Brevet FR2481851A1 — publié le 19811106

DISPOSITIF DE PROTECTION DIFFERENTIELLE SENSIBLE A UN COU- RANT UNIDIRECTIONNEL. L'invention est relative à un dispositif de protection dif- férentielle à propre courant d'une installation de courant alternatif comprenant: - un transformateur différentiel ayant un tore, des enroule- ments primaires, éventuellement à simple passage des conduc- teurs de l'installation et un enroulement secondaire aux bornes duquel apparaît un signal de défaut différentiel lorsque la somme des courants parcourant les enroulements primaires n'est pas nulle, - une bobine de déclenchement d'un appareil de coupure de courant, - et un circuit secondaire de connexion de la bobine aux bornes de l'enroulement secondaire, agencé pour provoquer le déclenchement lorsque ledit signal dépasse un seuil pré- déterminé, ledit circuit secondaire comprenant un condensa- teur. Le brevet français NO 2.422.277 décrit un dispositif de protection différentielle du genre mentionné conçu pour être associé à un disjoncteur de protection qui déclenche pour un faible courant de défaut, par exemple de 30 mA, de manière à assurer une protection efficace des usagers. Le dispositif connu donne entière satisfaction en régime si- nusoidal de courant de défaut, mais son fonctionnement peut être affecté par un courant unidirectionnel, produit par l'effet redresseur de dispositifs électroniques semi-con- ducteurs fréquemment utilisés dans des appareils tels que des récepteurs de radio ou de télévision ou des régula- teurs de moteur. Lorsque le tore de détection du disposi- tif de protection est soumis à un champ sinusoïdal on ob- tient au secondaire une tension quasiment sinusoïdale et l'utilisation d'un déclencheur électromagnétique polarisé ne présente pas d'inconvénient majeur. Le déclencheur uti- lise une seule alternance du signal et dans ce cas ces deux alternances sont symétriques, et l'une et l'autre engendrent des seuils de déclenchement voisins. Si par con- tre le courant de défaut est unidirectionnel la tension ob- tenue au secondaire du tore ne présente plus deux alter- nances symétriques et le déclencheur électromagnétique pola- risé fonctionne pour des seuils différents selon qu'il uti- lise l'une ou l'autre des deux alternances. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvé- nients et de permettre la réalisation d'un dispositif diffé- rentiel à propre courant dont le fonctionnement n'est pas influencé sensiblement par la présence d'un courant unidi- rectionnel. Le dispositif selon l'invention est caractérisé par le fait que les impédances de l'enroulement secondaire, de la bobine et du condensateur sont déterminées pour former un filtre passif passe bas, de mise en forme du signal délivré par l'enroulement secondaire, d'un gain voisin de 1 pour la fréquence du courant alternatif, de manière à conserver un même seuil de déclenchement en régime de courant alternatif, en régime de courant de défaut redressé simple ou double alternance et en régime de courant de défaut haché unidi- rectionnel ou non. La présente invention part de la constatation qu'en régime de défaut redressé ou haché le signal apparaissant aux bornes de l'enroulement secondaire est une fonction pério- dique non sinusoïdale en fonction du temps et que cette fonction peut être considérée comme la somme de fonctions sinusoïdales obtenues par un développement de Fourier, le filtre passe bas permettant une sélection du signal de fré- quence fondamentale sinusoïdale. Le signal alternatif non sinusoïdal est donc traité pour former un signal alternatif symétrique de faible déformation, qui provoque le déclen- chement du disjoncteur comme tout signal de défaut sinu- soidal. Selon un développement de l'invention et un procédé connu décrit dans le brevet français NO 1.263.312, les impédances du condensateur-et les impédances de l'enroulement secon- daire et de la bobine forment un circuit résonnant d'amplifi- cation du signal de déclenchement. Le condensateur peut être connecté en série ou en parallèle ou selon une combinaison série - parallèle avec l'enroule- ment secondaire du tore de détection d'une manière bien con- nue en soi. Le dispositif de protection à filtre passif se- lon l'invention donne entière satisfaction en étant appli- qué à un dispositif du type décrit dans le brevet français NM 2.422.277, dans lequel le signal est redressé dans un pont à double alternance et alimente un système -d'accumula- tion à condensateur. Une diode Zener connectée aux bornes du système d'accumulation provoque le déclenchement d'un interrupteur électronique lorsque la tension du système d'accumulation atteint la tension de seuil de la diode Ze- ner, telle que la décharge du condensateur alimente la bo- bine de déclenchement du disjoncteur. Les valeurs du filtre passif passe bas, notamment la capa- cité du condensateur et les impédances de l'enroulement se- condaire de la bobine, sont calculées ou déterminées par les méthodes usuelles de détermination des valeurs des fil- tres électriques bien connues des spécialistes. A titre d'exemple, certains cas particuliers relativement simples, sont décrits ci-dessous en référence aux figures. Il est facile de voir que le dispositif selon l'invention est particulièrement simple et permet de conserver le dis- positif à propre courant dont la fiabilité et la sécurité de fonctionnement sont remarquables. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de différents modes de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins an- nexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de pro- tection selon l'invention, ayant un condensateur connecté en série de l'enroulement secondaire du tore de détection; les figures 2, 3 et 4 sont des vues analogues à celle de la figure 1, montrant respectivement un condensateur connecté en parallèle et des combinaisons de condensateurs en série parallèle, de l'enroulement secondaire; la figure 5 illustre un cas particulier de mise en forme du signal secondaire; - la figure 6 est une vue analogue à celle de la figure 5, illustrant un autre cas de mise en forme du signal secon- daire; la figure 7 est un autre mode de représentation du schéma selon la figure 4; la figure 8 est un schéma du filtre selon la figure 7; la figure 9 est une vue analogue à celle de la figure 8, représentant un cas particulier de filtre; les figures 10 à 13 sont des vues analogues aux figures 1 à 4, utilisant un système d'accumulation d'énergie inséré dans le circuit secondaire; la figure 14 est un autre mode de représentation du schéma de la figure 10, dans un cas particulier; les figures 15 et 16 représentent deux schémas particuliers d'un dispositif selon l'invention, utilisant un pont re- dresseur à double alternance; les figures 17 à 20 représentent différentes variantes de réalisation, à source extérieure. 24818j1 Sur les différentes figures, une installation électrique (non représentée) est alimentée par deux conducteurs 10, 12, passant dans un tore 14, qui porte un enroulement secondaire 16. Le tore 14 constitue un transformateur différentiel dont le courant secondaire est fonction de la somme des courants primaires parcourant les conducteurs 10, 12. Un disjoncteur de protection 17 est branché sur les conducteurs 10, 12 pour interrompre l'alimentation de l'installation en cas de dé- faut à la terre, détecté par le transformateur à tore 14. Aux bornes de l'enroulement secondaire 16 est connecté un circuit secondaire 18 de déclenchement, qui alimente une bo- bine 20 d'un relais déclencheur 22. Le relais déclencheur 22 commande le déclenchement du disjoncteur 17 lorsque le signal de défaut délivré à la bobine 20 dépasse un seuil prédéterminé de déclenchement. Le relais déclencheur 22 est avantageusement du type polarisé utilisant une seule alter- nance du signal, mais il peut également être sensible aux deux alternances de ce signal. Le circuit secondaire 18 se résume, dans le mode de mise en oeuvre simplifié de l'in- vention, représenté à la figure 1, à un condensateur 24, connecté en série de l'enroulement secondaire 16. Par exem- ple dans le cas de la figure 1, la capacité 24 a pour but de composer un filtre de mise en forme avec les inductances du tore détecteur 16 et du relais déclencheur 22. La valeur de la capacité 24 est déterminée par les moyens usuels de calcul et de détermination des filtres; elle tient compte du nombre de spires de l'enroulement secondaire 16 et de la bobine 20 ainsi que des matériaux mis en jeu et plus parti- culièrement de la rémanence et de la réluctance du maté- riau magnétique du tore 14. Le condensateur peut bien en- tendu être connecté différemment (fig. 2, 3, 4). Un exemple particulièrement évident de mise en forme d'un signal se- condaire est illustré par la figure 5. L'installation ali- mentée par les conducteurs 10, 12 comporte dans ce cas un élément redresseur (non représenté) et un défaut vers la terre en aval de l'élément redresseur fait apparaître un courant de défaut redressé simple alternance, illustrée par la courbe 46 de la figure 5. La courbe 48 de la figure 5 est une image de la tension aux bornes de l'enroulement 16 du tore 14 sans utilisation de la capacité de mise en forme 36, et il est facile de voir que ce signal présente des dis- symétries susceptibles d'affecter le fonctionnement du re- lais détecteur 22. L'image de cette même tension secondaire avec utilisation d'une capacité 36 de mise en forme de va- leur appropriée est représentée par la courbe 50 de la fi- gure 5. La courbe 50 représente un signal sinusoïdal légère- ment déformé, mais les valeurs de crête des deux alternances du signal 50 et l'énergie de chaque alternance sont sensi- blement égales. Le relais déclencheur 22 est indifféremment déclenché par l'une quelconque des alternances du signal de la courbe 50. Le signal de défaut émis par-le tore détecteur 14 dépend de la structure de ce dernier et ce signal n'est pas obligatoirement de la forme illustrée par la courbe 48. La figure 6 représente un autre cas particulier dans la- - quelle la courbe 52 est l'image du courant de défaut, la courbe 54 le courant secondaire du tore détecteur 14 sans mise en forme par une-capacité, et la courbe 56 ce même cou- rant secondaire avec mise en forme par un condensateur 24. Le signal 56 après mise en forme n'est pas identique au signal 50 représenté à la figure 5, mais les deux signaux sont alternés, c'est-à-dire que leurs valeurs maximales po- sitive et négative ont sensiblement la même valeur absolue et que les aires de chaque alternance sont sensiblement égales. Le relais déclencheur 22 réagit de ce fait de la même manière à l'alternance positive ou à l'alternance néga- tive du signal 56 qui lui est appliqué. Il est clair que l'emploi selon l'invention d'un filtre de mise en forme du signal de défaut délivré par le tore 14 permet de conserver un même seuil de déclenchement du dispositif de protection différentielle en régime de courant alternatif, en régime de courant de défaut redressé simple ou double alternance et en régime de courant de défaut haché unidirectionnel ou non. Les figures 2, 3 et 4 illustrent trois variantes de réali- sation selon l'invention, les mêmes numéros de repère étant utilisés dans toutes les figures pour désigner les éléments analogues ou identiques à ceux représentés à la figure 1. Dans la variante selon la figure 2, le circuit secondaire 18 comprend un condensateur 36 connecté en parallèle sur l'enroulement secondaire l6 du tore détecteur 14. Il est bien connu que la disposition d'une capacité 36 en paral- lèle d'une inductance, en l'occurrence de l'enroulement se- condaire 16 et de la bobine 20, permet de constituer un fil- tre de mise en forme. Le fonctionnement est bien entendu identique à celui décrit ci-dessus en référence à la figure 1 et la valeur de la capacité 36 est judicieusement déter- minée pour délivrer un signal alterné au relais déclencheur 22. Les figures 3 et 4 illustrent deux autres variantes utilisant des combinaisons de capacités série - parallèle 38, 40 et 42, 44, et il est clair que d'autres combinaisons peuvent être utilisées. Il serait illusoire et superfétatoire de vouloir examiner la théorie générale des filtres et on développera ci-des- sous uniquement une explication succincte du procédé de mise en forme en référence aux figures 7 et 8. La figure 7 est une autre façon de représenter le montage de la figure 4, dans laquelle E2 est la force électromo- trice induite à l'enroulement secondaire 16 du tore 14, r2 et L2 sont respectivement la résistance et l'inductance de l'enroulement secondaire 16, r et Lr sont respectivement la résistance et l'inductance du relais 22, et C1 et C2 sont respectivement les capacités des condensateurs 44 et 42. La figure 8 illustre le quadripôle correspondant. Dans le cas général o le filtre en té est chargé par le relais 22 d'impédance Zr = r + JL rw l'expression du gain du fil- tre s'écrit (Z1 + Z3))Zr + Z2) + Z1Z3 G = Z3zr avec:1 JL2CJ, Z3= C1l-; Z2 C= et Zr^' JLrC î C2etZr r En haute fréquence G tend vers l'infini, alors UR est très inférieur à U2. En basse fréquence la valeur optimale du gain G est l'unité alors UR - U2. On a un filtre passe bas et il convient donc, pour obtenir la mise en forme optimale, de choisir les éléments du montage tel que pourcu=cwo, pul- sation du fondamental à 50 Hz, le gain soit voisin de 1 et que pour les harmoniques de pulsation k (COD) le gain soit suffisamment grand pour que la tension UR devienne très in- férieure à la tension U2'- Dans un premier cas particulier, o le filtre en té débite sur une impédance'suffisamment élevée pour qu'il puisse être considéré à vide, le gain du filtre s'écrit: Go = U2 = 1 + Z1 avec Z1 et Z3 tel qu'en hautes fréquences Ur Z3 Z189 Z3 et en basse fréquences Z 1" Z3. Il s'agit donc comme dans le cas général précédent de choisir convenablement les éléments de montage pour que ce filtre passe bas donne une mise en forme convenable. Une optimalisation du procédé de mise en forme est réalisable si après mise en forme l'impé- dance du condensateur d'une part et les impédances des in- ductances d'autre part du circuit secondaire 18 s'accordent pour former un circuit résonnant du type RLC série ou RLC parallèle. Une telle optimisation est décrite dans le bre- vet français 1.263;312 auquel on se référera avantageuse- ment pour de plus amples détails. Dans ce second cas particulier Z2 est choisi tel qu'il en- tre en résonance avec ZR et le schéma du filtre en té de la figure 8 devient le schéma du filtre en L de la figure 9. L'expression du gain devient G = 1 +Zl avec Z, = jL - ri Ze Ci e -Lc et Z r _. Tout comme dans les deux cas précédents, CW un choix approprié des éléments permet une mise en forme convenable. Bien d'autres cas particuliers sont envisageables et con- duisent à des solutions acceptables. L'application du procédé selon l'invention peut s'étendre à des dispositifs de protection autonomes à accumulation d'énergie et les figures 10 à 13 illustrent les montages correspondant respectivement aux figures 1 à 4. Dans ces montages le circuit secondaire 18 comporte de plus un sys- tème à accumulation d'énergie 58 complété d'un dispositif à seuil d'un commutateur qui libère l'énergie emmagasinée dans le système à accumulation lorsque la tension atteint le seuil du dispositif de manière à actionner le relais déclencheur 22. Une réalisation particulière de la version schématisée à la figure 11, peut être obtenue en choisis- sant un système à accumulation 58 présentant une impédance très grande après la période transitoire d'accumulation. Le tore 14 est alors presque à vide puisqu'il débite unique- ment dans la capacité 36 de mise en forme. Le circuit se- condaire 18 se résume alors au schéma de la figure 14 com- posé d'un filtre LC avec UC, la tension de charge de l'ac- cumulateur. Le système d'accumulation d'énergie 58 et le dispositif à seuil peuvent être du type décrit dans le brevet français précité NO 2.422.277. Les figures 15 et 16 représentent deux autres variantes de réalisation utilisant le module électronique décrit dans le brevet français NO 2.422.277 et comportant un redres- seur en pont à double alternance 60. Le-signal délivré par l'enroulement secondaire 16 est redressé dans le pont 60 et charge une capacité 62 d'accumulation d'énergie. Aux bornes de la capacité d'accumulation 62 est branchée une diode Zener 64 qui déclenche un interrupteur électronique 66 lorsque la charge de la capacité 62 atteint la tension de seuil de la diode Zener 64 pour permettre la décharge de la capacité 62 à travers le relais 22 provoquant le dé- clenchement du disjoncteur 17. Dans le montage suivant la figure 15, les capacités 68 et 70 shuntant les diodes du pont redresseur 60 rendent le montage insensible aux para- sites industriels.-Selon la présente invention, le choix judicieux de ces capacités peut assurer en plus de l'immu- nité aux parasites une mise en forme du signal secondaire. La figure 16 représente une variante o la mise en forme du signal secondaire peut être améliorée par la capacité addi- tionnelle 72 connectée en parallèle sur le secondaire du tore. Le montage selon la figure 16 assure au dispositif différentiel des seuils de déclenchement quasi identiques en valeur efficace pour des régimes de défauts sinusoïdaux, des régimes de défaut haché unidirectionnel, des régimes de défaut redressé et même pour des régimes de défaut redressé légèrement filtré. A titre indicatif, on peut signaler que pour un dispositif de protection du type décrit dans le bre- vet français NO 2.422.277 avec un filtre de mise en forme du type illustré par la figure 16, la valeur des capacités peut être d'environ: 1 micro Farad pour le condensateur 72, 22 micro Farad pour le condensateur 68 et 33 micro Farad pour le condensateur 70. Les figures 17, 18, 19 et 20 représentent une transposition de l'invention à des appareils de protection à source auxi- liaire. Ces appareils comprennent une alimentation 74 et un amplificateur 76. Dans ce cas, le signal délivré par le secondaire du tore 16 intervient en tant que signal de com- mande de l'étage d'entrée de l'amplificateur 76. Les con- densateurs 24, 36, 38, 40, 42 et 44 constituent un filtre et assurent, comme dans le cas des appareils à propre cou- rant décrit précédemment, une mise en forme convenable du signal secondaire pour des courants de défauts unidirec- tionnels. Une solution particulièrement avantageuse consis- te à choisir les différents éléments de l'appareil de telle sorte que le(s) condensateur(s) de mise en forme assure également la fonction de capacité de liaison entre le se- condaire et l'amplificateur. L'invention n'est bien entendu nullement limitée aux modes de mise en oeuvre plus particulièrement décrits, mais elle s'étend bien au contraire à toute variante restant dans le cadre des équivalences. Revendications 1. Dispositif de protection différentielle à propre courant d'une installation de courant alternatif comprenant: - un transformateur différentiel ayant un tore (14), des enroulements primaires éventuellement à simple passage des conducteurs (10, 12) de l'installation et un enroulement secondaire (16) aux bornes duquel apparaît un signal de défaut différentiel lorsque la somme des courants parcou- rant les enroulements primaires n'est pas nulle, - une bo.bine (20) de déclenchement d'un appareil de cou- pure de courant (17), - et un circuit secondaire (18) de connexion de la bobine aux bornes de l'enroulement secondaire agencé pour provo- quer le déclenchement lorsque ledit signal dépasse un seuil prédéterminé, ledit circuit secondaire comprenant un con- densateur (24; 36 à 42; 68 à 72), - caractérisé par le fait que les impédances de l'enroule- ment secondaire (16), de la bobine (20) et du condensateur sont déterminées pour former un filtre passif passe bas, de mise en forme du signal délivré par l'enroulement se- condaire, d'un gain voisin de 1 pour la fréquence du cou- rant alternatif, de manière à conserver un même seuil de déclenchement en régime de courant alternatif, en régime de courant de défaut redressé simple ou double alternance et en régime de courant de défaut haché unidirectionnel ou non. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'impédance du condensateur (24; 36 à 42; 68 à 72) et les impédances de l'enroulement secondaire (16) et de la bobine (20) sont de plus accordées pour former un circuit résonnant à la fréquence du courant alternatif. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le condensateur est connecté en série, en paral- lèle ou en une combinaison série, parallèle avec l'enrou- lement secondaire (16). 4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le circuit secondaire (18) comporte un pont re- dresseur (60) à double alternance de redressement dudit signal de défaut. 5. Dispositif selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, caracté- risé en ce que le circuit secondaire (18) comporte un sys- tème d'accumulation d'énergie (62) et un dispositif à seuil (64) qui alimente la bobine par l'énergie accumulée lors du dépassement du seuil prédéterminé. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif à seuil comporte une diode Zener (64) et un interrupteur électronique (66) piloté par la diode Zener devenant conductrice lorsque la tension du système d'accu- mulation atteint la tension de seuil de la diode Zener. 7. Dispositif selon les revendications 1, 2 ou 3, caracté- risé par le fait que le filtre de mise en forme agit sur le signal de commande d'un dispositif à source auxiliaire.