Brevet FR2509089A1 — publié le 19830107

DISPOSITIF DE PROTECTION DIFFERENTIELLE A HAUTE SENSIBILITE POUR LA DETFCTION DE COURANTS DE DEFAUT PHASE OU NEUTRE A LA TERRE. L'invention est relative à un dispositif de protection dif- férentielle pour la détection de courants de défaut à la terre dans une installation électrique alimentée par un réseau à courant alternatif, et comprenant: un transformateur différentiel ayant un noyau magnétique à tore unique traversé par les conducteurs de phase L et neutre N du réseau formant les enroulements primaires du transformateur, au moins un enroulement secondaire L 1 ou L 2 bobiné sur le tore et coopérant avec un circuit de mesure et de traite- ment susceptible de délivrer après dépassement d'un seuil prédéterminé, un ordre de déclenchement à une bobine de commande d'un appareil de coupure lors de l'apparition d'un courant de défaut à la terre, et un circuit auxiliaire d'alimentation du circuit de me- sure et de traitement. Les dispositifs de protection connus contre les courants de défaut à la terre utilisent généralement un transforma- teur homopolaire différentiel à noyau torique dont les en- roulements primaires sont parcourus par les courants des conducteurs de l'installation électrique à protéger L'en- roulement secondaire fournit un signal de défaut différen- tiel lorsque la somme des courants parcourant les enroule- ments primaires n'est pas nulle Ce signal est appliqué à la bobine de commande du relais de déclenchement d'un dis- joncteur de protection. Un dispositif électronique d'amplification peut être inter- calé entre le transformateur homopolaire et le relais dé- clencheur pour fixer le seuil de déclenchement Il est alors possible de détecter des défauts phase-terre de l'or- dre de 10 m A. L'utilisation d'un transformateur homopolaire présente néanmoins des inconvénients lorsqu'il s'agit de détecter des courants de défaut phase terre continu ou à compo- sante continue On a remarqué que le seuil'de déclenchement est affecté par la présence d'un courant ou d'une compo- sante continue Cette variation du seuil provoque une dé- sensibilisation de la protection par tore à haute perméa- bilité L'utilisation d'un tore spécial doté d'un matériau magnétique prédéterminé à cycle étroit et penché permet de pallier cet inconvénient Il est également possible d'uti- liser un tore classique dont l'enroulement secondaire est associé à un filtre de mise en forme qui permet de conser- ver un même seuil de déclenchement en régime dc courant alternatif ou continu Ces dispositifs connus ne permettent généralement pas la détection du défaut neutre à la terre. Ce type de défaut désensibilise et peut même aveugler totalement la protection différentielle. La détection du défaut neutre à la terre en aval du système de détection de défaut s'effectue d'une manière classique au moyen de deux tores dont le premier est associé à un oscillateur à haute fréquence, qui induit un courant à haute fréquence dans la boucle constituée par le défaut neutre terre, et dont le deuxième tore comprend l'enrou- lement secondaire de commande coopérant avec le circuit de déclenchement Ce dispositif nécessité deux tores et n'est pas sensible à des courants de défaut phase terre con- tinu. La présente invention a pour but de remédier à ces incon- vénients et de permettre la réalisation d'un dispositif de protection différentielle à tore unique pouvant détecter en permanence une mise à la terre du neutre et des courants de défaut phase terre alternatif ou continu. Le dispositif selon l'invention est caractérisé par le fait qu'un générateur G, à tension de sortie alternative U 2 de fréquence F fixe supérieure à la fréquence du réseau, délivre un courant pilote à l'enroulement secondaire Li du tore, et qu'un comparateur à seuil repère la variation de l'amplitude de la tension U, aux bornes de l'enroulement secondaire L, ou L 2 en la comparant à une tension de réfé- rence On remarque que l'apparition d'un courant de défaut quelconque, notamment par mise à la terre du neutre ou phase terre alternatif et continu, entraîne une modifi- cation de l'état magnétique du tore unique et une diminu- tion de la tension U 1 aux bornes de l'enroulement secon- daire L, ou L 2 Il en résulte une augmentation de la ten- sion différentielle à la sortie du comparateur Si cette tension différentielle dépasse un seuil prédéterminé, l'or- gane de commutation est débloqué et le relais provoque le déclenchement du disjoncteur. Selon une caractéristique de l'invention, le générateur G de fréquence F est agencé pour délivrer une tension de sortie U 2 constante qui sert de tension de référence au comparateur Le circuit de connexion du générateur G à l'enroulement secondaire L 1 comporte une résistance dont la valeur est choisie pour imposer un courant pilote d'in- tensité sensiblement constante. Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque en- trée du comparateur est reliée respectivement au généra- teur G et à l'enroulement secondaire L 1 ou L 2 du tore par un circuit de redressement comprenant un redresseur en série avec un filtre. Selon une autre caractéristique de l'invention la tension alternative U 1 de l'enroulement secondaire L 1 du tore est appliquée à un comparateur auxiliaire par l'intermédiaire d'un premier discriminateur d'alternances positives et d'un deuxième discriminateur d'alternances négatives, le- dit comparateur étant agencé pour comparer les amplitudes des deux alternances positive et négative de la tension Ul, l'une des alternances étant modifiée lors de l'apparition d'un courant de défaut phase terre alternatif ou continu pendant que l'autre reste fixe. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de l'exposé qui va suivre de divers modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans les- quels: la figure 1 est une vue schématique du dispositif de pro- tection différentielle à tore unique selon l'invention; la figure 2 est une vue partielle d'une variante de la figure 1 dont le tore est équipé de deux enroulements secondaires; les figures 3 et 4 représentent deux modes de réalisation du dispositif selon la figure 1; la figure 5 montre un circuit synoptique détecteur de dé- faut phase -terre à tore unique insensible à l'effet de température; - la figure 6 représente un mode de réalisation du circuit de la figure 5; la figure 7 montre le circuit synoptique d'un dispositif à tore unique insensible à la température pour la détection du neutre à la terre et d'un défaut phase terre alterna- tif ou continu; la figure 8 représente l'allure des tensions en divers points du dispositif selon la nature du défaut: Fig 8 a: tension U 2 délivrée par le générateur G à fré- quence F fixe supérieure à celle du réseau; Fig 8 b: tension U aux bornes de l'enroulement secon- daire L 1 du tore avant et après un défaut phase terre continu; Fig 8 c: tension différentielle a U = U 2 suite au défaut phase terre continu; Fig 8 d: tension différentielle au suite à un défaut phase terre alternatif à 50 Hz; 8 e: tension différentielle AU suite à un défaut neutre à la terre. Sur la figure 1 est représenté un dispositif de protection différentielle 10 à haute sensibilité pour le détection de défauts à la terre dans un réseau alternatif monophasé à basse tension à conducteurs de phase L, de neutre N et de terre T Le dispositif 10 est intercalé entre la source principale d'alimentation et le récepteur et comporte un tore 12 ferromagnétique traversé par les conducteurs de phase L et de neutre N, qui forment les enroulements pri- maires du tore 12 Un enroulement secondaire L 1 est bobiné sur le tore 12 et est relié à un circuit de mesure et de traitement 14 susceptible de délivrer un ordre de déclen- chement à un relais 16 d'actionnement d'un disjoncteur 18 de protection Ce dernier est branche sur les conducteurs L et N en amont du tore 12 en direction de la source d'ali- mentation pour interrompre l'alimentation de l'installa- tion en cas de défaut à la terre détecté par le transfor- mateur différentiel à tore 12 Le conducteur de neutre N est connecté à la terre en amont du disjoncteur 18. Le circuit de mesure et de traitement 14 est alimenté par une source auxiliaire 20 à sécurité positive prise sur la tension alternative du réseau de distribution L'enroule- ment secondaire L du tore 12 est branché à un générateur G par l'intermédiaire d'une résistance 22 Le générateur C est formé par un oscillateur sinusoïdal à tension constante U 2 et à fréquence fixe F supérieure à la fréquence 50 Hz du réseau de distribution L'oscillateur est alimenté par la source auxiliaire 20 et fonctionne automatiquement lors de la fermeture du disjoncteur 18, de manière à délivrer un courant pilote haute fréquence dans l'enroulement secon- daire L 1 du tore 12 La valeur de la résistance 22 est suf- fisamment grande pour Imposer un courant pilote constant. Un comparateur 24 à seuil constitué par un amplificateur différentiel est branché aux bornes du générateur C et de l'enroulement secondaire L 1 du tore 12 La sortie du compa- rateur ? 4 commande un organe de commutation 26 relié en série avec le relais 16 et la source auxiliaire 20. Le fonctionnement du dispositif de protection différen- tielle selon la figure l est le suivant, la figure 8 indi- quant schématiquement la forme des signaux en différents points du circuit. Le generateur G à haute fréquence genère en permanence un courant pilote d'intensité constante dans l'enroulement secondaire L 1 du tore 12 Le comparateur 24 compare les tensions U et U aux bornes du générateur G et de l'enrou- lement L 1, la tension U 2 fixe servant de référence (figure 8 a) En l'absence de défaut, les tensions U 2 et U 1 sont sensiblement égales et le comparateur 24 indique une diffé- rence très faible ou nulle incapable dc provoquer la con- duction de l'organe de commutation 26 et l'excitation du relais 16. L'apparition d'un défaut entraîne une modification de l'état magnétique du tore 12 et une diminution de la tension U 1 aux bornes de l'enroulement L 1 I 1 en résulte une augmenta- tion de la tension différentielle AU = U 1 U 2 à la sortie I 2 du comparateur 24 Si cette tension différentielle dépasse un seuil prédéterminé l'organe de commutation 26 est dé- bioqué et le relais 16 provoque le déclenchement du disjonc- teur 18. En cas de défaut phase terre continu ou à composante con- tinue, le courant de défaut continu, qui traverse le tore provoque une modification de la perméabilité entrainant une diminution de la tension U 1 aux bornes dc l'enroulement L 1 (voir figure 8 b), et une augmentation de la tension diffé- rentielle AU (figurc 8 c). En cas de défaut phase terre alternatif, un courant de défaut alternatif 50 Hz traverse le tore 12 qui par induc- tion électromagnétique sur l'enroulement L 1 assure une modulation en amplitude du signal de fréquence F donné par le générateur G La tension différentielle L U (figure 8 d) augmente à l'apparition du défaut alternatif mais est modu- lée en amplitude par le signal de défaut à 50 Hz. En cas de défaut neutre terre résultant d'une mise acci- dentelle du conducteur neutre N à la terre en aval du tore 12, l'impédance de l'enroulement secondaire L 1 du tore 12 varie entrainant une diminution de la tension U 1 La détec- tion du défaut neutre terre par variation d'impédance de l'enroulement L 1 du tore 12 provoque à la sortie du compa- rateur 24 une tension différentielle âU sinusoïdale (fi- gure 8 e) de fréquence F et dont l'amplitude dépasse le seuil de déclenchement du disjoncteur 18 qui s'ouvre. On remarque qu'un transformateur différentiel à tore 12 uniq est suffisant pour détecter les trois types de défauts à la terre grâce au comparateur 24 qui repère la variation de la tension U 1 aux bornes de l'enroulement L 1 en la com- parant à une tension de référence U 2 délivrée par le géné- rateur G à haute fréquence associé au tore 12. La figure 2 est une variante du dispositif de protection différentielle selon la figure 1, le tore 12 étant doté de deux enroulements secondaires L 1 et L 2 distincts L'enrou- lement L 1 est connecté au générateur G à haute fréquence en série avec la résistance 22 tandis que l'enroulement L 2 est branché à une entrée du comparateur 24 et à un point commun 30 de raccordement de l'enroulement L 1 Le compara- teur 24 compare alors l'amplitude de la tension U 1 aux bornes de l'enroulement L 2 par rapport à celle de la ten- sion de référence U 2 du générateur G La suite du fonc- tionnement est similaire a celui du dispositif de la fig l. La figure 3 correspond au montage de la fig 1, avec un enroulement secondaire L 1 unique La comparaison des ten- sions U 2 du générateur G et U de l'enroulement L 1 s'ef- fectue en instantané grâce à un circuit R 1 C 1 série branché entre le générateur G et une entrée du comparateur 24 Une résistance R 2 est reliée entre l'enroulement L 1 et l'autre entrée du comparateur 24, les deux résistances R 1 et R 2 étant réglables pour ajuster en l'absence de défaut les tensions d'entrée du comparateur 24 La sortie du compara- teur 24 est branchée à un filtre 32 passe haut connecté à l'organe de commutation 26 par l'intermédiaire d'un circuit à seuil 34 Le fonctionnement du dispositif de la fig 3 est identique à celui de la fig 1 La fig 4 est une va- riante de la fig 1 dans laquelle la comparaison des ten- sions U 2 de référence du générateur et U 1 de l'enroulement L 1 du tore 12 s'effectue dans le comparateur 24 après re- dressement pour ne pas avoir à tenir compte des déphasages et des formes d'ondes Le générateur-G est connecté par un conducteur de liaison 38 à un adaptateur d'impédance 40 en série avec un redresseur 42 et un circuit de filtrage 44 à résistance capacité, relié à l'une des entrées du compara- teur 24 L'enroulement secondai re L 1 du tore 12 est branché de la même manière par un conducteur 45 à l'autre entrée du comparateur 24 par l'intermédiaire d'un circuit série comprenant un adaptateur d'impédance 46, un redresseur 48 et un filtre 50 Au repos la différence entre les tensions U 2 et U, redressées est nulle, et le comparateur 24 ne dé- livre aucun signal En présence d'un défaut à la terre, la tension U 1 diminue, et la sortie du comparateur 24 indique une tension différentielle JU de commande. On remarque dans les dispositifs des figures 1 à 4 que l'amplitude de la tension U 1 de l'enroulement secondaire L 1 ou L 2 du tore 12 peut être affectée par la température du tore 12 La dérive en température est en effet assez importante pour des défauts phase terre continu ou alter- natif dès que la température du matériau magnétique du tore 12 atteint 400 C Cette dérive est liée à la variation de la perméabilité du matériau avec la température provoquant une variation correspondante de la tension U 1 aux bornes de l'enroulement L 1 du tore 12 alors que la tension de ré- férence U 2 du générateur G reste constante L'équilibre différentiel est ainsi détruit même en l'absence de défaut, et risque d'engendrer des déclenchements intempestifs. L'utilisation d'un matériau prédéterminé à perméabilité sensiblement constante en fonction de la température per- mettrait d'éviter ces déclenchements intempestifs. Un autre moyen de réduction de la dérive en température consiste à modifier le circuit de traitement du signal pré- levé aux bornes de l'enroulement L 1 du tore 12 On observe sur la-figure 8 b qu'un défaut phase terre continu n'af- fecte qu'une seule des deux alternances de la tension Ul, notamment l'alternance positive, alors que l'amplitude de l'alternance négative reste constante avant et après l'in- stant du défaut Il en est de même pour un défaut phase - terre alternatif à 50 Hz. Selon la figure 5, au lieu de prendre comme référence la tension U 2 du générateur G à haute fréquence, il suffit de comparer entre elles les amplitudes des deux alternances positive et négative de la tension U 1 aux bornes de l'en- roulement secondaire L 1, l'une d'elles restant en effet constante en guise de référence Le générateur G à haute fréquence F délivre comme précédemment un courant pilote constant à l'enroulement L 1 du tore 12 de détection La tension U est appliquée à un premier discriminateur 52 d'alternances positives et à un deuxième discriminateur 54 d'alternances négatives dont les sorties sont branchées aux entrées d'un comparateur 56 En absence de défaut phase terre, les deux alternances de la tension U 1 sont égales, et aucun signal n'est délivré par le comparateur 56 indé- pendamment des variations de la perméabilité du tore 12 avec la température En cas de défaut, les amplitudes des deux alternances sont inégales et le comparateur 56 délivre un signal de déclenchement. La figure 6 représente un mode de réalisation du schéma de principe indiqué à la fig 5 Les mimes repères seront uti- lisés pour désigner des composants identiques ou similaires. La tension U 1 aux bornes de l'enroulement L 1 du tore 12 est appliqué à un adaptateur d'impédance 60 formé par un amplificateur opérationnel de gain 1 La sortie de l'adap- tateur 60 est reliée d'une part au premier discriminateur 52 d'alternances positives constitué par un redresseur à diode 62 et un circuit de filtrage 64 et d'autre part au deuxième discriminateur 54 d'alternances négatives formé par un inverseur de polarité 66 en série avec un redresseur à diode 68 et un circuit de filtrage 70 Les deux tensions redressées ei filtrées sont ensuite appliquées aux entrées du comparateur 56 qui d,livre en cas de défaut phase - terre alternatif ou continu une tension différentielle de commande de déclenchement En l'absence de défaut phase - terre, les deux alternances de la tension U 1 sont affectées également par la variation de perméabilité et l'effet de la température est nul comme dans le circuit de la fig 5. On remarque que le défaut neutre à la terre qui provoque une variation égale de l'amplitude des deux alternances de la tension U 1 n'est pas détecté par les circuits des fig. ou 6. Le dispositif de la figure 7 complète celui de la figure 5 en assurant à la fois la détection du défaut neutre à la terre et du défaut phase terre alternatif ou continu. A partir du circuit pilote formé par le générateur G à haute fréquence, la résistance 22 et le bobinage secondaire L du tore 12, un premier circuit de traitement 74 iden- tique à celui de la figure 5, compare entre elles les am- plitudes des deux alternances de la tension U 1 aux bornes de L 1 Le circuit 74 détecte les défauts phase terre. Un deuxième circuit de traitement 76 est constitué par le comparateur 24 classique des figures 1 à 4, qui compare la tension U 1 aux bornes de l'enroulement L 1 avec celle U 2 délivrée par le générateur G Ce circuit 76 détecte le défaut neutre à la terre Les deux sorties des comparateurs 24 et 56 sont reliées à un circuit logique OU 78, qui prend en compte les informations en provenance des deux circuits de traitement 74, 76 pour envoyer un ordre de déclenchement en cas d'apparition d'un quelconque défaut phase terre ou neutre à la terre. L'invention a été décrite comme s'appliquant à un réseau alternatif monophasé, mais il est évident que les diverses caractéristiques sont également applicables à un réseau multipolaire, notamment triphasé avec neutre. L'invention s'étend à toute autre variante restant dans le cadre des équivalences électroniques et électrotechniques. Revendications 1 Dispositif de protection différentielle ( 10) pour la détection de courants de défaut à la terre dans une instal- lation électrique alimentée par un réseau à courant alter- natif, et comprenant: un transformateur différentiel ayant un noyau magnétique à tore ( 12) unique traversé par les conducteurs de phase L et neutre 1 t du réseau formant les enroulements primaires du transformateur, au moins un enroulement secondaire L 1 ou L 2 bobiné sur le tore ( 12) et coopérant avec un circuit de mesure et de traitement ( 14) susceptible de délivrer après dépassement d'un seuil prédéterminé, un ordre de déclenchement à une bobine ( 16) de commande d'un appareil de coupure ( 18) lors de l'apparition d'un courant de défaut à la terre, et un circuit ( 20) auxiliaire d'alimentation du circuit de mesure et de traitement ( 14), caractérisé par le fait qu'un générateur G à tension de sortie alternative U 2 de fréquence F fixe supérieure à la fréquence du réseau, délivre un courant pilote à l'enroule- ment secondaire L 1 du tore ( 12), et qu'un comparateur ( 24, 56) à seuil rep-ère la variation de l'amplitude de la ten- sion U aux bornes de l'enroulement secondaire L ou L en la comparant à une tension de référence. 2 Dispositif de protection différentielle selon la reven- dication 1, caractérisé par le fait que le générateur G de fréquence F est agencé pour délivrer une tension de sortie U 2 constante qui sert de tension de référence au compara- teur ( 24). 3 Dispositif de protection différentielle selon la reven- dication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le circuit de connexion du générateur G à l'enroulement secondaire L 1 comporte une résistance ( 22) dont la valeur est choisie pour imposer un courant pilote d'intensité sensiblement constante. 4 Dispositif de protection différentielle selon la reven- dication 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que le tore ( 12) du transformateur différentiel comprend un premier en- roulement secondaire L 1 parcou-u par le courant pilote du générateur G, et un deuxième enroulement secondaire L 2 siège de la tension U 1 appliquéeau comparateur ( 24). Dispositif de protection différentielle selon la reven- dication 2, 3 ou 4, caractérisé par le fait qu'un circuit RC est-associe au comparateur ( 24) pour effectuer la compa- raison instantanée des tensions U 2 du génératcur G et U de l'enroulement secondaire I 1 ou L 2. 6 Dispositif de protection différentielle selon la reven- dication 2, 3 ou 4, caractérisé par le fait que chaque en- trée du comparateur ( 24) est reliée respectivement au générateur G et à l'enroulement secondaire L 1 ou L 2 du tore ( 12) par un circuit de redressement comprenant un re- dresseur ( 42, 48) en série avec un filtre ( 44, 50). - 7 Dispositif de protection différentielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la tension alternative U 1 de l'enroulement secon- daire L 1 du tore ( 12) est appliquéeà un comparateur ( 56) auxiliaire par l'intermédiaire d'un premier discriminateur ( 52) d'alternances positives et d'un deuxième discrimina- teur ( 54) d'alternances négatives, ledit comparateur ( 56) étant agencé pour comparer les amplitudes des deux alter- nances positive et négative de la tension Ui, l'une des alternances étant modifiée lors de l'apparition d'un cou- rant de défaut phase terre alternatif ou continu pendant que l'autre reste fixe. 8 Dispositif de protection différentielle selon la reven- dication 7, caractérisé par le fait que chaque discrimina- teur ( 52, 54) d'alternances comporte un redresseur ( 62, 68) en serie avec un circuit de filtrage ( 64, 70). 9 Dispositif de protection différentielle selon la reven- dication 7 ou 8, caractérisé par le fait qu'un circuit lo- gique OU ( 78) prend en compte les informations en prove- nance du comparateur ( 56) auxiliaire, qui détecte les dé- fauts phase terre alternatif ou continu par comparaison des alternances positive et négative de la tension U 1, et du comparateur ( 24) sensible à un défaut neutre à la terre par comparaison des amplitudes des tensions U 1 aux bornes de l'enroulement secondaire L 1 ou L 2 et U 2 délivrée par le générateur G. i O Dispositif de protection différentielle selon l'une oqueleonque des revendications précécentes, caractérisé par le fait que le générateur G à fréquence F fixe est formé par un oscillateur sinusoidal alimenté par la source auxi- liaire ( 20).