Brevet FR2332638A1 — publié le 19770617

L'invention se rapporte à un dispositif autonome de protection ampèremétrique sensible aux fuites homopolaires de courant d'une ligne de distribution d'énergie en courant électrique polyphasé et destiné à isoler la ligne en défaut par action sur un organe électrique déclencheur d'un moyen de coupure de la ligne Le courant homopolaire d'une ligne de distribution d'énergie électrique polyphasée est la somme vectorielle des courants de phase. Pour une ligne idéale saine débitant sur une charge, le courant homopolaire est nul.Le courant homopolaire de ligne résulte d'un déséquilibre propre de la ligne, dA à des fuites inégales de courant depuis les conducteurs de phase vers la terre à la fréquence fondamentaledu réseau (50 Hz), auquel s'ajoute un faible courant à la fréquence harmonique trois (150 "z), engendré par des circuits magnétiques triphasés de transformateurs. Les capacités inégales entre conducteurs de phase et terre sont à l'origine d'un faible courant homopolaire à 50 Hz inévitable, Les défauts à impédance relativement faible entre phase et terre donnent naissance à des courants homopolaires corrélativement intenses, qui sont susceptibles de faire fonctionner les protections homopolaires des disjoncteurs de tete des lignes de distribution. Mais il existe des défauts à impédance élevée, tels que des fuites d'isolateurs, contacts de branches d'arbres, fils tombés sur un sol peu conducteur, qui donnent naissance à des courants de fuites homopolaires, trop faibles pour faire fonctionner les protections homopolaires classiques des disjoncteurs de tete des lignes de distribution ; mais ces défauts, compte tenu de la ten- sion de ligne (plusieurs kilovolts ou dizaines de kilovolts) sont potentiellement assez énergétiques pour provoquer des dégels graves s'ils se maintiennent trop longtemps, ou constituer un danger pour des etres vivants. Ces défauts sont connus sous le nom de défauts résistants à la terre. Actuellement, ces défauts résistants sont décelés globalement sur les dispositifs de mise à la terre du neutre de réseau de distribution ; la ligne défectueuse est isolée par un processus de recherche séquentielle soit dirigé par un opérateur, soit conduit par un automate. Ce processus conduit généralement à la coupure momentanée de départs de lignes saines, et la manoeuvre en réenclenchement des disjoncteurs de tete de lignes saines font intervenir les sources d'énergie de manoeuvre du poste de distribution. Par ailleurs les dispositifs chargés de déceler les défauts résistants doivent supporter sans déclencher les courants homopolaires de capacité de l'ensemble des lignes du réseau en l'absence de défaut et ne peuvent entre réglés que pour agir en réponse à des courants homopolaires de défaut résistant significativement plus élevés que le courant homopolaire de capacité global existant en l'absence de défaut L'invention a pour objet ur, dispositif de protection ampèremétrique capable de commander l'isolement d'une ligne en défaut résistant à partir du courant homopolaire de défaut de cette seule ligne. L'invention a également pour objet un dispositif de protection ampèremétrique homopolaire autonome, c'est-à-dire prélevant l'énergie nécessaire à son fonctionnement sur l'énergie du défaut homopolaire résistant. L'invention a encore pour objet un dispositif autonome de protection ampèremétrique homopolaire capable de provoquer le dé clenchenent d'un dispositif de coupure de la ligne avec un retard croissant en fonction inverse de l'intensité de défaut homopolaire résistant. A ces effets l'invention propose un dispositif autonome de protection ampèremétrique sensible aux fuites homopolaires de courant d'une ligne de distribution d'énergie en courant électrique polyphasé et destiné à isoler la ligne en défaut par action sur un organe électrique déclencheur d'un moyen de coupure de la ligne, caractérisé par la combinaison de moyens de transformation de courant homopolaire placés sur la ligne avec deux enroulements secondaires, d'un moyen de charge progressive d'un condensateur accumulateur alimenté en courant par le premier enroulement secondaire, d'un moyen interrupteur à seuil de tension fermé au repos sur les bornes dudit condensateur accumulateur, adapté à s'ouvrir en réponse à une tension sur ledit premier enroulement dépassant un seuil de consigne et alimenté en énergie de manoeuvre par ledit second enroulement, et d'un moyen de décharge dudit condensateur accumulateur dans ledit organe déclencheur en réponse à une tension délivrée par ledit moyen de charge dépassant un niveau de tension prédéterminé. Les moyens de transformation étant placés sur la ligne de distribution ne sont sensibles qu'aux courants homopolaires de dé faut de cette seule ligne fils ils prélevent, par le premier enroule- ment une tension mesure du courant homopolaire pour mettre en action le dispositif de protection, et une énergie qui s'accumule dans le condensateur accumulateur jusqu'à mètre suffisante pour agir sur l'organe déclencheur, et par le second enroulement lléner- gie nécessaire à la manoeuvre du moyen interrupteur, en sorte que le dispositif ne nécessite pas d'autre source d'énergie que l'éner- gie potentiellement présente dans le défaut.Le condensateur accumulateur étant chargé progressivement par un courant débité par le premier enroulement n'atteint le niveau prédéterminé de tension où il se décharge dans l'organe déclencheur qu'après un retard fonction inverse du courant de défaut résistant. De préférence les moyens de transformation comprennent un noyau magnétique torique enfilé sur l'ensemble des conducteurs de la ligne et deux enroulements secondaires bobinés sur le noyau torique en opposition de phase. Le courant primaire du transformateur ainsi constitué est exactement la somme vectorielle des courants dans les conducteurs de phase, donc le courant homopolaire de la ligne ; les courants dans les enroulements secondaires sont ainsi une image fidèle du courant homopolaire, et non une reconstitution par combinaison vectorielle de courants images des courants de phase comme dans les protections homopolaires classiques. Avantageusement les enroulements secondaires comportent des moyens d'accord sur la fréquence du courant polyphasé, pour augmenter la sensibilité du dispositif. Selon une disposition préférée de l'invention le moyen de charge progressive comprend un redresseur une alternance couplée à un générateur de tension en escalier qui délivre un incrément de charge au condensateur accumulateur en correspondance avec chaque alternance redressée. Le redresseur une alternance peut comporter un transistor monté en régulateur parallèle de courant débité et une diode Zener écreteuse de tension redressée. Le générateur de tension en escalier est de préférence une pompe à diode classique chargeant le condensateur accumulateur, et le moyen de décharge de ce condensateur comporte un thyristor dont la cette est attaquée par les impulsions de charge du condensateur accumulateur à travers une diode Zener définissant le niveau de tension de décharge. Le moyen interruPteur à seuil de tension peut cotre constitué par un premier transistor avec son espace émetteur collecteur en parallèle sur le condensateur accumulateur, saturé au repos et bloqué par un second transistor recevant une tension de commande engendrée par le premier enroulement à travers une diode Zener et une diode redresseuse. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre en référence au dessin annexé qui est une représentation schématique d'un dispositif selon l'invention. Selon la forme de réalisation choisie et représentée, un dispositif autonome de protection ampèremétrique homopolaire est affecté à un départ d'une ligne de distribution à moyenne tension, à partir d'un réseau comportant des barres omnibus 1, 2, 3 pour les trois phases dela moyenne tension. Le neutre du réseau est mis à la terre par une bobine 4 et un détecteur de courant de neutre 5. Ce détecteur de courant de neutre 5 n'est maintenu qu'à titre de protection complémentaire. Le départ comprend un disjoncteur de tete 14 relié aux barres omnibus 1, 2 et 3 par trois conducteurs respectivement 11, 12 et 13. En aval du disjoncteur 14 la ligne de distribution est un cible triphasé 10 avec une boSte d'extrémité 16.Le disjoncteur 14, outre ses organes propres d'enclenchement, de déclenchement et de protection (non représentés) est muni d'un déclencheur percuteur 15 susceptible de provoquer le déclenchement du disjoncteur 14 en réponse à une décharge électrique de quelques millijoules. Un transformateur torique 20 dans son ensemble comporte un noyau magnétique torique 21 enfilé sur le cible triphasé 10 ; deux enroulements secondaires 22 et 23 sont bobinés sur le noyau torique 21. Les premières bornes 22a et 23a des enroulements 22 et 23 sont reliées à la connexion de masse 100 du dispositif de protection, de façon que les tensions par rapport à la masse 100 apparaissant sur les secondes bornes respectivement 22b et 23b soient en opposition de phase. Un condensateur variable 24 branché entre la première borne 23a et la seconde borne 23b du second enroulement 23 est réglé pour résonner sur la fréquence fondamentale du réseau avec l'inductance ramenée au secondaire 23 du transformateur 20. La tension apparaissant entre les bornes 22a et 22b du secondaire 22 est appliquée à un redresseur 30 une alternance, comprenant une diode redresseuse 31, un transistor 32 avec son émetteur à la cathode de la diode 31, son collecteur à la masse 100 et sa base reliée à travers une diode 34 et une résistance à une seconde extrémité d'une résistance-33 disposée entre la diode 31 et une résistance 36 en parallèle sur la sortie du redresseur 30. Une diode Zener 35, en parallèle également sur la sortie du redresseur 30, limite les cretes de tension sur la résistance 36. La tension unidirectionnelle apparaissant sur la résistance est appliquée à l'entrée d'un circuit 40 de charge progressive d'un condensateur accumulateur 44, ce circuit de charge 40 comprenant un condensateur d'entrée 41 reliant la sortie du redresseur 30 à un point de jonction 41a de deux diodes 42 et 43. La diode 42 est disposée passante de la masse 100 à la jonction 41a, tandis que la diode 43 est disposée passante de la jonction 41a à une première borne 44a du condensateur accumulateur 44, dont la seconde borne est à la masse 100. Un thyristor 45 est relié par son anode à la première borne 44a du condensateur accumulateur 44, par sa cathode au déclencheur percuteur 15 par l'intermédiaire du conducteur 15b, et par sa g chette à l'anode d'une diode Zener 46 dont la cathode est à la jonction 41a.Le fil de retour 15a du déclencheur percuteur 15 est relié à la masse 100, et une diode 47 est branchée passante entre la masse 100 et le conducteur 15b, en étouffement de surtensions inverses sur le déclencheur percuteur 15. Un circuit interrupteur à seuil 50 comprend trois diodes Zener 51a, 51b et 51c reliées en commun par leurs cathodes à la borne 22b du premier enroulement et par leurs anodes à trois plots d'un commutateur de sélection 51. Les tensions Zener des diodes 51a à 51c sont étagées dans les rapports 1:1,5:2. Le curseur du commutateur 51 est relié à travers une diode redresseuse 52 à une capacité d'intégration 54. Cette capacité a une borne à la masse et son autre borne est reliée à la base d'un transistor 55 par une résistance 53. Le collecteur du transistor 55 est relié à la base d'un transistor 56 dont l'espace émetteur collecteur est en parallèle sur le condensateur accumulateur 44.Le collecteur du transistor 55 est alimenté à travers la résistance 55a par un redresseur 60, comprenant une diode redresseuse 61, une capacité réservoir 63 et une diode Zener de stabilisation 62 ; ce redresseur une alternance 60 est alimenté par le deuxième enroulement secondaire 23 du transformateur torique 20. Le dispositif autonome de protection fonctionne comme suit : les trois conducteurs de phase du ctble 10 traversant l'orifice central du noyau magnétique 21, le courant primaire du transformateur 20 est la somme vectorielle exacte des trois courants de phase dans la ligne 10, autrement dit le courant homopolaire dérivé du cible 10 vers la terre en aval du transformateur 20, et qui se referme sur le neutre du réseau 1, 2, 3 par la bobine de mise à la terre 4. les ampères-tours démagnétisants du transformateur 20 sont la somme des ampères-tours dans les deux secondaires 22 et 23, résultant du débit du secondaire 22 dans le redresseur 30 (et dans une certaine mesure dans la commande de l'interrupteur à seuil 50 comme précisé plus loin) et du débit du secondaire 23 dans le redresseur 60 et dans le condensateur variable d'accord 24. Ce dernier a pour ribla essentiel l'adaptation de l'impédance interne du transformateur 20 et des impédances d'entrée des redresseurs 30 et 9, à la fréquence fondamentale du réseau. I1 assure dgale- ment une discrimination d'avec les courants homopolaires à 150 Hz (prenant leur origine dans des circuits magnétiques triphasés de transformateur et se refermant par la capacité de ligne).Les enroulements 22 et 23 étant en opposition de phase, la polarisation magnétique du noyau 21 due aux coeoeantes continues des courants des enroulements 22 et 23 est sensiblement compensée. Le redresseur 60 est très classique. L'alternance redressée par la diode 61 charge le condensateur réservoir 63, jusqu'à atteindre la tension Zener de la diode 62 dès que la tension de crête délivrée par l'enroulement 23 dépassera cette tension Zener, ce qui est obtenu pour un courant homopolaire inférieur au seuil minimum de courant de consigne voulu, par un choix convenable de la tension Zener de la diode 62 et du nombre de tours de l'enroulement 23. Dans le redresseur 30, la diode 31 laisse passer l'alternance positive du courant débité par l'enroulement 22, qui se trouve appliquée à l'émetteur du transistor 32. Le courant traversant l'espace émetteur collecteur de ce transistor 32 est réglé par la tension de base qui est la tension émetteur diminuée de la chute de tension due au courant circulant dans la résistance 33, en sorte que le transistor 32 offre au passage du courant une résistance d'autant plus faible que le courant débité vers la diode Zener 35, la résistance 36 et le circuit de charge 40 est plus élevé. Ce transistor 32 agit donc en régulateur parallèle de courant. La diode 34 est prévue pour introduire un seuil de fonctionnement du régulateur, de sorte que ce régulateur n'agisse pas lorsque l'énergie disponible est faible. La tension développée aux bornes de la résistance 36 est une alternance positive d'amplitude sensiblement proportionnelle au courant primaire du transformateur 20, tant que cette amplitude est inférieure à la tension Zener de la diode 35 ; pour des amplitudes supérieures l'alternance redressée est écrêtée pour devenir pratiquement une impulsion rectangulaire pour les courants primaires élevés. Les alternances unidirectionnelles sont appliquées à l'entrée du circuit de charge 40. Les condensateurs 41 et 44 et les diodes 42 et 43 forment un circuit connu sous le nom de "pompe à diodes" dans lequel la charge prise par le condensateur 41 sous l'effet de la croissance positive de tension sur la résistance 36 est transférée par la diode 43 au condensateur 44, tandis que la charge inverse due à la décroissance de tension sur la résistance 36 est écoulée à la masse par la diode 42. Ainsi, à partir d'une charge nulle du condensateur 44, la charge du condensateur 44 va croître par incrément, la tension aux bornes ayant la forme dite en escalier.A la jonction 41a entre les diodes la tension a la forme d'une succession d'impulsions alignées à la base sur la masse (par la diode 42) et dont l'amplitude est égale à la tension de charge du condensateur 44 (par écretage par la diode 43). Aussi, tant que l'amplitude de tension des impulsions à la jonction 41a sera inférieure à la tension d'amorçage de la diode Zener 46, aucun courant ne sera injecté sur la gâchette du thyristor 45 qui ne s 'amorcera pas ; lorsque la tension de charge du condensateur accumulateur 44 dépassera la tension d'amorçage de la diode Zener 46, l'amplitude corrélative des impulsions à la jonction 41a fera amorcer cette diode Zener 46 et du courant sera injecté à la-gachet- te du thyristor 45, qui déchargera le condensateur accumulateur 44 dans le déclencheur percuteur 15.Le disjoncteur 14 déclenchera isolant le cible 10 du réseau 1, 2, 3. On conçoit que le retard entre le début de la charge du condensateur accumulateur 44 et sa décharge par le thyristor 45 sera inversement proportionnel à la charge unitaire injectée à chaque alternance redressée par le redresseur 30, c'est-à-dire inversement proportionnel au courant homopolaire du cable 10, tant que les amplitudes redressées appliquées à la résistance 36 sera inférieure à la tension d'amorçage de la diode Zener 35. Au-delà le retard tendra rapidement à se stabiliser à une valeur correspondant à l'attaque du circuit de charge par des impulsions rectangulaires d'amplitude égale à la tension Zener de la diode 35, Au repos l'interrupteur à seuil de tension 50 met le condensateur accumulateur 44 en court-circuit et le décharge au fur et à mesure de sa charge par la pompe à diodes 42, 43. En effet, en l'absence de tension sur le condensateur 54 et donc sur la base du transistor 55 celur-ci est bloqué, et la tension délivrée par le redresseur 60 est transmise par la résistance 55a à la base du transistor 56 qui est saturé, et court-circuite le condensateur accumulateur 44.Lorsque la tension entre les bornes 22a et 22k dépasse en crete positive la tension d'amorçage de celle des diodes Zener 51a, 51b ou Slc choisie par le commutateur de sélection 51, la diode 52 devient passante et charge le condensateur 54. La constante de temps définie par le condensateur 54, la résistance 53 et l'espace base émetteur du transistor 55 est de l'ordure de 20 millisecondes, soit une période dela fréquence du réseau, en sorte que la charge du condensateur 54 à travers la diode 52-peut saturer le transistor 55 en permanence tant que la tension de crete positive aux bornes de l'enroulement 22 dépasse la tension d'amorçage de la diode Zener choisie 51a, 51b ou 51c.La saturation du transistor 55 annule la tension de base du transistor 56 qui se bloque et libère la charge progressive du condensateur accumulateur 44 On remarquera que les diodes Zener 51a, 51k et 51c possédant des tensions d'amorçage échelonnées, il est possible de choisir trois seuils échelonnés de tension de fonctionnement de l'interrupteur à seuil de tension 50, correspondant respectivement à trois seuils de courant homopolaires sur défaut résistant provoquant le déclenchement. Dans la pratique on adopte des seuils de courant homopolaires d'environ 1, 1,5 et 2 ampères en moyenne tension.Les éléments du dispositif autonome de protection sont déterminés, pour que le retard au déclenchement sur un courant homopolaire de défaut résistant de 1 ampère en moyenne tension soit de l'ordre de 20 secondes (2000 alternances), correspondant au temps de recherche par sélection d'un automate classique, tandis que le retard constant sur courant de défaut élevé (à partir de 100 ampères en moyenne tension) est d'environ 2 secondes (200 alternances). Les calculs des valedrs des composants à utiliser pour obtenir ces résultats paraîtront évidents à lthomme de l'art. Le fil de sortie 65 depuis la base du transistor 56 à travers la diode 57 permet d'obtenir un signal d'information instantanée du franchissement du seuil de courant homopolaire. Les connexions de sortie 66 entre les bornes 22a et 22b de l'enroulement 22 sont prévues pour une liaison à un automate centralisé. Le fait que la tension entre les connexions de sortie 66 soit proportionnelle au courant de la ligne permet une comparaison des tensions en provenance de plusieurs lignes. L'automate centralisé peut ainsi identifier le départ en défaut, et éventuellement commander, en secours de la protection autonome en cause, le déclenchement de l'organe de coupure de ligne. Le dispositif décrit est prévu pour etre associé à un déclencheur percuteur 15 capable de provoquer le déclenchement d'un disjoncteur de puissance 14 en réponse à une énergie de commande de quelques millijoules seulement. La diode 47 entre les fils de liaison 15a et 15b du dispositif de protection au déclencheur percuteur a pour rôle d'étouffer la pointe de tension inverse dans la -bobine de commande du déclencheur percuteur à la suite de la décharge du condensateur accumulateur 44.Si le disjoncteur 14 était muni d'un dispositif de protection ampèremétrique sensible aux courants de phases, le déclencheur percuteur 15 pourrait titre commandé soit par ce dernier dispositif de protection, soit par le dispositif autonome de protection ampèremétrique homopolaire de l'invention, en disposant dans le conducteur 15b une diode passante vers le déclencheur percuteur 14, et une diode analogue dans le conducteur correspondant venant du dispositif de protection sensible aux courants de phase. La diode 47 serait alors directement aux bornes de la bobine du déclencheur percuteur 15. Cet agencement de diodes permet l'indépendance des commandes de déclenche- ment. Par ailleurs le dispositif autonome de protection ampèremétrique homopolaire selon l'invention peut équiper un départ de ligne de transport équipé d'un moyen de coupure différent d'un disjoncteur muni d'un déclencheur percuteur sensible ; le signal de commande de déclenchement envoyé à travers les conducteurs 15a et 15b agirait alors sur des moyens de relayage électriques ou électromécaniques convenables, pour commander l'ouverture du moyen de coupure. I1 serait possible notamment de commander ainsi l'ouverture sélective d'un sectionneur de coupure d'un départ en défaut, conjointement avec l'ouverture temporaire d'un disjoncteur amont à réenclenchement automatique. Bien entendu l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit, et bien des variantes pourraient étre réalisées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif autonome de protection ampèremétrique sensible aux fuites homopolaires de courant d'une ligne de distribution d'énergie en courant électrique polyphasé destiné à isoler la ligne en défaut par action sur un organe électrique déclencheur d'un moyen de coupure de la ligne, caractérisé par la combinaison de moyens de transformation de courant homopolaire placés sur la ligne avec deux enroulements secondaires, d'un moyen de charge progressive d'un condensateur accumulateur alimenté en courant par le premier enroulement secondaire, dlun moyen interrupteur à seuil de tension, fermé au repos sur les bornes dudit condensateur accumulateur, adapté à s'ouvrir en réponse à une tension sur le premier enroulement dépassant un seuil de consigne et alimenté - en énergie de manoeuvre par ledit second enroulement, et d'un moyen de décharge dudit condensateur accumulateur dans ledit organe déclencheur en réponse à une tension délivrée par ledit moyen de charge dépassant un niveau de tension prdéterminé. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de tnsfortion comprennent un noyau magnétique torique enfilé sur l'ensemble des conducteurs de ladite ligne et deux enroulements secondaires bobinés sur ledit noyau torique en opposition de phase. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par des moyens d'accord desdits enroulements secondaires sur la fréquence du courant polyphasé. 4. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit moyen de charge progressive comprend un redresseur une alternance coupé à un générateur de tension en escalier adapté à délivrer un incrément de charge au condensateur accumulateur en correspondance avec chaque alternance redressée. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit redresseur une alternance comporte un transistor monté en régulateur parallèle de courant débité et une diode Zener écréteu- se de tension redressée. 6 Dispositif selon la revendication 4 ou 5, avec un générateur de tension en escalier constitué par un condensateur d'entrée disposé entre ledit redresseur une alternance et une jonction de deux diodes, une première diode dans le sens passant de la jonction à une première armature du condensateur accumulateur, et la seconde diode dans le sens passant de la seconde armature du condensateur accumulateur à ladite jonction, la seconde armature du condensateur étant à la masse dudit redresseur une alternance, caractérisé en ce que ledit moyen de décharge comprend un thyristor avec son anode reliée à ladite première armature du condensateur accumulateur et sa cathode reliée à l'organe déclencheur qui retourne à ladite masse, une diode Zener étant disposée entre ladite jonction et la gâchette du thyristor. 7. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit moyen interrupteur à seuil de tension, alimenté en énergie par un redresseur une alternance branché sur ledit second enroulement, comporte un premier transistor avec son espace collecteur en parallèle sur ledit condensateur accumulateur et un second transistor adapté, en réponse à une tension de com- mande sur sa base, à bloquer ledit premier transistor, ladite tension de commande étant délivrée par ledit premier enroulement à travers une diode Zener et une diode redresseuse.