Brevet FR2321208A1 — publié le 19770311

Les systèmes différentiels de protection ont pour but de protéger les installations electriques alimentées par des reseaux electriques alternatifs lors de l'apparition d'un courant de defaut à la terre. Dans le but de déceler l'apparition d'un courant de défaut à la terre ces systemes comportent un transformateur d'intensité dit différentiel et un relais a maximum de courant ou de tension et à très haute sensibilité. Le transformateur différentiel est muni, en guise de primaire, d'autant d'enroulements identiques qutil y a de conducteurs alimentant l'installation a protéger. Son secondaire alimente le relais a tres haute sensibilité. En fonctionnement normal, la somme des courants primaires traversant le transformateur différentiel est nulle. En présence d'une fuite a la terre, cette somme ne s' annule plus car la boucle suivie par le courant de de faut se referme en dehors des bornes d'alimentation et du transformateur differentiel. Elle engendre par induction magnetique un courant dans le secondaire du transformateur qui, par l'intermédiaire du relais à tres haute sensibilité, provoque l'ouver- ture d'un dispositif de-coupure. Pour que la protection soit efficace il faut, d'une part, que le secondaire du transformateur de courant donne une image correcte du courant de défaut et, d'autre part, que le relais soit suffisamment sensible. Avec l'apparition des redresseurs et leur utilisation de plus en plus généralisée dans les installations électriques, il est apparu des difficultés au niveau du transformateur différentiel et du relais a tres haute sensibilite. La présence de dispositifs redresseurs dans une installation electrique fait que le courant de défaut peut prendre une forme compliquée composé d'une juxtapo- sition de demi-alternances de courant et présenter de ce fait une composante continue non négligeable. Un tel signal est transmis déformé et attenté car sa composante continue sature le noyau du transformateur différentiel.En outre le relais & trés haute sensibilitE est en general un élément polarise dont le seuil de fonctionnement varie avec la polarité des demi-alternances de courant et peut devenir très élevé si cette polarité est contraire à celle correspondant au sens du courant entraînant le fonctionnement du relais. I1 en resulte que les système différentiels classiques de protection risquent de ne pas declencher lors de défauts la terre apparaissant dans un appareillage comportant des semi-conducteurs. On a déjà essaye de resedier cet inconvenient. Les dispositifs connus pour la détection de courant de défaut composante continue mettent en oetwre un transformateur ayant un circuit magnétique a entrefer dans lequel est insérée une sonde sensible au champ magnétique tel qu'une sonde 9 effet hall. Ces dispositifs sont complexes car ils necessitent des amplificateurs. ns sont en outre coûteux par suite du prix enlevé de la sonde. La présente invention a pour but un systeme différentiel de protection qui soit sensible aux courants de défaut même présentant une forte composante continue tout en restant à la fois simples et peu coûteux. Elle a pour objet un systeme différentiel de protection d'une installation électrique contre les courants de défaut a la terre comportant - un transformateur dtintensité dit différentiel ayant : un circuit magnétique sans entrefer, un primaire formé de plusieurs enroulements identiques raccordés aux conducteurs alimentant l'installation, un enroulement d'excitation alimente en courant alternatif et un secondaire formé dVau moins un enroulement, - et un dispositif sensible a un minimum et/ou a un maximum de courant ou de tension connecté au secondaire du transformateur différentiel. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront des revendications jointes et de la description ci-apres de plusieurs modes de réalisation donnés a titre d'exemples. Cette description sera faite en regard du dessin qui comporte - une figure 1 représentant de façon schematique un systeme différentiel de protection selon l'invention - les figures 2, 3, 4, 5, 6 et 7 montrant différentes variantes du circuit secondaire du transformateur différentiel - et la figure 8 représentant de façon détaillée un mode de réalisation préféré. Pour plus de clarté, on se limite dans la présente description a la protection d'installations alimentées en courant alternatif monophasé. lais il est bien evident que les différents systemes qui vont être décrits, comme d'ailleurs tous les sytemes différentiels de protection, sv adaptent facilement aux sources de courants polyphasés. Le systeme différentiel de protection représenté a la figure 1 s'applique a une installation électrique dont les récepteurs ont été représentés par une charge 1 et qui est alimentée par une source de courant alternatif monophasé 2. I1 est plus particulierement destiné à la protection contre les courants de défaut a la terre présentant une composante continue. Son extension aux courants de défaut la terre n'ayant pas de composante continue est, comme on le verra par la suite, particulierement aisée. Il se compose essentiellement d'un transformateur d'intensité 3 alimentant un dispositif 4 sensible a un minimum de courant ou de tension qui commande l'ouverture d'un appareil de coupure 5 placé entre la source d'alimentation 2 et l'installation 1. le transformateur d'intensité 3 a : un circuit magnétique 6 sans entrefer, préférablement en forme de tore, deux enroulements primaires 7 et 8 identiques raccordés d'une part à l'appareil de coupure S et d'autre part la charge 1, un enroulement d'excitation 9 alimenté en courant alternatif par 1' intermédiaire d'une résistance ajustable 10 et un enroulement secondaire 1 1 alimentant le dispositif sensible 4. Le dispositif sensible 4 est un relais à minimum à très haute sensibilité. C'est par exemple un relais a collage polarisé par un aimant permanent et fonctionnant au décollage auquel on a retiré l'aimant permanent pour le faire fonctionner en relais a minimum, sa bobine 12 assurant le maintien du collage de l'armature mobile, rôle qui revenait auparavant a l'aimant permanent. Le fonctionnement est le suivant En l'absence de défaut a la terre la somme des courants parcourant les enroulements primaires 7 et 8 est nulle et seul l'enroulement d'excitation 9 induit un flux magnétique alternatif dans le noyau 6 du transformateur différentiel 3 qui produit dans l'enroulement secondaire 11 un courant alimentant la bobine de maintien 12 du relais minimum a tres haute sensibilité. La valeur de l'intensité du courant est réglée par l'intermédiaire de la résistance ajustable 10 de façon qu'elle se situe juste au-dessus du seuil de fonctionnement du relais a tres haute sensibilite. Si, pour une raison quelconque, il se produit dans l'installation protégée un courant de défaut à la terre presentant une composante continue, ce courant de défaut se retrouve dans la somme des courants parcourant les enroulements primaires 7 et 8 du transformateur différentiel 3. Sa composante continue a pour effet de saturer ou tend à saturer le circuit magnétique du transformateur 3 et par conséquent de diminuer la force électromotrice induite dans l'enroulement secondaire 11 par le courant alternatif parcourant l'enroulement d'excitation 9. La diminution de l'intensité du courant parcourant la bobine de maintien 12 du relais a minimum à tres haute sensibilité provoque le rel chement de l'armature mobile de ce relais permettant ainsi une signalisation ou, comme représenté, ltouverture d'un appareil de coupure 5 isolant la charge I de sa source d'alimentation 2. Pour accentuer encore ce phenomene de saturation on choisira avantageusement pour le circuit magnétique 6 du transformateur 3 un matériau présentant une grande perméabilité et un seuil franc de saturation. Le seuil de déclenchement du systeme différentiel de protection représenté a la figure I peut être modifié en jouant sur l'intensité du courant alternatif traversant l'enroulement d d'excitation 9 au moyen de la résistance ajustable 10. il est a noter que l'intensité du courant parcourant l'enroulement d'excitation 9 ne nécessaire pour le maintien du relais minimum a tres haute sensibilité sera d'autant plus faible que le seuil de ce relais sera plus bas. Le circuit que l'on vient de décrire est sensible aux courants de défaut présentant une composante continue. Il peut être utilisé tel quel, en association avec un systeme différentiel de l'art antérieur pour assurer une protection efficace d'une installation quelle que soit la forme du courant de défaut. En l'absence d'un systeme différentiel de protection préexistant dans l'installation à protéger, il peut être très facilement complété pour tenir compte de toutes les formes de courants de défaut. Outre les courants de défaut présentant une composante continue, le circuit représenté à la figure 1 est également sensible aux courants de défaut n'ayant pas de composante continue mais produisant, par I'intermédiaire des enroulements primaires 7 et 8, un champ magnétique se soustrayant de celui engendré par l'enroulement d'excitation 9. En effet un tel défaut provoque une diminution de la force électromotrice induite dans l'enroulement secondaire 11 et appliquée aux bornes de la bobine de maintien 12 du relais à minimum a tres haute sensi bilité. Par contre si le courant de défaut, n'ayant pas de composante continue, engendre dans le circuit magnétique 6 du transformateur différentiel 3 un champ magnétique additif celui engendré par l'enroulement d'excitation 9, la force électromotrice induite dans l'enroulement secondaire Il et appliquée aux bornes de la bobine de maintien 12 du relais à minimum a très haute sensibilité augmente et par conséquent renforce le collage de l'armature mobile de ce relais. Pour tenir compte de ce cas particulier, il suffit de connecter au secondaire du transformateur différentiel 3 un relais maximum très haute sensibilité qui déclenchera å la place du relais à minimum à très haute sensibilité. La figure 2 montre un schéma possible pour le circuit secondaire du transformateur 3. Dans celui-ci le dispositif sensible 4 (figure 1) est formé d'un relais à minimum à très haute sensibilité 13 et d'un relais à maximum à très haute sensibilité 14 dont les bobines sont connectées en série. La figure 3 montre un schéma voisin dans lequel les bobines des relais 13 à minimum et 14 à maximum sont connectées en parallèle et la figure 4 une autre variante dans laquelle les bobines des relais 13 à minimum et 14 à maximum sont connectées à des elnroulements secondaires distincts 11' respectivement 11" du transformateur différentiel 3. Le fonctionnement des relais a minimum et a maximum a très haute sensibilité est amélioré par l'utilisation d'un circuit redresseur disposé dans le circuit secondaire du transformateur différentiel 3. En effet le courant alternatif disponible aux bornes de l'enroulement secondaire J 1 du transformateur differentiel 3 est peu propice au collage des armatures mobiles des relais 13 et 14 qui sont soumises à l'effort antagoniste de ressorts d'ouverture car il provoque des vibrations. Les figures 5, 6 et 7 représentent différentes variantes possibles du circuit secondaire du transformateur différentiel 3 comportant un circuit redresseur intercalé entre l'enroulement secondaire 11 et le dispositif sensible 4. Dans le schéma de la figure 5 le circuit redresseur est du type mono-alternance. Il ne comporte qu'une diode série 15 et une capacité de filtrage 16. Il est particulièrement économique. Dans le schéma de la figure 6 le circuit redresseur est du type double alternance. Il comporte un pont de diodes 17 et une capacité de filtrage 16. Il apporte une meilleure sensibilité que le précédent. Enfin dans la variante de la figure 7 le circuit redresseur est du type double alternance. Il ne comporte que deux diodes 18 et 19 et une capacité de filtrage 16 mais il nécessite un enroulement secondaire 11 a point milieu. Il est néanmoins préférable aux deux autres car il présente la meilleure sensibilité et le meilleur rendement. Lorsque le dispositif sensible 4 est composé de deux relais très sensibles l'un a minimum 13 l'autre a maximum 14 dont les bobines sont connectées soit en parallèle (figure 3), soit sur des enroulements secondaires distincts (figure 4), on peut encore améliorer le rendement du système en connectant un élément à seuil tel qu'une diode en série avec la bobine du relais maximum, La figure 8 illustre une forme préférée de réalisation dans laquelle ont été utilisés a la fois le circuit de redressement et Itélément à seuil pour parvenir au meilleur rendement.On distingue sur cette figure le transformateur différentiel 3 avec son circuit magnétique sans entrefer 6, ses enroulements primaires 7, 8, son enroulement d'excitation 9 avec la résistance ajustable 10 et son enroulement secondaire Il qui est a point milieu et qui alimente un circuit redresseur double alternance comportant deux diodes 18, 19 et une capacité de filtrage 16. La sortie continue de ce circuit redresseur est connectée au dispositif sensible 4 qui comporte un relais à minimum à très haute sensibilité 13, un relais a maximum a très haute sensibilité 14 et une diode 20 connectée en série avec la bobine du relais a maximum 14 en parallèle sur la bobine du relais a minium 13.Les relais 13 et 14 cornandent un appareil d'ouverture 5 disposé entre l'installation connectée aux extrémités 21 des enroulements primaires 7 et 8 et une source alternative connectée aux autres extrémités 22 des enroulements primaires 7 et 8. En fonctionnement normal, c 'est-è-dire en l'absence de courants de défaut, la somme algébrique des courants dans les enroulements primaires est nulle et seul l'enroulement d'excitation 9 induit un flux magnétique dans le noyau 6 du transformateur différentiel 3 et crée dans 1 'enroulement secondaire 1 1 une force électromotrice, . L'intensité de courant d'excitation est réglée grâce a la résis- tance ajustable 10 pour que cette force électromotrice soit supérieure au seuil de fonctionnement du relais à minimum 1 3 mais inférieure au seuil de conduction de la diode 20.De ce fait le relais à maximum 14 n'est pas alimenté et toute l'énergie disponible aux bornes de l'enroulement secondaire 1 1 est utilisée pour l'alimentation du relais à minimum 13, ce qui permet de réduire l'énergie consomnee par l'enroulement d'excitation 9. En cas d'apparition d'un courant de défaut a la terre présentant une compo sante continue ou produisant dans le circuit magnétique du transformateur diffé rentiel 3 un champ soustractif par rapport au champ produit par ltenroulement d'excitation 9, la saturation du noyau 6 du transformateur différentiel ou la baisse de l'intensité du-flux magnétique provoque une réduction de la force électromotrice disponible sur l'enroulement secondaire 11 et par conséquent le fonctionnement du relais à minimum 13. En cas d'apparition d'un courant de défaut à la terre produisant dans le circuit magnétique du transformateur différentiel 3 un champ additif à celui produit par l'enroulement d'excitation 9, l'augmentation de l'intensité du flux magnétique provoque une élévation de la force électromotrice disponible sur l'enroulement secondaire 11 et par conséquent le fonctionnement du relais à maximum 14. L'enroulement d'excitation 9 peut être avantageusement connecté à la source alimentant l'installation. il peut être également alimenté par une source distincte ayant ou non la même fréquence. Le courant qui la traverse peut être réglé, soit comme mentionné par une résistance ajustable, soit par tout autre moyen connu. La diode 20 qui joue le râle d'un élément à seuil peut être remplacée par tout autre élément donnant un résultat équivalent, par exemple une diode quatre couches, une diode Zener Plus généralement on peut, sans sortir du cadre de l'invention, modifier certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. REVENDICATIONS 1/ Système différentiel de protection d'une installation électrique contre les courants de défaut à la terre, caractérisé en ce qu'il comporte - un transformateur d'intensité (3), dit différentiel, ayant : un circuit magnétique (6) sans entrefer, un primaire formé de plusieurs enroulements identiques (7, 8) raccordés aux conducteurs alimentant l'installation, un enroulement d'excitation (9) alimenté en courant alternatif et un -secondaire formé d'au moins un enroulement (il), - et un dispositif (4) sensible à un minimum et/ou à un maximum de courant ou de tension connecté au secondaire (11) du transformateur différentiel (3). 2/ Système différentiel de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit magnétique (6) du transformateur différentiel (3) est formé d > un noyau torique sans entrefer à grande perméabilité présentant un seuil franc de saturation. 3/ Système différentiel de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif sensible (4) comporte un relais a minimum et à très haute sensibilité (13) et un relais a maximum et à très haute sensibilité (14) dont les bobines d'excitation sont connectées au secondaire (11) du transforma- teur différentiel (3). 4/ Système différentiel de protection selon la revendication 3, caractérisé en ce que le secondaire du transformateur différentiel (3) comporte deux enroulements (11' et 11") connectés chacun à la bobine d'excitation de l'un desdits relais (13 > 14). 5/ Système différentiel de protection selon la revendication 3, caractérisé en ce que le secondaire du transformateur différentiel (3) comporte un enroulement (I I) aux bornes duquel les bobines d'excitation desdits relais (13, 14) sont connectées en série ou en parallèle. 6/ Système différentiel de protection selon la revendication 3, caractérisé en ce que le relais à maximum à très haute sensibilité (14) a sa bobine d'excitation connectée en série avec un élément à seuil tel qu'une diode (20). 7/ Système différentiel de protection selon la revendication 3, caractérisé en ce que le relais à maximum à très haute sensibilité (14) est un relais sensible à collage polarisé par un aimant permanent et fonctionnant au décollage et que le relais à minimum à très haute sensibilité (13) est un relais sensible à collage du même genre que le précédent mais sans aimant permanent. 8/ Système différentiel de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un circuit redresseur simple ou double alternance est intercale entre le secondaire (11) du transformateur différentiel (3) et le dispositif sensible (4). 9/ Système différentiel de protection selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une capacité de filtrage (16) est connectée en parallèle avec le dispositif sensible (4). 10/ Système différentiel de protection selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif sensible (4) comporte un relais a minimum à très haute sensibilité (13) et un relais à maximum à très haute sensibilité (14) dont la bobine d'excitation en série avec une diodee (20) est connectée en parallèle avec la bobine d'excitation du relais à minimum a très haute sensibilité (13).