Brevet FR2232855A1 — publié le 19750103

La présente invention concerne un circuit de détection des défauts de terre et de neutre dans un réseau de distribution d'énergie électrique alternative, ce circuit pouvant tre utilisé pour prévfnir les dangers d électrocution Beaucoup d'appareils usuels fonctionnant en courant alternatif présentent un danger potentiel d'électrocution pour leurs utilisateurs. Pour cette raison, on s'est efforcé de réaliser des circuits et des dispositifs destinés à la protection des utilisateurs. En général, les dispositifs selon l'art antérieur concernent la protection contre les ddfauts de terre. A l'heure actuelle, la plupart des prises électriques distribuant du courant électrique alternatif monophasé comportent trois points de contact relies respectivement à une phase, au neutre, et à la terre. Une charge, telle que le moteur d'une perceuse électrique, possède une fiche comportant trois contacts. Deux de ces contacts sont utilisés pour connecter le moteur de la perceuse entre les conducteurs de phase et de neutre, et le troisième contact est utilisé pour connecter le bottier de la perceuse au conducteur de terre. Il se produit un défaut de terre lorsque, à cause d'une circonstance imprévue comme le claquage de l'isolant, le conducteur de phase est relié au conducteur de terre par l'intermédiaire d'un chemin à faible impédance. Lorsque le chemin à faible impédance est constitué par le corps d'une personne, celle-ci peut tre gravement électrocutée. Dans l'art antérieur, comme par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique ne 3. 668. 469, on a tenté de détecter l'apparition d'un défaut de terre, et de mettre alors la charge hors tension, de façon à éviter l'électro cution de la personne faisant usage de la charge. Un grand nombre de dispositifs selon l'art antérieur sont conçus de façon à déconnecter la charge par rapport au réseau lorsqu'on détecte une différence déterminée entre le courant du conducteur de phase et le courant du conducteur du neutre. Cette différence de courant peut s'élever Jusqu'à 5 milliampères. Cependant, dans les dispositifs selon l'art antérieur, il surgit un problème lorsqu'il se produit un défaut de neutre. I1 se produit un défaut de neutre lorsque le conducteur de neutre est connecté au conducteur de terre par l'intermédiaire d'une faible impédance. Dans ces conditions, un certain courant peut continuer à retourner vers la source par l'intermédiaire du conducteur de neutre, un courant circulant simultanément dans le conducteur de terre. I1 peut alors ne pas exister entre le conducteur de phase et le conducteur de neutre une différence de courant suffisante pour déclencher la mise hors tension de la charge, mais une personne reliée au conducteur de terre en tenant le boîtier de l'appareil peut cependant tre traversée par un courant. I1 est donc nécessaire de disposer d'un circuit ou d'un dispositif qui protège l'utilisateur d'une charge fonctionnant en courant alternatif, en mettant la charge hors tension aussi bian en cas de défaut de terre qu'en cas de défaut de neutre. Dans certains dispositifs selon l'art antérieur destinés d d4tecter les défauts de neutre, un bobinage de transformateur comportant une seule spire est placé dans le conducteur de neutre, de façon qu'un faible signal soit induit dans le bobinage lorsque l'appareil est sous tension. on contrôle alors la valeur de ce signal induit de façon à détecter les variations brusques qui pourraient indiquer l'apparition d'un défaut de neutre. Ici, la difficulté résida en ce que dans de nombreuses applications il peut apparaître un signal transitoire d'amplitude égale et de phase opposée au signal produit par ailleurs dans le bobinage A une seule spire, ce qui annule le signal que l'on désire observer, et rend inefficace le circuit de détection de défaut de neutre. L'invention concerne un circuit de détection des défauts de terre et de neutre qui met la charge hors tension en cas de détection d'un défaut, et qui élimine les inconvénients des dispositifs selon l'art antérieur, comme l'annulation du signal décrite ci-dessus. L'invention est mise en oeuvre sous la forme d'un circuit de détection des défauts de terre et de neutre dans un réseau de distribution d'énergie électrique alternative. L'énergie électrique est distribuée par l'intermédiaire d'un conducteur de phase, d'un conducteur de neutre, et d'un conducteur de terre. Le dispositif de détection de défauts interrompt l'alimentation de la charge en énergie électrique en cas d'apparition des défauts mentionnés ci-dessus. Selon un mode de réalisation préféré, le circuit selon l'invention comprend : un premier et un second conducteur connectés respectivement au conducteur de phase et au conducteur de neutre du réseau de distribution d'énergie électrique alternative ; un générateur de signal fournissant un signal ayant une fréquence particulière sur l'un des premier et second conducteurs ; un dispositif de surveillance sensible au courant traversant les premier et second conducteurs, de manière à fournir un signal de commande lorsque le courant traversant-le premier conducteur est différent du courant traversant le second conducteur, b cause de l'existence d'un défaut de terre ou d'un défaut de neutre ; et un dispositif de détection sensible au signal de commande, de manière A interrompre l'alimentation en énergie a partir des premier et second conducteurs. Le circuit selon l'invention est disposé de préférence dans le boîtier mural utilisa pour les prises électriques, que l'on trouwe dans les maisons, les usines, etc. L'installation particulière correspondant à 1'invention fait donc partie du réseau de distribution en énergie électrique, puisque le conducteur de phase, le conducteur de neutre et le conducteur de terre sont tous amenés à chaque bottier mural de prise électrique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant au dessin annexé qui est un schéma, partiellement sous forme synoptique et partiellement sous forme développée, d'un mode de réalisation préféré de 1'invention. En se référant à la figure, on voit que le réseau de distribution d'énergie électrique alternative, constitué par exemple par les canalisations électriques d'une maison ou d'une usine, comporte une ligne omnibus de phase 10, une ligne omnibus de neutre 12, et une ligne omnibus de terre 14. Les lignes omnibus 10,12 et 14 sont amenées à un bottier de prise électrique 16 qui contient le circuit de détection des défauts et de protection portant globalement la référence 18. Les lignes omnibus 10, i2 et 14 sont connectées respectivement auxconducteurs 20,22 et 24, Les conducteurs 20,22 et 24 peuvent 8tze appelés respectivement conducteur de phase, conducteur de neutre et conducteur de terre. La charge RL devant tre alimentée reçoit l'énergie électrique par l'intermédiaire des conducteurs 26 et 28 qui sont connectés respectivement aux conducteurs 20 et 22. Le conducteur 30 est connecté au bottier de la charge RL, et est connecté également au conducteur de terre 24. Ainsi, les conducteurs 28 et 30 correspondent : aux trois broches de connedcn entre la charge R et la prise murale. La charge RL peut tre un moteur, ou un autre appareil, tel qu'une petite . perceuse, une machine à laver la vaisselle, etc. Le circuit 18 intercalé entre les conducteurs 10,12,14 et 26,28, 30 est conçu de façon à pouvoir tre logé dans le bottier de la prise électrique. Le circuit de détection des défauts et de protection 18 comporte un transformateur différentiel 32, servant à surveiller la valeur des courants, un circuit oscil- lateur 34, un circuit d'amplification et de détection 36, et un circuit de mise hors tension, ou circuit de commutation, 38. Le transformateur du circuit de surveillance 32 comporte un noyau en matériau magnétique 40 de forme annulaire. Le conducteur de phase 20 et le conducteur de neutre 22 passent à travers le noyau 40 du transformateur. Le noyau 40 porte un bobinage dont les extrémités portent respectivement les références X et Y. En général, ce bobinage peut avoir 2.000 spires. Dans les conditions normales de fonctionnement, l'intensité du courant entrant dans la charge R par l'intermédiaire des conducteurs 20 et 26 est égale a l'intensité du courant sortant de la charge RL par l'intermédiaire des conducteurs 28 et 22. Le champ magnétique résultant dans la région du noyau 40 est donc nul, et aucun signal n'est donc induit entre les extrémités X et Y du bobinage porté par ce noyau. La résistance 42 et la diode 44 permettent au circuit oscillateur 34 de fonctionner pendant une seule des alternances du signal alternatif présent sur le conducteur de phase 20. Le condensateur 46 est branché entre l'électrode d'anode de la diode 44 et le conducteur de neutre 22, et produit un filtrage des alternances de la tension alternative fournie au circuit oscillateur 34. Les résistances 48 et 50, qui sont connectées en série dans cet ordre entre l'anode de la diode 44 et le conducteur 22, fournissent sur leur point commun un niveau continu appliqué sur une entrée de l'amplificateur différentiel 52, Dans certaines applications, il peut tre souhaitable d'alimenter en permanence le circuit oscillateur 34, c'est--dire mme après que le circuit 38 a été déclenché. Dans ce cas, la résistance 42 et la diode 44 doivent tre connectées de l'autre coté du circuit 38, c'est-à-dire du côté alimentation. L'amplificateur 52 est un amplificateur différentiel disponible dans le commerce, portant la référence CA3094. Dans le circuit 34, l'amplificateur 52 est monté en oscillateur de façon à fournir un signal de sortie la fréquence de 20 kHz. La fréquence de sortie est choisie de façon à ne pas tre synchrone avec la fréquence du réseau de distribution d'énergie électrique. Le point commun aux résistances 48 et 50 est connecté à la borne d'entrée directe 54 de l'amplificateur différentiel 52. La borne de sortie 56 de l'amplificateur 52 est connectée au conducteur de neutre 22 par l'intermédiaire d'une résistance 58. L'autre borne d'entrée 60 de l'amplificateur 52, c'est-à- dire l'entrée comportant une inversion, est connectée au point commun au condensateur 62 et à la résistance 64, ces deux éléments étant branchés en série dans cet ordre entre l'anode de la diode 44 et la borne de sortie 56 de l'amplificateur 52. Le condensateur 62 et la résistance 64 appartiennent à un circuit de réaction servant à déterminer la fréquence de sortie du circuit oscillateur 34. Le signal de réaction est également appliqué sur la borne d'entrée 54, parl'interEdiaire de la résistance 66, à partir de la borne de sortie 56. Le condensateur 68 et l'inductance 70, branchés en parallèle, sont intercalés dans le conducteur de neutre 22 entre les résistances 58 et 50, et contribuent également à limiter la largeur de bande des impulsions produites par l'oscillateur 34. Les autres connexions de l'amplificateur 52 servent la polarisation de cet amplificateur, et comprennent la borne 72, la résistance 74 et la borne 76. Le point important qu'il convient de roter est que l'oscillateur 34 produit un signal sur le cenducteur de neutre, ce signal étant à faible niveau, de l'ordre de 10 à 100 millivolts, et n'étant pas en synchronisr. avec la fréquence du réseau de distribution d'énergie électrique. Le circuit d'amplification et de détection 36 est alimenté par 1'intermédiaire de la diode 80. L'électrode de cathode de la diode 80 est connectée à l'électrode d'anode de la diode 44. De plus, un condensateur de valeur relativement élevée 82 est connecté entre l'électrode d'anode de la diode 80 et le conducteur de neutre 22. Le condensateur 82 est choisi avec une valeur élevée de façon que le circuit 36 soit alimenté par un niveau pratiquement continu. L'élément principal du circuit 36 est constitué par l'amplificateur 84. L'amplificateur 84 comporte une paire de bornes d'entrée différentielles 86 et 88. T a borne 86 est la borne d'entrée directe, tandis que la borne 88 est la borne d'entrée comportant une inversion. L'amplificateur 84 possède une seule borne de sortie 90. Dans l'application particulière considérée, l'amplificateur 84 est un élément disponible dans le commerce sous la référence CA3080. On peut considérer que l'amplificateur 84 est un amplificateur opérationnel tensioncourant, car son signal de sortie peut tre caractérisé le plus commodément par le courant de sortie fourni à la borne 90, ce courant de sortie étant proportion nel à la différence de tension appliquée aux bornes d'entrée différentielles 86 et 88. La conductance de transfert de l'amplificateur 84 est directement proportionnelle au courant de polarisation de l'amplificateur fourni par l'intermédiaire de la résistance 92. La tension d'alimentation de 1'ampliEica- teur 84 est fournie par 1'intermédiaire des conducteurs 94 et 96. Un diviseur de tension comportant les résistances 98,100 et 102 est connecté aux bornes du condensateur 82. Une tension de seuil est établie sur la borne 88 par l'intermédiaire de la résistance 104 connectée d'autre part au point commun des résistances 100 et 102. Layésistance 100 comporte un curseur qui est connecté 3 la borne 88 par l'intermédiaire du condensateur 106. La borne d'entrée 86 de l'amplificateur 84 est connectée N l'une des extrémités X du bobinage porté par le noyau 40, par l'intermédiaire des résistances 108 et 110. De plus, un condensateur 112 est branché entre le point commun des résistances 108 et 110 et la borne d'entrée 88. Les condensateurs 106 et 112 contribuent à filtrer le bruit présent sur le conducteur de phase, et contribuent ainsi à empcher le déclenchement intempestif du circuit de coupure 38. Enfin, l'autre extrémité Y du bobinage porté par le noyau 40 est connectée au curseur de la résistance 100. Le circuit 36 est un dispositif servant à amplifier les signaux de défaut apparaissant auxpoints X et Y, et utilisant les signaux amplifiés pour faire fonctionner le circuit de coupure de l'énergie électrique 38. Dans les conditions normales de fonctionnement, c'est-à-dire lorsqu'aucun signal n'est détecté entre les points X et Y, la borne de sortie 90 de l'amplifi- cateur 84 se trouve à un certain niveau continu. Ce niveau continu est déterminé par la position du-curseur de la résistance 100 appartenant au circuit diviseur de tension. Des qu'un signal est détecté entre les points X et Y, il se produit une élévation du niveau continu présent sur la borne 90. Les signaux disponibles sur la borne 90 sont transmis au circuit 38 par l'intermédiaire de la diode 114. De plus, le circuit constitué par la combinaison en parallèle de la résistance 116 et du condensateur 118 est branché entre l'électrode de cathode de la diode 114 et l'électrode d'anode de la diode 80. Le condensateur 118 et la résistance 116 contribuent à empcher le déclenchement intempestif du circuit de coupure de l'énergie électrique 38. Le circuit de coupure 38 est constitué par un thyristor 120, par un relais 122 comportant une bobine d'excitation 124, par une pièce de contact mobile 126 et par les contacts fixes 128 et 130. L'électrode de cathode de la diode 114 est connectée à l'électrode de gâchette du thyristor 120. La bobine 124 est connectée entre l'électrode d'anode du thyristor 120 et le conducteur de neutre 22. L'électrode de cathode du thyristor 120 est connectée à l'électrode d'anode de la diode 80. En d'autres termes, la combinaison en série des électrodes principales du thyristor 120 et de la bobine 124 est branchée entre des points ayant d potentiels électrique s différents. Dans les conditions normales de fonctionnement, la pièce de contact mobile 126 est maintenue en position fermée dans le conducteur de phase 20. Lorsqu'un signal de défaut est appliqué sur l'électrode de gâchette du thyristor 120, ce dispositif devient conducteur et excite ainsi la bobine 124. Ceci a pour effet d'attirer vers le bas la pièce de contact 126, ce qui met hors tension la charge RL. Si l'on considérée le fonctionnement global du circuit représenté sur la figure, on peut noter les points suivants. Premièrement, si le conducteur de phase 26, situé du coté de la charge, vient en contact avec le conducteur 30, c'est-à-dire s'il se produit un défaut de terre, un déséquilibre est détecté aux points X et Y. Le signal correspondant à ce déséquilibre est amplifié par l'amplificateur 84, et le signal apparaissant sur la borne 90 provoque la conduction du thyristor 120, ce qui interrompt le chemin de condtr tion entre les points 128 et 130 du conducteur 20. Secondement, si le conducteur de neutre 28, situé du côté de la charge, vient en contact avec le conducteur de terre 30, c'est-d-dire s'il se produit un défaut de neutre, il apparaît à nouveau un déséquilibre, ce qui entratne la mise hors tension du conducteur de phase 20 au niveau du circuit d'interruption 38. Dans cette seconde situation, le problème de l'annulation du signal d'erreur par un signal d'amplitude égale et de phase opposée est éliminé grâce à la présence sur le conducteur de neutre 28 d'un signal à faible niveau ayant une fréquence très supérieure à celle du réseau de distribution. La raison importante conduisant à assurer une protection contre les défauts de neutre vient du fait que, dans Tes dispositifs selon l'art antérieur, il est possible de se trouver en présence d'un défaut de neutre dans lequel le corps d'une personne venant en contact avec le conducteur de phase soit parcouru par un courant dont l'intensité est égale par à 5 milliampèresj il peut alors arriver qu'un courant de 4 milliamperes par exemple retourne à la source par l'intermédiaire du conducteur de neutre, un courant de 1 milliampère retournant à la source par l'intermédiaire du conducteur de terre. Loraqu'on cherche A détecter l'apparition d'un signal différentiel entre le conducteur de phase et le conducteur de neutre, comme dans le cas d'un amplificateur différentiel, il peut arriver que la différence ne soit pas suffisamment élevée pour produire la mise hors tension. Selon l'invention, c'est la présence ou l'absence d'un signal entre les points X et Y qui déclenche la mise hors tension. Le dispositif selon l'invention procure ainsi une détection et une protection efficaces en ce qui concerne les défauts de neutre, en plus de la protection contre les défauts de terre. Bien entendu, diverses modifications peuvent tre apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'tre décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention REVENDICATIONS 1. Circuit de détection des défauts de neutre et des défauts de terre dans un réseau de distribution d'énergie électrique alternative comprenant une ligne omnibus de phase, une ligneannibus de neutre et une ligne omnibus de terre, ce circuit interrompant la distribution d'énergie électrique lorsqu'il se produit soit un défaut de terre, soit un défaut de neutre, caractérisé en ce qu'il comporte : -un premier et un second conducteur connectés respectivement à ladite ligne omnibus de phase et à ladite ligne omnibus de neutre dudit réseau de distribution d'énergie électrique alternative ; -un générateur de signal produisant un signal de fréquence particulière sur l'un desdits premier et second conducteurs -un dispositif de surveillance sensible à l'intensité du courant traversant lesdits premier et second conducteurs, servant à produire un signal de commande lorsque l'intensité du courant traversant le premier conducteur est différente de l'intensité du courant traversant le second conducteur, h cause de l'existence d'un défaut de terre ou d'un défaut de neutre ; et -un dispositif de détection agissant sous la dépendance dudit signal de commande de manière à interrompre le passage à travers ledits premier et second conducteurs de l'énergie électrique fournie par ledit réseau de dis tribution. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fréquence particulibre dudit signal produit par ledit générateur de signal est notablement supérieure li la fréquence de l'énergie électrique alternative fournie par ledit réseau de distribution. 3 Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit dispositif de détection et ledit générateur de signal sont alimentés en tension à partir dudit réseau de distribution d'énergie électrique alternative, 4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit dispositif de surveillance comporte : un noyau de perméabilité magnétique élevée traversé par lesdits premier et second conducteurs ; et un bobinage constitué par un conducteur électrique enrould autour d'une partie au moins dudit noyau, de façon à produire ledit signal de commande. 5. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit dispositif de détection comporte un circuit de détection et un circuit d'inter- ruption ; en ce que ledit circuit de détection comporte une paire de bornes d'entrée et une borne de sortie, ladite paire de bornes d'entrée dtant connectée aux extrémités dudit conducteur enroule sur ledit noyau ; et en ce que : circuit : d'interruption possède une entrée connectée à la borne de sortie dudit circuit de détection, et fonctionne en réponse à l'application d'un signal sur cette entrée ; de maniera à interrompre ledit premier conducteur lorsqu'un signal est produit dans ledit bobinage enroulé sur ledit noyau. 6. Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit circuit d'interruption comporte : un thyristor ayant deux électrodes principales et une électrode de commande, ladite électrode de commande étant connectée à la borne de sortie dudit circ uit de détection ; et un relais comportant une bobine d'excitation et une pièce mobile de contact, ladite bobine d'excitation étant branchée en série avec lesdites électrodes principales du thyristor, et la combinaison en série de ces éléments étant branchée entre des points portés à des potentiels électriques différents, ladite pièce mobile de contact étant associée avec des contacts fixes connectés en série dans ledit premier conducteur, ladite pièce mobile de contact interrompant la continuité électrique dudit premier conducteur en réponse à l'apparition d'un signal sur la borne de sortie dudit circuit de détection.