Brevet FR2291633A1 — publié le 19760611

L'invention concerne un dispositif de détection des défauts à la terre, pour des systèmes à courant alternatif monophasé ou polyphasé ou à courant continu isolés galvaniquement du réseau, en particulier pour des enroulements de machines à courant alternatif monophasé ou polyphasé, où l'on branche, entre le système à surveiller et la terre, une source de tension auxiliaire avec au moins une fréquence différente de celle du réseau, et où un dispositif de comparaison est associé à la source de tension auxiliaire, pour distinguer entre l'état exempt de défaut à la terre et le cas où il y a un défaut à la terre. Tant que la symétrie est conservée, au point neutre d'un système à courant alternatif exempt de défaut à la terre, il n'apparaît pas de tension par rapport à la terre, tandis qu'avec un défaut à la terre éloigné du point neutre il apparaît entre celui-ci et la terre une tension de décalage, dont on peut, en principe, dériver un signal d'identification de défaut à la terre. Ce dispositif est défaillant cependant en cas de défaut à la terre directement sur le point neutre, où malgré le défaut on ne peut disposer d'une tension de décalage, mais aussi en cas de fortes dissymétries du système à surveiller, celles-ci pouvant simuler un défaut alors que l'installation est en parfait état. On a donc déjà eu recours à l'insertion d'une tension auxiliaire entre le point neutre du système à surveiller et la terre, le courant débité par cette source en cas de défaut à la terre pouvant être utilisé comne critère de défaut. Un dispositif de détection des défauts à la terre, du type mentionné dans le préambule et fonctionnant avec une tension auxiliaire ayant une fréquence différente de celle du réseau fournie par un onduleur comnandé en conséquence, est connu par le brevet allemand n" 1.463.574. Ce dispositif présuppose l'utilisation d'une source de tension continue, ainsi qu'une commande suffisamnent précise et stable pour la fréquence de l'onduleur. La détection des défauts s'effectue dans ce cas du côté du courant continu de l'onduleur, au moyen d'un relais à courant continu, de sorte que des conditions de défaut à la terre peuvent être simulées par l'apparition de courants de fuite ou de défauts analogues à l'intérieur de l'onduleur lui-morne. De plus, les dispositifs connus du type précité manquent de souplesse pour ce qui concerne leur adaptation à- chaque système donné à surveiller. Lors de leur mise en service; ce n'est que dans des cas très rares que l'on peut évaluer ou prédéterminer-les fréquences qui apparaissent dans le système et fixer la fréquence de l'onduleur. La possibilité de modifier a postériori la fréquence de l'onduleur est, par conséquent, indispensable, ce qui à son tour correspond à des dépenses. Cependant, meme avec une adaptation convenable de cette fréquence, ce dispositif connu reste toujours exposé et sensible aux influences perturbatrices en provenance du réseau. L'objet de la présente invention est de réaliser un dispositif de détection des défauts à la terre, qui ne présente pas les inconvénients énumérés ci-dessus et qui permette, même dans des conditions défavorables, de détecter correctement les défauts à la terre survenant dans le système à surveiller. La solution de ce problème selon l'invention, se distingue avec un dispositif de détection des défauts à la terre du type cité dans le préambule, par le fait que comme source de tension auxiliaire, on utilise la tension de sortie dtun générateur de signal avec au moins une fréquence, inférieure de moitié au moins à la fréquence du réseau, -et que le dispositif de comparaison contient des moyens pour reconnattre la forme de signal de la tension de sortie dudit générateur. L' invention est basée ici sur le raisonnement suivant On injecte dans le système à surveiller un signal, qui se différencie de tous les signaux perturbateurs prévisibles dans le système. Ce signal "codé" engendre dans le système une tension de décalage dont il résulte un courant déterminé. Ce courant présente la forme de signal caractéristique de signal qui a été injecté. Le dispositif de comparaison qui est raccordé au système est réalisé de telle sorte, qu'il reconnalt cette forme de signal caractéristique. En cas de défaut à la terre, la tension de décalage provoque une augmentation du courant. Lorsque ce courant dépasse une valeur limite déterminée, le dispositif de comparaison actionne un dispositif de déclenchement qui lui fait suite. Dans une première forme de realisation de l'invention, le signal qui engendre la tension de décalage est une tension alternative avec une fréquence f correspondant à la moitié ou o à un quart de la fréquence du réseau ; les moyens pour la reconnaissance du signal sont alors constitués, dans le cas le plus simple, par un filtre avec une fréquence limite supérieure déterminée en conséquence ou par un intégrateur dont le temps d'intégration correspond à un nombre impair de demi-périodes du signal et qui intègre ladite tension alternative entre deux ou plusieurs passages dusignal par la valeur zéro. On peut éliminer ainsi toutes les composantes à la fréquence du réseau ainsi que les composantes ayant des fréquences plus élevées, dans le cas où f =f /4 on peut même éliminer le premier sous-harmonique de la fréquence du réseau f n Une deuxième forme de réalisation de l'invention prévoit que la tension de sortie du générateur de signal présente un caractère de signal intermittent, de telle sorte que pendant un premier intervalle de temps, le temps de mesure, ltamplitude du signal a une forme périodique, et que pendant un second intervalle de temps, le temps de contrôle, l'amplitude du signal est nulle. Pendant chacun de ces deux intervalles de temps, dans le dispositif de comparaison on intègre séparément le courant de sortie du générateur de signal ou une grandeur dérivée de celui-ci, et on compare entre eux les résultats des deux intégrations. En cas de défaut à la terre, les deux résultats dintégration présentent entre eux des écarts caractéristiques. On va-expliquer ci-dessous 1 t invention plus en détail, à l'aide du dessin, dont les figures représentent respectivement Figure 1 un exemple de réalisation d'un dispositif de détection des défauts à la terre selon ltinvention ; Figure 2 le diagramme correspondant des impulsions en fonction du temps. Dans la figure 1, une résistance de limitation 1 est branchée en série avec un transformateur 2 entre le point neutre d'un alternateur 3 et la terre. En dérivation sur la résistance 1, couplé par l'intermédiaire d'un transformateur 4, est monté un relais de terre 5 du type habituel, qui assume la protection dite à 80 %. Le transformateur 2 est alimenté par un amplificateur 6 ayant une très faible résistance interne. Dans ces conditionsj son courant de sortie ne dépend que des impédances présentes dans son circuit de sortie. Au moyen d'un transformateur 7 alimenté avec la fréquence du réseau on synchroniste un multivibrateur as table 8, suivi d'un diviseur de fréquence 9. Un compteur à 4 éléments 10, ensemble avec un décodeur 11, fournit une séquence de signaux de cadencement pour la commande du générateur de signal 12 et de len- semble du traitement des valeurs mesurées (voir figure 2, courbes Ao...... , A6). Un opérateur NON-OU 13 connecté aux sorties A , A1 et A2 , ensemble avec un opérateur ET 14, commande le générateur de signal 12 et un convertisseur de créneaux en sinusoides, dont la sortie de son côté est connectée à ltamplificateur 6. Pen dant un premier intervalle de temps T , la tension de sortie du m générateur de signal 12 est une tension sinusoidale à la fréquence f = son/4 tandis que pendant un deuxième intervalle de temps Tp elle est nulle (voir la courbe uo, dans la figure 2). Dans la suite de exposé, on appellera cette tension le "signal codé". Au moyen d'un transformateur 15 on transforme le courant de sortie de l'amplificateur 6 en une tension us. Celle-ci passe par un filtre passe-bas 16 avec une fréquence de coupure supérieure f16 = f . Par l'intermédiaire d'un interrupteur 17 le filtre 16 o est relié à un intégrateur 18, qui outre son entrée de signal comporte aussi une entrée de remise à zéro ER. Par un autre interrupteur 19, la sortie de cet intégrateur est reliée à un comparateur 20, dont le seuil de déclenchement est ajustable. Par (intermé- diaire respectivement d'un opérateur NON-ET 21 et d'un opérateur ET 22 avec une éntrée inverseur, la sortie du comparateur 20 est reliée à deux mémoires 23 et 24 pouvant être remises à zéro ; ces dernières sont par exemple des bascules bistables avec entrées de remise à zéro. Les sorties des deux mémoires sont connectées à un autre opérateur ET 25. Un contacteur de manoeuvre 26 est raccordé à la sortie de cet opérateur ET 25 par l'intermédiaire d'un étage élargisseur d'impulsion 27, par exemple un multivibrateur monostable. Un autre opérateur ET 28, inséré entre opérateur ET 25 et l'étage élargisseur d'impulsion 27 sert à bloquer l'ensemble du dispositif. La manoeuvre de lsinterrupteur 17, dont le temps de fermeture détermine le temps d'intégration de l'intégrateur 18, stef- fectue par l'intermédiaire d'un opérateur OU 29 et ceci enfonc- tion de la tension de sortie du diviseur de fréquence 9 et en relation logique avec les tensions de sortie Ao, A1 , A2 et A3 du générateur de séquence de cadencement T au'moyen de opérateur OU 13 et de l'opérateur ET 30 ainsi que de l'opérateur ET 31, qui comporte une entrée directe et une entrée inverseur. Linterrupteur 19, qui détermine le temps de mesure du comparateur 20, est activé par l'intermédiaire d'un opérateur ET 32 suivi d'un multivibrateur monostable 33. La remise a zéro de l'intégrateur 18 s'effectue au moyen d'un autre opérateur OU 34, pourvu dtune sortie inverseur et qui réalise la disjonction logique OU de la tension de sortie u33 du mult-ivibrateur mono stable 33 et de la tension de sortie de l'opérateur OU 29-. On va expliquer ci-dessous le fonctionnement du dispositif représenté dans la figurA 1, en s'aidant du diagramme des impulsions en fonction du temps de la figure 2. Pour cette figure2 on a adopté les symboles de désignation ci-dessous : : Tension de sortie du diviseur de fréquence 9 u : Signal codé au, , a6: Tensions de sortie respectives sur les sorties Ao, ,-i6 du générateur de la séquence de cadencement T ; S17 : Temps de fermeture de l'interrupteur 17 u18 : Tension de sortie de l'intégrateur 18 u34 : Signal de remise à zéro pour l'intégrateur 18 sly : Temps de fermeture de l'interrupteur 19 u20 : Tension de sortie du comparateur 20 u23 : Niveau logique enregistré dans la mémoire 23 u24 : Niveau logique enregistré dans la mémoire 24 u25 : Tension de sortie de opérateur ET 25 = impulsion de déclenchement. Un défaut à la terre, dans le système à surveiller, par exemple dans l'alternateur 3, a pour conséquence un accroissement du courant de sortie de ltamplificateur 6. Dans le transformateur 15 on transforme cet accroissement du courant en une tension. Le filtre passe-bas 16 élimine de celle-ci les composantes à fréquence élevée. Pour cela, la fréquence de coupure (supérieure) du filtre est fixée à environ f /4, de sorte que l'atténuation à la fréquence du réseau doit être ainsi de 30 à 40 dB au moins. tu cours dune demi-période de la tension de sortie u9 du diviseur de fréquence 9 on intègre le signal codé u dans l'intégrateur 18. La cortmande du temps d'intégration s'effectue ici au moyen de l'inter- rupteur 17, dont le temps de fermeture 17 est dérivé des grandeurs u9, al et a3 par combinaison logique do ces tensions. Au cours d'une période complete T + T du signal codé, s'effectue m p une fois au cours du temps de mesure T et une fois au cours du m temps de contrôle T . L'interrupteur 19 se ferme juste avant que p ltintégrateur 18 ne soit remis à zéro par la tension de sortie de l'opérateur OU 34. Dans le comparateur 20, à ce moment là, on compare la valeur instantanée de la tension de sortie de lsintégra- teur u18 avec une valeur limite ajustable. Si cette valeur instantanée est supérieure à cette valeur limite, le comparateur change detat et son niveau logique de sortie passe de O à 1. Pour autant que la condition ET est satisfaite pour ltopérateur ET 22, c'està-dire si a1 = O, ce niveau de sortie du comparateur est transmis et enregistré dans la mémoire 24. Ceci ne peut être le casque--- durant le temps de mesure T w Si en dehors du défaut à la terre dans le système il n'y a pas d'autre défaut, du fait de l'action du filtre 16 ainsi que de leintégrateur 18 le signal codé ne provoquera pas de changement du niveau logique à la sortie du comparateur 20, durant le temps de contrôle Tp. Par l'intermédiaire de l'opérateur NON ET 21, ctest donc également le niveau logique 1 qui sera enregistré dans la mémoire 23. Mais alors la condition ET est satisfaite à entrée de ltopérateur ET 25, et on actionne le contacteur de manoeuvre 26. Les conditions sont différentes si, outre le signal codé, d'autres composantes de signal agissent sur l'intégrateur 18 également pendant le temps de contrôle Tp, de telle sorte que sa ten sien de sortie monte au delà de la valeur de seuil du comparateur 20. Durant le temps de contrôle T également on a alors un chan p gement du niveau logique à la sortie du comparateur, de sorte que par l'intermédiaire de l'opérateur ET 22 et de la mémoire 24 on a bien le niveau logique 1 sur l'une des entrées de l'opérateur ET 25 mais à la sortie de la mémoire 23 on a le niveau logique 0 et une signaiisation d'alarme (de défaut) ne peut donc pas être dé clenchée. Ainsi qu'on peut le voir dans le diagramme des impulsions en fonction du temps, on n'effectue pas l'intégration du signal codé immédiatement au début du temps de mesure Tm mais on attend pour commencer qu'une période entière soit écoulée, afin délimi- ner les influences perturbatrices éventuelles des régimes transitoires ou autres. Avec un dimensionnement différent du générateur de la séquence de cadencement T, il est possible en outre de prolonger le temps d'intégration tml - t au cours du temps de mesure T w m ainsi que le temps d'intégration tp1 - t au cours du temps de p contrôle Tp, par exemple de manière à couvrir un nombre impair de demi-périodes du signal codé. Du fait de sa consommation relativement faible, 1bLimen- tation de l'ensemble du dispositif de détection des défauts à la terre peut se faire à partir d'une batterie. Il est possible ainsi de surveiller le système même lorsque l'alternateur est à larrêt. Le dispositif de détection proposé peut être utilisé aussi bien pour le circuit statorique que pour le circuit rotorique des machines électriques. Il faut, évidemment, prévoir alors deux dispositifs sépares, tous deux cependant basés sur le même principe, l'injection du signal codé dans le circuit rotorique s'effectuant par la voie capacitive. Par rapport aux solutions utilisées jusqu'à présent, la protection de terre qui vient d'être décrite apporte une amélioration importante de la fiabilité dans l'identification des défauts à la terre. Il n'est plus nécessaire de faire entrer en ligne de compte ou de calculer les capacités par rapport à la terre des enroulements de l'alternateur ou de l'installation électrique en général, car leur influence est complètement éliminée. Les oscillations de relaxation, les phénomènes de resonnance et autres influences perturbatrices en provenance du réseau sont éliminés sans préjudice à la sensibilité d'intervention de la protection. La sélectivité qui peut être obtenue rend intéressante l'utilisation du dispositif de protection contre les défauts à la terre qui est proposé, en particulier pour les rotors fonctionnant avec une excitation à thyristors, qui en règle générale, sont équi pés de condensateurs de protection supplémentaires. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de détection des défauts à la terre pour des systèmes à courant continu ou alternatif, monophasés ou polyphasés isolés galvaniquement du réseau, en particulier pour des enroulements de machines à courant alternatif monophasé ou polyphasé, où, entre le système à surveiller et la terre, on branche une source de tension auxiliaire avec au moins une fréquence différente de la fréquence du réseau et où un dispositif de comparaison est associé à la source de tension auxiliaire pour distinguer entre l'état exempt de défaut et le cas où il y a un défaut à la terre, caractérisé par le fait que comme source de tension auxiliaire on utilise la tension de sortie dlun générateur de signal avec au moins une fréquence (f ) inférieure de moitié au moins à la fréquence du réseau (fin) et que le dispositif de comparaison comprend des moyens pour reconnattre la forme de signal de la tension de sortie du générateur de signal. 2.- Dispositif de détection des défauts à la terre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le dispositif de comparaison comporte des moyens pour ltintégration du courant de sortie du générateur de signal, ou celle d'une grandeur dérivée de ce courant, ltintégration s'effectuant entre deux passages à zéro consécutifs de la tension de sortie (uO) du générateur, et que le temps d'intégration (t t - t ) est égal à un nombre impair de demi-périodes de cette tension. 3.- Dispositif de détection des défauts à la terre selon quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le tension de sortie (uO) du générateur de signal présente un caractère de signal intermittent, de telle sorte que pendant un premier intervalle de temps (T ) cette tension a une forme périodique et que pendant un deuxième intervalle de temps (T ) faisant suite p au premier, cette tension est égale à zéro. 4.- Dispositif de détection des défauts à la terre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le dispositif de comparaison comprend des moyens (17, 18, 23, 24) pour lintégra- tion et la mise en mémoire pendant les deux intervalles de temps (T ; Tp), de la tension de décalage engendrée par ladite tension (uo) dans le système à surveiller. 5.- Dispositif de détection des défauts à la terre selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il est prévu un générateur de séquence de cadencement (T), pour la commande ----- par pas successifs, de l'intégration et de la miseen mémoire. 6.- Dispositif de détection des défauts à la terre selon la revendication 3, caractérisé par le fait que pendant ledit premier intervalle de temps (Tm) la tension de sortie du générateur de signal (uO) présente une forme sinusoidale, dont la période a une durée (To) qui est un multiple pair de la période (Tn) de la fréquence du réseau (fn), de préférence 4Tn 7.- Dispositif de détection des défauts à la terre selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le premier intervalle de temps (Tm) dure au moins six fois, de préférence au moins douze fois la période (Tn) de la tension du réseau, et que le deuxième intervalle de temps (T ) a la meme durée que le premier. p 8.- Dispositif de détection des défauts à la terre selon l'une quelconque des revendications 3, 4 ou 6, caractérisé par le fait qu'il est prévu pour commander en fonction du temps linté- gration, à ltintérieur des deux intervalles de temps précités, des moyens qui présentent des caractéristiques telles, que le début et la fin du temps d'intégration (tmî - t ; tp1 - t ) se situent p respectivement au moins deux fois, de préférence quatre fois la durée de la période de la fréquence du réseau (Tn) après le commencement ou la fin de l'intervalle de temps (Tm ou Tp) considéré.