT/MT est de 300 A. Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront à la lecture de la description donnée ci-après en référence aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 représente schématiquement la partie NT d'un poste HT/MT pour illustrer le principe de l'invention ; la figure 2 est le schéma fonctionnel d'un dispositif de détection par comparaison de phase selon l'invention ; les figures 3, 4 et 5 représentent les schémas respectifs d'un filtre, d'un amplificateur-conformateur et d'un temporisateur susceptibles d'entre mis en oeuvre dans le dispositif de la figure 2; la figure 6 illustre le profil des signaux de fonctionnement engendrés à différents niveaux du dispositif de la figure 3. Sur la figure 1, on a schématisé un poste HT/ME à deux départs triphasés 1 et 2 dont les trois conducteurs sont respectivement reliés à un Jeu de barres 3 luimeAme relié aux trois enroulements secondaires 4a, 4b et 4c (schématisés sous forme de généra teurs de forces électromotrices alternatives el, e2, e3 convenablement déphasées entre elles) à moyenne tension du transformateur HT/MT. Le point commun de ces trois enroulements secondaires est relié à la terre par l'intermédiaire d'une impédance ZN, qui peut être ohmique pure ou réactive. Aux bornes du départ 2 figurent des capacités C2 représentant la capacité de chaque conducteur de la ligne MT correspondante par rapport au sol, tandis que des capacités homologues C1 figurent aux bornes du départ 1, sur l'une des phases duquel une résistance R schématise un défaut à la terre. Le courant homopolaire traversant l'ensemble des trois conducteurs de chaque départ peut tre mesuré à l'aide de transformateurs d'intensité classiques schématisés en 6. Le procédé selon l'invention repose sur le fait que lorsqu'un défaut à la terre apparat sur l'un des départs, le courant homopolaire total correspondant à ce départ est en avance de phase par rapport au courant ion traversant l'impédance commune du neutre. On montrerait en effet facilement que lorsqu'un départ est chargé par des impédance purement capacitives, cosse schéma- tisé par les condensateurs C2 au départ 2, le courant total i02 qui le traverse est soit en quadrature retard par rapport à ion, lorsque zN st une résistance pure,~soit en phase avec ion, lorsque ZN est une réactance pure.Comme d'autre part i on est vectoriellement la soiie des aourants homopolaires traversant chacun des départs NT du poste, on voit donc que le courant iOl traversant le départ défectueux 1 est donc nécessairement en avance de phase sur ion. Si le poste HT/MT comporte plusieurs départs affectées d'un défaut à la terre, le courant homopolaire total traversant l'un au moins d'entre eux est en avance de phase sur le courant ion traversant le neutre. Il surfit donc de détecter une telle avance de phase affectant l'un des départs, d'éliminer les défauts cor- respondants, puis de rechercher si un autre départ présente une telle avance, et ainsi de suite jusqu'à élimination de tous les défauts. La figure 2 illustre un dispositif de détection de défaut par comparaison de phase selon l'invention. Ce dispositif comprend une première channe 10 de traitement des signaux recueillis par un transformateur d'intensité ll constitué d'un tore entourant les trois conducteurs de phase d'un départ 12 à moyenne tension ; les signaux ainsi obtenus sont appliqués à L'entre 13 d'un filtre 14 destiné à rejeter l'harmonique 3 de la fréquence du réseau. Les signaux ainsi débarrassés de l'harmonique 3 (et des harmoniques de rang plus élevé) sont amplifiés dans un amplificateur convenable 15 qui attaque un conformateur 16 destiné à fournir des signaux rectangulaires de même fréquence que les signaux sensiblement sinusoSdaux disponibles à son entrée. Par exemple, pour un signal d'entrée tel que celui illustré en 16a sur la figure 6, le conformateur 16 peut par exemple passer à l'état excité k chaque passage par zéro par valeurs dUcroissan- tes et se bloquer à chaque passage par zéro par valeurs croissantes du signal 16a, corme illustré par le profil rectangulaire 16b de la figure 6. Le dispositif comprend une seconde chaîne 20 destinée à traiter un signal d'entrée proportionnel à l'intensité homopolaire traversant le conducteur neutre 22 reliant le point caemun des trois enroulements secondaires (non représentés) du transformateur HT/MT à la terre par l'intermédiaire d'une impédance ZN telle que celle du schéma de la figure 1. A cet effet, le signal fourni par un transformateur d'intensité 21 entourant le conducteur 22 est appliqué à un filtre 24 attaquant un amplificateur 25 dont le signal de sortie est mis en forme puis temporisé par des circuits respectivement schématisés en 26 et 27. Le filtre 24, l'amplif i- cateur 25 et le conformateur 26 ont les mêmes fonctions que le filtre 14, l'amplificateur 15 et le conformateur 16 de la channe 10. Les signaux disponibles respectivement à l'entrée et à la sortie du conformateur 26 présentent sensiblement la forme illustrée par les profils 26a et 26b de la figure 6, où l'on peut remarquer que le signal 16a issu du départ 12 est en retard de phase sur le signal 26a provenant du conducteur neutre 22, ce qui illustre le cas où le départ concerné ne présente pas de défaut à la terre. Le circuit temporisateur 27 est destiné à fournir un front montant en retard d'une première constante de temps tl par rapport au front montant du signal 26b et un front descendant en retard d'une seconde constante de temps t2, par rapport au front descendant du signal 26b, comme illustré par le profil 27a de la figure 6, qui est donc formé de créneaux positifs définissant une fenêtre temporelle dont les bornes sont situées de part et d'autre de l'instant de passage par zéro par valeurs décroissantes du signal 26a. Les signaux issus du temporisateur 27 et du conformateur 16 sont appliqués aux deux entrées d'une porte NAND 30 suivie d'un intégrateur 31 dont la sortie 32 constitue la sortie du dispositif et peut par exemple commander un système d'élimination de défaut associé au départ 12 concerné. Lorsque le départ 12 ne présente pas de défaut à la terre, le signal 16a traité par la channe 10 présente au moins un certain retard de phase par rapport au signal 26a fourni par le neutre et traité par la channe 20. Dans ces conditions, le front montant du signal 16b, correspondant au passage par zéro par valeurs décroissantes du signal 16a, est ultérieur au retour à zéro du signal 27a. Par conséquent, la porte NAND 30 reste dans son état haut comme illustré en 30a sur la figure 6. L'intégrateur 31 est conçu pour ne délivrer aucun signal à sa sortie 32 lorsque la porte 30 reste dans son état haut (logique négative). On pourrait cependant obtenir un circuit équivalent à celui formé par la porte 30 et l'intégrateur 31 etaisant appel à une porte ET ainsi qu'un intégrateur adapté à fournir un signal lorsque cette porte ET est passante (logique positive). Si par contre, comme illustré par les profils 16'a et 26'a, le signal issu du départ 12 est en avance de phase sur le signal issu du neutre 22, on obtient à la sortie du conformateur 16 un signal 16'b (figure 6) dont le front de montée (passage par zéro par valeurs décroissantes du signal 16'a est situé entre les fronts de montée et de descente consécutifs du signal 27'a élaboré par la chatne 20 à partir du signal 26'a ; il existe donc un intervalle de temps pendant lequel les deux entrées de la porte NAND 30 sont simultanément passantes, et, comme illustré par le profil 30'a de la figure 6, celle-ci se bloque pendant la durée correspondante pour exciter llintdgrateur 31, qui fournit dans ces conditions un signal de sortie positir 32'a qui signale l'existence du défaut à la terre affectant le départ 11, pour agir sur un organe indicateur et/ou des moyens d'élimination de défaut appropriés. Les conditions de détection de défaut du dispositif ci-dessus décrit dépendent essentiellement des constantes de temps t1 et t2 déterminant la fenêtre temporelle définie par le signal de sortie du temporisateur 27. Cette fenêtre correspond à une plage de phase dont le cadrage optimal par rapport à l'instant de passage par zéro par valeurs décroissantes du courant homopolaire dans le neutre doit tenir compte des caractéristiques propres à la ligne moyenne tension associée à chaque départ et des constantes de temps ou déphasages introduits par les divers composants des chatnes de traitement 10 et 20. I1 va de soithue le dispositif peut comporter un nombre de chatnes 10 égal au nombre de départs MT reliés au secondaire du transformateur Mr/HT du poste. Dans ces conditions, les diverses chatnes 10 prévues pourraient par exemple travailler en multiplexage, les conformateurs 16 associés aux différents départs étant séquentiellement commutés sur l'entrée correspondante d'une porte ET 30 commune, à l'aide d'un programme de surveillance cyclique. Les filtres tels que 14 et 24 sont destinés à rejeter les signaux dont la fréquence est un multiple entier du triple de la fréquence du réseau. D'une façon générale, cette élimination est rendue nécessaire par le fait que la tension recueillie sur les tores de mesure tels que 11 et ?l (figure 2) est proportionnelle à la dérivée des courants primaires ce qui multiplie l'amplitude des harmoniques par un faoteur proportionnel à leur rang, ltharmonique 3 étant naturellement la plus gênante. Les filtres utilisés doivent en outre posséder une fonction de transfert indépendante de la tension appliquée à leur entrée, ce qui exclut l'utilisation d'éléments saturables tels que les selfs à fer. La figure 3 illustre un exemple de réalisation de filtre satisfaisant aux conditions ci-dessus. Le filtre de la figure 3 est du type à résistances-capacités. Entre ses bornes d'entrée 40, 41 et ses bornes de sortie 42, 43 sont disposés deux circuits en T en parallèle suivis de deux circuits en r en série. Un premier circuit en T est formé de condensateurs 44 et 45 et de la résistance 46, tandis que le second aircuitjen T, monté en parallèle sur le premier, est formé de résistances série 47 et 48 et du condensateur parallèle 49. A la sortie 50 de oe double T sont montds en cascade un premier circuit en r formé d'une résistance série 51 et d'un condensateur parallèle 52, et un second circuit en r formé d'une résistance 53 et d'un condensateur 54. Les éléments de ce filtre doivent de préférence être calculés de telle manière que la fréquence de réfection maximale soit celle de l'harmonique 3 de la fréquence du réseau (150 HZ pour un r*- seau à 50 HZ), que l'impédance d'entrée du filtre soit grande par rapport à celle du tore relié à son entrée, et que son impédance de sortie soit faible par rapport à l'impédance d'entrée de l'amplificateur qui lui est relié. la figure 4 illustre de façon détaillée un mode de réalisation de l'amplificateur 15 et du conformateur 16 du dispositif de la figure 2. La section d'amplification fait appel à un amplificateur opérationnel du type P 501 A commercialisé par ANALCG- DEVICES, qui travaille à gain fixe et est relié à la sortie d'un filtre tel que celui de la figure 3 par un circuit limiteur formé de deux résistances série 60 et 61 dont le point milieu est relié à la masse par-deux diodes limitatrices 63 et 64 montées tête bêche.La sortie 65 de l'amplificateur opérationnel 62 attaque le circuit conformateur 16 qui fait appel à un amplificateur différentiel 66 dont l'entrée inverse est reliée à la sortie 65 par une résistance de protection 67, tandis que son entrée directe 68 est soumise à une tension fixe réglable par un potentiomètre 69, afin de faire coTncider le basculement du circuit avec les passages à zéro de son signal d'entrée. L'amplificateur a seuil 66 est du type MC 1533 commercialisé par MOTOROLA, et les signaux convenablement conformés sont disponibles à sa sortie 70. L'amplificateur 25 et le conformateur 26 de la chatne 20 du dispositif de la figure 2 peuvent être similaires à eeux oi-dessus décrits. la chatne 20 comporte en outre un temporisateur 27 dont la fonction a déjà été décrite, et dont la figure 5 illustre un mode de réalisation préféré. Le temporisateur illustré par la figure 5 est destiné à fournir à sa sortie 80 un signal tel que celui dont le profil est ichématis en 27a sur la figure 6 lorsque son entrée 81 reçoit un signal rectangulaire tel que celui schématisme en 26b. A cet effet, l'entrée 81 est reliée par l'intermédiaire d'un circuit 82 à double constante de temps et d'une résistance 83 à l'entrée inverse 84 d t un amplificateur différentiel 85 dont l'entrée directe est couplée k la sortie 80 par un circuit de réaction formé par les résistances 87 et 88. L'amplificateur différentiel 85 peut être par exemple un amplificateur opérationnel du type MC 1533 précédemment cité. Le circuit 82 fait intervenir deux constantes de temps tl et t2. La constante tl, correspondant à la temporisation du front de montée des créneaux d'entrée fait intervenir la résistance 89 et le condensateur 90, tandis que la constante t2 correspondant à la temporisation du front de descente fait intervenir les résistances 89 et 91 et le condensateur 90 une diode 92 disposée en série avec la résistance 91 permettant aux deux circuits résis tance-capacité ainsi définis d'intervenir l'un à la montée et l'autre à la descente. Le fonctionnement du temporisateur de la figure 5 est le suivant : au repos l'entrée 81 est à -12 V et la sortie 80 à +12 V; lorsqu'une tension positive apparatt en 81, le condensateur 90 se charge au travers de la résistance 89, la diode 92 étant bloquée. Au bout d'un temps t1 déterminé par les valeurs respectives de la capacité 90 et de la résistance 89, le potentiel de l'entrée inver se 84 devient supérieur à celui de l'entrée directe 86, lequel, de par un choix approprié des valeurs des résistances 87 et 88, est voisin de zéro ; 11amplifiáteur opérationnel 85 bascule donc > et sa sortie passe à -12 volts, le circuit de réaction 87, 88 ayant pour effet de raidir le front de descente correspondant. Lorsque l'entrée 81 revient à -12 volts, le condensateur 90 se décharge au travers des résistances 89 et 91 car la diode 92 devient conductrice. La valeur de la résistance 91 est choisie telle, compte tenu des valeurs données au condensateur 90 et à la résistance 89, que le potentiel de 1 t entrés inverse 84 rede- vienne inférieur à celui de l'entrée directe 86 au bout du temps t2 convenable, le temporisateur revenant alors à un état initial. Avantageusement, le dispositif de détection de défauts à la terre ci-dessus décrit peut être associé par des eircuits logiques appropriés à des moyens propres à détecter des défauts d'un autre type pour agir sur des organes d ' élimination de défauts communs, tels que des disjoncteurs de départ ou des disjoncteurs shunt. En particulier, le dispositif ci-dessus décrit, qui traite pour chaque départ un signal global sans opérer de discrimination entre chacun des conducteurs de phase de ce départ, peut être associé à des moyens de détection associés à chaque conducteur de phase du ou des départs concernés. Le dispositif de détection de défauts à la terre peut en outre être avantageusement conçu de manière à ce qu'un minimum de ses organes reste en fonctionnement en permanence, et que la d*- tection d'un défaut à la terre déclenche la mise sous tension de tous les appareils annexes du système global de détection et d'élimination de défauts auxquels le dispositif est incorporé. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la détection de défauts à la terre de l'un ou de plusieurs départs de lignes de transport d'énergie électrique polyphasées alimentées par un transformateur dont les enroulements secondaires comportent un point commun relié à la terre par un conducteur neutre présentant une certaine impédance, caract4- risé en ce qu'il consiste à mesurer la différencie algébrique de phase entre le courant homopolaire total traversant les conducteurs de phase dudit départ et le courant traversant ledit conducteur neutre, et à déclencher des moyens de signalisation et/ou d'élimination de défaut lorsque ladite différence de phase est comprise dans une plage prédéterminée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le déclenchement desdits moyens de signalisation et/ou d'élimination de défaut est en outre assorti à la condition que le courant traversant le conducteur neutre soit supérieur à un seuil prEdé- terminé en fonction du niveau de bruit du réseau. 3. Procédé pour la détection et l'élimination des défauts à la terre selon l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, carao- trois en ce outil consiste à mesurer successivement selon un cycle prédéterminé, la différence algébrique de phase précitée correspondant k chacun des départs jusqu'8 ce que, le cas échéant, la mesure obtenue pour l'un des départs soit comprise dans la plage précitée, à déclencher des moyens d'élimination de défaut associés audit départ, puis à poursuivre le cycle de mesure. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une première chatne de traitement propre à éla- borer un premier signal logique temporellement représentatif d'un passage périodique par une première valeur prédéterminée de ltin- tension homopolaire totale traversant l'un des départs précités, une seconde channe de traitement propre à élaborer un second signal logique définissant une plage temporelle périodique dont les bornes occupent des positions temporelles respectives prédéterminées par rapport à l'instant de passage.périodique par une seconde valeur prédéterminée de l'intensité traversant le conducteur neutre précité et des moyens logiques propres à comparer lesdits premier et second signaux logiques pour déclencher des moyens de signalisation et/ou d'élimination de défaut lorsque l'instant de passage périodique par ladite première valeur prédéterminée est compris entre les bornes de ladite plage temporelle. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites première et seconde chatnes de traitement comportent chacune un conformateur propre à fournir un signal de sortie sensiblement rectangulaire dont les fronts raides coSncident sensiblement avec les passages respectifs pour la valeur zéro du courant homopolaire total précité et du courant traversant le conducteur neutre et en ce que ladite seconde chatne comprend en outre un temporisateur à double constante de temps adapté à répondre avec des retards de durée différente aux fronts raides de montée et aux fronts raides de descente du signal.de sortie fourni par le conformateur de la seconde channe pour déterminer les bornes de la plage temporelle précitée. 6. Dispositif selon l'une ou l'autre des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que ledites première et seconde channes comportent chacune un transformateur d'intensité propre à recueillir pour élaborer lesdits signaux logiques une tension respectivement proportionnelle audit courant homopolaire total et audit courant traversant le conducteur neutre, et en ce que lesdits transformateurs d'intensité sont reliés à un filtre respectif adapté à rejeter l'harmonique 3 de la fréquence du réseau. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le nombre desdites premières chatnes est égal au nombre des départs alimentés par un me & e transformateur. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractéris8 en ce que lesdits filtres sont du type résistances-capacités à double T suivi d'un double gamma. 9. Dispositif selon la revendication 5, earaetdrisé en ce que ledit temporisateur comprend un circuit de temporisation comportant une première résistance série et une capacité parallèle définissant entre elles une première constante de temps, ainsi qu'une seconde résistance montée en série avec une diode aux bornes de ladite résistance pour définir avec ladite première résistance et ledit condensateur une seconde constante de temps. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le signal de sortie dudit circuit de temporisation est remis en forme par un amplificateur différentiel à seuil pour fournir ledit second signal logique. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 10, caractérisé en ce que lesdits moyens logiques précités comprennent une porte NAND associée à un intégrateur propre à délivrer un signal de sortie constant lorsque ladite porte NAND est passante par intervalles rapprochés. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 11, caractérisé en ce que ses composants actifs sont réalisés à l'aide de circuits intégrés.