Brevet FR2458165A1 — publié le 19801226

L'invention, due à la collaboration de Messieurs Michel DURAND et Jean-Noël FIORINA, est relative à un dispositif de protection contre les défauts de mise à la terre d'une installation électrique comprenant un convertisseur statique inséré entre un réseau alternatif d'alimentation et une charge. Dans un dispositif connu du genre mentionné, utilisé pour des réseaux à neutre relié directement à la terre, ou par une faible..impédance, le détecteur de défauts d'isolement comporte un relais à courant différentiel résiduel placé en tette de l'installation composé d'un tore, à secondaire bobiné, englobant tous les conducteurs actifs du réseau alternatif d'alimentation. La tension de sortie délivrée au secondaire, nulle en absence de défaut, est proportionnelle au courant de défaut alternatif lorsqu'il apparant entre une phase et la terre du réseau alternatif. Le relais commande le déclenchement d'un disjoncteur de protection lorsque la tension de sortie dépasse un seuil prédéterminé. Deux difficultés sont à résoudre sur ce type d'installation - la protection contre une montée de potentiel des masses à un niveau continu dangereux consécutive à un défaut dti- solement sur le réseau continu, par exemple enazal d'un redresseur. Un tel défaut provoque en effet la montée en potentiel du neutre du réseau alternatif, et la superposition de deux potentiels, l'un continu, l'autre alternatif; - le détecteur différentiel résiduel qui surveille le réseau alternatif ne détecte pas le défaut d'isolement sur le réseau continu et est inhibé par la composante continue correspondante qui provoque la saturation de tore. Dans les réseaux alternatifs à neutre isolé un dispositif d'injection de courant à très basse fréquence TBF est sus oeptible de voir le défaut continu. Pour des réseaux étendus, le dispositif est toutefois perturbé par la présence de capacités de lignes entratnant des courants capacitifs par rapport à la terre. Pour remédier à ces inconvénients, il a déjà été proposé d'insérer un transformateur d'isolement entre le convertisseur statique et le réseau alternatif d'alimentation. Ce dernier ne peut plus titre perturbé par un défaut d'isolement intervenant sur le réseau continu, qui est isolé. Le transformateur d'isole ment pour un convertisseur de 60 kVA est néanmoins fort croûteux. Le but de l'invention consiste à supprimer le transformateur d'isolement et à le remplacer par un autre dispositif d'isole ment moins motteux susceptible de séparer le réseau continu du réseau alternatif lorsque le défaut continu dépasse un seuil donné. Le dispositif de protection est caractérisé par le fait qu'il comporte un détecteur de courant continu associé audit réseau alternatif pour contraler la présence d'une composante de courant continu dans les conducteurs actifs du réseau alternatif d'alimentation, résultant d'un défaut d'isolement sur le réseau continu. Selon une caractéristique de l'invention, ledit détecteur de courant continu coopère avec une bobine de déclenchement d'un disjoncteur multipolaire susceptible d'interrompre le passage du courant d'alimentation dans le réseau alternatif lorsque le courant de défaut continu dépasse un seuil prédéterminé. Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit détecteur de courant continu comporte un noyau ferromagnétique saturable en forme de tore entourant lesdits conducteurs actifs du réseau alternatif d'alimentation, et un enroulement secondaire bobiné sur ledit noyau et connecté à un dispositif de commande de ladite bobine de déclenchement du disjoncteur. Le noyau saturable présente un cycle d'hystérésis rectangulaire et comprend un enroulement de prémagnétisation excité par un générateur d'impulsions délivrant une tension alternative d'amplitude et de fréquence prédéterminées provoquant la saturation dudit noyau à chaque demi-alternance. Selon un développement de l'invention, un deuxième détecteur à transformateur différentiel résiduel est disposé en tette de l'installation, en amont du détecteur à courant continu pour contracter l'intensité du courant alternatif dans lesdits conducteurs actifs d'alimentation au moyen d'un enroulement de sortie destiné à fournir un signal de défaut lors de l'apparition d'un déséquilibre causé par un défaut d'isolement sur le réseau alternatif, ledit deuxième détecteur n'étant pas inhibé par ladite com posant continue détectée par le détecteur de courant continu. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de l'exposé qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif et représenté au dessin annexé, dans lequel la figure 1 représente le schéma électrique d'une ali mentation sans coupure à convertisseur statique équipé d'un dispositif de détection de défaut d'isolement selon l'invention; la figure 2 est le schéma électrique du détecteur de courant continu; la figure 3 montre le cycle d'hystérésis rectangulaire du noyau saturable du détecteur de courant continu. En référence aux figures 1 à 3, un récepteur R est alimenté par un convertisseur statique 10 de courant comportant un redresseur 12 à diodes destiné à fournir un courant continu après passage dans un filtre (non représenté) à un onduleur 14 à thyristors branchés en pont triphasé. C8té alternatif le redresseur 12 est connecté par des lignes L1, L2, L3 à un réseau triphasé RST avec interposition d'un transformateur d'alimentation 16 moyenne tension, basse tension. L'onduleur 14 est relié au redresseur 12 par un réseau continu à deux conducteurs de liaison 18, 20 à eourant continu et à polarités opposées, et un circuit dérivé 22 eom- prenant une batterie 24 de secours et un interrupteur ou disjoncteur 26 est branché en parallèle sur les conducteurs 18, 20 pour former avec le convertisseur 10 une alimentation statique sans coupure.Le réseau triphasé RST peut également titre constitué par un réseau triphasé + neutre, le conducteur neutre servant par exemple à fixer le potentiel du point milieu de la batterie. L'interrupteur 26 est fermé en permanence, mtme en présence de tension alternative sur le réseau RST, et la batterie 24 est en tampon. L'enroulement secondaire BT en étoile du transformateur 16 comprend un point neutre N mis directement à la terre par une prise de terre 28. Les défauts d'isolement c8té alternatif sont détectés par un dispositif de protection à courant différentiel ré- siduel DR placé en tette de l'installation entre le transformateur 16 et le redresseur 12. Le dispositif DR comporte un capteur à transformateur différentiel muni d'un noyau 30 toroïdal entourant les lignes L1, L2, L5 d'alimentation qui forment les bobinages primaires. Un bobinage secondaire 32 enroulé sur le noyau 30, délivre une tension de sortie appliquée à un dispositif de commande 34 à bobine de déclenchement 36 associée à un disjoncteur 38 tripolaire branché en amont du dispositif DR. La tension de sortie du bobinage 32 est nulle en l'absence de défaut, et assure le maintien du disjoncteur 38 en position de fermeture. L'apparition d'un courant de défaut alternatif DA en aval du dispositif DR sur le tronçon alternatif situé entre le noyau 30 et le redresseur 12, par exemple entre la ligne t et la terre,entratne un déséquilibre des inten 3 sités dans les lignes L1, L2 L3 engendrant dans le bobinage 32 du noyau 30 un signal de défaut proportionnel au courant de fuite DA. ce signal est susceptible de déclencher le disjoncteur 38 après dépassement d'un seuil prédéterminé, notamment de 30 mA. L'absence du secteur alternatif par ouverture du disjoncteur 38 provoque le ronctionnement en autonome de l'onduleur 14 alimenté par la batterie 24 en tampon, l'interrupteur 26 étant en position fermée. ce type de protection différentielle est bien connu des spécialistes, mais un défaut d'isolement sur le réseau continu en aval du redresseur 12 risque d'engendrer une montée en potentiel du réseau alternatif compris entre le transformateur 16 et le redresseur 12, et une superposition de deux potentiels, l'un continu, l'autre alternatif. La composante continue circulant dans les lignes L1, L2, 13 du réseau alternatif à la suite de ce défaut d'isolement Dc sur le réseau continu, est susceptible d'aveugler le dispositif de protection à courant différentiel résiduel DR qui surveille le tronçon de réseau alternatif entre le noyau 30 et le redresseur 12. Le dispositif DR ne détecte pas le courant continu et est inhibé par la composante continue résultante entratnant la saturation du noyau 30 toroïdal. Selon l'invention, le convertisseur statique 10 est équipéd'un détecteur de courant continu DCC destiné à contrer la présence d'une composante de courant continu dans le réseau alternatif à la suite d'un défaut d'isolement Dc sur le réseau continu. Le détecteur DCC comporte un tore 40 ferromagnétique saturable entourant les lignes L1, L2, L3 du tronçon alternatif situé entre le dispositif de protection à courant différentiel résiduel DR et le redresseur 12.Le tore 40 saturable présente un cycle d'hystérésis rectangulaire (fig. 3), et comprend un enroulement de prémagnétisation 42 excité par un générateur 44 auxiliaire d'impulsions destiné à fournir une tension altern & e d'amplitude et de fréquence données provoquant la saturation du tore 40 à chaque demi-alternance. Un enroulement secondaire 46 pilote un circuit de commande 48, associé à un dispositif de signalisation 50 et à une bobine 52 de déclenchement d'un deuxième disjoncteur 54. Ce dernier, agencé entre les deux tores 30, 40 des détecteurs DR et DCC, est susceptible d'interrompre les lignes L1, L2, L3 d'alimentation du redresseur 12 lors de l'apparition d'un courant de défaut Dc sur le réseau continu. Le générateur d'impulsions 44 comprend un commutateur électronique 56 (fig. 2) à deux transistors T1, T2, dont les collecteurs 58, 60 sont branches respectivement aux extrémités opposées de l'enroulement de prémagnétisation 42 bobiné sur le tore 40. Les émetteurs 62, 64 des transistors T1, T2 sont connectés à un point commun 66 relié à une borne d'une source continue E d'alimentation. Un point milieu 68 de l'enroulement de prémagnétisation 42 est branché à la borne opposée de la source E par l'intermédiaire d'une résistance 70 permettant de limiter le courant à la saturation. Des signaux carrés de commande sont appliqués à la base de chaque transistor T1, T2 du commutateur 56, tels que le courant magnétisant circulant dans l'enroulement de prémagnétisation 42 présente une forme sensiblement rectangulaire indépendamment de la position des contacts des disjoncteurs 38 et 54. D'autres types de générateurs d'impulsions 44 peuvent être utilisés à la place du circuit à commutateur 56 représenté à la figure 2. Le fonctionnement du détecteur de courant continu DCC selon les figures 1 à 3 est le suivant En l'absence de défauts DA et Dç sur les réseaux alternatif et continu, les contacts des disjoncteurs 38, 54 sont en position fermée. Lors de l'apparition d'un courant de défaut DC sur le réseau continu, la composante continue résultante présente dans les lignes L1, L2, L5 du réseau alternatif traverse le tore 40 saturable et est détectée par le détecteur de courant continu DCC. Une des alternances de la tension appliquée au point milieu 68 de l'enroulement de prémagnétisation 42 assure une saturation plus rapide du tore 40, et il suffit de mesurer le temps de saturation du tore 40 pour connattre la valeur du défaut continu. Lorsque ce dernier atteint un seuil prédéterminé, le circuit de commande 48, associé à un circuit de mise en mémoire (non représenté), indique le défaut au dispositif de signalisation 50 et alimente la bobine 52 de déclenchement du disjoncteur 54, qui ouvre instantanément ses contacts, de manière à isoler le réseau continu du réseau al- ternatif. La mesure du temps de saturation du tore 40 n'est qu'un moyen particulier de détection du défaut Dc. D'autres moyens de détection peuvent être utilisés, notamment par mesure des valeurs maximum, moyenne ou efficace des harmoniques engendrés par la déformation de la tension. Le détecteur à courant continu DCC selon les figures 1 à 3, est décrit en référence à un réseau alternatif à neutre N mis directement à la terre (régime TT), mais il est évident qutil est applicable à des réseaux dotés de régimes de neutre différents, notamment les régimes TN et IT. La désignation de ces régimes du neutre définie dans les normes de la CEI est composée de deux lettres 1) la première lettre symbolise la situation du neutre N par rapport à la terre - T signifie liaison directe du point neutre N à la terre, - I signifie absence de liaison du neutre à la terre, ou liaison par l'intermédiaire d'une impédance; 2) la deuxième lettre symbolise la situation des masses de l'installation électrique t - T signifie liaison des masses à une prise de terre distincte, - N signifie liaison des masses au neutre. L'invention n'est bien entendu nullement limitée au mode de mise en oeuvre plus particulièrement décrit et représenté au dessin annexé, mais elle 'étend bien au contraire à toute variante restant dans le cadre des équivalences électriques et électroniques, notamment celle dans laquelle le détecteur DCC à tore 40 saturable serait remplacé par tout autre détecteur statique de courant continu; REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection contre les défauts de mise à la terre d'une installation électrique comprenant un convertisseur statique inséré entre un réseau alternatif d'alimentation et une charge, caractérisé par le fait qu'il comporte un détecteur de courant continu associé audit réseau alternatif pour contracter la présence d'une composante de courant continu dans les conducteurs actifs du réseau alternatif d'alimentation, résultant d'un défaut d'isolement sur le réseau continu. 2. Dispositif de protection contre les défauts de mise à la terre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit détecteur de courant continu coopère avec une bobine de déclenchement d'un disjoncteur multipolaire susceptible d'interrompre le passage du courant d'alimentation dans le réseau alternatif lorsque le courant de défaut continu dépasse un seuil prédéterminé, de manière à isoler ledit réseau continu du réseau alternatif d'alimentation. 3. Dispositif de protection contre les défauts de mise à la terre selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit détecteur de courant continu comporte un noyau ferromagnétique saturable en forme de tore entourant lesdits conducteurs actifs du réseau alternatif d'alimentation, et un enroulement secondaire bobiné sur ledit noyau et connecté à un dispositif de commande de ladite bobine de déclenchement du disjoncteur. 4. Dispositif de protection contre les défauts de mise à la terre, selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit noyau saturable du détecteur de courant continu présente un cycle d'hystérésis rectangulaire. 5. Dispositif de protection contre les défauts de mise à la terre selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que ledit noyau saturable comprend un enroulement de prémagnétisation excité par un générateur d'impulsions délivrant une tension alternative d'amplitude et de fréquence prédéterminées provoquant la saturation dudit noyau à chaque demi-alternance. 6. Dispositif de protection selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit détecteur de courant continu comporte des moyens de mesure du temps de saturation dudit noyau pour comparer l'intensité dudit courant de défaut continu audit seuil de déclenchement du disjoncteur. 7. Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'un deuxième détecteur à transformateur différentiel résiduel est disposé en tette de l'installation en amont du détecteur à courant continu pour contrôler l'intensité du courant alternatif dans lesdits conducteurs actifs d'alimentation au moyen d'un enroulement de sortie destiné à fournir un signal de défaut lors de l'apparition d'un déséquilibre eausé par un défaut d'isolement sur le réseau alternatif, ledit deuxième détecteur n'étant pas inhibé par ladite composante continue détectée par le détecteur de courant continu. 8. Dispositif de protection selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que ledit générateur d'impulsions associé au noyau saturable du détecteur de courant continu comprend un commutateur électronique branché aux extrémités opposées de l'enroulement de prémagnétisation dont le point milieu est connecté à une source auxiliaire par l'intermédiaire d'une résistance. 9. Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le fonctionnement dudit détecteur à courant continu associé au réseau alternatif est indépendant du régime de neutre de l'installation, notamment le régime TT, TN, IT.