Brevet FR2407592A1 — publié le 19790525

L'invention concerne un circuit de protection contre les courants de fuite pour des installations électriques à basse tension, circuit qui réagit dans les conditions normales à des courants de fuite jusqu'à 5 mA et au-dessous et qui comprend un transformateur différentiel avec un noyau de fer de faible force coercitive, autour duquel sont enroulés les conducteurs de phase qui constituent 11 enroulement primaire et autour duquel est par ailleurs bobiné un enroulement secondaire. On connaît déjà des circuits de protection contre les courants de fuite, comportant des transformateurs différentiels et des déclencheurs qui interromv pent le passage de courant lorsque la somme vectorielle des courants passant à travers l'enroulement primaire diffère de zéro ; ces dispositifs sont utilisés d'habitude pour la protection des usagers contre l'électrocution ou une contracture musculaire lorsqu'une personne ou un animal saisit des éléments qui sont normalement sous tension (contact direct) ou lorsque des éléments sous tension entrent en contact avec des nasses métalliques qui sont reliées à la terre et sont normalement isolées, mais sont mises sous tension par suite d'une destruction ou d'une détérioration de l'isolation du circuit électrique interne (contact indirect). Dans l'état actuel de la technique, ces circuits, qui seront également appelés ci-après "dispositifs" pour abréger, comportent un transformateur différentiel sur lequel tous les conducteurs d'une ligne sont enroulés (en tant qu'enroulettent primaire), et cela dans un sens tel qutil en résulte, dans les conditions anormales, un flux de grandeur nulle.L'enroulement secondaire de ce transformateur délivre, en cas de courant de dispersion ou de courant de fuite vers la terre, une tension qui actionne directement un déclencheur, lequel actionne à son tour indirectement le mécanisme d'ouverture des contacts de circuit (dispositifs de sécurité directs) ; ou bien un signal d'entrée peut être également délivré à un circuit amplificateur électronique qui est alimenté par une source d'énergie auxiliaire qui est d'habitude le réseau). Par ce signal, qui est de préférence amplifié, un déclencheur, qui est beaucoup plus robuste que dans le premier cas, est actionné (dispositifs de sécurité indirects ou dispositifs de sécurité à alimentation auxiliaire). Les dispositifs "directs" utilisent des transformateurs ét des déclencheurs qui sont techniquement très compliqués et coûteux, mais ils sont prêts à fonctionner ttette lorsqu'une des lignes d'alimentation est interrompue (par exenple le. conducteur neutre). Par contre, les dispositifs "indirects" utilisent des transformateurs et des déclencheurs qui sont moins compliqués et coûteux, mais ils présentent cet inconvénient qu'ils ne peuvent plus fonctionner lorsque l'un des conduc teurs d'alimentation est interrompu. En outre, les dispositifs directs doivent comporter en général un transformateur avec un enroulement primaire qui est fonte de plusieurs spires, si bien qu'il est impossible pour cette raison de construire le dispositif pour qu'il ait une très grande sensibilité (par exemple IAN = 5 mA) et avec des courants nominaux élevés (IN = 64 A et d'autres). Par contre, les dispositifs indirects comportent d'habitude un transformateur avec un seul enroulement primaire et, pour cette raison, ils peuvent recevoir des courants nominaux élevés, nette avec une très grande sensibilité (5 mA). Enfin, la sensibilité des dispositifs directs peut subir une forte limitation et disparaître complètement en présence de courants qui passent dans un sens ou sous l'influence d'une composante de tension continue ou de courent continu, tandis que de façon générale les dispostifs indirects sont moins influencés par d'éventuelles composantes de courant continu. Le but de la présente invention est de fournir un nouveau circuit de protection contre les courants de fuite qui est destiné à l'actionnenent d' interrupteurs tels que des relais et avec lequel les inconvénients de systèmes connus soient évités. D'après l'invention, ce but est atteint par le fait qu'il est prévu un dispositif d'alimentation qui est alimenté à partir du réseau et qui est raccordé d'une part à ltenroulement secondaire pour la pré-na'iétisation du noyau de fer avec un courant alternatif et d'autre part à un accumulateur énergie, par le fait que l'enroulement secondaire est également raccordé à l'accunulateur d'énergie et par le fait qu'en cas de courant de fuite, l'ac cunulateur d'énergie délivre son énergie au déclencheur, par l'intermlédiaire d'un dispositif déterninateur de seuil, pour l'interruption du conducteur de phase. En raison de l'interconnexion particulière du dispositif d'alimentation, de l'accumulateur d'énergie et du dispositif de décharge associé, on obtient les résultats suivants : le dispositif d'alimentation pré-negnétise le noyau de fer avec un courant alternatif. En nette tenps, le dispositif d'alimentation charge l'accumulateur d'énergie à une valeur déterminée qui ne met pas encore en circuit le dispositif de décharge.Ce n'est que quand est produite au niveau de ltenroulement secondaire, en cas de survenue d'un courant de fuite, une tension avec laquelle l'accumulateur d'énergie est charge davantage, qu'un seuil est dépassé pour mettre en circuit le dispositif de décharge > de sorte que l'accumulateur d'énergie puisse délivrer toute son énergie au déclencheur. De cette manière, il est possible d'utiliser un noyau de fer qui est fabriqué en une matière qui ne présente ni une forte perméabilité initiale, ni un bas point de saturation magnétique. La forte perméabilité nécessaire est produite par la pré-magnétisation. L'équivalent du bas point de saturation du noyau est obtenu avec le dispositif de décharge qui élimine les tensions supérieures jusqu'à une valeur de sécurité qui est pré-stabilisée. Avec ce dispositif, les operations suivantes peuvent etre également exécutées. Outre la pré-magnétisation du noyau avec un courant alternatif, 11 étalonnage peut etre également obtenu par réglage du niveau de la prémagnétisation. En outre, par élévation artificielle du niveau de la pré-trBgné- tisation jusqu'au seuil de déclenchement du dispositif, c'est-à-dire jusqu'au seuil de mise en circuit du dispositif de décharge, on peut tester l'ensentle du dispositif. Le système présente en outre cet avantage que le dispositif répond encore à des courants de fuite même lorsqu'un des conducteurs de phase est interrompu : en effet, le dispositif de déchargement ou l'accumulateur d'énergie est chargé par l'enroulement secondaire au-delà du seuil prédéterminé et l'alimentation par le réseau n'est plus nécessaire. Les avantages obtenus avec l'invention consistent en ce qui suit 1. On utilise des transformateurs et des déclencheurs qui sont moins coûteux que ceux qui servent actuellement dans les dispositifs directs. 2. On dispose d'une protection contre les tensions de contact, même dans le cas d'une interruption de l'une des phases de conduction. 3. On utilise des transformateurs comportant un enroulement primaire qui est formé d'une seule spire par phase et qui peut atteindre en conséquence la sensibilité de 5 mA, même en cas de courants de charge intenses. 4. Le dispositif est sensibilisé lorsque le courant qui passe est pulsatoire et a un sens ou lorsqu'il est influencé par une composante de courant continu. 5. Le dispositif comporte un circuit d'essai qui ne nécessite aucun élément supplémentaire et qui n'a davantage besoin de résistances à pertes élevées de chargement ou de contacts auxiliaires, comme cela était nécessaire jusqu'ici. Le seul inconvénient du nouveau dispositif consiste essentiellement en ce qu'un plus grand nombre de composants est nécessaire. Le dispositif selon la présente invention a pour élément principal le noyau toroidal du transformateur différentiel réalisé en un alliage magpd- tique qui ne possède qu'une faible force coercitive et présente, comme dans le cas des dispositifs connus, une forte perméabilité initiale ou un bas point de saturation magnétique. Ces deux caractéristiques peuvent etre remplacées en fait par les autres composants du circuit qui fournissent de cette menibre des conditions équivalentes, en comparaison des conditions fournies par les noyaux utilisés actuellement. L'invention, ainsi que d'autres améliorations et avantages intéressants, sont expliqués et décrits ci-après en référence aux dessins sur lesquels sont représentés quelques exemples de réalisation, étant bien entendu que cela ne constitue pas une limitation de la portée de la protection. La figure 1 est un schéma par blocs du dispositif selon l'invention. La figure 2 représente la variation en fonction de B et de H du point de travail du transformateur différentiel du dispositif selon la figure 1. La figure 3 illustre une forme de réalisation du dispositif de la figure 1 en cas d'exploitation monophasée. La figure 4 illustre une forme de réalisation améliorée du dispositif de la figure 1, également en exploitation monophasée. La figure 5 illustre une autre forme de réalisation améliorée de l'in- vention. Sur les figures 1, 3 et 4, 1 désigne un dispositif d'alimentation qui est alimenté directement à partir du réseau et qui est avantageusement stabilisé de sorte que les tensions du réseau de courant qui oscillent ne se fassent pas ressentir dans de larges limites . Ce dispositif alimente ltenroule- ment secondaire 8 du transformateur 5 avec un courant (voir figure 2) qui, en fonction de sa force magnétomotrice correspondant au nombre de spires bobinées autour du noyau (par exemple 20 milliampère-tours), pré-magnétise le noyau à la perméabilité magnétique voulue, en général la perméabilité maximale (enroulement de pré-magnétisation). En outre, le dispositif d'alimentation 1 assure un chargement initial d'un accumulateur d'énergie (condensateur) 12 - par exemple aux 2/3 environ de la charge naximale - par l'intermediaire d'un multiplicateur de tension 11, accumulateur 12 qui peut se décharger instantanément ou, en tout cas, en un temps prédéterminé qui est nécessaire pour l'établissement d'un seuil déterminé pour un dispositif de décharge 13 > à travers un dispositif de déclenchement électromagnétique 14 qui provoque l'ouverture du circuit électrique d'utilisation. Dans le cas où l'enroulement primaire est parcouru par un courant de fuite vers la terre sans le courant de charge, le mette enroulement secondaire 8 du transformateur 5 délivre toujours un courant de valeur suffisamment élevée en raison de la pré-magnétisation du noyau magnétique, b désignant le point de travail? a le signal sans pré-magnétisation et 20 + a le signal à la suite de la magnétisation (figure 2). Le courant précité s'ajoute à celui du chargement initial, d'où il résulte que l'accumulateur d'énergie 12 est amené à dépasser le seuil fixé du dispositif de décharge 13, lequel est une diode de commutation, mais peut être également une diode de bascule, un DIAC ou un tube à cathode froide.De cette manière, la capacité se décharge sur le déclencheur 14 et actionne celui-ci. Dtune certaine manière, on peut se passer des noyaux magnétiques à forte pernéabilité initiale et de transfonta- teurs à plusieurs spires primaires. Lorsque le noyau de fer utilisé a un bas point de saturation magnétique, il peut arriver, dans le cas où un court-circuit se produit entre une phase et la terre, une tension suffisamnent élevée aux extrémités de l'enroulement secondaire pour qu'il en résulte des endommagements au niveau du multiplicateur de tension 11 ou du condensateur 12 ; mais ces inconvénients peuvent être évités facilement au moyen d'un dispositif de décharge 10 approprié (voir fi gures3 ou 4) qui est monté aux extrémités de l'enroulement secondaire et qui peut être constitué par une diode à seuil bidirectionnelle ou même par un simple tube à décharge en atmosphère gazeuse. Etant donné que le dispositif d'alimentation 1, de meme que le dispositif de décharge 13 et la caractéristique magnétique du noyau de fer peuvent évidemment donner des valeurs différentes pour chaque dispositif de sécurité, on peut parvenir, avec un dispositif d'étalonnage, à ce que chacun des dispositifs de sécurité soit ajustable, et celà à la même valeur du déclenchement différentiel. Un tel dispositif d'étalonnage, qui agit directement sur l'en- roulement 8 et fait avantageusement varier à la fois le courant de pré-magnétisation et la charge préalable du condensateur 12, est constitué de manière simple par une résistance réglable 9 placée à la suite d'une résistance terni- nale 9' qui est montée en série avec l'enroulement 8. Enfin, l'enroulement 8 peut être également utilisé pour produire artificiellement le déclenchement du dispositif, afin de vérifier le fonctionnement de ses différents éléments. Cet essai est nécessaire dans tous les dispositifs différentiels et on y procède périodiquement en appliquant des impulsions électriques à un contrôleur automatique qui est par exemple disposé en dehors du dispositif. amans le cas d'un essai, il suffit que le contact de fermeture de la touche 21 court-circuite la résistance terminale 9 du dispositif de réglage précité, puisque l'accroissement résultant du courant de pré-magnétisation du noyau de fer et du courant de pré-charge de la capacité déclenche le dispositif différentiel. Dans les exemples de réalisation de l'invention représentés sur les figures 3 ou 4, le dispositif d'alimentation stabilisé 1 est constitué, sous sa forme la plus simple, par une ou deux résistances tampons 2 ou par un semiconducteur 3 ayant un seuil bien défini dans les deux sens, c' est-à-dire soit par un DIAC, soit par une diode Zener double ; en tout cas, on peut utiliser également, à la place du semiconducteur, un tube à cathode froide ou une impé- dance à référence saturable. L'ensemble à l'accumulateur d'énergie, désigné schématiquement par Il et 12, est constitué par un multiplicateur de tension qui est désigné par 11 sur les figures 3 et 4 et est réalisé sous forme de doubleur de tension, mais qui peut être également un tripleur ou un quadrupleur de tension, ainsi que par le condensateur 12 qui accumule la charge. Les éléments 11 et 12 des figures 3 et LI peuvent être remplacés par ceux de la figure 5, ce qui donne un dispositif équivalent. Cela peut être effectué par le montage en série de deux condensateurs 12 dont chacun est chargé avec l'une des deux demi-ondes de tension du dispositif d'alimentation 1 ou du transformateur différentiel 5. On obtient un résultat analogue avec le schéma de circuit représenté sur la figure 4, dans lequel les mêmes élements portent les mêmes numéros de référence que sur la figure 3, mais diffèrent par le fait que l'enroulement secondaire 8 du transformateur différentiel 5 est ici monté en série avec le stabilisateur 3 et le multiplicateur de tension 11. En dehors des valeurs de résistance différentes du régulateur 9, les circuits des figures 3 et 4 ont les mêmes valeurs, mais il faut ajouter sur la figure 4 la résistance 22 pour assurer le fonctionnement du dispositif lorsque l'une des lignes 6 ou 7 doit être interrompue.En cas de défaillance de cette résistance, le transformateur 5 n'alimente plus les éléments 11, 12 et 1lui, car la résistance élevée de 3, 9 et 9' provoque la chute de la rrajeure partie de la tension délivrée par le transformateur 5. Le dispositif de sécurité décrit ci-dessus est prevu pour des lignes d'alimentation monophasées, mais il peut être également utilisé en cas d'installations triphasées avec ou sans conducteur neutre. Dans un tel cas, le dispositif d'alimentation stabilisé 1 est remplacé sur les figures 3 et 4 par un dispositif particulier qui préleve le courant du réseau et, dans ces conditions, ne fait pas varier la fréquence, mais l'a mène à un multiple de celle du réseau. Le dispositif en question est constitué par un générateur de fréquence ayant une fréquence qui correspond au moins au triple de celle du réseau. Les éléments 9, 9', 5, 11, 13 et 14 restent les mêmes. RésumE des avantages du dispositif décrit cidessus. 1. On utilise des noyaux magnétiques moins coûteux, car une forte perméabilité magnétique initiale (établie par la pré-magnétisation du noyau) et une faible induction de saturation magnétique ne sont pas nécessaires puisque la tension de sortie du dispositif de décharge 10 est limitée. On utilise des déclencheurs moins coûteux puisqu'il est produit ou fourni, par l'utilisation de l'accumulateur d'énergie, une plus grande quantité d'énergie pour actionner le déclencheur. 2. Dans le cas d'une interruption de l'un des conducteurs (et notamment du conducteur neutre), le dispositif d'alimentation 1 est mis hors service, mais le reste du circuit demeure en service. L'accumulateur d'énergie 12 doit simplement être chargé à partir du transformateur différentiel 5, si bien que le dispositif de sécurité reste toujours en fonctionnement, meme lorsqu'il existe des valeurs très élevées d'un courant de dispersion vers la terre.En tout cas, la valeur de déclenchement mentionnée est constamment plus que suffisante pour garantir une protection contre des tensions de contact, en liaison avec un système approprié de mise à la terre selon les normes italiennes en internationales dans le domaine de l'électrotechnique (CEl - CEB 61 - CENE LECIEBC), c'est-à-dire avec une résistance jusqu'à 250 ohms au maximum. 3. L'enroulement primaire du transformateur est constitué par une seule spire, puisque le transformateur doit simplement délivrer une partie de l'énergie pour l'actionnement du déclencheur (disjoncteur). La sensibilité Itt N = 5 mA est facilement atteinte ; il suffit d'augmenter la fraction de l'énergie de charge prélevée sur le réseau pour le condensateur 12 et/ou de la réduire de façon correspondante à la fraction d'énergie à fournir à partir du transformateur 5. 4. Le dispositif représenté est pratiquement insensible, tant à l'éud de courants pulsatoires qui passent dans un sens qu'à l'égard de courants ayant une composante continue, car le transformateur se trouve constamment - me-me quand il est polarisé par un courant continu - dans l'état dans lequel il délivre une fraction suffisante pour atteindre le seuil de déchargement du condensateur. 5. Si l'on se réfère à la figure 1, on réalise le dispositif d'essai de manière simple en court-circuitant la résistance 9 avec la touche 15, sans introduire de ce fait des courants plus forts dans le circuit ni provoquer une perte de potentiel accrue par voie thermique. REVENDICATIONS 1. Circuit de protection contre les courants de fuite pour des installations électriques à basse tension, circuit qui réagit dans les conditions normales à des courants de fuite jusqu'à 5 mA et au-dessous et qui comprend un transformateur différentiel avec un noyau de fer de faible force coercitive, autour duquel sont enroulés les conducteurs de phase qui constituent i 'enroule- ment primaire et autour duquel est enroulé par ailleurs un enroulement secondaire, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif d'alimentation 1 qui est alimenté à partir du réseau et qui est raccordé d'une part à l'enroulement secondaire 8 pour la pré-magnétisation du noyau de fer 5 avec un courant alternatif et d'autre part à un accumulateur d'énergie 12, en ce que l'enroule- ment secondaire 8 est également raccordé à l'accumulateur d'énergie 12 et en ce qu'en cas de courant de fuite, l'accumulateur d'énergie 12 délivre son énergie au déclencheur 14, par l'internikiadre d'un dispositif déterminateur de seuil 13, pour l'interruption des conducteurs de phase 6, 7. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu en plus, pour accroître sa sensibilité, un multiplicateur de tension.