Brevet FR2526598A1 — publié le 19831110

Les détecteurs de défaut d'isolement de conducteurs électriques sont notamment utilisés à bord des engins et des véhicules pour assurer la sécurité des personnels d'exploitation contre les chocs électriques. Lorsqu'il s'agit d'un réseau à courant alternatif, d'une fréquence de 30,60,400 Ezou même différente, on sait déjà détecter ces défauts d'isolement. On compare les courants entrée et de sortie du réseau, et toute différence constatée traduit l'existence d'un courant de fuite dérivé vers la masse, et donc d'un défaut d'isolement de l'un des conducteurs. A cet effet, on propose un détecteur comprenant un noyau magnétique à travers lequel on fait passer les deux conducteurs d'entrée et de sortie du réseau, un bobinage enroulé sur le noyau, des moyens sensibles à la différence de potentiel aux bornes du bobinage, un amplificateur connecté aux moyens sensibles et un interrupteur connecté à l'aiplificateur et inséré dans le réseau. Ainsi, en cas de courant de fuite, dans l'un ou l'aux tre des conducteurs d'entrée et de sortie du réseau, celui-là induit un champ magnétique dans le noyau qui engendre un courant dans le bobinage et donc une tension alternative A la fréquence du réseau aux bornes de celuici, qui est donc détectée. Un tel détecteur comporte donc essentiellement un transformateur. On notera que la ten sion engendrée par un défaut d'isolement aux bornes du bobinage ntest pas influencée, ni par le champ coercitif ni par l'induction rémanente du matériau du noyau magné tique. On conçoit aisément qu'avec un réseau à courant conti nu, un tel détecteur ne peut plus convenir. La présente invention concerne donc tout d'abord un procédé de détection de défauts d'isolement d'un réseau électrique à courant continu, caractérisé par le fait qu'on-fait passer les conducteurs d'entrée et de sortie du réseau dans un noyau magnétique sur lequel on a enroulé un bobinage de détection, et on détecte la variation d'inductance du bobinage de détection, avant de couper le réseau électrique. Dans une première mise en oeuvre du procédé de l'in- vention, on peut détecter la variation d'inductance en faisant passer un courant issu d'un générateur dans le bobinage et en détectant la variation de tension engendrée à ses bornes. Cette solution n'est néanmoins pas parfaite, à cause des parasites dus au couplage capacitif ou magnétique entre le circuit du bobinage et les circuits voisins. Dans la mise en oeuvre préférée du procédé de l'invention, on détecte la variation d'inductance du bobinage en insérant le bobinage dans un circuit auto-oscillant et en détectant la fréquence des oscillations. La présente invention concerne également un détecteur de défaut d'isolement d'un réseau électrique à courant continu, caractérisé par le fait qu'il comprend un noyau magnétique dans lequel passent les conducteurs d'entrée et de sortie du réseau, un bobinage de détection, enroulé sur le noyau et des moyens agencés pour détecter la variation d'inductance du bobinage et commander la coupure du réseau. Dans une forme de réalisation préférée du détecteur de l'invention, il est prévu un auto-oscillateur, compre nant le bobinage, et un discriminateur de fréquence connec té à l'auto-osclllateur. Avantageusement, le matériau du noyau magnétique pos sède une perméabilité la plus grande possible et un champ coercitif le plus faible possible. En outre, il est préférable que le détecteur comprenne également un circuit de saturation du noyau magnétique, pour s'affranchir du signe de son induction rémanente. I1 est aussi intéressant de disposer d'un circuit de polarisation en courant, afin que les amplitudes des seules de détection dans un sens ou dans l'autre, s'agissant de courants de circulation positifs ou neatifs, soient eqa'-s. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la des cription suivante d'une forme de réalisation préférée du détecteur de l'invention, en référence aux dessins annexés, sur lesquels La fig. 1 représente schématiquement le réseau de la charge à protéger avec le détecteur de l'invention. La fig. 2 représente les schémas des circuits de ltos- cillateur et de l'adaptateur du détecteur de la fig. 1. La fig. 3 représente le schéma du circuit de commande de disjonction du détecteur de la fig. 1. La- fig. 4 représente la courbe de magnétisation du noyau magnétique du détecteur de la fig. 1. La -fig. 5 représente- les courbes d'inductance du bobinage de détection commandé du détecteur de la fig. 1; et La fig. 6 représente les schémas des circuits de polarisation et de saturation du noyau de la fig. 4. Le détecteur de défaut d'isolement 10 représenté schématiquement sur la fig. 1 est destiné à commander un dispositif interrupteur, ou de disJonction,1 insère dans le réseau électrique, par exemple bifilaire d'une charge 2 à protéger, alimentée en courant continu par un générateur 3, par l'intermédiaire d'un conducteur d'entrée 4 et d'un conducteur de sortie 5. Le p8le positif, le pôle négatif, ou le point milieu du générateur est relié à la masse.Le détecteur 10 comprend un noyau magnétique 11, dont le matériau possède une perméabilité initiale et un champ magnétique coercitif déterminés, comme on le verra ci-après, un bobinage de détection 12, enroulé sur le noyau 11 et des moyens 13, agencés pour détecter la variation d'inductance du bobinage 12, connectés entre le bobinage 12 et l'interrupteur 1. Les conducteurs d'entrée et de sortie 4, 5 du réseau, passent dans le noyau 11. Les moyens de détection 13 comprennent - un auto-oscillateur commandé 14, - un adaptateur d'impédances 19, à la sortie de lloscil- lateur, - un discriminateur de fréquence, à la sortie de l'adapta- teur, - un circuit de saturation du noyau magnétique, et - un circuit de polarisation magnétique du noyau. La détection des défauts d'isolement du réseau (2, 3, 4, 5) repose sur le principe de la détection de la variation d'inductance du bobinage 12. Lorsqu'un courant de fuite, ou différentiel, s'établit entre l'un des conducteurs 4, 5 et la masse, par suite d'un isolement défectueux, les deux courants traversant les conducteurs 4 et 5 ne sont plus égaux et un champ magnétique est induit dans le noyau 11. Ce champ provoque une variation de la perméabilité du noyau et donc une variation de l'inductance du bobinage, proportionnelle à cette perméabilité. L'oscillateur commandé 14 comporte comme élément inductif le bobinage 12, et sa fréquence d'oscillation est déterminée par la valeur L de l'inductance du bobinage 12, suivant la formule connue LC &commat;2 = = 1, C étant la valeur de la capacité de l'élément capacitif et la pulsation, égale au produit de la fréquence par 2 rr. Le discriminateur de fréquence détecte la fréquence d'oscillation de l'oscillateur et, en fonction d'une fréquence de consigne, délivre, ou non, un signal de disjonction à l'interrupteur 1. L'auto-oscillateur 14 (fig. 2), du type "Colpitts" bien qu'il ne s'agisse pas ici d'une limitation de l'invention, est alimenté sous une tension V basse, en ltespèce t 15 v. Son circuit LC comporte le bobinage 12 et deux condensateurs 15, 16 en série, dont le point milieu est relié à la masse. Ce circuit LC, pour l'auto-oscillation, est connecté à la base et au collecteur d'un transistor à effet de champ 17, dont l'émetteur est relié à un circuit de polarisation 18. Le transistor 17 est alimenté par sa base par l'intermédiaire d'un pont de résistances (69, 60, 51). Ayant déjà précisé que le champ coercitif du noyau devait être aussi faible que possible, les valeurs des composants de l'oscillateur et notamment les capacités des condensateurs 15, 16, sont déterminées pour que la fréquence dtoscillation soit basse et compatible avec le temps de disjonction désiré, en l'occurrence 10ms . Une fréquence d'oscillation d'environ 2 kHz, pour un courant différentiel de - 15 mA, a été adoptée. La fréquence d'oscillation ne dépend pratiquement pas de la température. Le collecteur du transistor 17 est connecté, outre à l'autre borne de la source d'alimentationJpar par une résis tance,à l'adaptateur d'impédances 19. Celui-ci comporte un transistor à effet de champ 24 alimenté par la meme source que l'oscillateur 14, entre sa base, par l'intermé diaire d'un pont de résistances 20, 21, et son collecteur, par une résistance 22. Son émetteur est polarisé par une résistance 23 et est connecté au discriminateur de fréquence. L'adaptateur est connecté à la sortie de l'oscil- lateur par l'intermédiaire d'un condensateur 25. Le discriminateur de fréquence, dont la précision est très grande, délivre une information pour une fréquence de signal reçu de l'adaptateur 19 au moins égale à une fréquence de consigne, information commandant donc l'inter- rupteur 1. La demanderesse a utilisé de préférence le discriminateur de type FX-lOlL de la Société "Consumer Microcircuits Limited". Lorsque la fréquence du signal incident dépasse la valeur de consigne prédéterminée, au demeurant réglable par une résistance réglable, un interrupteur statique intégré est commuté, ce qui fournit l'information en question. Le discriminateur est réglé à une fréquence de consigne correspondant à celle du signal délivré par l'oscillateur 14 voisine de 2 kHz pour un courant différentiel de + 15 mA environ. On notera que le discriminateur est agencé pour ne délivrer une information qu'après réception d'au moins dix périodes du signal à la fréquence de consigne. Bien entendu, un autre nombre prédéterminé de périodes pourrait être adopté. A la sortie du discriminateur est connecté un circuit 26 de commande de disjonction, représenté sur la fig. 3,commandant le disjoncteur 1. Le circuit 26 comporte, dans l'exemple considéré non limitatif de l'invention, un opto-isolateur 27, avec une diode luminescente 28 et une partie transistor 29. Quand le discriminateur de fréquence délivre une information de disjonction, un courant est injecté dans la diode 28, dont le transistor associé 29 bloque un transistor 30, dont la base est connectée au collecteur du transistor 29 et à la source d'alimentation V par l'intermédiaire d'un pont de résistances 31, 32. Ainsi, en cas de disjonction, le circuit de commande 26 est ouvert en sortie, donc dans un état similaire à celui d'une coupure de liaison. En cas de fonctionnement normal, sans défaut d'isolement, le transistor 30 est saturé. Une diode 33, reliée au collecteur du transistor 30, protège celui-ci contre les inversions de polarité de la tension, et une diode zoner 34, reliée à metteur du transistor 30 et à la diode 33, protège le transistor 30 contre les surtensions. Avant de finir de décrire les éléments électroniques des moyens de détection 13, et notamment les circuits de saturation et de polarisation, abordons la détermination du circuit magnétique de ces moyens. Rappelons qu'il s'agit d'un matériau à grande perFéa- bilité initiale et à faible champ coercitif. Examinons-en les raisons. La fig. 4 représente la courbe de magnétisation du matériau, ou cycle d'hystérésis, du noyau 11, c'est-à-dire la courbe de variation de l'induction B en fonction du champ magnétique H induit par le courant différentiel. La valeur de l'inductance L du bobinage 12 étant proportionnelle à la perméabilité, du noyau, celle-ci étant égale au rapport + des valeurs de l'induction B et du champ mn- gnétique H, la pente des différents ponts de la courbe de la fig. 4 est donc représentative de l'inductance L du bobinage 12, fonction du champ magnétique, et donc repré- sentative de la fréquence d'oscillation de l'oscillateur 14. La protection de la charge 2 devant être assurée dbs- l'apparition de courants différentiels de très faible intensité, de l'ordre de 15 mA pour des intensités de charge de 20 ou 30 A, dans l'exemple considéré, on con çoit facilement que les pentes de la courbe de magnétisation de la fig. 4, autour de l'origine des coordonnées, doivent être très grandes, et donc que la perméabilité initiale du matériau du noyau 11 doit aussi être très grande. On choisira donc comme matériau de préférence le supermalloy, ou un matériau magnétiquement équivalent. La fig. 5 représente les courbes de variation de la pente de la courbe de magnétisation de la fig. 4, donc de la perméabilité du noyau 11, donc de l'inductance L du bobinage 12, -en fonction du champ magnétique H. Le noyau 11 peut conserver soit une induction rémanente positive Br soit une induction rémanente négative -Br,de même valeur et de signes opposés. Pour ces deux induction rémanentes, les pentes de la courbe B = f(H) sont les mêmes et représentées en LR sur la fig. 3. A partir du point Lu de la fig. 5, on obtient donc deux portions de courbe I et II, correspondant respectivement aux deux portions BI et BII du cycle d'hystérésis s'étendant de part et d'autre des points - Br et Br. Ces deux courbes sont naturellement symétriques par rapport à l'axe des ordonnées L. Considérons la courbe II. Depuis le point LR, elle monte jusqu'au point L , correspondant m au point Bm de la fig. 4 d'induction nulle et de champ positif H . Le point Bm est un point d'inflexion. La courbe m 11,, au-delà du point Sm descend. Supposons que, juste avant l'apparition d'un courant différentiel, l'induction rémanente du noyau 11 ait été négative (- Br). Pour une fréquence de consigne déterminée du discriminateur, à laquelle correspond une inductance de consigne LC, ce courant différentiel ne sera détecté que pour un champ magnétique positif H ou un champ magnétique négatif - H . Voulant c c détecter le plus rapidement possible ce courant différentiel, et notamment pour les champs positifs, en d'autres termes à une faible valeur du champ devant correspondre une forte valeur de l'inductance, on comprend aisément qu'il est souhaitable que le point H soit le plus près c possible de l'origine O des coordonnées.Cela signifie que le point (B , Hm) de la courbe de magnétisation doit se trouver le plus près possible de l'origine des coordonnées de la courbe de la fig. 4, tout comme le point (- Bm, - Hm) symétrique, et que le segment de droite (Bm, - Bm) soit le plus court possible. En d'autres termes, le champ coercitif du matériau du noyau 11 doit être le plus faible possible. Le supermalloy ici encore convient tout particulièrement. Quand on ne connait pas l'induction rémanente initiale du noyau 11, on se heurte donc à la difficulté d'avoir à prendre en compte les deux courbes I et II. Le détecteur de l'invention prévoit de n'opérer que sur une seule de ces deux courbes, en l'occurrence la courbe I. A cet effet, à chaque mise ou remise sous tension de la charge électrique 2, on impose au noyau magnétique 11, une prémagnétisation, ou induction, positive Br, par saturation et par conséquent par envoi d'une impulsion de courant positif dans un enroulement de saturation. Le circuit de saturation est représenté sur la fig. 6. Par ailleurs, et-en réexaminant la fig. 5, on constate que les champs magnétiques de détection (H0, - HtC) de la courbe II, ou mieux les champs c c Pour que les champs de détection positif et négatif, et donc les courants différentiels positif et négatif déclenchant la détection, aient la même valeur, on impose en permanence au noyau magnétique ll une polarisation magnétique négative - H , par circulation d'un courant dans un enroulement de polarisation de sens approprié. Le circuit de polarisation est représenté sur la flg. 6. Le circuit de polarisation 35, dans le cas d'exemple considéré, comprend un enroulement 36, et une résistance réglable 37, en série, entre les deu conducteurs d'entrée 4 et de sortie 3 raccordés au générateur 3. L'enroulement 36 est enroulé sur le noyau 11 et est parcouru par le courant de charge délivré par le générateur 3. Le circuit de saturation 40 dans le cas considéré, à titre d'exemple, comprend en premier lieu un enroulement 41, parcouru également par le courant de charge et enroulé sur le noyau 11, de manière que le champ magnétique induit par les deux enroulements 36 et 41 soit nul. Ainsi, l'énergie de saturation est également prise sur le réseau par sécurité, car en cas de défaut, tout est coupé. Une partie de l'énergie de charge est prélevée par une résistance 42, un condensateur 43 et la photodiode 44 d'un optoisolateur 43, connectés en série entre les deux conducteurs d'alimentation-de la charge 2. La photodiode 44 est proté gée par une diode 46 connectée entre le conducteur de retour 5 et la cathode de la photodiode 44. La photodiode 44 contrôle un transistor 47.Pendant l'impulsion de courant, un courant circule dans le seul enroulement positif 41, créant un champ magnétique positif de saturation. Ainsi, et indépendamment du signe du courant différentiel ayant provoqué une disjonction précédente, le circuit magnétique se retrouve, à chaque nouvelle remise sous tension, dans le même état magnétique. On notera que l'agencement ci-dessus empêche tout couplage entre le circuit de saturation et l'oscillateur 14. Un défaut d'isolement pouvant très bien surgir pendant la mise sous tension, la saturation s'effectue pendant un temps très court. Pendant cette saturation, la valeur de l'inductance L du bobinage commandé 12 est nulle et l'oscillateur 14 est donc bloqué. I1 a avantageusement été prévu, en parallèle sur le bobinage de détection 12, deux diodes Zener 48, 49 montées en opposition, pour protéger le transistor 17 de l'oscil- lateur 14, contre les surtensions induites dans le bobinage 12 par les enroulements 36 et 41 lors d'un court-circuit de la charge 2. I1 est important de souligner ici que tous les circuits du détecteur sont isolés galvaniquement du réseau continu de puissance. REVENDICATIONS 1 - Procédé de détection de défauts d'isolement d'un réseau électrique à courant continu, caractérisé par le fait qu'on fait passer les conducteurs d'entrée et de sor tié du réseau dans un noyau magnétique sur lequel on a enroulé un bobinage de détection, et on détecte la variation d'inductance du bobinage de détection pour couper le réseau électrique. 2 - Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détecte la fréquence des oscillations d'un circuit autooscillant dans lequel est inséré le bobinage de détection. 3 - Détecteur de défauts d'isolement d'un réseau électrique à courant continu, caractérisé par le fait qu'il comprend un noyau magnétique (11) dans lequel passent les conducteurs d'entrée (4) et de sortie (5) du réseau, un bobinage de détection (12) enroulé sur le noyau (11) et des moyens (13) agencés pour détecter la variation d'inductance du bobinage (12) et commander la coupure du réseau. 4 - Détecteur selon la revendication 3, dans lequel il est prévu un auto-oscillateur (14) comprenant le bobinage de détection (12),, et un discriminateur de fréquence connecté à la sortie de l'auto-oscillateur (14). 5 - Détecteur selon la revendication 4, dans lequel un adaptateur d'impédance (l9)est branché entre l'autooscillateur (14) et le discriminateur de fréquence. 6 - Détecteur selon l'une des revendications 4 et 5, dans lequel le discriminateur de fréquence (14) est agencé pour ne délivrer une information qu'après réception d'au moins un nombre prédéterminé de périodes du signal délivré par l'auto-oscillateur (14) à une fréquence au moins égale à la fréquence de consigne du discriminateur. 7 - Détecteur selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel un circuit (26) de commande de coupure du réseau est connecté à la sortie du discriminateur (14). 8 - Détecteur selon l'une des revendications 3 à 7, dans lequel la perméabilité du matériau du noyau magnétique (11) est très grande. 9 - Détecteur selon l'une des revendications 3 à 8, dans lequel le champ coercitif du matériau du noyau magnétique (11) est très faible. 10 - Détecteur selon l'une des revendications 8 et 9, dans lequel le noyau magnétique (11) est en supermalloy. 11 - Détecteur selon l'une des revendications 9 et 10, dans lequel la fréquence des oscillations de l'auto-oacil- lateur (14) est voisine de 2 kHz. 12 - Détecteur selon l'une des revendications 3 à 11, dans lequel il est prévu un circuit (40) de saturation du noyau magnétique (11) agencé pour le saturer à chaque mise et remise sous tension. 13 - Détecteur selon la revendication 12, dans lequel le circuit de saturation (40) comprend un bobinage de saturation (41) enroulé sur le noyau magnétique-(ll) et parcouru par le courant de charge. 14 - Détecteur selon l'une des revendications 3 à 13, dans lequel il est prévu un circuit (35) de polarisation du noyau magnétique (11). 15 - Détecteur selon la revendication 14, dans lequel le circuit de polarisation (35) comprend un bobinage de polarisation (36) enroulé sur le noyau magnétique (11). 16 - Détecteur selon l'une des revendications 3 à 15, dans lequel lesdits moyens de détection (13) sont isolés galvaniquement du réseau continu (4, 5)