Brevet FR2432174A1 — publié le 19800222

La présente invention se rattache au domaine des appareils de contrôle à l'usage des électriciens et au domaine de la prévention des accidents d'origine électrique. L'invention a pour objet un detecteur unipolaire de tensions électriques alternatives presentant deux seuils de sensibilité prédéterminés et comportant un moyen de commutation qui permet de passer d'un desdits seuils à l'autre. On rappellera brièvement que les détecteurs de tension unipolaires sont des appareils portes à l'extrémité d'une perche isolante qui permet d'amener leur borne d'entrée ou palpeur, au contact d'un conducteur dont on veut connaître l'état de tension. Lorsque cette tension atteint ou excede un seuil déterminé, ils sont capables d'émettre un signal sous l'effet du courant extrèmement faible qui s'établit dans l'espace par effet de capacité entre la terre et un élément conducteur (ou un ensemble d'éléments) faisant partie du détecteur et que l'on appellera ici "masse capacitive".Les détecteurs dits électroniques tels que celui qui fait l'objet de l'invention comportent essentiellement une source d'alimentation et un circuit (ou un ensemble de circuits) de détection sensible au passage de ce courant de ca pacité, dont l'entrée est reliée au palpeur et la sortie à un organe de signalisation optique ou acoustique. Ces différents éléments peuvent être enfermés dans une enveloppe diélectrique, auquel cas c'est leur ensemble qui assume la fonction de "masse capacitive" par rapport à la terre. Ils peuvent aussi etre enfermes dans une enveloppe conductrice qui constitue la masse capacitive. Afin de simplifier la description qui va suivre, on envisagera ici ce dernier cas, etant précise que le fonctionnement d'un detecteur selon l'invention serait exactement semblable si ses éléments fonctionnels se trouvaient directement en liaison capacitive avec la terre. L'invention trouve un champ d'application particulierement intéressant dans les installations électriques à moyenne tension dans lesquelles on rencontre à la fois des câbles isoles munis de connexions embrochables et des conducteurs nus. Les éléments de connexion embrochables sont fréquemment munis de diviseurs capacitifs permettant d'effectuer la verification de présence ou d'absence de tension. Le potentiel, par rapport à la terre, de la borne accessible de ces diviseurs n'excède pas quelques centaines de volts. La vérification doit en consequence être effectuée à l'aide d'un détecteur de tension dont le seuil de sensibilite est ordinairement de 200 V environ. Au contraire, les conducteurs nus sont susceptibles d'être portés à des tensions de l'ordre du-kV ou de la dizaine de kV. Ces conducteurs, lors qu'ils sont séparés de leur source d'alimentation mais non mis à la terre sont fréquemment le siège de tensions induites par des parties voisines de meurées reliées à leur source et qui peuvent couramment s'élever à 1/10 environ de la tension normale de service. La vérification d'absence de tension sur ces conducteurs ne peut donc valablement être effectuée qu'à l'aide d'un detecteur dont le seuil de sensibilité excède assez largement le 1/10 de la tension de service, tout en étant suffisamment inferieur à ladite tension afin de menager une marge de sécurité convenable.En pratique un detecteur pour conducteurs nus à moyenne tension presentera un seuil de quelques kV, au lieu de 100 à 200 volts environ dans le cas des diviseurs capacitifs en visagés en premier lieu. Afin d'éviter, dans de telles installations, d'avoir à utiliser deux appareils distincts, on connait dejà des detecteurs de tension comportant deux circuits de détection réglés chacun pour un seuil détermine et un moyen de commutation permettant selon le cas de mettre en service l'un ou l'autre desdits circuits. Cette solution comporte deux inconvenients : le premier d'ordre économique tient au coût supplémentaire du second circuit de détection ; le second, plus grave car il met en cause la seckurité des personnes, tient au fait que le moyen de commutation peut être placé par inadvertance dans une position qui ne corresponde pas aux conditions d'utilisation. Ainsi, si le moyen de commutation est placé dans la position correspondant au seuil le plus éleve, c'est-à-dire à l'utilisation sur des conducteurs nus, l'appareil ne délivrera aucun signal de presence de tension au contact du diviseur capacitif d'une connexion embrochable se trouvent sous tension. Le détecteur de tension objet de l'invention évite ces inconvénients d'une part, il ne comporte qu'un seul circuit de détection de caractéristiques courantes, d'autre part il comporte un organe de commutation très simple et sûr, qui est toujours ramené automatiquement dans la position correspondant au seuil de sensibilité le plus bas et qui n'exige pas une manoeuvre distincte lors de l'utilisation de l'appareil. Le détecteur de tension objet de l'invention est caractérisé principalement par le fait que le moyen de réglage des seuils de sensibilité est un blindage électrique enveloppant partiellement la "masse capacitive" et en ce que le moyen de commutation commandant le passage d'un seuil à l'autre est susceptible de modifier le potentiel dudit blindage par rapport à la terre. I1 est caracterise également par le fait que ledit moyen de commutation est mécaniquement solidaire du palpeur, de manière à être actionne lorsqu'une force donnee est appliquee sur le palpeur, et qu'il comporte un ressort antagoniste agencé de manière a le maintenir dans la position correspondant au seuil de sensibilité le plus bas en l'absence d'une telle force. Les details et les caracteristiques particulières de l'invention apparaitront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les dessins annexes dans lesquels - la Fig. 1 represente schématiquement un détecteur de tension conforme à l'invention. - la Fig. 2 est un schmsillustrant les conditions de fonctionnement de l'appareil-en position de commutation sur la sensibilité la plus grande. - la Fig. 3 est un schéma illustrant les conditions de fonctionnement de l'appareil en position de commutation sur la sensibilite la plus faible. Suivant le schéma de la Fig. 1 qui represente sous une forme simplifiée un mode préférentiel d'execution, le détecteur comprend essentiellement une enveloppe ou boitier 1 en matériau diélectrique de forme genérale cylindrique ouverte à sa partie inférieure. A sa partie superieure l'enveloppe 1 présente une partie saillante 1.1 traversee dans le sens longitudinal par un canal cylindrique 1.2. L'enveloppe 1.1 est munie à sa partie inférieure d'un moyen de fixation, par exemple une piece filetée 1.3 agencée pour coopérer avec l'extrémité superieure d'une perche isolante 1.4 à l'aide de laquelle il est possible de porter l'appareil au contact d'une pièce ou d'un conducteur dont on veut connaître l'état de tension. Intérieurement l'enveloppe 1 comporte à sa partie supérieure une pièce annulaire métallique saillante 1.5.Au-dessous de cette pièce annulaire et en contact électrique avec elle l'enveloppe 1 comporte un ecran électriquement conducteur 1.6. qui peut être par exemple un revetement de vernis conducteur s'étendant sur la surface interne de l'enveloppe 1.1 jusqu'a un niveau délimite par la ligne en traits mixtes 1.7. A l'intérieur de l'enveloppe 1.1 est fixée par un moyen tel que des entretoises 1.8 une enceinte métallique 2 de forme cylindrique constituant une Cage de Faraday et dans laquelle, pour la clarté des explications relatives au fonctionnement du dispositif on distinguera une portion 2.1 située audessous de ladite ligne 1.7 et donc extérieure à l'écran 1.6 et une portion 2.2 située au-dessus de ladite ligne 1.7 et enveloppee par l'écran 1.6. A l'intérieur de ladite enceinte 2 sont enfermes les éléments fonctionnels du detecteur a savoir essentiellement a) un circuit électronique de détection 3 comportant deux bornes d'entrée 3.1, 3.2. deux bornes de sortie 3.3, 3.4 et deux bornes d'alimenta tion 3.5, 3.6.Ce circuit de détection 3 presente une configuration et des caractéristiques courantes dans des appareils de ce genre, bien connues de l'homme de métier, et en conséquence ne nécessite pas une description detaillée. b) une source d'alimentation 4 par exemple une batterie de piles dont les bornes 4.1, 4.2 sont reliées respectivement aux bornes d'alimentation 3.5.,3.6 du circuit 3. c) un organe avertisseur 5 par exemple un haut-parleur ou un ronfleur com portant deux bornes 5.1, 5.2 reliées respectivement aux deux bornes de sortie 3.3, 3.4 du circuit 3 et dont la membrane vibrante métallique 5.3 ferme la face inférieure de l'enceinte 2, assurant ainsi la con tinuité de la Cage de Faraday. Sur sa face supérieure l'enceinte métallique 2 porte une pièce annulaire en matériau diélectrique 2.3 et une traversee isolante 2.4. A la partie supérieure de l'enveloppe diélectrique 1 est fixé un palpeur metallique 6 constitué d'une pièce cylindrique tubulaire 6.1 susceptible de coulisser dans le canal cylindrique 1.2 de la partie saillante 1.1 et terminée par une pièce 6.2 de forme appropriée pour établir commodément le contact avec un conducteur ou une pièce conductrice dont on veut connaître l'état de tension. A l'intérieur de l'enveloppe 1 la tige 6.1 du palpeur est assemblée perpendiculairement sur un disque métallique 6.3.Une tige métallique de guidage et de liaison 6.4 maintenue dans la traversée isolante 2.4 est reliée à son extrémité inférieure à la borne d'entrée 3.5 du circuit 3 tandis que sa partie supérieure passe à travers un trou central du disque 6.3 et penêtre partiellement dans la tige tubulaire 6.1 avec laquelle elle est en contact de telle sorte qu'une liaison electrique est établie entre la pièce terminale 6.2 et la borne d'entree 3.5 du circuit de détection dont l'autre borne d'entrée 3.2 est reliée à l'enceinte métallique 2. Un ressort 6.5 prend appui d'un côté sur la pièce isolante annulaire 2.3 et de l'autre sur la face inférieure du disque 6.3 de sorte que, au repos, la face supérieure dudit disque 6.3 se trouve repoussée contre le fond de l'enveloppe 1.Si un effort sufftsânt.. est applique sur la pièce de contact 6.2 le ressort 6.5 se trouve comprimé et le disque 6.3 est amené en contact électrique avec la pièce annulaire 1.5 reliée à l'écran conducteur 1.6. Cet ensemble constitue donc moyen de commutation permettant d'etablir une liaison électrique entre le palpeur 6 et l'écran 1.6. Lorsque l'appareil tel qu'il vient d'être décrit est porté a l'extrémité d'une perche telle que 1.4 afin d'amener l'extrémité 6.2 du palpeur au contact d'un conducteur susceptible de se trouver sous tension, ces éléments conducteurs, à l'exception de ceux enfermés dans la Cage de Faraday 2, sont en relation capacitive entre eux et avec la terre. On peut distinguer trois relations de cette nature qui jouent un rôle déterminant dans le fonctionnement du détecteur à savoir - une capacitive symbolisée par C.1 entre la portion 2.2 de l'entrée 2 et la terre. - une capacité symbolisée par C.2 entre l'écran 1.6 et la terre. Cés deux capacités sont de l'ordre de 10-5E?F - une capacité symbolisee par C.3 entre la portion 2.1 de l'enceinte 2 et l'écran 1.6. La grandeur de cette dernière capacité dépend de l'interval le (quelques millimètres) entre la portion 2.1 de l'enceinte 2 et lie- cran 1.6 ainsi que de la superficie dudit écran 1.6. Cette grandeur est en tout etat de cause notablement plus grande que celles de C.1 et C.2 La portion 2.1 de l'enceinte 2 ne presente pas de capacité appreciable par rapport a la terre en raison des obstacles constitues par l'écran 1.6 et le disque 6.3. Il n'est pas absolument necessaire que l'enceinte 2 soit métallique : elle pourrait être constituée d'un materieu diélectrique ou même éventuellement supprimée sans que le fonctionnement de l'appareil, tel qu'il va être expli qué se trouve modifie. Dans ce cas les éléments tels que le circuit 3, la source 4 et l'organe avertisseur 5 seraient chacun pour sa part en relation capacitive, soit avec la terre, soit avec l'écran. La somme des capacites partielles par rapport à la terre assumerait alors le même rôle que la capacité C.1 et celle des capacités partielles par rapport à l'écran 1.6 assumerait le même rôle que la capacité C.3. La Fig. 2 représente schématiquement l'appareil dans la position ou le contact est ouvert entre le palpeur 6 et l'écran 1.6, ledit palpeur étant amené au contact d'un conducteur 7 soumis à une certaine tension alterna tive par rapporta la terre. Par l'intermédiaire du palpeur 6 ladite tension est amenée a la borne 3.1 du circuit de détection 3 et, à travers ledit circuit, à la borne 3.2 et a l'enceinte métallique 2 qui se trouve ainsi portée pratiquement au même potentiel que le conducteur 7, la chute de tension a l'entrée du circuit relié entre les bornes 3.1, 3.2 pouvant être négligée., D'autre part, à raison de la capacité C.3, l'écran 1.6 se trouve porte à un potentiel intermediaire entre celui de la terre et celui du conducteur 7 mais assez voisin de ce dernier potentiel. Le courant traversant l'entrée du circuit de détection en passant de la borne 3.1 à la borne 3.2 puis à l'enceinte 2 et s'écoulant de là à la terre comprend deux composantes principales - l'une qui passe par la portion 2.1 de l'enceinte 2 à travers la capa cite C.1. - l'autre qui passe par la portion 2.2 successivement a travers les capa cités C.3 et C.2 en série dont la valeur résultante Cs est telle que 1 = 1 + 1 I--s I--2 I--3 On remarquera que, C;3 étant notablement plus grand que C.2, la grandeur du courant traversant ces deux capac ités en série n'est pas notablement plus petite que si l'écran 1.6 n'existait pas. Nous désignons par Ceff = C 1 + Cs la capacitive efficace du détecteur, c'est à dire celle qui conditionne la grandeur du courant traversant l'entrée du circuit de detection, dans cette position d'ouverture des contacts entre le palpeur 6 et l'écran 1.6. Une autre composante de ce courant est constituée par le courant de fuite qui peut s'écouler à travers la perche (non représentée sur les Fig. 2 et 3) et le corps de l'opérateur. L'expérience montre que cette composante n'intervient que pour une très faible part, et peut être négligée dans les explications qui suivent. Si l'on élève progressivement la tension du conducteur 7 par rapport à la terre on atteindra une valeur U1 pour laquelle la grandeur du courant traversant l'entrée du circuit de detection 3 sera égale au seuil à partir duquel un signal est émis par l'organe de signalisation 5. Dans la pratique usuelle on desi.gne la tension U1 comme etant le seuil de fonctionnement du détecteur. Il importe toutefois de souligner que cette expression ne peut avoir qu'une valeur relative . D'une part la valeur des capacités C.1 C.2 varie en fonction de la distance séparant le détecteur de la terre et des parties conductrices avoisinantes se trouvant au potentiel de la terre. D'autre part, on trouve presque toujours dans le voisinage du conducteur 7, plusieurs autres conducteurs sous tension, par exemple les deux autres conducteurs d'un même système triphasé, qui sont également en liaison capaci tive avec le detecteur et exercent sur ce dernier des influences variables selon leur distance et leur position par rapport a lui. La Fig. 3 représente schématiquement l'appareil dans la position où le contact est ferme entre le palpeur 6 et l'écran 1.6, ledit écran se trouve ainsi directement porté au potentiel du conducteur 7 (dans la Fig. 3 cet ecran a été figuré en traits pleins pour signifier cette continuité de potentiel tandis qu'il est représenté en traits interrompus sur les Fig. 1 et 2). Dans ces conditions la quasi-totalite du courant s'écoulant de l'écran 1.6 vers la terre par la~capacité C.2 passe directement dudit conducteur 7 audit écran sans transiter à travers l'entrée du circuit de détection et la capacité C.3. Le courant traversant l'entrée du circuit de détection se réduit alors en pratique à la fraction qui s'écoule entre la portion 2.1 de l'enceinte 2 et la terre par la capacité C.1.En d'autres termes, dans cette position de fermeture du contact entre le palpeur 6 et l'écran 1.6 la nouvelle capacité efficace de l'appareil est pratiquement égale a C.1. Si la valeur de C.1 est par exemple 15 fois plus petite que celle de Ceff, on devra, toutes choses égales d'ailleurs, élever la tension du conducteur 7 par rapport à la terre jusqu'à une valeur U2 = U1 x 15 pour laquelle la grandeur du courant traversant l'entrée du circuit de détection 3 sera égale au seuil à partir duquel un signal est émis par l'organe de signalisation 5. Si, par hypothèse, la valeur U1 = 200 V, correspondant a l'ordre de grandeur des tensions rencontrées sur les diviseurs capacitifs de connexions embrochables, la valeur U2 atteindra 3 kV et répondra aux besoins de la vérification d'absence de tension sur des conducteurs nus à moyenne tension. On realise donc par ce moyen très simple un appareil utilisable dans les deux cas : si l'opérateur désire vérifier l'état de tension sur une borne de diviseur capacitif, il etablira le contact entre ladite borne et l'extrémité 6.1 du palpeur, sans exercer de- pression sur celui-ci. S'il désire au contraire effectuer cette opération sur un conducteur nu à moyenne tension, il exercera contre ce dernier une pression suffisante pour comprimer le ressort 6.5 et fermer le contact entre le disque 6.3 et la pièce annulaire 1.5. Si ce conducteur est le siège d'une tension in duite au moins égale au seuil U1, l'appareil émettra un signal de presence de tension jusqu'à l'instant ou ledit contact sera fermé.Par conséquent, si l'utilisateur opère de façon incorrecte en négligeant d'exercer une pression contre un conducteur sous tension induite, il recevra à tort un signal de présence de tension qui ne risque pas d'entraîner de conséquences graves. Par contre, et c'est essentiel, s'il commet la même erreur sur un conducteur soumis à la tension du réseau, le signal sera émis comme s'il avait opére correctement et il ne risque en aucun cas d'être victime de cette erreur. La description qui précède ne concerne qu'une forme préférentielle de réalisation dont seuls les organes essentiels ont été décrits. Il est clair que l'on ne sortirait pas du cadre de l'invention en modifiant plus ou moins cette forme, en y ajoutant certains complements ou accessoires ou en incluant un dispositif semblable dans un ensemble plus ou moins complexe présentant éventuellement plus de deux seuils de sensibilité. De même les principes de l'invention peuvent trouver leur application dans la détection de potentiels dont les ordres de grandeur soient très différents de ceux qui ont été men tionnés à titre d'exemples. REVENDICATIONS 1 - Détecteur unipolaire de tensions industrielles alternatives muni d'un palpeur pouvant être soumis au potentiel. d'un conducteur sous tension par rapport à la terre et comportant une source d'alimentation, un orga ne avertisseur, et un circuit de detection dont l1entrée est reliée au dit palpeur et dont la sortie est reliée à un élement conducteur ou à un ensemble d'eléments conducteurs susceptibles de cooperer capacitive ment avec la terre, caractérisé en ce qu il comporte un ecran conducteur enveloppant partiellement le ou lesdits elements conducteurs et un moyen de commutation susceptible de faire varier le potentiel dudit écran par rapport à celui dudit conducteur sous tension. 2 - Détecteur unipolaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de commutation est agencé de manière à permettre d'établir ou d'interrompre une liaison electrique entre ledit écran et ledit palpeur. 3 - Détecteur unipolaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de commutation est mecaniquement solidaire du palpeur et comprend un moyen de rappel mécanique capable de le maintenir dans une certaine position, à moins qu'une force antagoniste ne soit appliquée audit palpeur.