Brevet FR2390841A1 — publié le 19781208

L'invention concerne la protection des installations électriques contre les courants de défaut à la terre Les dispositifs de protection connus utilisent des transformateurs homopolaires associés à des déclencheurs du type généralement dit "polarisé" par un aimant permanent. Des progrès importants - ont - été réalisés tant au point de vue des caractéristiques magnétiques des matériaux utilisés pour les transformateurs et les déclencheurs qu'au point de vue de leur construction. Néanmoins, la régularité et la fidélité dans le temps, du seuil de fonctionnement du dispositif ne sont pas toujours obtenues par suite de paramètres extérieurs très difficilement contrdlables par le fabricant du dispositif.On observe en effet, au niveau du déclencheur des variations de la puissance électrique nécessaire à son fonctionnement, variations qui sont dues par exemple:au veillissement des matériaux tels que ceux constituant lFaimant=permanent de polarisation, ou a une stabilisation imparfaite de l'induction rémanante de l'airnant ; -aux variations des carac téristiques magnétiques provoquées par- les - variations - de la température ambiante, à l'influence des champs magnétiques extérieurs ; aux variations d'épaisseur des entrefers existants provoquées par la pollution ou 1a corrosion des matières et également par les déclenchements et réarmements successifs, au matage mécanique des pièces en présence. On constate également, au niveau du transformateur, des variations des courants primaires nécessaires au fonctionnement du dispositif de~protection, variations résultant du déplacement du point de fonctionnement choisi sur le cycle d'hystérésis du matériau magnétique utilisé.Les causes du déplacement du point=de fonctionnement sont :- la magnétisation résiduelle du circuit - magnétique - du transformateur résultant de l'interruption brusque des courants primaires, la - magnétisation de ces mêmes circuits par la- présence dans les courants de défaut - la terrey de --composantes continues que l'on rencontre de plus en plus dans les installations électriques et qui résUltent de l'emploi de plus en plus fréquent de composants électroniques à effet redresseur tels que diodes et thyristors par exemple Lorsque la puissance électrique nécessaire au fonctionnement du déclencheur a augmenté fortement, pour les raisons indiquées ci-dessus, - il arrive-que la protection contre les courants de défaut à la terre ne soit plus assurée: en effet, une augmentation de la valeur du courant de défaut, donc du courant primaire du transformateur, entrante le point de fonctionnement du transformateur dans la zone de saturation du circuit magnétique. Dans cette zone, une augmentation du courant primaire ne provoque plus une augmentation de la tension secondaire, donc du courant secondaire, et les ampères- tours nécessaires au fonctionnement du déclencheur ne seront. Xamais atteints. Comme on l'a indiqué ci-dessus de nombreux facteurs peuvent intervenir pour altérer le fonctionnement des dispositifs de protection contre - les défauts à la terre La fiabilité de la fonction "differentiellel' - ne pourra être acquise que dans la mesure ou l'influence des variations de puîssance du déclencheur pourront être atténuées ou supprimées d'une part, et d'autre part dans la mesure où 1e point de fonctionnement du circuit magnétique du transformateur homopolaire pourra se situer dans la zone de saturation du matériau utilisé sans provoquer de perturbations notables. La présente invention se propose de remédier à tout ou partie des inconvénients présentés par les dispositifs de protection connus, et a pour objet un dispositif de protection dans lequel le courant dans le déclencheur passe, pour un courant de défaut donné pour lequel le dispositif de protection doit fonctionner, d'une première valeur, inférieure à celle nécessaire pour faire fonctionner le déclencheur, à une deuxième valeur, supérieure à la valeur nécessaire pour le faire fonctionner. Un dispositif de protection est caractérisé par le fait que ledit circuit de déclenchement comporte également un condensateur. Un dispositif de protection est également caractérisé par le fait que le condensateur a une valeur prédéterminée de manière à obtenir dans le circuit de déclenchement, pour un courant de défaut donné pour lequel le dispositif de protection doit fonctionner, un phénomène de ferro-résonance déterminant une première et une deuxième valeur du courant dans ledit circuit de déclenchement lesdites première et deuxième valeurs encadrant une valeur du courant à laquelle le déclencheur fonctionne. Dans un dispositif de protection objet de l'invention on utilise les phénomènes transitoires connus dans le domaine de l'électro technique sous le nom de ferro-résonance; ces phénomènes sont adaptés aux moyens connus de protection contre les défauts à la terre par transformateurs homopolaires et déclencheurs sensibles. L'invention va être décrite à l'aide des figures annexées dans lesquelles: - la figure 1 représente un circuit électrique série d'un dispositif de protection, - la figure 2 est un graphique illustrant le fonctionnement du circuit de la figure 1, - la figure 3 représente une variante du circuit électrique série d'un dispositif de protection. - la figure 4 représente un circuit électrique parallèle d'un dispositif de protection. - la figure 5 est un graphique illustrant le fonctionnement du circuit de la figure 4. - la figure figure 6 représente une variante du circuit électrique parallèle d'un dispositif de protection. La figure l représente un circuit électrique série d'un dispositif de protection dans laquelle 1 est un noyau magnétique d'un transformateur, 2 est une alimentation électrique, traversant ledit noyau magnétique, 3 est un enroulement secondaire bobiné sur ledit noyau mangétique, 4 est une résistance, 5 est une inductance à circuit magnétique, 6 un condensateur, 7 un déclencheur ayant un enroulement 8 en série avec la résistance 4, l'inductance 5 et le condensateur 6. Le noyau magnétique 1 du transformateur est fermé et de préférence en forme de tore; le circuit magnétique de I'inductance 5 est fermé et de préférence en forme de tore ; l1enroulement 8 du déclencheur est bobiné sur un circuit magnétique. Le noyau magnétique 1, l'inductance 5 et lue circuit magnétique du déclencheur sont en matériau magnétiques saturables. On désignera par L l'inductance du circuit de déclenchement constitué par l'enroulement secondaire 3, la résistance 4, l'inductance 5, le condensateur 6, le déclencheur 7, par R sa résistance, et par C la capacité du condensateur 6. La résistance R et la capacité C sont fixes ; par contre I'inductance L est variable quand au moins un circuit magnétique se sature.Soit UT la tension aux bornes de 1'enroulement secondaire 3, UL la tension correspondant à l'inductance L, et I le courant dans le circuit de déclenchement; on obtient l'équation: UT=RI- Co +j UL ou UTRI=(UL) d'où en valeurs efficaces UT - RI = (UL - I ) C # Cette dernière équation peut se résoudre graphiquement en trouvant l'intersection des deux courbes suivantes U2 U2T -RI2 (1) Les courbes des équations (1) et (2) sont représentées figure 2. L'équation (1) est une elipse dont le demi petit axe est UT et le demi grand axe est U L'équation (2) est une courbe dont les ordonnées sont égales à la différence, en valeur absolue, des ordonnées de la droite I et de la courbe UL qui est fonction du courant I puisque l'inductance L varie avec ce c2tfPat. Sur la figure 2 on a représenté la courbe UL = f (1), la droite I , deux courbes a, a' qui correspondent respectivement à deux valeurs UT, VT, de la tension aux bornes de l'enroulement secondaire, ces courbes étant des ellipses, et la courbe b correspondant à l'équation (2). Pour une valeur UT de la tension les deux courbes a et b se coupent en trois points M, N, P ; pour une valeur U'T, supérieure à UT, les points M et N se confondent en un point S, et les courbes a' et b se coupent en-T ; pour des -valeurs de la tension secondaire supérieures à U'T, il n'y a plus qu'un seul point d'intersection sur la branche AB de la courbe b.On remarquera que seuls des points tels que M et P sont stables, puisque situés sur les branches ascendantes OS et AB de la courbe b ; en effet sur ces branches ascendantes, à une augmentation de la tension secondaire UT correspond une augmentation du courant I dans le circuit secondaire. Pour un courant de défaut faible, inférieur ou égal au courant différentiel nécessaire pour faire fonctionner le déclencheur, la tension secondaire est par exemple UT; de sorte que le point de fonctionnement est en M, ce qui correspond à un courant faible dans le circuit de déclenchement et le déclencheur n'est pas suffisamment excité pour fonctionner. Lorsque le courant de défaut croit, la tension secondaire augmente également, et point de fonctionnement M se déplace vers le point S puis saute du point S au point T. Le courant I1 correspondant au point S est trop faible pour faire fonctionner le déclencheur, alors que le courant I2 correspondant au point T est surabondant pour le fonctionnement du déclencheur, le courant nécessaire à son fonctionnement étant compris entre I1 et I2. Lorsque le point de fonctionnement est passé en T le déclencheur fonctionne et un appareil de protection équipé de ce déclencheur ouvre le circuit électrique à protéger; le dispositif de protection n'est plus alimenté et le point de fonctionnement revient au point 0. Ce mode de fonctionnement par basculement brusque entralhant une augmentation importante de la valeur du courant dans le circuit de déclenchement alimentant le déclencheur permet d'obtenir une grande régularité et fidélité des seuils de fonctionnement. Dans une large mesure, les variations de consommation du déclencheur dues à la température, à la corrosion, à la pollution, à la-présence de champs magnétiques extérieurs n'auront pas d'influences sur le seuil différentiel En effet, le passage brusque d'un régime de courant à un autre, plus important, se produira pratiquement pour la même tension secondaire U'T, ctest-à-dire pour le même courant de défaut, quelles que soient les variations du courant nécessaire au fonctionnement du déclencheur, pour autant que les variations de ce courant soient comprises entre les valeurs Il et I2 du courant correspondant aux points S et T. Le fonctionnement du dispositif est obtenu par variation de l'inductance du circuit de déclenchement ; dans le cas de la figure 1 cette variation est obtenue soit par la saturation du circuit magnétique de l'inductance 5, soit par la saturation dudit circuit magnétique de l'inductance 5 et du circuit magnétique de l'enroulement du déclencheur La valeur R de la résistance du circuit de déclenchement a peu d'influence sur le phénomène de ferro-résonance ; si on modifie la valeur de cette résistance on ne fait que varier la longueur du demi grand axe des ellipses correspondant aux tensions secondaires UT, UtT La figure 3 représente une variante préférée du circuit électrique série de la figure 1. Dans la figure 3 on retrouve le noyau magnétique I d'un transformateur, l'alimentation électrique 2, un enroulement secondaire 3, un condensateur 6 et l'enroulement 8 d'un déclencheur 7. Dans le circuit électrique série de la figure 3, le phénomène de ferro-résonance est obtenu par la variation de l'indùctance de l'enroule- ment 8 du déclencheur 7, et de l'inductance de l'enroulement 3 du transformateur 1.Le fonctionnement du dispositif de protection de la figure 3 est identique à celui de la figure I, seules les valeurs L et R de l'inductance et de la résistance du circuit sont différentes: la figure 2 illustre également ce fonctionnement, mais bien entendu les valeurs El et I2 du courant dans le circuit de déclenchement sont différentès de celles du circuit de déclenchement de la figure 1, puisque les courbes UL2 a, a', b sont différentes dans chaque cas. Les figures 1, 2 et 3 se rapportent a un circuit électrique série, dans lequel se produit le phénomène de ferro-résonance série. Il est évidemment possible d'utiliser un circuit électrique parallèle dans lequel se produit le phénomène de ferro-résonance parallèle, comme illustré par les figures 4, 5et 6. La figure 4 représente un circuit électrique parallèle d'un dispositif de protection; dans cette figure on retrouve des éléments identiques à ceux de la figure 1, c'est-à-dire le noyau magnétique 1, une alimentation électrique 2, un enroulement secondaire 3, et un enroulement 8 d'un déclencheur 7. Aux bornes de l'enroulement secondaire 3 on trouve une résistance 12, un condensateur 11, et une inductance 10 en série avec l'enroulement 8. Si l'on désigne par C la valeur du condensateur, par IT le courant délivré par l'enroulement secondaire, par R1 la valeur de la résistance, - par V la tension aux bornes de cet enroulement, et par IL le courant dans l'înductance 10 et l'enroulement 8, on obtient l'équation: v. IT R1 i IL + j CwV ou en prenants carrés des valeurs efficaces 2 ~ V + V-IL)L R1 R1 soit: ,~~~-------- = CwV-IL Cette derniere équation peut se représenter graphiquement en trouvant l'intersection des deux courbes des \ 2 ~~~~ et 1= C X V -IL ou encore des c urbesRî22 2 12 encore + R = -= T et I - = R1lC(i) 1 V - in 1L1 (4) L'équation (3) est une ellipse dont les axes dépendent de la valeur du courant total 1T ; le demi petit axe est IT et le demi grand axe est R IT. L'équation (4) est une courbe dont les ordonnées sont égales à la différence, en valeur absolue, des ordonnées de la droite Cw V et de la courbe 1L = f (V). Sur la figure 5 on a représenté la courbe IL f (V) la droite C a) V, deux courbes d et d' qui correspondent respectivement à deux valeurs IT et I'T du courant, ces deux courbes étant des ellipses, et une courbe e correspondant à l'équation (4). Pour une valeur IT du courant les courbes d et e se coupent en trois points D, E, F ; pour une valeur I'T du courant, supérieure à IT, les points D et E se confondent en un point G, et les courbes d' et e se coupent en H ; pour des valeurs du courant supérieurs à I'T il n'y a plus qu'un seul point d'intersection sur la branche K X de la courbe e.Seuls des points tels que E et F sont stables, puisque situés sur les branches ascendantes OG et KX de la courbe e en effet sur ces branches ascendantes à une augmentation du courant IT correspond une augmentation de la tension V. Si le courant croit depuis la valeur zéro, jusqu'à la valeur IT, le point de fonctionnement se fixe en D, ce qui correspond à un courant différentiel dans l'alimentation électrique inférieur à la valeur nécessaire pour obtenir le fonctionnement du déclencheur 7. Lorsque le courant de défaut croit, (courant différentiel) le courant dans le circuit de déclenchement prend la valeur I'T et la dépasse, de sorte que le point de fonctionnement saute de G en H et se déplace sur la branche KX.Ceci se traduit donc par une forte variation de l'intensité du courant IL dans l'inductance 10 et l'enroulement 8 du déclencheur 7. Lorsque le déclencheur fonctionne, un appareil de protection équipé de ce déclencheur ouvre le circuit électrique à protéger; le dispositif de protection n'est plus alimenté et le point de fonctionnement revient au point 0. La figure 6 représente une variante préférée du circuit électrique parallèle de la figure 4. Dans la figure 6 on retrouve le noyau magnétique 1 d'un transformateur, l'alimentation électrique 2, l'enroulement secondaire 3, et aux bornes de celui-ci et en parallèle l'enroulement 8 du déclencheur 7 et le condensateur 11. Dans le circuit électrique parallèle de la figure 4 le phénomène de ferro-résonance est obtenu)principalement par la variation de l'inductance 10 ; dans la figure 5 le phénomène de ferro-résonance est obtenu par la variation de l'inductance de l'enroulement 8 du déclencheur et de l'enroulement 3 du transformateur 1.Le fonctionnement est également illustré par la figure 5, mais bien entendu les valeurs ITs 1,T du courant, et les valeurs de la tension V sont différentes de celles obtenues dans le cas de la figure 4. Dans les deux cas des figures 1 et 3 le phénomène de ferro-résonance fait intervenir la courbe de saturation des matériaux magnétiques, et cette saturation nécessaire conduit à une réduction de volume du circuit magnétique. Le phénomène de ferro-résonance donne également la possibilité d'obtenir un accroissement de courant dans l'enroulement secondaire 3, et par là même dans le déclencheur, meme après saturation du transformateur, puisqu'alors le point de fonctionnement parcourt la partie AB de la courbe b, ou la partie KX de la courbe e ce qui n'est pas le cas dans les dispositifs habituels connus. 1l est donc possible de faire fonctionner le déclencheur même si son courant de fonctionnement dépasse la valeur'2 ou I'T j cependant dans ce cas, le seuil du courant différentiel ne sera plus fixe mais augmentera. Enfin, dans la mesure où les "composantes continues" du courant ont tendance à magnétiser le noyau magnétique 1 du transformateur et que par ailleurs, le phénomène de ferro-résonance est obtenu au voisinage de la saturation, les dispositifs de protection contre les courants de défauts à la terre faisant appel à la ferro-résonance présentent un meilleur comportement que les dispositifs habituels vis-a-vis de ces "composantes continues". REVENDICATIONS i/ Dispositif de protection contre les courants de défaut à la terre, comprenant un transformateur et un déclencheur, un enroulement secondaire dudit transformateur et un enroulement dudit déclencheur constituant un circuit de déclenchement, caractérisé par le fait que ledit circuit de déclenchement comporte également un condensateur. 2/ Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de déclenchement comporte en outre une inductance saturable. 3/ Dispositif de protection selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le condensateur a une valeur prédéterminée de manière à obtenir dans le circuit de déclenchement, pour un courant de défaut donné pour lequel le dispositif de protection doit fonctionner, un phénomène de ferro-résonance déterminant une première et une deuxième valeur du courant dans ledit circuit de déclenchement lesdites première et deuxième valeurs encadrant une valeur du courant à laquelle le déclencheur fonctionne. 4/ Dispositif de protection selon l'une des revendications 1 ou 3, caractérisé par le fait que le condensateur est en série avec l'enroulement du déclencheur. 5/ Dispositif de protection selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée par le fait que l'inductance saturable est en série avec l'enroulement du déclencheur. 6/ Dispositif de protection selon l'une des revendications l ou 3, caractérisé par le fait que le condensateur est en parallèle avec l'enroulement du déclencheur. 7/ Dispositif de protection selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait que l'inductance saturable est en série avec l'enroulement du déclencheur et que le condensateur est en parallèle sur l'ensemble constitué par ladite inductance saturable et ledit enroulement. 8/ Dispositif de protection selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé par le fait que le circuit de déclenchement comporte une résistance en série. 9/ Dispositif de protection selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé par le fait que le circuit de déclenchement comporte une résistande en parallèle sur le condensateur.