Brevet FR2382787A1 — publié le 19780929

La présente invention a pour objet un procédé de protection contre les tensions électriques destructives et un circuit en faisant application. Des tensions électriques anormalement élevées sont toujours susceptibles d'apparaitre sur des circuits électriques s'étendant hors d'une installation et spécialement sur des lignes de transmission. Par exemple, un coup de foudre ou un court-circuit sur ligne de transport d'énergie donne lieu å un courant extreezent élevé capable dtinduire sur une ligne de transmission voisine des tensions de plusieurs centaines et même milliers dé volts. Ces phénomènes sont généralement fugitifs. Ils engendrent des tensions que l'on qualifiera de destructives dès que leurs effets risquent d'endommager les équipements de l'installation à laquelle la ligne de transmission est connectée. Le procédé de protection usuel consiste à connecter un dispositif appelé parasurtension entre chaque conducteur de la ligne de transmission et le potentiel de référence, c'est-à-dire la masse, et aussi entre les conducteurs de la ligne. Un parasurtension est un dispositif dans lequel une tension destructive amorce un arc et qui peut alors écouler jusqu'à plusieurs milliers d'ampères pendant quelques centaines de microsecondes sans être lui-même détruit, la tension résiduelle à ses bornes étant suffisamment faible pour n'être pas nuisible. Ce procédé a pu donner satisfaction tant que les équipements des installations à protéger étaient capables de soutenir la surtension brève qui se manifeste durant l'intervalle de temps qui sépare l'apparition de la tension destructive de 1' amorçage du parasurtension. Ce n'est plus le cas avec la généralisation des composants électroniques dans ces équipements. En effet, un parasurtension se définit par sa tension d'amorçage statique, sa tension d'amorçage dynamique et sa tension résiduelle. Si la tension croit lentement, l'arc s'amorce dans un parasurtension pour une tension d'amorçage statique dont la valeur est par exemple de 210 à 270 V. Par contre, si la tension crott très rapidement, l'arc ne s'amorce que pour une tension d' amorçage dynamique de 600 à 800 V. Dans ce dernier cas, on se réfère habituellement à l'onde d'essai normalisée dite 8/20, c'est-à-dire ayant un front de 8ius pour une durée de 20 mesurée jusqu'à retour à mi-amplitude. Après amorçage la tension résiduelle sera de l'ordre d'une dizaine de volts. On voit donc que, selon l'allure de la tension destructive, le parasurtension considéré, normalement amorcé à 270 V au plus, laissera subsister dans certains cas une pointe de 800 V. Les vitesses de réponse des composants électroniques sont telles que cela suffira pour les détruire. Il existe des parasurtensions ayant des tensions d'amorçages plus faibles, mais leur emploi n' est pas toujours possible en raison des tensions normales pouvant être présentes sur la ligne, qui peuvent atteindre par exemple 150 V sur une ligne téléphonique, et leur tension d'amorçage dynamique reste de plusieurs centaines de volts. On peut aussi concevoir toutes les parties exposées de l'équipement de manière qu'elles ptissent résister aux tensions que laisse subsister le parasrzr- tension employé, Dais cette approche est coûteuse tout en étant peu sarde. On mentionnera également le procédé qui consiste à adjoinre à l'équipement à protéger des éléments à seuil, tels que des diodes Zener. Ces éléments doivent en fait outre combinés avec d'autres pour ne pas être connectés seuls en parallèle sur les pasasurensions. En effet, une diode Zener placée en parallèle avec un parasurtension devrait, pour hêtre utile, avoir un seuil de conductibilité inférieur à la tension d'amorçage du parasurtension. Mais elle deviendrait conductrice avant le parasurtension, l'empecherait de s'amorcer et aurait ainsi à supporter l'intégralité de la surcharge sans que le parasurtension intervienne. La présente invention apporte une solution au problème que pose la protection contre les tensions destructives. Elle concerne un procédé de protection consistant à incorporer successivement, d'un conducteur susceptible d'être soumis à une tension destructive à une entrée correspondante d'une installation N protéger, d'abord un parasurtension choisi selon les tensions normalement présentes sur le conducteur et connecté entre le conducteur et le potentiel de référence, puis un élément engendrant à ses bornes une différence de potentiel lorsqu'un courant le traverse et connecté en série avec le conducteur entre le parasurtension et ladite entrée de l'installation, puis finalement un élément à seuil de conductibilité connecté entre cette entrée et le potentiel de référence, la tension pour laquelle cet élément à seuil devient conducteur étant choisie selon la tension que peut supporter sans doQ" ge l'installation, les caractéristiques dudit élément engendrant une différence de potentiel étant choisies de manière que, en présence d'une tension destructive, alors que le parasurtension n' est pas encore amorcé, mais lorsque ledit élément à seuil est déjà conducteur, il limite le courant dans l'élément à seuil à une intensité au plus égale à celle que celui-ci peut supporter sans dosmage, tout en miintenant la tension aux bornes du parasurtension pour que celui-ci puisse s'amorcer0 Dans une forme de mise en oeuvre du procédé de l'invention, l'élément à seuil peut Outre avantageusement une paire de diodes Zener montées en série tete- bêche et l'élément engendrant une différence de potentiel peut etre une simple résistance. L'invention a donc également pour objet le circuit de protection comprenant, du conducteur à l'entrée à protéger, un parasurtension connecté entre le conducteur et le potentiel de référence, un élément engendrant une différence de potentiel, tel qu'une résistance, connecté entre le parasurtension et ladite entrée, et un élément à seuil, tel qu'une paire de diodes Zener montées en série tete- bêche, connecté entre l'entrée et le potentiel de référence. Dans le cas où l'invention s'applique à une ligne bifilaire, les circuits de protection propres à chacun des deux conducteurs sont complétés par un parair- tension connecté entre les deux conducteurs et un élément à seuil connecté entre les deux entrées. Les différents objets et caractéristiques de l'invention seront mainte- nant détaillés dans la description qui ra suivre faite en se référant à la figure annexée qui représente un exemple de réalisation d'un circuit mettant en oeuvre le procédé de l'invention. Le procédé de l'invention est appliqué notaient dans l'exemple illustré par la figure annexée à une ligne de transmission comprenant deux conducteurs Cl et C2 susceptibles d'être soumis à des tensions destructives, qui sont connectés à deux entrées correspondantes El et E2 d'un équipement EQ. Pour le conducteur C1,par exemple, ce procédé prévoit d'incorporer, du conducteur C1 à l'entrée E1, d'abord un parasurtension P1, connecté entre le conducteur C1 et la masse, puis un élément Ri capable d'engendrer une différence de potentiel lorsqu'il est traversé par un courant et connecté entre le parasurtension P1 et l'entrée El, et enfin un élément à seuil de conductibilité Z1 connecté entre l'entrée El et la masse. Les caractéristiques du parasurtension P1 sont choisies en fonction des tensions normalement présentes sur le conducteur C1. Si l'on suppose que des tensions allant jUEqUXà + 150 V crête peuvent se trouver sur le conducteur C1, on choisira par exemple un parasurtension dont la tension d'amorçage statique est de 210 à 270 V. Les caractéristiques de l'élément à seuil Z1 sont choisies en fonction des tensions que l'équipement EQ peut supporter sans dosage, c'est-à-dire en fait les tensions susceptibles de règner normalement sur le conducteur C1 augmentées d'une Barge appropriée, par exemple ± 200 V crête. On choisira donc un élément pratiquement non conducteur jusqu' un seuil de 150 Y et qui devient ensuite conducteur, la tension pouvant atteindre 200 V à ses bornes lorsqutun courant maxintal de 25 À le traverse. La caractéristique courant/tension de l'élément RI est choisie de manière que, dans le cas d'une tension destructive de grande amplitude, le parasurtension P1 fonctionnant en régime dynamique et la tension à ses bornes atteignant 800 V avant qu'il ne o'anorce, le courant dans l'élément à seuil Z1 ne dépasse pas l'intensité maximale de 25 À que cet élément peut supporter, On remarquera que la différence de potentiel aux bornes de l'élément R1, ajoutée au seuil de l'élément Z1, pourra ainsi dépasser la tension d'amorçage dynamique du parasurtension P1. Cela ne se serait pas produit en l'absence de l'élément R1 qui joue ainsi un double rôle limiter le courant dans l'élément Z1 et faire en sorte que la tension puisse croître aux bornes du parasurtension P1 malgré que l'élément Z1 soit conducteur. Dans l'exemple numérique que l'on a donné précédeent, le conducteur C1 étant porté à 800 V, l'élément Z1 est conducteur et, traversé par un courant de 25 A, maintient 200 V à ses bornes. La différence de potentiel aux bornes de l' élément R1, traversé par le mSme courant de 25 A, doit étre de 600 Y ; cet élément doit présenter, dans ces conditions, une impédance dynamique de 24 #. L'élément Z1 doit supporter un courant atteignant 25 À avent que le parasurtension P1 ne s'amorce. iais cela suppose une tension destructive à front très raide, correspondant par exemple à l'onde 8/20 mentionnée dans le préambule. La stirchrge de l'élément Z1 sera très brève, quelques microsecondes au plus. Par contre, Si la tension destructive croit plus lente ont, le parasurtension P1 s'amorce pour une tension plus faible et le courant dans l'élément Z1 atteint, sur une durée plus grande, une intensité soins élevée. A la limite, la tension s'élevant à 270 V en 5 m9 (1/4 de période à 50 Hz), l'élément Z1 devra supporter un courant maximal s'élevant à 270 - 150/24 = 5 A dans l'intervalle de temps de 5ms. Après l'amorçage du parasurtension, dans tous les cas, la tension sur le conducteur C1, donc sur l'entrée El, tombe à une dizaine de volts et l'élément Z1 n'intervient plus. Ainsi, le procédé de l'invention permet de limiter la surtension apparaissant à l'entrée El à 200 V, quelle que soit la tension destructive sur le conducteur C1 et malgré que le parasurtension ne s'amorce dans certains cas qu'à 800 V, cela sans empêcher l'amorçage du parasurtension. L'exemple numérique que l'on vient de considérer n'est en aucune lanière limitatif. Toutes choses égales par ailleurs, un élément à seuil capable de supporter un courant crête plus élevé permet d'utiliser un élément tel que R1 à impédance plus faible. D'une manière générale, la déteraination des caractéristiques des trois éléments du circuit de protection se fera en application de ce qui précède en utilisant les composants appropriés, selon la technologie du moment. Le circuit qui fait aussi l'objet de l'invention comprend, outre le parasurtension P1 dont les caractéristiques ont été définies dans le préambule, un élément à seuil Z1 qui peut titre une diode Zener bidirectionnelle, c'est-à-dire l'association en série de deux diodes Zener montées tête-bêche, ou tout autre élément possèdant une caractéristioue courant/tension analogue, ainsi qu'un élément R1 engendrant une différence de potentiel sous l'effet du courant qui peut être une simple résistance ou une combinaison résistance-inductance. Dans le cas où, comme le représente la figure, l'invention est appliquée à une ligne bifilaire, le conducteur C2 et l'entrée correspondante E2 sont équipée d'éléments P2, R2, Z2, homologues des éléments P1, R1, Z1. De plus, chaque conducteur pouvant être considéré comie au potentiel de référence pour l'autre, l'invention prévoit de compléter le circuit par un parasurtension P3 et un élément à seuil Z3. Cela permet, en application du procédé de l'invention, de se protèger contre les tensions destructives qui prendraient naissance entre un conducteur et l'autre. il est bien évident que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. KvENDICÀTI0NS 1 . Procédé de protection contre les tensions électriques destructives consistant à incorporer un parastirtension entre un conducteur susceptible d'être souiis à une tension destructive et un point au potentiel de référence, caracte risé par le fait qu'il consiste par srrcroit à incorporer un élément engendrant une différence de potentiel lorsqu'un courant le traverse, connecté en série avec le conducteur, entre le point de connexion du parasurtension et une entrée d'une installation à protéger à laquelle est associé le conducteur, ainsi qu'un élément à seuil de conductibilité connecté entre ladite entrée et un point au potentiel de référence, les caractéristiques dudit élément engendrant une différence de potentiel étant choisies de manière que, en présence d'une tension destructive sur le condue- teur, le parasurtension n'étant pas encore amorcé, alors que l'élément à seuil est devenu conducteur, il limite le courant dans l'élément à seuil à une valeur au plus égale à celle que celui-ci peut supporter sans doffl age, tout en isintenant la tension aux bornes du parasurtension afin de celui-ci puisse s'aorcer. 2 . Circuit de protection contre les tensions électriques destructives comprenant un parasurtension connecté entre un conducteur susceptible d'Strt souris à une tension destructive et un point de potentiel de référence, et carao térisé par le fait qu'il comprend aussi "n élément engendrant une différence de potentiel lorsqu'un courant le traverse, connecté en série avec le conducteur, entre le point de connexion du parasurtension et une entrée d'une installation à protéger à laquelle est associé le conducteur, ainsi qu'un élément à seuil de conductibilité connecté entre ladite entrée et un point au potentiel de référence. 3 . Circuit de protection tel que défini par la revendication 2 et caracté- risé par le fait que ledit élément engendrant une différence de potentiel est une résistance. 4 . Circuit de protection tel que défini par la revendication 2 et caractérisé par le fait que ledit élément à seuil de conductibilité est une diode Zener bidirectionnelle, c'est-à-dire une paire de diodes Zener connectées en série tbte- bêche. 5 . Circuit de protection tel que défini par la revendication 2 et appliqué au cas d'une ligne bifilaire, caractérisé par le fait que les circuits de proteotion propres à chacun des deux conducteurs sont complètés par un parasurtension connecté entre les deux conducteurs, et un élément à seuil de conductibilité connecté entre les deux entrées correspondantes.