Brevet FR2294571A1 — publié le 19760709

La présente invention concerne la détection des courts-circuits susceptibles de s'établir dans une ligne d'alimentation en énergie électrique capable de fournir un courant dont l'intensité maximale, en fonctionnement normal, est voisine ou supérieure à celle due à certains courts-circuits. Il est connu ve protéger une telle ligne électrique par des disjoncteurs rapides ou ultra-rapides qui s'ouvrent dès que l'intensité du courant est supérieure à une valeur prédéterminée, grâce à des relais à auj- mum de courant. Nais un tel procédé n'est pas applicable lorsque l'intensité maximale admissible en régime normal dépasse celle causée par un courtcircuit limité. Il en est ainsi par exemple dans un réseau de transport urbain par métropolitadn.Dans ce cas, un tel court-circuit n'étant pas décelé, le réseau se trouve inutilement chargé et en outre, des détériorations importantes peuvent se produire à l'endroit du court-circuit. Un procédé généralement utilisé dans un tel cas, consiste à mesurer en permanence la dérivée par rapport au temps de la valeur de l'intensité et à considérer qu'il y a courtcircuit lorsque cette dérivée dépasse une valeur prédéterminée. Cette méthode donne entière satisfaction pour des courts-circuits francs, c'est-à-dire pour lesquels le courant augmente rapidement pour atteindre des valeurs très élevées par rapport à la valeur de fonctionnement normal.Nais pour ceux qui sont limités, c'est-à-dire qui apparaissent au travers d'une impédance non nigli- geable, la dérivée de l'intensité due au court-circuit est voisine de celle correspondant à un fonctionnement normal, donc la valeur maximale admissible de la dérivée n'est pas atteinte et aucun déclenchement ne se produit malgré la présence du court-circuit. Ce qui n'est pas souhaitable. futur faire la distinction entre le fonctionnement normal et l'apparition d'un court-circuit limité, il est également connu de mesurer le temps entre l'apparition d'une certaine valeur haute de la dérivée de l'inten- site et le retour à une certaine valeur basse, le système de protection de la ligne agissant lorsque ce temps est supérieur à un seuil prédéterminé caracté- ristique de la présence d'un court-circuit. Une telle détection est efficace, mais elle conduit à un dispositif très complexe et coûteux.Pour pallier les inconvénients des différents dispositifs précités, le but de la présente invention est de définir un procédé pour la détection de courts-circuits lorsque la valeur de l'intensité atteinte du fait de ceux-ci reste voisine de celle résultant d'un fonctionnement normal et un dispositif simple mettant en oeuvre ce procédé. Le procédé de détection selon l'invention est basé sur l'observation que lorsqu'un réseau électrique peut supporter, en service normal, un courant de très forte intensité, celui-ci ne s'établit que par paliers successifs, qu'il s'agisse du branchement non simultané de charges ou de l'élimination progressive de résistances pour le démarrage d'un moteur, tandis qu'à l'apparition d'un court-circuit, l'intensité du courant augmente constamment jusqu'à sa valeur maximale. Selon l'invention, un court-circuit est décelé lorsque l'accroissement de l'intensité durant un intervalle de temps donné dépasse une valeur prédéterminée. Ce procédé peut être mis en oeuvre à l'aide d'un dispositif caractérisé en ce qu'il comporte des premiers moyens pour produire en permanence un signal analogique représentatif de l'intensité du courant dans la ligne à protéger connectés à un circuit détecteur qui élabore un signal représentant l'accroissement de l'intensité pendant un intervalle de temps donné, et des seconds moyens pour comparer ce dernier signal à une valeur prédéterminée et déclencher un appareil de protection lorsque ce signal est supérieur à cette valeur prédéterminée. Dans un mode préféré de réalisation, lesdits premiers moyens consistent en un shunt placé sur la ligne à protéger, alimentant un amplificateur et un filtre qui éliminent les parasites éventuels. Ledit circuit détecteur comporte un amplificateur opérationnel dont l'entrée négative reçoit instantanément une tension élaborée par lesdits premiers moyens, tandis que 11 entrée positive ne reçoit cette même tension qu'avec un retard créé par un circuit résistance-capacité qui sty trouve interposé.Le signal de sortie de ce circuit détecteur est appliqué aux seconds moyens qui consistent en un comparateur électronique à seuil prédéterminé ; il est suivi d'un filtre qui élimine tout parasite subsistant éventuellement, puis d'un relais qui agit sur des appareils de protection tels que des disjoncteurs ultra-rapides lorsque le signal de sortie du circuit détecteur est supérieur au seuil prédéterminé. D'autres particularités de l'invention apparaîtront à l'étude de l'exemple de réalisation donné ci-après à titre illustratif en regard du dessin annexé dans lequel - la figure 1 représente schématiquement le dispositif de détection - la figure 2 est un schéma fonctionnel du circuit détecteur - les figures 3 et 4 donnent les diagrammes des tensions d'entrée et de sortie du circuit détecteur, dans les cas respectivement d'une forte élévation du courant du fait d'un court-circuit et d'une montée par paliers en fonctionnement normal. Le dispositif de détection selon l'invention est représenté schématiquement par la figure 1, dans le cas d'une alimentation en courant continu. Un shunt 1 est placé sur la ligne d'alimentation à protéger. La tension aux bornes du shunt 1 est appliquée à un amplificateur 2 suivi d'un filtre 3 ; ceux-ci ont pour fonction d'éliminer les composantes alternatives du courant et les parasites qui sont susceptibles de fausser la détection. Le signal issu du filtre 3 est appliqué à entrée d'un circuit détecteur 4 qui élabore un signal de sortie représentatif de la différence entre la valeur instantanee du signal d'entrée et sa valeur quelques instants plus ftt. Le niveau de ce signal de sortie est ensuite comparé, au moyen d'un comparateur 5, à une valeur seuil élaborée par une source 6.Lorsque le signal de sortie est supé- rieur au seuil, ce qui caractérise la présence d'un court-circuit, le compara- teur agit sur le bloc de sortie 7 qui assure par exeaple la commande d'un disjoncteur, lequel isole la ligne d'alimentation. Ce bloc de sortie 7 peut comporter un filtre qui élimine certains parasites éventuels, une teaporisation qui diffère plus ou moins l'ordre de disjonction et un relais permettant la coande des asservisserents d'un disjoncteur ultra-rapide. Le circuit détecteur 4 est l'organe essentiel du dispositif. Son schéma fonctionnel est donné par la figure 2. La tension d'entrée e provient du filtre 3, elle est représentative du courant dans la ligne d'alimentation. L'entrée négative d'un amplificateur opérationnel 8 reçoit cette tension au travers d'une résistance 9, tandis que son entrée positive est connectée entre une résistance 10 de valeur R et une capacité Il de valeur C d'une part et une autre capacité 12 de même valeur C d'autre part 1 l'ensemble des résistances 10 et capacités 11 et 12 montées en série est également soufis à la tension d'entrée e. La résistance de contre-réaction 13 de l'amplificateur opérationnel a une valeur voisine de celle de la résistance 9, nais une valeur différente peut être retenue si l'on désire aplifier le signal de sortie. Le fonctionnement du circuit détecteur 4 décrit ci-dessus est le suivant. Lorsqu'apparaît un accroissement rapide de la tension d'entrée e d'une valeur initiale e@ à une valeur finale e1, la tension à l'entrée négative de l'amplificateur opérationnel 8 est immédiatement soumise à cette valeur el. Par contre, la tension à son entrée positive passe de la valeur initiale eo à la valeur finale eli de façan exponentielle à constante de temps égale à en raison de la branche résistance 10 - capacités Il et 12 qui relie cette entrée positive à l'entrée du circuit détecteur. Ainsi, la tension s à la sortie de l'amplificateur opérationnel 8 passe par une valeur maximale voisine de ladifférence e1 - e0, puis décroît progressivement pour tendre vers zéro si la tension d'entrée e reste constate. Les figures 3 et 4 donnent deux diagrammes des tensions e d'entrée et s de sortie du circuit détecteur 4 dans deux cas de fonctionnement. On voit, sur la figure 3, qu'un fort accroissement du signal d'entrée e, c'est-à-dire du courant dans la ligne à protéger entre une pointe instantanée du signal de sortie s qui revient ensuite progressivement à zéro tandis que le signal d'entrée reste constant. A la figure 4, le signal d'entrée e croit par paliers successifs, la durée de maintien de chacun étant au moins égale à la constante de temps RC précitée. Le signal de sortie s présente une pointe à chaque apparition de palier. Bien que la valeur maximale de cette pointe soit légèrement croissante du fait que le temps entre deux paliers est insuffisant pour que le signal s revienne à zéro, cette valeur maximale varie peu et reste inférieure à une valeur limite Us qui existe quel que soit le niveau initial du courant et aussi grande que soit sa valeur finale, car la détection est différentielle et ne prend en compte que l'amplitude d'un palier à l'autre. Ces diagrammes des figures 3 et 4 illustrent la possibilité de distinguer l'apparition d'un court-circuit par rapport à une élévation normale du courant. En effet, la figure 3 représente le cas d'un court-circuit limité qui fait apparattre un surcrott d'intensité inférieur à ce que supporte norme lement la ligne. Le signal s dépassant la valeur limite Us précitée il suffit donc de régler le seuil élaboré par la source 6 (figure 1) à cette valeur pour que le comparateur 5 commande le déclenchement des disjoncteurs de la ligne. Par contre, dans le cas illustré par la figure 4, le signal e, donc le courant dans la ligne, atteint une valeur finale nettement supérieure à celle créée par le court-circuit précité sans que pour autant le signal de sortie s n'atteigne la valeur Us du seuil. Ainsi, le comparateur 5 ne produit pas de signal de déclenchement et la ligne continue à entre alimentée normalement. Le circuit détecteur 4 représenté à la figure 2 comporte, en outre, une diode 14 montée en parallèle avec la résistance 10. Cette diode 14, inopérante dans les cas d'augmentation du signal d'entrée e qui viennent entre décrits, permet une décharge instantanée des condensateurs 11 et 12 lorsque la valeur de ce signal diminue. Ainsi, le détecteur est prêt à déceler l'apparition d'un court-circuit qui surviendrait immédiatement après cette diminution. Enfin, deux résistances 15 et 16 montées respectivement en paral lèle avec les condensateurs 11 et 12 permettent de fixer le potentiel de l'entrée positive de l'amplificateur opérationnel 8 par rapport à la masse en l'absence de signal d'entrée e, sans toutefois modifier la valeur de la constante de temps du circuit résistance-capacité 10-11-12. A titre d'exemple, il est intéressant de noter quelques valeurs numériques relatives au cas de l'alimentation en courant continu d'un tronçon de réseau métropolitain. En fonctionnement normal (figure 4), le courant fourni à la ligne par une sous-station peut atteindre 15 000 A environ mais chaque palier d'augmentation ne dépasse pas 1 000 A environ. Par contre, le courant appelé par un court-circuit franc peut etre limité à 5 000 A du fait de l'im- pédance propre de la ligne si l'incident a lieu en un point éloigné de l'ali- mentation (5 km par exemple). Cette valeur peut même entre ramenée à 2 000 ou 2 500 A si une impédance propre à la nature du court-circuit s'ajoute a celle de la ligne. Le dispositif décrit permet de détecter un court-circuit ainsi limite. Pour cela, la valeur Us du seuil appliqué au comparateur est légèrement supérieure à la valeur limite de la tension de sortie s en fonctionnement normal (figure 4) ; par exeeple, cette valeur Us est égale à la tension d'entrée e correspondant à un courant en ligne de 1 500 As soit une fois et la valeur maximale des paliers d'augmentation en régime normal. Cette valeur permet de détecter un court-circuit correspondant à une intensité de 1 500 A proche du point de détection ou de 2 500 A à une distance de 5 ki. Les valeurs R de la résistance 10 et C des capacités 11 et 12 sont déterminées par le choix de la constante de temps de valeur RC qui caracté- rise la branche résistance-capacité 10-11-12. Il est intéressant de choisir une constante de temps à peine inférieure au temps minimal séparant l'apparition de deux paliers successifs dans un fonctionnement normal. De plus, la valeur de cette constante de temps tient compte des caractéristiques de la ligne, et notamment de sa propre constante de temps. Ainsi, par exemple, la valeur de 95 ms a été retenue, en considérant que les paliers successifs sont espacés d'au moins 100 ms et que la constante de temps de la ligne a une valeur de l'ordre de 100 jas. Le dispositif selon l'invention est particulierement intéressant pour la surveillance des installations à très fort débit de courant. C'est le cas des réseaux de transport par métropolitain. Toutefois, de nombreuses autres applications sont possibles, sous réserve de définir cas par cas les valeurs du seuil Us et de la constante de temps RC en fonction des paramètres correspondant au fonctionnement normal de l'installation. On notera enfin que le même dispositif est utilisable dans le cas d'une alimentation en courant alternatif, à condition de redresser le signal pris aux bornes du shunt 1. L'invention n'étant nullement limitée au mode de réalisation décrit, on peut, sans sortir du cadre de celle-ciX apporter des modifications de détail ou remplacer tout moyen par des moyens équivalents. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la détection d'un court-circuit sur une ligne d'alimentation en énergie électrique, lorsque l'intensité du courant dû au court-circuit peut rester ineérieure à celle correspondant à un fonctionnement normale caractérisé en ce qu'il consiste à comparer l'accroissement de l'intensité du courant fourni par la ligne pendant un intervalle de temps donné, à une valeur prédéterminée. 2. Dispositif pour la détection d'un court-circuit sur une ligne d'alimentation en énergie électrique, lorsque l'intensité du courant dû au court-circuit peut rester inférieure à celle correspondant à un fonctionnement nor"al, caractérisé en ce qu'il comporte des premiers moyens pour produire en permanence un signal analogique représentatif de l'intensité du courant dans la ligne, un circuit détecteur connecté à ceux-ci pour élaborer un signal représentant l'accroissement de l'intensité pendant un intervalle de temps donc et des seconds moyens pour comparer ce dernier signal à ame valeur prédéterminée et déclencher un appareil de protection lorsque ce signal est supérieur à cette valeur prédéteriinée. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens consistent en un shunt placé sur la ligne. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens catpirptent en outre un amplificateur et un filtre. 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ledit circuit détecteur colporte un amplificateur opérationnel dont l'entrée négative redoit instantanément une tension élaborée par lesdits premiers moyens, tandis que l'entrée positive ne reçoit cette même tension qu'avec un retard créé par un circuit résistance-capacité qui s'y trouve interposé. 6. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que lesdits seconds moyens comportent un comparateur électronique à seuil prédéterminé. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits seconds moyens comportent en outre un filtre et un relais qui agit sur des appareils de protection lorsque le signal de sortie du circuit détecteur est supérieur au seuil prédéterminé.