Brevet FR2470466A1 — publié le 19810529

La présente invention concerne un dispositif de protection contre les surtensions et, plus particulièrement, un dispositif destiné à assurer la protection des sections les plus sensibles d'une installation électrique d'abonné contre les surtensions accidentelles. Dans fesïostallatiens; Elsetriques d'abonné, il peut arriver que les lignes du réseau de distribution introdulzent des sur- tensions d'origine atmosphérique (foudre) ou autres (inductions par '- exemple). De telles surtensions se présentent sous la forme d'impulsions à front plus ou moins raide dont le niveau de tension peut atteindre, dans le cas de la foudre par exemple, une valeur très élevée, la durée de cette impulsion pouvant être relativement importante dans le cas de surtensions dues à des inductions par exemple. Les équipements d'abonné comportent en général deux types d'appareils : des appareils électromécaniques à forte isolation tels que des appareils à moteur, de chauffage et d'éclairage, capables de supporter sans détérioration des surtensions instantanées ; et des appareils à composants semi-conducteurs ou à l'état solide tels que des récepteurs de télévision, des chaînes haute-fidélité et des dispositifs de commande des appareils électroménagers à microprocesseur, qui sont d'une particulière vulnérabilité en présence des surtensions même instantanées. I1 en est de même dans les installations industrielles où les installations électriques comprennent à la fois des appareils capables de supporter sans détérioration des surtensions instantanées très élevées ( les machines de fabrication en général) et des appareils particulière- ment fragiles (calculateurs de gestion ou de commande desdites machines, appareils de laboratoires). Les dispositifs de protection actuellement utilisés comprennent principalement, chez l'abonné particulier, un disjoncteur différentiel connecté immédiatement en sortie du compteur, ainsi que des fusibles associés chacun à une partie des postes de l'installation et destinés chacun à isoler du reste de l'installation la parte associée dans laquelle se produit un court-circuit. Ces dispositifs sont totalement inefficaces lors de l'apparition d'une surtension accidentelle. En effet ils ont en général un temps de réponse très supérieur à la durée des impulsions de surtension.D'autre part, pour éviter un fonctionnement intempestif et continuel du disjoncteur différentiel provoqué par les fuites inévitables des différents appareils de l'équipement alimenté, le seuil de déclenchement de ce disjoncteur est choisi arbitrairement à une valeur moyenne (750 mA par exemple3 tenant compte de la somme des fuites estimées de l'ensemble des appareils que peut comprendre ltdquipe- ment de l'abonné. Il en résulte que ce seuil de déclenchement particulièrement élevé, associé au temps de réponse relativement long, retire au disjoncteur différentiel beaucoup de son pouvoir de protection des usagers contre lesdits courants de fuite. Dans certaines installations industrielles, des dispositifs parasurtensions sont connectés à la sortie du disjoncteur. Ces dispositifs comprennent essentiellement un tube à décharge connecté entre chaque conducteur et la terre. Lors de l'apparition d'une surtension d'amplitude supérieure à la tension d'amorçage du tube à argue, ce dernier s'amorce et assure la mise à la terre du conducteur électrique connecté à une de ses extrémités. L'installation est court-circuitée et le disjoncteur subissant une forte surintensste disjoncte.Le réarmement du disjoncteur après disparition de la surtension ramène au fonctionnement nornial Ainsi, dans ce type de protection, l'apparition d'une surtension amène l'arrêt total de l'alimentation en énergie électrique de l'ensemble de l'installation et le retour en fonctionnement normal de l'ensemble de l'installation na peut s'effectuer si au cours du fonctionnement précédemment décrit l1un quelconque des tubes à décharge s'est mis accidentellement en court-circuit. En outre, comme dans le type d'installation précédent, le seuil de déclenchement du disjoncteur prévu pour l'ensemble de l'installation n'assure aucune protection de l'usager. La présente invention a donc pour objet un dispositif de protection palliant les inconvénients des dispositifs connus. I1 permet d'assurer la protection de l'usager contre des fuites accidentelles dans les appareils utilisés, ainsi qu'une protection de ces appareils contre les surtensions de quelque origine qu'elles soient tout en assurant la continuité de l'alimentation du ou des appareils capables de supporter ces surtensions sans dztérioration. Le dispositif de protection de l'invention est essentiellement caractérisé par le fait qu'il comprend, pour chaque unité d'équipement à protéger, un disjoncteur différentiel connecté, par rapport à la source d'énergie, en aval de cet équipement, et un circuit à éléments disruptifs connecté entre le disjoncteur différentiel et 1'unité d'équipement. Les différents objets et caractéristiques de l'invention seront maintenant exposés de façon plus détaillée dans la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitaif, en se reportant aux figures annexées qui représentent - la figure 1, le schéma de principe du dispositif de protection de la présente invention - -la figure 2, le schéma détaillé d1un exemple de réalisation des circuits DD et PF du dispositif de la figure 1. On décrira tout d'abord, en se reportant au schéma de principe de la figure 1, le dispositif de protection de la présente invention. Le schéma de principe de la figure 1 représente notamment un ensemble compteur-disjoncteur CD d'abonné connecté à deux fils L1 et L2 de transport d'énergie électrique. Les différents équipements de l'abonné sont alors alimentés par l'intermédiaire de deux fils d'alimentation L1' et L2'. Selon l'invention, les entrées d'alimentation de ces équipements, telles les entrées C et D d'une unité d'équipement UD, sont connectées respectivement à des points respectifs de connexion A et B des fils d'alimentation L1' et L2' à travers un dispositif de protection composé d'un disjoncteur différentiel DD et d'un circuit d'éiéments disruptifs PF. Les entrées non référencées du disjoncteur différentiel DD sont respectivement connectées aux points de connexion A et B par l'intermédiaire de deux fils d'alimentation secondaire L3 et L4, les sorties non reférencées du circuit d'éléments disruptifs PF étant respectivement connectées aux entrées C et D de l'unité d'équipement. Cette unité d'équipement comprend un ou plusieurs appareils qui doivent faire l'objet d'une protection individuelle. Le disjoncteur différentiel DD est prévu notamment pour détecter un déséquilibre entre les courants circulant respectivement ~sur les fils d'alimentation connectés à ses sorties et supérieur à un seuil prédéterminé. Les seuls circuits alimentés à travers le disJoncteur différentiel DD étant ceux de l'unité d'équipement UD, ce seuil est fixé en fonction des courants de fuite tolérés dans cette unité d'équipement UD, c'est-à-dire sans tenir compte des courants de fuite existant dans les autres unités d'équipements UD', UD" de l'installation connectés aux fils d'alimentation L1' et L2', soit directement, soit par l'intermédiaire d'un autre disjoncteur. Le seuil de déclenchement du disjoncteur DD est donc relativement bas, de.l'ordre -de 10 mA par exemple, c'est-à-dire inférieur à la limite maximale supportable pour l'utilisateur de l'unité d'équipement UD. Le circuit d'éléments disruptifs PF comprend des éléments qui peuvent être, par exemple, des tubes à décharge de type connu, ou des éléments à semi-conducteurs tels que des diodes à effet Zener ; ces éléments sont connectés respectivement entre chacun des fils d'alimentation secondaire L3 et L4 et le potentiel de la terre. En fonctionnement normal, l'énergie électrique fournie par les fils L1 et L2 est retransmise aux entrées C et D de l'unité d'équipement UD. Lorsqu'une anomalie se produit dans cet équipement, une connexion accidentelle entre une des entres e et D de cet équipement et sa structure normalement connectée au potentiel de référence (la masse) par exemple, il se produit un déséquilibre entre les courants circulant respectivement à ces entrées. Ce déséquilibre est détecté par le disjoncteur différentiel DD dès que son amplitude atteint le seuil de déclenchement, 10 mA selon l'exemple choisi. Ce disjoncteur bascule et coupe l'alimentation de l'unité d'équipement UD. On voit donc que, par l'intermédiaire du disjoncteur différentiel DD, le dispositif de l'invention assure la protection de l'utilisateur de l'unité d'équipement UD. On suppose maintenant qu'une surtension accidentelle, provoquée par exemple par des phénomènes d'induction connus, apparaît sur le fil L1 et/ou le fil L2. Cette surtension est retransmise par l'ensemble compteur-disjoncteur CD sur le fil L1' et/ou le fil L2' et également sur les fils d'alimentation secondaire L3 et/ou- L4. Cette surtension apparaît donc aux bornes d'entrée du circuit à éléments disruptifs PF et rend conducteur l'élément disruptif connecté entre le potentiel de la terre et le fil où apparaît cette surtension. De ce fait, cette surtension n'est pas retransmise 9 -l'unité d'équipement UD. Dès que la tension sur le fil considéré redevient normale, c'est-à-dire inférieure à la tension d'amorçage de l'élément disruptif, celui-ci ne conduit plus et le fonctionnement du système se poursuit normalement. Le dispositif de l'invention assure donc bien la protection de l'unité d'équipement UD contre les surtensions. Dans l'exemple précédent, l'amorçage de l'élément disruptif s'accompagne d'un déséquilibre entre les courants circulant respectivement sur les deux fils d'alimentation secondaire L3 et L4. Or le disjoncteur différentiel DD qui, pour assurer une protection efficace de l'utilisateur de l'unité d'équipement UD contre les courants de fuite, est un disjoncteur rapide a un temps de réponse de l'ordre de la dizaine de millisecondes. Ce temps est très nettement supérieur à la durée des impulsions de surtension accidentelle qui est de l ordre de quelques dizaines de microsecondes pour les surtensions d'origine atmosphérique par exemple. Le disjoncteur différentiel DD n'intervient donc pas dans le fonctionnement du dispositif de protection de la figure 1 lors de l'apparition d'une surtension accidentelle brève. Si la durée de la sur tension apparaissant sur le fil L1 et/ou le fil L2 est suffisamment longue ou si cette surtension se présente sous la forme d'une suite d'impulsions brèves suffisamment rapprochées la durée de conduction de l'élément disruptif concerné devient prohibitive et il peut en résulter une mise en court-circuit définitive de cet élément. Un dimensionnement judicieux du disjoncteur différentiel et de l'élément disruptif permet d'éviter cet inconvénient : le temps de réponse du disjoncteur différentiel est choisi de façon que lorsque la durée de la surtension est telle que l'élément disruptif risque 'd'être endommagé, ce disjoncteur bascule et ne retransmet plus au circuit PF et à l'unité d'équipement UD les signaux électriques fournis sur ses entrées. Le dispositif de l'invention assure donc également la protection des éléments disruptifs du circuit PF contre les surtensions dont la durée dépasse un seuil déterminé. Malgré ces précautions, il est toujours possible qu'un élément disruptif se mette en court-circuit définitif dès ltapparition de la première surtension. I1 est évident que, en l'absence du disjoncteur différentiel DD tout se passerait alors comme si les points de connexion A et B des fils L1' et L2' étaient court-circuités. Le disjoncteur denturée de l'ensemble CD détecterait ce court-circuit et interromperait l'alimentation de tous les équipements de l'installation. L'introduction du disjoncteur différentiel DD permet d'éviter cet inconvénient : il détecte le déséquilibre causé par la mise en court-circuit permanent de l'6lément disruptif du circuit PF et coupe alors l'alimentation des circuits situés en aval, c'est-à-dire uniquement du circuit PF et de l'unité d'équipement UD, les autres unités d'équipements de l'installation étant normalement alimentées. On décrira maintenant, en se reportant à la figure 2; un exemple de réalisation du disjoncteur différentiel DO et du circuit à éléments disruptifs PF du dispositif de protection de la figure 1. Le disjoncteur différentiel DD comprend notamment un tore magnétique à trois enroulements GA, GB et GF, un pont redresseur à diodes FR, un condensateur CP et un relais bistable à haute impéndance RY dont les contacts ry1 et ry2 sont respectivement connectés en série sur les fils L3 et L4. Les enroulements CA et GB sont respectivement connectés en série sur les fils d'alimentation secondaire L3 et L4. Les extrémités de l'enroulement de détection GF sont respectivement connectées aux entrées alternatives du pont redresseur FR. Le condensateur CP et l'enroulement d'excitation du relais RY sont connectés entre les sorties continues du pont redresseur FR. Lorsque les courants circulant respectivement sur les fils L3 et L4, donc dans les enroulements CA et GB sont de même amplitude, aucune tension induite n'apparaît aux bornes de l'enroulement de détection GF donc aux entrées du pont redresseur FR. L'enroulement d'excitation du relais RY n'est pas alimenté. Le relais RY est au repos et ses contacts ry1 et .y2 sont en position fermée comme indiqué sur la figure. Lorsque le courant circulant sur le fil L3 (donc dans l'enroulement GA) et le courant circulant sur le fil L4 (donc dans l'enroulement GB) sont d'amplitudes différentes, une tension induite, dont l'amplitude est fonction de la différence d'amplitude de ces courants, apparaît aux bornes de l'enroulement de détection CF et aux entrées alternatives du pont redresseur FR. Ce pont fournit alors une tension continue aux bornes du condensateur CP qui se charge. Lorsque la charge du condensateur CP est suffisante, le relais RY est excité : il passe en position travail et ses contacts ryl et ry2 s'ouvrent. Les circuits situés en aval du disjoncteur différentiel DD ne sont plus alimentés par les fils d'alimentation secondaire L3 et L. Le circuit à éléments disruptifs PF de la figure 2 comprend essentiellement deux éléments disrupti.fs TN1 et TN2 et quatre varistances UR1 à UR4. L'élément disruptif TN1, qui peut être par exemple un tube à décharge, est connecté entre le fil L3 et la première extrémité de la varistance VR1 dont l'autre extrémité est connectée au potentiel de la terre. De façon identique, 11 élément disruptif TN2 est connecté entre le fil L4 et, par l'intermédiaire de la varistance VR2, ie potentiel de, la terre. Les varistances VR2 et VR4 sont connectées en série entre les fils L3 et L4, en aval des éléments disruptifs TN1 et TN2. Le point milieu des varistances VR3 et VR4 est connecté au potentiel de la tertre. Lorsque la tension du fil d'alimentation L3, par exemple, augmente et atteint la valeur de la tension d'amorçage de l'élément disruptif IN1, ce dernier. s'amorce et assure l'écoulement de cette surtension à la terre à travers la varistance VR1, Une différence de potentiel constante de l'ordre de 15 V s'établit alors aux bornes de l'élément TN1 supposé être un tube à décharge de type connu.Un courant pouvant atteindre plusieurs kiloampères peut ainsi être écoulé à travers le tube à décharge et la varistance entre les bornes de laquelle il apparaît finalement une différence de potentiel sensiblement constante fonction du type de varistance utilisé, Cette différence de potentiel permet d'augmenter la tension de la ligne pour laquelle le tube se désamorce et qui serait égale à 80 V en l'absence de la varistance VR1. Le varistance VR3 est utilisée pour amortir l'impulsion de surtension et, par conséquent, le tube ayant un temps de réponse non négligeable bien que réduit (quelques dizaines de millisecondes par exemple) pour éviter que la tension de la ligne ne devienne par trop supérieure à la tension d'amorçage du tube Dans la description qui précède la nature des fils d'alimentation L1 et L2 et donc des fils L1' et L2' et des fils L3 et L4 n'a pas été précisée. Il est bien évident qu'ils peuvent être, l'un un fil de phase, l'autre le fil de neutre ou bien l'un et l'autre de-n fils de phase. De même on n'a considéré que le cas où une- surtension apparaît sur un seul fil. Lorsqu'une surtension apparaît sur les deux fils le fonctionnement du dispositif de protection décrit, est identiques En effet, cette surtension n'est pas égale sur les deux fils et, dans tous les cas, l'un des éléments disruptifs du circuit PF s'amorce toujours ayant, l'autre si bien qu'un déséquilibre etr,e les courants circulant sur ces fils existe toujours. Dans toua les cas,, le disjoncteur différentiel fonctionne donc. Il est bien évident que la description qui précède n'a été donée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadré de l'invention. Les précisions numériques notamment n'ont été fournies que pour faciliter la dsscriptinn et peuvent varier avec chaque cas d'application. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection d'une installation électrique d'abonni contre les surtensions, caractérisé par le fait qu'il comprend, pour chaque unité d'équipement à protéger, un disjoncteur différentiel connecté, par rapport à la source d'énergie, en aval des points de connexion de cet équipement à cette source, et un circuit à éléments disruptifs connecté entre le disjoncteur différentiel et l'équipement individuel. 2. Dispositif de protection tel que défini en 1, caractérisé par le fait que le disjoncteur différentiel comprend notamment un circuit magnétique comportant un premier et un second enroulement connectés respectivement en série dans les fils d'alimentation de l'unité d'équipement et un enroulement de détection, un circuit de redressement dont les entrées sont connectées aux bornes de l'enroulement de détection, un condensateur connecté entre des sorties du circuit de redressement, et un relais électromagnétique à haute impédance dont l'enroulement d'excitation est connecté en parallèle avec le condensateur et dont deux contacts sont respectivement connectés en série sur les fils d'alimentation. 3. Dispositif de protection tel que défini en 1 ou en 2, caractérisé par le fait que le circuit à éléments disruptifs comprend, pour chacun des fils d'alimentation de l'unité d'équipement, un élément disruptif dont une première extrémité est connectée au fil d'alimentation et dont la seconde extrémité est connectée au potentiel de la terre. 4. Dispositif de protection tel que défini en 3, caractérisé par le fait que le circuit à éléments disruptifs comprend également, pour chacun des fils d'alimentation de l'unité d'équipement, une première varistance connectée entre la seconde extrémité de l'élément disruptif et le potentiel de la terre. 5. Dispositif de protection tel que défini en 3 ou en 4, caractérisé par le fait que le circuit à éléments disruptifs comprend en outre, pour chacun des fils d'alimentation de l'unité d'équipement, une seconde varistance dont une première extrémité est connectée en un point dudit fil situé entre le point de connexion de l'élément disruptif à ce fil et une entrée correspondante de l'unité d'équipement, et dont la seconde extrémité est connectée au potentiel de la terre.