Brevet FR2449992A1 — publié le 19800919

L'invention concerne la securité des prises de courant, en particulier contre l'électrocution. Le réseau de distribution d'énergie électrique comporte trois conducteurs actifs dits "phases'y, un conducteur dit 11neutre"1 et un conducteur de terre. Au niveau du transforTaaJceur de chaque secteur, -le conducteur neutre est relié 2 la terre Chez l'utilisateur, une prise de couralat-^ttmprend deux bornes reliées à l'une des phases et au neutre; et une troisième borne dite terre, reliée en fait a -une masse locale, et, généralement, au conducteur de terre. Le risque le plus fréquent d'électrocution apparaît lorsqu'une personne qui n'est pas bien isolée de la terre touche le conducteur de phase; Elle est alors traversée par un courant qui s'écoule par différents trajets pour rejoindre le conducteur neutre au niveau du transformateur de secteur du réseau. A partir de 30 mA sous 220 Volts alternatifs, il existe pour l'homme un risque léthal majeur. L'invention a pour but de fournir un dispositif de sécurité disjoncteur capable d'interrompre l'alimentation électrique en présence d'un courant de défaut à la terre supérieur à unie valeur prédéterminee, tout en permettant au contraire une alimentation électrique normale-au moment du branchement d'un appareil a la prise et après ce branchement. La prise de courant proposée est du type comprenant au moins une première borne reliée a l'un des conducteurs de phase du réseau, une seconde borne reliée au conducteur de ncutre du réseau, ces deux bornes étant destinées à alimenter un appareil d'utilisation, et une troisième borne destinée àêtre reliée à la masse de l'appareil ; il s'y ajoute an disjoncteur capable au moins d'interrompre la liaison entre la première borne et le conducteur de phase correspondant du réseau, ainsi qu'un circuit de commande de disjoncteur alimenté a partir du réseau. Selon l'invention, on monte, entre la borne de masse locale et un conducteur de référence demeurant au potentiel zéro par rapport à la terre générale, un -circuit parallèle comprenant d'une part un enroulement à faible nombre de spires et d'autre part une résistance de faible valeur ohmique. Le circuit de com mande de deisjoncteur comporte un enroulement secondaire monté en couplage mutuel avec l'enroulement à faible nombre de spires. En pratique, ce conducteur à potentiel zéro sera la ligne de terre du réseau, ou bien, dans certains cas au moins, le conducteur de neutre du réseau. Il pourra encore être constitué par une très bonne prise de terre, meilleure que ne l'est la masse locale, et de préférence éloignée de celle-ci. Cette disposition permet de déclencher le disjoncteur lorsqu'un courant de défaut apparaît entre la borne de phase et la masse locale, compte tenu du fait que la résistance produite par conduction dans le sol entre la masse locale et la terre au niveau du transformateur-secteur n'est pas négligeable, s'établissant souvent à une valeur voisine de un ohm. La résistance de faible valeur ohmique vient permettre à ce montage un fonctionnement normal, car les câbles électriques à trois conducteurs reliés habituellement aux prises de courant présentent des capacités réparties non négligeables, et celles-ci sont susceptibles de produire un déclenchement du disjoncteur au moment ot le câble est branché à la prise. Selon une autre caractéristique de l'invention, les deux enroulements sont bobinés sur un circuit magnétique, pour former un transformateur de courant. Très avantageusement, le circuit magnetEuesupporte en outre un troisième enroulement, formant écran électrostatique. Une extrémité de ce troisième enroulement est en l'air, tandis que l'autre est reliée à l'une des lignes d'alimentation continue du circuit de commande de disjoncteur. Selon une autre caractéristique importante de 1 'inven- tion, la résistance en parallèle sur l'enroulement à faible nombre de spires possède avantageusement une valeur comprise entre 0,05 ohm et 5 ohms, de préférence comprise entre 0,1 ohm et 1 ohm. Dans un mode de réalisation préférentiel, le circuit de commande de disjoncteur comprend un circuit d'alimentation continue à partir du réseau alternatif, un circuit d'amplification connecté à l'enroulement secondaire, un redresseur connecté à la sortie du circuit d'amplification, un circuit menevr connecté à la sortie du redresseur, et co n-r.dartt un relais qui, lorsqu'il est sous tension, relie normaleinent la premiere borne de la prise au conducteur de phase du réseau. Très avantageusement, le point milieu de l'enroule- ment secondaire est découplé en courant alternatif par rapport à l'alimentation du circuit de commande de disjoncteur, et le circuit d'amplification comprend deux étages ampli icateurs symétriques, dont les entrées sont reliées respectivement aux deux moitiés de I'enroulement secondaire, et dont les sorties sont branchées au redresseur. D'autres caractéristiques et avahtages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, et dont les figures 1 et 2 représentent un mode de réalisation préférentiel et une variante de la présente invention. Sur la figure 1, les symboles PH, N et T désignent respectivement les conducteurs de phase, de neutre et de terre du réseau à 220 Volts provenant d'un poste de transformation secteur 9, situé à distance. Ces conducteurs sont respectivement reliés à des lignes 1, 2 et 6. Au niveau de l'usager, les lignes 1 et 2 sont reliées à travers des contacts de relais 521 et 522 aux bornes 3 et 4 d'une prise de courant. En plus de ces deux bornes 3 et 4, une telle prise comporte, dès qu'il s'agit d'une puissance moyenne, une troisième borne de masse locale 5, dite classiquement terre. Cette appellation classique est ici impropre, le mct terre étant réservé à un point situé au potentiel zéro par rapport à la terre générale, comme c'est le cas pour la ligne de terre du poste de transformation. Les contacts mobiles 521 et 522 sont commandés par un relais-disjoncteur 520, de manière connue en soi. A ce disjoncteur, il est associé un circuit de commande, alimenté en courant continu à partir du réseau alternatif, constitué ici des ensembles 100, 200, 300, 400 et 500, que l'on décrira plus loin. Selon une caractéristique importante de l'invention, il est prévu entre la borne de masse locale 5 et un point relié au potentiel zéro de la terre générale un ensemble parallèle constltié d'une part d'un enroulement 10 à faible nombre de spires: et d'autre part d'une résistance il de faible valeur ohmique. L'enroulement 10 est bobiné sur un tore de ferrite 12. Sur le même tore vient se bobiner un enroulement secondaire à grand nombre de tours 13,' qui apparaît au milieu du circuit 300 I1 s'y ajoute avantageusement un troisième enroulement, formant écran électrostatique, constitué d'un certain nombre de spires dont une extrémité reste en l'air et l'autre est reliée à la ligne d'alimentation négative commune à l'ensemble du circuit de commande de disjoncteur. Ce troisième enroulement est désigné par la référence numérique 14 sur la figure. Sur la ìgure 1, le point au potentiel zéro de la terre générale est obtenu sur la ligne de terre 6 qui provient direc tement du poste de transformation 9. La figure 2 illustre une variante, applicable lorsque le conducteur de neutre du secteur se situe lui-même enperma- nence au potentiel zéro : l'extrémité libre du circuit parallèle (10 et 11) est alors reliée au conducteur de neutre 2, de préférence en aval du contact 522 (compte tenu des normes), sans qu'il soit nécessaire de faire venir la ligne de terre générale jusqu'à la prise de courant. Dans le mode de réalisation actuellement préféré de l'invention, le circuit 100, qui réalise l'alimentation continue du circuit de commande à partir du secteur alternatif comporte un pont redresseur 101, dont l'une des entrées est reliée au neutr et l'autre est reliée à la phase à travers un condensateur 102 qui définit le courant appliqué au pont redresseur, et une résistance 103 qui limite ce courant au moment où le pont redresseur est mis en service. (Naturellement, d'autres interrupteurs peuvent se trouver en amont des entrées PH et N situées à gauche de la figure).. Les sorties + et - du pont redresseur 101 sont découplées à l'aide d'un condensateur électrochimique 104.La sortie - sert de ligne commune pour tous les circuits de commande de disjoncteur, c'est-à-dire les ensembles 200, 300, 400 et 500. La ligne + alimente directement l'ensemble 500. Par contre, l'alimentation du circuit d'amplification est réalisée sous tension plus faible, à l'aide d'un circuit d'abaissement de tension et de découplage 200. Ce circuit comporte une résistance 201, reliée à la iigne +, et dont l'autre borne définit l'alimentation positive dudit circuit d'amplification. IJne stabilisation de tension et un découplage sont réalisés respectivement- par une diode Zener 202 et par un condensateuréiectrochimique 203 branchés en parallèle entre la ligne positive 210 et la ligne d'alimentation négative. L'enroulement 13 précité, que l'on retrouve au milieu de l'ensemble 300, comporte un point milieu, qui est relié à la ligne d'alimentation 210 par une résistance 302, ainsi qu'à la ligne d'alimentation négative commune par un condensateur électrochimique de découplage 301. Cette disposition subdivise ltenrou- lement secondaire 13 en deux moitiés 131 et 132, qui sont reliées respectivement à deux étages amplificateurs symétriques. L'extrémité libre de la première moitié 131 est reliée d'une part à-la ligne négative commune par une résistance 312,et d'autre part par une résistance 311 à la base d'un transistor 310, du type NPN. Monté-en émetteur commun, le transistor 310 comporte dans son réseau émetteur une résistance 314 en parallèle sur un condensateur électrochimique de découplage 315, qui aboutissent tous deux à la ligne négative. En série sur ceux-ci s' ajoute une résistance de contre-réaction 313. La sortie du transistor 310 est constituée par une résistance de collecteur 316, qui est reliée par ailleurs à la ligne d'alimentation 210. Dans le but d'éviter une réponse du transistor 310 à des perturbations très rapides, non susceptibles d'électrocuter un individu, un condensateur 317 est monté entre le collecteur et la base de ce même transistor 310. L'autre moitie 132 de l'enroulement secondaire est montée exactement de la même manière avec un autre étage amplificateur, constitué d'éléments identiques à ceux qui viennent d'être décrits. Les composants de ce second étage amplificateur comportent la même référence numérique que pour le premier, augmentée de dix unités. L'ensemble de ce montage amplificateur symétrique 300 comporte donc deux sorties, définies par la liaison de la réis- tance 3.16 au collecteur du transistor 310, ainsi que par la liaison de la résistance 326 au collecteur du transistor 320. Ces deux sorties sont appliquées respectivement aux entrées de courant alternatif d'un pont redresseur 400. Et les sorties redressées + et - de celui-c sont appliquées à un circuit 500, qui réalise la commande du relais de disjonction 520 déjà citée. Ce circuit 500 est monté, quant à son alimentation continue, directement entre les sorties + et - du premier pont redresseur 101. Plus précisément, la sortie + du pont redresseur 400 est reliée par une résistance 511 à l'émetteur d'un transistor 510 du type PNP, tandis que la base du même transistor est reliée à la sortie - du pont 400. Le collecteur du transistor 510 est relié à la ligne d'alimentation négative à travers une résistance 512 et un condensateur 513 en parallèle sur cette résistance. I1 est également relié à la base d'un transistor 518, du type NPN, dont l'émetteur est reliée la ligne négative à travers une résistance potentiomêtrique 514, et dont le collecteur est relié à la ligne positive par une résistance 515. Enfin, le curseur de la résistance potentiométrique 514 est relié à la gâchette d'un thyristor 516, dont l'anode est reliée à la ligne positive à travers la résistance 517. La tension entre anode et cathode du thyristor 516 commande directement le relais 520 déjà cité. Le fonctionnement de l'appareil est le suivant En temps normal, le relais 520 est alimenté à travers la résistance 517, et les contacts 521 et 522 sont normalement fermés, alimentant les deux bornes 3 et 4 de- la prise de courant. Si l'appareil d'utilisation est mal isolé par rapport > sa carcasse, ou bien si un opérateur vient à toucher la borne de phase 3, tout en étant par ailleurs en contact plus ou moins direct avec la masse, il sera traversé par un courant. Du fait que la masse locale 5 n' est pas en communication par une résistance ohmique nulle avec le potentiel zéro de la terre générale, la majeure partie du courant traverse le circuit parallèle,et il apparaît une différence de potentiel entre la borne 5 et le point au potentiel zéro. Cette différence de potentiel se retrouve donc appliquée aux bornes de l'enroulement à faible nombre de spires 10, qui la transmet à l'enroulement secondaire 13.La tension alternative ainsi obtenue est amplifiée par les étages amplificateurs symétriques constitués des éléments 310 à 317 et 320 à 327, pour finalement se retrouver appliquée à l'entrée du pont redresseur 400, et commander alors la conduction du iransis- tor 518, et par là le déclenchement du thyristor 516 dans son état conducteur, d'où un court-circuit aux bornes du relais 520 et l'ouverture des contacts 521 et 522. Un bouton-poussoir 519 (figures 1 et 2) permet de courtcircuiter le thyristor pour interrompre sa conduction, et de ramener ainsi le montage à son état normal. Comme précédemment indiqué, les perturbations de très courte durée, par exemple de l'ordre de la nanoseconde, ne sont pas prises en considération du fait des condensateurs 317 et 327. De son côté, la résistance potentiomêtrique 514 permet de définir le seuil de déclenchement du disjoncteur. Enfin, la résistance 11 selon l'invention permet un fonctionnement satisfaisant du dispositif. En effet, il a été observé par le demandeur que les câbles de connexion habituel- lement utilisés pour les prises de courant de moyenne puissance présentent de fortes capacités reparties, et que si le branchement d'un tel câble à la prise s' effectue au moment où la tension secteur est à une crête d'alternance, il en résulte un fort courant de crête qui se présente comme L'équivalent d'un défait entre le conducteur do phase 3 et la borne de masse locale 5. En pareil cas, l'enroulement 10 détecterait alors normalement cette différence de potentiel et actionnerait le disjoncteur-de la manière qui vient d'être décrite. En mettant en parallèle sur cet enroulement 10 la résistance il de faible valeur ohmique, il est possible d'éviter un tel déclenchement initial du disjoncteur dans tous les cas. Le montage peut alors fonctionner normalement après branchement du câble à la prise, dès lors qu'un opérateur humain vient accidentellement au contact de la borne de phase 3, que ce contact se produise au niveau de la borne elle-même, ou bien en aval sur l'organe d'utilisation. Dans un mode de réalisation particulier, les caractéristiques du montage sont les suivantes R103 = 39 ohms C102 = 0,47 microFarads pont 101 : WM 48 de VARO (1A ; 400 Volts) C104 = 100 microFarads R201 = 18 kilohns D202 = diode Zener 15 Volts C203 = condensateur électrochimique 100 microFarads T310 = T320 = 2N2222 par exemple R301 = R321 = 10 kilohms R312 = R322 = 100 kilohms R313 = R323 = 1 kilohm R314 = R324 = 47 kilohms C315 = C325 = 100 microFarads R316 = R326 = 100 kilohms C317 = C327 = 10 000 pîcoFarads C301 = 2,2 microFarads R302 = 270 kilohms pont redresseur 400 = WM 08 de VARO (1A ; 50 Volts) T510 = 2N2907 par exemple R511 = 10 kilohms R512 = 150 kilohms C513 = 10 000 picoFarads R514 = potentiomètre de 420 ohms talonné par une résistance de 420 ohms R515 = 2,2 kilohms T516 = C106 D de General Elctric (4A ; 400 Volts) R517 = 1 kilohm T518 = 2N2222 par exemple 520 = relais 24 Volts 30 mA. Par ailleurs, l'enroulement 10 comporte avantageusement 10 spires bobinées comme précédemment indiqué sur un noyau de ferrite, l'enroulement 13 comporte 2 000 spires, c'est-à-dire 2 moitiés de 1 000 spires chacune. L'enroulement d'écran électrostatique 14 comporte par exemple une nappe d'environ 30 spires, de fil 25/100 mm interposée entre les enroulements 10 et 13. Enfin, la résistance 11 est avantageusement voisine de 0,5 ohm. La sensibilité du dispositif qui vient d'être décrit peut descendre jusqu:à 2 mA, tout en étant réglable à des valeurs supérieures à l'aide du potentiomètre 514. I1 nty a pas de faux déclenchements lors du branchement pour des câbles présentant des capacités parasites allant jusqu'à l'ordre de grandeur du microFarad. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être précisément décrit, et s'étend à toute variante conforme à son esprit. En particulier, le point au potentiel zéro peut être défini par une très bonne prise de terre, faite à quelque distance de celle de la masse locale de l'appareil, au lieu de provenir d'une liaison au transformateur du secteur. REV."ND ICAT IONS i. Prise de courant électrique du type comprenant au moins une première borne reliée à l'un des conducteurs de phase du réseau, une seconde borne reliée au conducteur de neutre du réseau, ces deux bornes étant destines à alimenter un appareil d'utilisation, et une troisième borne destinée à être reliée à la masse de l'appareil, ainsi qu'un disjoncteur capable au moins d'interrompre la liaison entre la première borne et le conducteur de phase correspondant du réseau, et un circuit de commande de disjoncteur alimenté à partir du réseau, caractérisée en combinaison par le fait qu'il est monté entre la borne de masse locale et une borne au potentiel de la terre générale un circuit parallèle comprenant un enroulement à faible nombre de spires et une résistance de faible valeur ohmique, et que le circuit de commande de disjoncteur comporte un enroulement secondaire monté en couplage mutuel avec l'enroulement à faible nombre de spires. 2. Prise de courant électrique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les deux enroulements sont bobinés sur un circuit magnétique pour former transformateur de courant. 3. Prise de courant électrique selon la revendication 2, caractérisée par le fait que le circuit magnétique supporte en outre un troisième enroulement, formant écran électrostatique1 dont une extrémité est en l'air et l'autre reliée à l'une des ligne d'alimentation continue du circut de commande de disjoncteur. 4. Prise de courant électrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que la résistance en parallèle sur l'enroulement à faible nombre de spires possède une valeur comprise entre 0,05 ohm et 5' ohms, de préférence comprise entre 0,1 ohm et 1 ohm. 5. Prise de courant électrique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que le circuit de commande de disjoncteur comprend un circuit d'alimentation continue à partir du réseau alternatif, un circuit d'amplification connecté à l'enroulement seconda. ire, un redresseur connecté à la sortie du circuit d'amplification, un circuit meneur connecté à la sc)^-Lve du redresseur, et commandant un relais qui, lorsqu'il est sous tension, relie normalement la première borne de la prise au conducteur de phase du reseau. 6. Prise de courant électrique selon la revendicatiqn 5, caractérisée par le fait que le point milieu de 11 enroulement secondaire est découplé en courant alternatif par rapport à l'alimentation du circuit de commande de disjoncteur, et que le circuit d'amplification comprend deux étages amplificateurs symétriques, dont les entrées sont reliées respectivement aux deux moitiés de l'enroulement secondaire et dont les sorties sont branchees au redresseur. i Prise de courant électrique selon l'une des revendications I à 6, caractérisée par le fait que la borne au potentiel de la terre générale est reliée la ligne de terre du réseau. 8. Prise de courant électrique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que la borne au potentiel de la terre générale est reliée au conducteur de neutre du réseau.