Brevet FR2545999A1 — publié le 19841116

DISPOSITIF DE PROTECTION CONTRE LES SURTENSIONS POUR UNE INSTALLATION OU UN RESEAU ELECTRIQUE A BASSE TENSION. L'invention concerne un dispositif de protection contre les surtensions d'origine externe ou interne engendrées dans une installation électrique basse tension ou dans un réscau de distribution comprenant un conducteur de neutre N et au moins un conducteur de phase L, ledit dispositif étant en liaison avec la terre et comportant: un limiteur de surtension à éléments non linéaires varia- bles avec la tension, un appareil de coupure à mécaniqme d'actionnement de con- tacts disposés électriquement en série avec le limiteur, et un déclencheur coopérant avec le mécanisme pour com- mander la mise hors service du dispositif de protection par ouverture automatique des contacts de l'appareil de coupure suite à un état défectueux des éléments du limiteur. L'utilisation de plus en plus importante de récepteurs con- tenant des semi-conducteurs (téléviseurs, chaînes HIFI, mini- informatique, etc) oblige de plus en plus les utilisa- teurs à se protéger contre les surtensions véhiculées par le réseau d'alimentation électrique Ces surtensions provo- quées soit par des décharges atmosphériques, soit par des manoeuvres peuvent atteindre plusieurs KV entre les conduc- teurs actifs du réseau et la terre. Si on admet que la tenue diélectrique de l'appareillage électrotechnique est de l'ordre de 3 000 volts alors que celle des appareils électroniques est de l'ordre de 1 500 volts, il y a donc un risque de détérioration. Le principe du dispositif de protection consiste à écrêter les montées de potentiel en provoquant un écoulement de courant à la terre au moyen des éléments non linéaires du limiteur de surtension Un tel dispositif connu est décrit dans la demande de brevet européen NO 46 545, dans laquelle l'état du limiteur de surtension est surveillé par un appa- reil de coupure à déclencheur magnétothermique Les diffé- rents éléments non linéaires variables avec la tension du limiteur de surtension, notamment éclateur à gaz, varis- tance à l'oxyde de zinc ou au carbure de silicium, diode à avalanche contrôlée, peuvent présenter deux états après leur destruction: mise en court-circuit suite à une surcharge brève mais élevée dans le cas o aucune tension ne reste appliquée aux bornes; destruction avec coupure de la jonction dans le cas o une tension reste appliquée aux bornes après la mise en court-circuit. A partir de cette constatation, les éléments placés entre le neutre et la terre dans le cas d'un réseau de distribu- tion en régime TT, risquent de se mettre en court-circuit après l'écoulement d'une décharge énergétique à la terre. Un tel défaut entre le neutre et la terre ne sera pas dé- tecté ou éliminé avec le dispositif de l'art antérieur et il peut en résulter des risques pour l'installation, à savoir: un défaut permanent d'isolement entre le secteur et la terre, un aveuglement des dispositifs de protection différentielle placés en amont. Le but de l'invention consiste à éviter les inconvénients précités et à permettre la réalisation d'un dispositif fia- ble présentant une structure simplifiée capable de signaler l'état de la protection et d'assurer une triple limitation des surtensions entre neutre et phase, entre neutre et terre et entre phase et terre, indépendamment du régime de neutre du réseau. Selon l'invention, le dispositif de protection est formé par un couplage en étoile d'un premier circuit de phase connecté entre le point commun de l'étoile et le conducteur de phase, d'un deuxième circuit de neutre branché entre le point com- mun et le conducteur de neutre et d'un troisième circuit de terre relié entre le point commun et la terre, chaque cir- cuit comprenant respectivement un élément non linéaire de limitation, notamment une varistance dont la tension nomi_ nale est voisine de la moitié de la valeur de la tension présente entre les conducteurs de phase et de neutre du réseau, et que le déclencheur du mécanisme est inséré dans le premier circuit de phase. On remarque que le deuxième circuit de neutre et le troi- sième circuit de terre sont dépourvus de déclencheurs La mise en court-circuit d'un quelconque élément non linéaire provoque une destruction en chalne de l'ensemble des élé- ments, suivie d'une augmentation importante du courant dé- tecté par le déclencheur du premier circuit de phase Pour un réseau monophasé, un seul déclencheur est ainsi néces- saire pour surveiller l'état de l'ensemble des éléments non linéaires du limiteur de surtension L'appareil de coupure bipolaire comporte des contacts séparables dans chaque cir- cuit de phase et de neutre La varistance du troisième cir- cuit de terre est connectée directement entre le point com- mun de l'étoile et la terre. Le déclencheur du premier circuit de phase est agencé pour se trouver soit dans un état inactif lors du fonctionnement normal du dispositif de protection correspondant à la posi- tion de fermeture de l'appareil de coupure, soit dans un état actif de déclenchement lors de la mise en court-cir- cuit d'un quelconque élément des circuits du limiteur en- tramnant l'ouverture de l'appareil Le déclencheur peut être constitué soit par un organe de déclenchement électromagné- tique à bobine d'excitation d'un circuit magnétique à arma- ture mobile, soit par un organe de dérlenchenent thermique à bilame. Le dispositif est équipé en plus d'organes de signalisation locale ou à distance de l'état de la protection selon la position d'ouverture ou de fermeture de l'appareil de coupure. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de l'exposé qui va suivre de deux modes de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre d'exemples et re- présentés au dessin annexé, dans lequel: la figure 1 montre le schéma électrique d'un dispositif, de protection selon l'invention, associé à un réseau monophasé à régime de neutre TT, la figure 2 représente le dispositif de la figure 1 avec signalisation locale et à distance de l'état de la protection. Sur la figure 1 est représenté un module 10 de protection contre les surtensions d'origine externe ou interne, et destiné à être utilisé en tête d'installation ou dans un réseau de distribution électrique à basse tension. Le réseau monophasé à régime de neutre TT comprend un conducteur actif de phase L et un conducteur de neutre N mis au potentiel de la terre. Le module 10 bipolaire renferme un limiteur de surtension 12 surveillé par un dispositif de coupure 14 à mécanisme 16 piloté par un déclencheur 18 électromagnétique ou thermique Le bottier 20 isolant du module 10 comporte trois bornes 22, 24, 26 de connexion raccordées res- pectivement aux conducteurs de phase L, de neutre N et à la terre T pour assurer un montage en parallèle du module 10 entre le réseau et la terre T. Le limiteur de surtension 12 du module 10 est équipé de trois varistances 28, 30, 32 connectées, électriquement en étoile à point commun 34 de manière à autoriser une triple limitation des surtensions entre neutre et phase, entre neutre et terre et entre phase et terre La varis- tance 32 inférieure est reliée à la borne 26 de raccor- dement à la terre T, et la varistance 30 est branchée directement à l'un 36 a des contacts mobiles du dispositif de coupure 14 bipolaire La troisième varistance 28 est connectée au déclencheur 18 en série avec l'autre contact mobile 38 a du dispositif 14 Les deux contacts fixes 36 b 38 b coopérant avec les contacts mobiles 36 a, 38 a du dispositif de coupure 14 sont en liaison électrique avec les bornes 24 et 22 de connexion du module 10 aux conducteurs de neutre N et dephase L duréseau mono- phasé Les varistances du type à oxyde de zinc ou de titane peuvent être remplacées par tout autre élément de limitation non linéaire variable avec la tension notamment un circuit série comprenant un éclateur à gaz et une varistance, ou une diode à avalanche contrô- lée. L'appareil de coupure 14 bipolaire est formé par un disjoncteur miniature ou par un relais dont le méca- nisme 16 est solidaire des contacts mobiles 36 a, 38 a. Le déclencheur 18 est de préférence électromagnétique à bobine de commande unique destinée à provoquer le déclenchement rapide du mécanisme 16 en cas de destruc- tion ou de mise en court-circuit des varistances. Le déclenchement 18 peut être du type extracteur à armature mobile dont l'un des bouts coopère avec les contacts mobiles 36 a, 38 a et dont l'autre bout action- ne le mécanisme 16. Le déclencheur 18 électromagnétique peut également être remplacé par un déclencheur thermique à bilame, ou par tout autre élément de déclenchement. La tension nominale de chaque varistance 28, 30, 32 est légèrement supérieure à la moitié de la valeur de la tension présente entre les conducteurs L et N du réseau I protéger Pour un réseau monophasé à 220 volts, la tension nominale de chaque varistance sera de l'ordre de 130 volts On remarque que le module 10 de protection contre les surtensions d'un réseau monophasé est constitué par un couplage en étoile de trois circuits comprenant un premier circuit Cl de phase connecté entre le point commun 34 de l'étoile et la borne 22, et formé par la liaison en série de la varistance 32, du déclen- cheur 18 et du contact mobile 38 a, un deuxième circuit C 2 de neutre branché entre le point 34 et la borne 24 et comportant la varistance 30 en série avec le contact mobile 36 a, et un troisième circuit C 3 de terre doté de l'unique varistance 32 reliée entre le point 34 et la borne 26. Le fonctionnement du module 10 de protection contre les surtensions selon la Figure 1 est le suivant: L'association en série deux à deux des trois varistances 28, 30, 32 permet d'écrêter les surtensions entre: le neutre N et la phase L du réseau par la mise en série des deuxième et premier circuits C 2, Cl, le neutre N du réseau et la terre T par la mise en série des deuxième et troisième circuits C 2, C 3, entre la phase L du réseau et la terre T par la mise en série des premier et troisième circuits Cl, C 3. En fonctionnement normal du module 10 les contacts mo- biles 36 a, 38 a de l'appareil 14 se trouvent en position de fermeture, car le déclencheur 18 reste inactif lors de décharges brèves à la terre La capacité d'absorption des surtensions est très efficace grâce à la mise en série de deux varistances pour chaque type de défaut. En cas de mise en court-circuit d'une varistance par exemple 30, due au vieillissement du module 10 ou à des décharges importantes et répétées, la surcharge appliquée sur l'autre varistance entraine une destruction en chalne des deux autres varistances Il en résulte une augmentation importante du courant traversant le module 10, et la réaction instantanée du déclencheur 18 qui provoque l'ouverture rapide de l'appareil de coupure 14 et la mise hors service du module 10 coupé électriquement du réseau. Cette disposition permet d'utiliser un seul déclencheur 18 inséré dans le premier circuit de phase Cl du module 10 et de détecter la destruction de tous les éléments de limita- tion. La commande du mécanisme est inaccessible ce qui permet d'avoir une visualisation efficace de l'état du limiteur de tension. La détection de la mise en court-circuit des varistances 28, 30, 32 est complétée par un dispositif de signalisation locable ou à distance de l'état de la protection La figure 2 représente un module 100 bipolaire équipé du déclencheur 18 selon le dispositif de la figure 1, et d'éléments addi- tionnels de signalisation et de commande Les mêmes numéros de repères seront utilisés pour désigner des pièces iden- tiques utilisées dans le dispositif de la figure 1 Le mé- canisme 16 peut être équipé d'un témoin 40 de visualisation à deux positions stables O et T L'ouverture de l'appareil de coupure 14 suite à un court-circuit d'une varistance dé- tectée par le déclencheur 18 se traduit par l'apparition du voyant O du témoin 40 entraînant une signalisation méca- nique locale de la mise hors service du module 100. Un voyant 42 lumineux est connecté en série avec-une ré- sistance 44 entre les deux circuits CI et C 2, par exemple entre les deux varistances 28, 30 à l'opposé de leur point commun 34 de raccordement En position de ferme- ture des contacts 36 a, 38 a de l'appareil 14, le voyant 42 est allumé en indiquant par une signalisation lumi- neuse locale le fonctionnement normal du module 100. -L'extinction du voyant 42 par ouverture de l'appareil 14 signale la mise hors service du module 100. Le voyant 42 peut également être complété ou remplacé par un circuit 46 auxiliaire de signalisation lumineuse à distance de l'état de protection du module 100 Une com- mande 48 auxiliaire à distance peut être également action- née grâce à un circuit électrique 50 de commande piloté par un contact inverseur 52 solidaire du mécanisme 16. Le principe de limitation des surtensions utilisé dans les dispositifs des Figures 1 et 2 peut être étendu à des réseaux polyphasés: soit en intégrant les varistances dans un même boitter, chaque circuit de;phase du module ayant un déclencheur, soit en juxtaposant plusieurs modules bipolaires 10 ou 100 des Figures 1 ou 2 Cette dernière disposition appliquée à un réseau triphasé avec neutre permet de conserver un certain niveau de protection mên après la mise hors service d'un des 8 modules 10 ou 100. L'invention n'est bien entendu nullement limitée aux modes de mise en oeuvre plus particulièrement décrits et repré- sentés au dessin annexé, mais elle s'étend bien au contraire à toute variante restant dans le cadre des équivalences électrotechniques, notamment celle dans laquelle l'agen- cement du module 10 ou 100 du réseau monophasé à régime de neutre TT des Figures 1 et 2 serait appliqué à un autre réseau ayant un régime de neutre différent, par exemple TN ou IT. 9. REVENDICATIONS 1.Dispositif de protection contre les surtensions d'origine externe ou interne engendrées dans une installation élec- trique à basse tension ou dans un réseau de distribution comprenant un conducteur de neutre N et au moins un con- ducteur de phase L, ledit dispositif étant en liaison avec la terre et comportant: un limiteur 12 de surtension à éléments non linéaires variables avec la tension, un appareil de coupure 14 à mécanisme 16 d'actionnement de contacts 36 a, 38 a disposés électriquement en série avec le limiteur 12, et un déclencheur 18 coopérant avec le mécanisme 16 pour commander la mise hors service du dispositif de protection par ouverture automatique des contacts 36 a, 38 a de l'appareil de coupure 14 suite à un état dé- fectueux des éléments du limiteur 12, caractérisé par le fait que le dispositif de protection est formé par un couplage en étoile d'un premier circuit Cl de phase connecté entre le point commun 34 de l'étoile et le conducteur de phase L, d'un deuxième circuit C 2 de neu- tre branché entre le point 34 et le conducteur de neu- tre N et d'un troisième circuit C 3 de terre relié entre le point 34 et la terre T, chaque circuit Cl, C 2, C 3 comprenant respectivement un élément non linéaire 28, , 32 du limiteur 12 notamment une varistance dont la tension nominale est voisine de la moitié de la valeur de la tension présente entre les conducteurs de phase L et de neutre N du réseau, et que le déclen- cheur 18 du mécanisme 16 est inséré dans le premier circuit Cl de phase. 2.Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux circuits de phase Cl et de neutre C 2 comportent chacun un contact mobile 38 a, 36 a de l'appareil de coupure 14, en série avec l'élément 28, 30 non linéaire associé, et que l'élément 32 du troisième circuit C 3 est connecté directement entre le point commun 34 de l'étoile et la terre T. 3.Dispositif de protection selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par la fait que le déclencheur 18 du premier circuit CI de phase est agencé pour se trouver soit dans un état inactif lors du fonctionnement normal du dis- positif de protection correspondant à la position de fermeture de l'appareil de coupure 14, soit dans un état actif de déclenchement lors de la mise en court-circuit d'un quelconque élément 28, 30, 32 des circuits Cl, C 2, C 3 du limiteur 12 entraînant l'ouverture de l'appareil 14, sans possibilité de réenclenchement. 4 Dispositif de protection selon la revendication 3, carac- tirisé par le fait que le déclencheur 18 est formé par un organe de déclenchement électromagnétique équipé d'une armature mobile coopérant avec le mécanisme 16 et d'une bobine de commande intercallée entre le contact mobile 38 a et l'élément non linéaire 28 du premier circuit Cl. 5.Dispositif de protection selon la revendication 3, cara- térisé par le fait que le déclencheur 18 est constitué par un organe de déclenchement thermique à bilame. 6.Dispositif de protection selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le mécanisme 16 est doté d'un témoin 40 de visualisation à deux positions stables I et O correspondant respec- tivement à la fermeture et à l'ouverture de l'appareil de coupure 14, l'apparition du 0 du témoin 40 se tra- duisant par une signalisation mécanique locale de la mise hors service du dispositif. 7 Dispositif de protection selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par la fait qu'entre les deux cir- cuits Cl et C 2 est agencé un voyant 42 lumineux et/ou un circuit auxiliaire 46 destiné respectivement à la signalisation locale ou à distance de l'état du dis- positif de protection. 8 Dispositif de protection selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le mécanisme 16 coopère avec un contact 52 inverseur d'un circuit 50 d'une com- mande auxiliaire 48 à distance. 9 Dispositif de protection selon l'une des revendications 1 à 8, associé à un réseau de distribution monophasé à régime neutre TT, caractérisé par le fait que le limi- teur 12 à trois varistances 28, 30, 32 couplées en étoile est logé avec l'appareil de coupure 14 bipolaire dans un module 10, 100 commun comportant trois bornes 22, 24, 26 de connexion des circuits Cl, C 2 C 3 à la phase, au neutre et à la terre du réseaul'appareil de coupure 14 étant formé par un disjoncteur miniature ou un relais commandé par le déclencheur 18 unique du premier cir- cuit Cl de phase.