Brevet FR2386175A1 — publié le 19781027

L'invention est relative à un dispositif pour protéger un appareil ou une installation électrique, alimenté par une ligne, contre les surtensions qui peuvent se propager sur cette ligne, en particulier à cause de la foudre. On connaît déjà divers dispositifs pour protéger un appareil contre les surtensions ; un dispositif connu est représenté dans la figure 1. Dans cette figure, la référence 1 désigne un appareil alimenté par une ligne 2 alimenté par une source 3. Pour protéger l'appareil contre les surtensions, diverses dispositions sont prises a) l'apparei=l est alimente par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolement 4 comprenant un primaire 5, un secondaire 6 et un écran 7 relié à la terre 6. Le point milieu 9 du transformateur peut etre mis à la terre, b) en amont du primaire sont disposés des parafoudres 10, 11, 12 entre fils de ligne et entre chaque fil de ligne et la terre. c) un condensateur 15 est disposé en parallèle sur les bornes du secondaire du transformateur, avec une résistance 16 en série et/ou une résistance 17 en parallèle. Bien que ces dispositions permettent d'abaisser notamment l'onde de surtension se propageant d'amont en aval, elles restent insuffisantes et ne permettent pas d'atteindre un seuil suffisamment bas supportable par l'appareil. On a proposé d'améliorer le dispositif en incorporant dans le circuit du primaire du transformateur deux bobines d'inductance couplées, l'une sur un conducteur de la ligne, I'autre sur l'autre conducteur, de manière que le passage d'une onde mobile dans l'une des bobines engendre dans l'autre une onde semblable qui pénètre on sens inverse dans l'appareil à protéger diminuant ainsi la contrainte entre les bornes de l'appareil. On lira à ce sujet le brevet français publié sous le nO 2.112.123, Une telle amelioration, bien qu'intéressante, n'assure pas de manière absolue la protection de l'appareil. En effet, sizla durée de la queue d'onde est elevée, la tension crête de l'oscillation résiduelle est élevée et danger reuse pour l'appareil à protéger. Les bobines de choc sont fortement sollicitées au niveau des premières spires et constituent un point faible du système. Letransfert capacitif n'est pas éliminé, car la capacité équivalente des deux bobines n'est pas nulle. Enfin, l'adjonction de bobines grève le prix de I'appareilC Un but de la présente invention est d'améliorer le dispositif décrit en référence à la figure 1 pour obtenir, non seulement dans des conditions d'essai, mais aussi dans le cas d'une onde de choc réelle, une valeur maximale de la tension aux bornes de l'appareil ou installation à protéger inférieure à 900 volts environ. Pour cela, conformément à la présente invention, trois series de mesure sont prises. 0'sabord, on utilise un transformateur spécial, capable de résister à une onde de choc importante par exenple de plusieurs centaines de milliers d'ampères, se développant en 8 microsecondes et atténués de moitié en 20 microsecondes. Un tel transformateur est caractérise par un fractionnement de son enroulement primaire en plusieurs parties (par exemple en quatre ou cinq parties), séparées par des écrans ouverts. Cette disposition permet d'éviter le claquage du transformateur qui se produit dans les transformateurs ordinaires au niveau des premières spires par suite d'un gradient de potentiel trop élevé. Le fractionnement permet en effet d'augmenter la capacité répartie série de l'enroulement et de diminuer la capacité répartie parallèle et par suite, de diminuer 1à valeur maximale du gradient de potentiel dans l'enroulement. La deuxième disposition prise selon l'invention est de disposer, d'une part en parallèle sur l'enroulement secondaire du transformateur et d'autre part entre une borne du secondaire et la terre un composant dont la résistance ohmique est capable, sous l'action d'une brusque application d'une tension de quelques milliers de volts, de passer d'une valeur donnée à une valeur beaucoup plus faible. La troisième disposition prise est d'isoler l'appareil de l'installation à protéger de la terre locale et de relier sa masse, par une liaison courte, à la terre commune aux parafoudres et aux composants à résistance variable. L'invention va maintenant être précisée par la description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est un schéma d'un dispositif de protection selon l'art connu, - la figure 2 est un schéma d'un dispositif de protection selon l'invention, dans une version monophasée, - la figure 3 est un schéma d'un trans-formateur utilisé dans le dispositif de l'invention, - la figure 4 est un schéma d'un dispositif de protection selon l'invention dans une version triphasée. La figure 1 a été décrite au début de ce mémoire pour illustrer l'art antérieur. La figure 2 représente un dispositif selon l'invention, délimite par un rectangle 20 en traits interrompus, applicable à une installation monophasée. Le dispositif est inséré dans une ligne 30, conprenant deux fils 31 et 32 et un conducteur de terre 33 , la ligne alimente un appareil à protéger 34. Le dispositif comprend - deux parafoudres 35 et 36, l'un connecté entre les fils de lignes 31 et 32, l'autre entre un fil de ligne 32 et le conducteur de terre, - un transformateur 40, ayant un enroulement primaire 41 et un enroulement secondaire 42. - des résistances variables, l'une 43 connectée aux bornes du secondaire, l'autre 44 connectée entre une borne du secondaire et le conducteur de terre. - des condensateurs 45 et 46 connectés respectivement en parallèle sur les résistances variables 43 et 44. Le secondaire du transformateur est relié à l'appareil 34 à protéger. Cet appareil, conformément à l'invention, est isolé électriquement de la terre locale 50 par tout moyen connu, tel que des pieds isolants 51, La masse de cet appareil est reliée, par une liaison 52 aussi courte que possible, au conducteur de terre 33. Des perles en ferrite, telles que 38, peuvent être enfilées sur les fils de ligne en amont du primaire du transformateur 40, ainsi qu'il est décrit dans la demande de brevet français nO 76 05 878 du 2 mars 1976 au nom de la demanderesse et ayant pour titre : "Dispositif de protection d'un circuit contre les ondes do surtension . Selon une caractéristique de l'invention, l'enroulement primaire du transformateur est fractionné en plusieurs parties, tel qu'il est représenté schématiquement dans la figure 3a. L'enroulement 41 comprend quatre parties 41a à 41d, séparées par des écrans 61 à 63 reliés aux points communs aux diverses parties de l'enroulement. A titre d'exemple, un transformateur de 3 kVA, 220/220 comprend : un circuit magnétique en tole dite 1,6 w avec une longueur de noyau de 173 mm, une 2 section de noyau de 100 cm , une fenêtre de 173 x 49 mm. Il comprend 177 spires de fil émaillé de 28/10 en 4 couches, avec 2 écrans. Le canal entre l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire a une épaisseur de 15 mm ; dix batonnets de ferrite de diamètre 10 mm et de longueur 100 mm y sont logés. Lh tel transformateur peut résister à une onde de surtension de plusieurs centaines de milliers d'ampères à front raide (8- microsecondes de temps de montée, 20 microsecondes de demi-atténuation). En effet, le gradient de potentiel au niveau des premières spires de l'enroulement primaire est considérablement réduit, comme le montre la théorie des transformateurs fonctionnant en tension impulsionnelle. Par ailleurs, un tel transformateur à une réactance de fuite élevée aux fortes fréquences, grâce aux bâtonnets de ferrite Les résistances variables 43 et 44 utilisées sont avantageusement des composants dits varistors, à oxyde métallique, En particulier on peut utiliser des composants commercialement vendus par la société américain'é' General Electric sous la marque GE-MOV. Ce sont des résistances symétriques dépendant de la tension appliquée qui se comportent comme des diodes Zener montées tête-bêche. Elles abaissent le potentiel à leur bornes à une valeur admissible par l'appareil à protéger, de l'ordre de 7 W à 900 volts. Les condensateurs 45 et 46 servent à limiter la tension pendant le temps nécessaire aux GE-OV pour agir (de l'ordre de 50 nanosecondes). Le fonctionnement du dispositif est le suivant - supposons qu'une surtension apparaisse sur la ligne 31, due à un croup de foudre symbolisé dans le figure 2 par le zig-zag. Une onde de courant se développe sur la ligne, en mode différentiel. Une partie de l'énergie de cette onde est dissipée par les parafoudres et l'onde de courant se transforme en une onde de tension à front très raide [par exemple se développant en un microseconde et s'atténuant de moitié en 30 microsecondes) dont la valeur de crête peut atteindre 3 kilovolts. Cette valeur est parfaitement supportée par le transformateur d'isolement grâce à sa construction spéciale qui a été décrite. Nais cette valeur serait préjudiciable à l'appareil à protéger et en particulier aux circuits électroniques qu'il renferme. Grâce au varistor 42 qui, très rapidement, prend une valeur d'impédance faible, la tension de mode différentiel au secondaire est réduite à une valeur de l'ordre de 700 à 9nO volts pendant I milliseconde, ce qui est parfaitement tolérable pour l'appareil. L'appareil, isolé par rapport à la terre locale, est relié à une prise de terre par une liaison courte maximum 2 à 3 mètres) en ligne droite. Le fonctionnement est le meme et la protection comparable en cas de surtension de mode différentiel, entre un fil de ligne et le conducteur de terre. La figure 4 représente un schéma du dispositif de l'invention dans une version triphasée. Les éléments communs aux figures 2 et 4 ont reçu les pezizes numéros de référence. La ligne triphasée comprend trois conducteurs 301 à 303 alimentant l'appareil 34 à travers un transformateur d'isolement triphasé triangle étoile. Le transformateur-a des enroulements primaires 41a à 41c divisés, séparés par des écrans 61. Les enroulements secondaires 42a à 42c, montés en étoile avec un neutre 60, alimentent l'appareil 34. Des parafoudres 10a à 10c et 11 à 13 sont montés en amont du transformateur ; des varistors du type indiqué précédemment et références 43 à 43d, munis de condensateurs en parallèle 45a à 45d, sont branchés entre phases et entre phases et neutre au secondaire du transformateur 45d. Le fonctionnement et les propriétés du dispositif sont les mêmes dans sa version triphasée que dans la version monophasée. En variante, les parafoudres Il à 13 peuvent être remplacés par des varistors du type précité P.RIEW ICATIONS 1/ Dispositif pour la protection contre les surtensions d'un appareil ou d'une installation alimenté par une ligne électrique à travers un transformateur d'isolement en amont duquel sont connectés des parafoudres, caractérisé par le fait que des résistances variables symétri3ues sont branchées, d'une nart-en parallèle sur les enroulements secondaires du transfo mateur, d'autre part, entre un conducteur du secondaire et une nrise de terre1 l'appareil ou installation à protéger étant isolée de la terre locale et sa masse étant reliée à ladite prise de terre par une liaison courte en ligne droite et que le transformateur d'isolement a un enroulement primaire fractionne en plusieurs parties separées par des écrans ouverts mis au potentiel des noints séparant deux à deux les diverses parties. 2/-Dispositif selon la revendication 1, caractérise nar le fait qu'un condensateur est branché, en parallèle sur chacune des résistances variables. 3/ Oispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que des résistances variables symétriques sont placées on lieu et place des parafoudres. 4/ Dispositif selon la revendication 1, caracterise par le fait que le transformateur comprend des pièces de ferrite disposes entre son enroulement primaire et son enroulement secondaire