Brevet FR2523766A1 — publié le 19830923

DISPOSITIF DE PROTECTION DIFFERENTIELLE POUR LA DETECTION D'UN COURANT RESIDUEL ALTERNATIF ET/OU CONTINU SUR DEUX VOIES DISTINCTES. L'invention concerne un dispositif de protection différentielle à haute ensibilité pour la détection d'un courant résiduel de fuite alternatif et/ou continu et comportant - un transformateur homopolaire différentiel ayant un noyau magnétique à tore unique traversé par les conducteurs actifs du réseau à protéger, - un enroulement secondaire bobiné sur le tore et destiné à recueillir le signal de défaut, - un générateur formé par un oscillateur délivrant un signal périodique à haute fréquence de valeur supérieure à la fréquence du réseau, ledit oscillateur coopérant avec le transformateur différentiel pour constituer un circuit de mesure agencé pour engendrer une variation du signal d'oscillation en présence du courant de défaut, - un dispositif électronique de traitement du signal délivré par le circuit de mesure, - et un relais de déclenchement piloté par le dispositif de traitement après dépassement d'un seuil de déclenchement prédéterminé. Des dispositifs de protection connus du genre mentionné détectent les courants de défaut la terre continus et alternatifs grâce à la mesure permanente des variations de l'inductance de l'enroulement secondaire du transformateur différentiel. La variation de l'inductance est ensuite surveillée par le dispositif électronique de traitement relié au relais de déclenchement. Le dispositif de traitement comporte en général un circuit commun de mise en forme du signal de défaut indépendamment de l'origine de ce dernier (continu ou alternatif). On a constaté que le fonctionnement de ce type de dispositif de traitement était affecté par la dérive en température liée à la variation de la per méabilité du matériau magnétique du tore, la variation étant engendrée par un changement de la température ambiante. Il en résulte des déclenchements intempestifs ou aléatoires à des valeurs différentes du seuil de déclenchement préreglé. Ce problème de dérive en température est particulièrement important dans les dispositifs de sécurité à haute sensibilité où le seuil de déclenchement est inférieur à 30 mA. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de réaliser un dispositif de protection différentielle à haute sensibilité dont le fonctionnement reste fiable avec la dérive en température. Selon l'invention, le dispositif électronique de traitement comprend deux voies distinctes de discrimination de la nature du courant de défaut, la première voie servant à la détection d'un défaut phase terre alternatif de fréquence f, étant dotée d'un circuit démodulateur susceptible d'éliminer la porteuse HF du signal modulé délivré par le circuit de mesure, la deuxième voie de détection d'un défaut phase terre continu ou à composante continue comportant un circuit redresseur connecté en série avec un circuit intégrateur. Le circuit démodulateur de la première voie est raccordé à un circuit de blocage de la composante continue, l'ensemble étant agencé pour conserver le signal BF modulant correspondant au signal de défaut. La détection séparée des défauts alternatifs et continus sur deux voies différentes résoud le problème de la dérive en température. Cette dernière n'est pas fondamentale sur la deuxième voie de détection d'un courant de défaut continu qui tolère une certaine désensibilisation. L'homme est en effet moins sensible au courant continu qu'au courant alternatif à 50 Hz (de l'ordre de cinq fois pour les faibles courants). Par contre, la sensibilité sur la première voie de détection d'un courant de défaut alternatif reste sensiblement constante lors de la variation de la température grâce à l'intervention du démodulateur et du circuit de blocage du courant continu. Chaque voie du dispositif de traitement comprend de plus un organe de visualisation susceptible d'afficher l'émission de l'ordre-de déclenchement en fonction de la nature du défaut. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de l'exposé qui va suivre de deux modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 montre le schéma synoptique du dispositif de protection différentielle selon l'invention; la figure 2 est une variante de réalisation du circuit de mesure de la fig. 1; la figure 3 représente l'allure des signaux en différents points des voies 28, 30 du dispositif de la fig. 1: - figure 3A: signal HF délivré par le générateur G en ab sence de courant de défaut phase terre; - figure 3B: signal HF du générateur G en présence d'un défaut continu; - figures 3C et 3 D : signal précédent de la fig. 38, traité dans le redresseur et l'intégrateur de la deuxième voie 30; - figure 3E: signal HF du générateur modulé en amplitude par le signal de défaut BF; - figure 3F: signal de la fig. 3E à la sortie du démodula teur 36 de la première voie 28; - figure 3C: signal de la fig. 3F à la sortie du circuit de blocage 38 de la première voie 28. En référence à la figure 1 est illustré un dispositif 10 de protection différentielle à haute sensibilité destiné à la détection de courants de défauts à la terre dans un réseau 11 alternatif et/ou mixte à basse tension. Le dispositif 10 colporte un transformateur d'intensité homopolaire à tore 12 ferromagnétique unique traversé par les conducteurs actifs de phase L et de neutre N du réseau 11 monophasé. Le tore 12 est doté d'un enroulement secondaire 14 sur lequel est recueilli un signal de défaut destiné à commander l'excitation d'un relais 16 associé au mécanisme 18 d'ouverture dun disjoncteur 20 de protection disposé en amont du tore 12. L'enroulement secondaire 14 du tore 12 fait partie intégrante d'un générateur G formé par un oscillateur sinusoidal à haute fréquence de valeur F supérieure à la fréquence f du réseau 11.En l'absence de défaut phase terre, l'amplitude du signal d'oscillation du générateur G est reglée à une valeur prédéterminée V. Tout défaut phase terre en trame une variation de l'amplitude V du signal d'oscillation, la fréquence de l'oscillateur restant sensiblement voisine de la valeur F. L'ensemble tore 12 et générateur G constitue le circuit de mesure 21 raccordé à un dispositif électronique de traitement 22 qui élabore l'ordre de déclenchement du relais 16. Une source d'alimentation auxiliaire (non représentée) alimente en permanence le générateur C du circuit de mesure 21 et le dispositif de traitement 22 associé. Il en résulte que l'osciilateur de fréquence F fonctionne dès la mise sous tension de l'installation. Selon la variante du circuit de mesure 21 de la figure 2, le générateur G délivre par l'intermédiaire d'une résistance R un courant pilote de fréquence F à l'enroulement secondaire 14 du tore 12. L'enroulement 14 est raccordé au dispositif de traitement 22 à travers un amplificateur 24. Il est évident que le tore 12 du circuit de mesure 21 des figures 1 et 2 peut comporter deux enroulements secondaires, l'un étant associé au générateur G à haute fréquence F, l'autre servant à détecter le signal de défaut. Au circuit de mesure 21 est affecté un circuit de dmagné- tisation 26 du noyau magnétique du tore 12. A la suite d'une coupure sur défaut, le noyau du tore 12 garde une aimantation rémanente, qui empêche l'oscillateur de retrouver son amplitude initiale V à la remise sous tension. L'intervention du circuit de démagnétisation 26 supprime cette aimantation et replace le noyau magnétique du tore 12 dans des conditions normales de fonctlonnement de l'oscillateur dont le signal d'oscillation reprend son amplitude V d'origine. Un tel dispositif de protection différentielle est bien connu des spécialistes, et il suffit de rappeler que l'apparition d'un défaut phase terre alternatif, redressé, continu pur, ou à composante continue ou pulsée est détecté par le circuit de mesure 21 et mis en forme dans le dispositif de traitement 22. Après dépassement d'un seuil de déclenchement prédéterminé, le dispositif 22 envoie un ordre d'ouverture au relais 16 du disjoncteur 20. On a constaté que la dérive en température était susceptible d'affect-er le fonctionnement du dispositif 10 en provoquant des déclenchements intempestifs, notamment lorsque le seuil de déclenchement est inférieur à 30 mA. Selon l'invention, le dispositif 22 de traitement du signal délivré par le circuit de mesure 21 est agencé pour pallier les dérives en température, et comporte à cet effet deux voies 28, 30 distinctes de discrimination et d'identification des défauts phase terre alternatif et/ou continu. Les deux voies 28, 30 de discrimination de la nature du défaut présentent un point commun 32 de raccordement au générateur C (fig. 1) ou à l'amplificateur 24 (fig. 2), et sont branchées par leurs extrémités opposées à un organe de commutation 34 de commande du relais 16. L'organe de commutation 34 est formé notamment par une porte logique OU ou par tout autre opérateur logique ou analogique susceptible de délivrer un ordre de déclenchement au relais 16 après dépassement du seuil de déclenchement sur l'une quelconque des voies 23, 30. La première voie 28 sert à la détection d'un défaut phase terre alternatif et comprend essentiellement un circuit démodulateur 36 coopérant avec un circuit 38 de blocage de la composante continue. Le signal de sortie du circuit 38 est amplifié dans un amplificateur 40 et appliqué à un comparateur 42 dont la tension de référence Vî fixe le seuil de déclenchement. La sortie du comparateur 42 est connectée à l'une des entrées de l'organe de commutation 34. La deuxième voie 30 sert à la détection d'un défaut phase terre continu ou à composante continue ou redressé, et comporte un circuit redresseur 44 en série avec un circuit intégrateur 46. Le signal de sortie du circuit 46 est comparé en fonction de la polarité cu signal de défaut continu à deux tensions de référence V2, V3 de deux comparateurs 48, 50. La scrtie des comparateurs 48, 50 est reliée à l'autre entrée de l'organe de commutation 34. Le fonctionnement du dispositif 10 de protection différentielle selon l'invention est le suivant En absence de défaut phase terre continu ou alternatif, l'amplitude V du signal sinusoïdal HF du générateur G reste sensiblement constante (fig. 3A) pour une température donnée. Sur la voie 28 apparat un signal zéro à la sortie du démodulateur 36 qui élimine le signal HF. Le redresseur 44 et l'intégrateur 46 de la voie 30 transforment le signal HF en une tension continue dont l'amplitude est inférieure au seuil de déclenchement. Il en résulte le blocage de l'organe de commutation 34 et la désexcitation du relais 16 de déclenchement. En présence d'un défaut phase terre continu ou redressé, la perméabilité du matériau magnétique du tore 12 change, et provoque une variation de la tension V du signal HF du générateur G due à la modification de l'impédance de l'en roulement secondaire 14 (fig. 38). La fréquence du signal HF reste sensiblement constante, et la variation de la tension V est soit positive, soit négative en fonction de la polarité du courant continu traversant le tore 12. Le signal continu obtenu sur la voie 30 à la sortie du circuit intégrateur 46 varie également (fig. 3D). En cas de dépassement de la tension de référence V2 (variation positive du signal continu) ou V3 (variation négative) le com orateur 48, 50 sollicité délivre un signal de déblocage à l'organe de commutation 34.Il en résulte l'excitation du relais 16 de déclenchement et l'ouverture du disjoncteur 20. La voie 28 est insensible à ce type de défaut, car le démodulateur 36 élimine le signal HF modifié. Lors de l'apparition d'un défaut phase terre alternatif, le signal HF de fréquence F délivré par le générateur G est modulé en amplitude par le signal de défaut SI de fréquence f (voir fig. 3E). Le taux-de modulation dépend de l'amplitude du signal BF. A la sortie du circuit démodulateur 36 de la voie 28, la porteuse HF est éliminée, et le signal de défaut BF se trouve superposé à une composante continue (fig. 3F). Le circuit de blocage 38 supprime ensuite cette composante continue (voir fig. 3C), et le signal BF sinu soldat restant est comparé après amplification dans le circuit 40 à la tension de référence V1 du comparateur 42 côr- respondant au seuil de déclenchement, fixé par exemple à 10 mA.En cas de dépassement du seuil, le comparateur 42 envoie un ordre de commande à l'organe de commutation 34 entratnant l'excitation du relais 16 de déclenchement et l'ouverture du disjoncteur 20. La dérive en température sur les deux voies 28, 30 se manifeste de la manière suivante La voie 30 de détection d'un défaut phase terre continu ou redressé tolère une désensibilisation du seuil de déclenchement en fonction d'une variation de température. Le seuil de déclenchement de l'autre voie 28 n'est prati quement pas affecté par la variation de ce paramètre. En effet, en l'absence de défaut alternatif, le démodulateur 36 délivre un signal nul malgré la variation d'amplitude A v correspondante du signal HF du générateur G. Un dé- clenchement intempestif est de ce fait impossible. En présence d'un défaut phase terre alternatif, seul le signal de défaut sinusoldal BF de fréquence f est pris en compte après élimination préalable de la porteuse HF et de la composante continue. Pour un défaut donné, l'amplitude Cu signal BF à la sortie du circuit 38 varie très peu avec la température. Chaque voie 28, 30 comprend de plus un organe de visualisation 52, 54 susceptible d'afficher l'émission de l'ordre de déclenchement en fonction de la nature du défaut. L'invention n'est bien entendu nullement limitée aux modes de mise en oeuvre plus particulièrement décrits et représentés aux dessins annexés, mais elle s'étend bien au contraire à toute variante restant dans le cadre des équivalences. Revendications 1. Dispositif de protection différentielle à haute sensibilité pour la détection d'un courant résidtiei dc fuite alternatif et/ou continu, et comportant - un trensformateur homopolaire différenticl ayant un noyau magnétique à tore (12) unique traversé pr les conducteurs (N,L,) actifs du réseau à protéger, - un enroulement secondaire (14) bobiné sur le tore (12) et destiné à recueillir le signal de défaut, - un générateur (G) formé par un oscillateur délivrant un signal périodique à haute fréquence (HF) de valeur (F) supérieure à la fréquence (f) du réseau, ledit oscillateur coopérant avec le transformateur différenticl pour constituer un circuit de mesure (21) agencé pour engtXndrer une variation du signal d'oscillation en présence du courant de défaut, - un dispositif électronique de traitement (22) du signal délivré par le circuit de mesure (21), - et un relais de déclenchement (16) piloté par le dispositif de traitement (22) après dépassement d'un seuil de déclenchement prédéterminé, caractérisé en ce que le dispositif électronique de traitement (22) comprend deux voies (28, 30) distinctes de discrimination de la nature du courant de défaut, la première voie (28) servant à la détection d'un défaut phase terre alt-ernatif de fréquence (f), étant dotée d'un circuit démodulateur (36) susceptible d'éliminer la porteuse (HF) du signal modulé délivré par le circuit de mesure (21), la deuxième voie (30) de détection d'un défaut phase terre continu'ou à composante continue comportant un circuit redresseur (44) connecté en série avec un circuit intégrateur (46). 2. Dispositif de protection différentielle selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit démodulateur (36) de la première vote (28) est raccordé à un circuit de blocage (38) de la composante continue, l'ensemble étant agencé pour conserver le signal (BF) modulant currespondant au signal de défaut. 3. Dispositif de protection différentielle selon la revendication 2, caractérisé en ce que le seuil de déclenchement de la première voie (28) est fixé par une tension de référence (V1), appliquée à l'une des entrées d'un comparateur (42), ledit signal (BF) de fréquence (f) étant irjecté après amplification dans l'autre entrée. 4. Dispositif de protection différentielle selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le signal de sortie du circuit intégrateur (46) de la deuxième voie (30) varie en fonction de la polarité du défaut continu, et est comparé aux tensions de référence (V2, V3) de deux comparateurs.(48, 50). 5. Dispositif de protection différentielle selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le comparateur (42) de la première voie (28) et les comparateurs (48, 50) de la deuxième voie (30) coopèrent avec un organe de commutation (34) commun destiné à envoyer un ordre de déclenchement au relais (16) après dépassement du seuil de déclenchurent sur l'une quelconque des voies (28, 30). 6. Dispositif de protecticn différentielle selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque voie (28, 30) du dispositif de traitement (22) comprend de plus un organe de visualisation (52, 54) susceptible d'afficher l'émission de l'ordre de déclenchement en fonction de la nature du défaut.