Brevet FR2550024A1 — publié le 19850201

Dispositi-f de protection à surintensité de courant L'invention a pour objet un dispositif de protection ampèremétrique sélectif à surintensité de courant, destiné à fonctionner en courant alternatif, et elle trouve une application particulièrement importante constituée par la protection des installations à très haute tension (notamment à la tension de 400 k V du réseau national français) contre les court-circuits. L'un des inconvénients des dispositifs de protection 10 existants est qu'ils risquent d'être sollicités aussi bien par l'appel de courant magnétisant intense en régime transitoire lors de la mise en tension de grosses machines, notamment de transformateurs de grande puissance, que par un courant de court-circuit En conséquence, ces dispositifs 15 existants entraînent des déclenchements intempestifs à la mise sous tension des transformateurs si l'on recherche un niveau de protection relativement bas, c'est-à-dire correspondant à un courant de courtcircuit faible Ces déclenchements intempestifs imposent aux transformateurs des contraintes supplémentaires du fait d'un nombre de mises sous tension supérieur à la normale et provoquent une usure prématurée des disjoncteurs de protection, du fait des manoeuvres inutiles. L'invention vise à fournir un dispositif de protec25 tion sélectif, effectuant une discrimination rapide entre les deux types de courants susceptibles d'apparaître et, par voie de conséquence, permettant d'adopter un niveau bas de protection sans risque de nombreux déclenchements intempestifs. Pour atteindre ce résultat, l'invention utilise le fait que les courants magnétisants en régime transitoire présentent une variation en fonction du temps très diff 6rente de l'allure des courants de court-circuit en régimes permanent et transitoire Comme le montre I&Figure 1, la courbe représentative de l'intensité d'un courant magnétisant en régime transitoire, en fonction du temps t, se compose d'alternances d'amplitude élevée séparées par des alternances de signe opposé, pratiquement nulles L'enveloppe des sommets des alternances décroît et tend vers zéro lorsqu'on se rapproche du régime permanent. Au contraire, le courant de court-circuit en régime établi (Figure 2) correspond à une fonction sinusofdale,. de sorte que l'on retrouve la même amplitude, en valeur absolue, à intervalles T/2 (T étant la période, de 20 ms dans le cas d'un courant alternatif à 50 Hz). Le problème est toutefois beaucoup moins simple qu'il n'apparaît au premier abord, car il peut y avoir établissement du courant de courtcircuit avec un régime transitoire L'asymétrie maximum correspond à une variation du courant en fonction du temps de la forme: I = Im Sin (wt X) + exp ( t)1 ( 1) Le second terme n'est important qu'à l'enclenchement du courant La fonction devient assimilable à celle représentant le courant de défaut en régime établi dès que t dépasse 5 environ (Figure 3). A priori, il pouvait sembler que la possible exis20 tence d'un régime totalement asymétrique lors de l'enclenchement écartait la possibilité de discrimination basée sur la différence d'allure des courants de courtcircuit en régime permanent et du courant magnétisant Un dispositif de protection suivant l'invention, permettant d'assurer une 25 bonne discrimination en dépit de la possibilité d'une telle situation, comprend un redresseur à deux alternances, des moyens pour comparer le courant redressé et une valeur de seuil et pour effectuer, en cas de dépassement, une nouvelle comparaison au bout d'un temps égal à 1/2 T+a T (T étant la 30 période nominale du courant alternatif et AT une fraction de T de l'ordre du dixième) après le dépassement et des moyens de déclenchement du dispositif en cas de renouvellement du dépassement lors de la nouvelle comparaison. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la 35 description qui suit d'un dispositif qui en constitue un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: les Figures 1, 2 et 3, déjà mentionnées, sont des courbes représentatives de l'allure de la variation du courant magnétisant en régime transitoire, du courant de courtcircuit en régime permanent et du courant de court-circuit en régime asymétrique lors de l'enclenchement; la Figure 4 est un synoptique de principe du dispo10 sitif; la Figure 5 est un schéma montrant une constitution possible des blocs du synoptique de la Figure 4; les Figures 6 sont des schémas du détecteur et des temporisateurs de la Figure 5; les Figures 7, 8 et 9 sont des chronogrammes montrant l'évolution en fonction du temps des tensions qui apparaissent aux points identifiés par les chiffres 1 à 10 sur les Figures 4, 5 et 6, respectivement en cas de détection d'un courant magnétisant en-régime transitoire, d'un courant de court-circuit en régime permanent et d'un courant de court-circuit en régime asymétrique. Avant de décrire le dispositif, on rappellera son principe de fonctionnement en se reportant à la Figure 2 Le dispositif détecte, à l'instant t 0, le dépassement de la valeur de seuil ou de consigne S par l'intensité du courant. Cet instant t O marque le début d'une temporisation 1/2 (T+ AT), T étant la période nominale et AT un intervalle de temps qui sera habituellement choisi à une valeur égale à 10 % environ de la période Dans ces conditions, la durée de la tempori30 sation sera de 11 ms pour un réseau à 50 Hz o, en régime établi, on retrouve la même amplitude en valeur absolue toutes les 10 ms Dans le cas d'un courant de court-circuit du genre montré en Figure 2, o les alternances sont symétriques, on se trouve dans des conditions idéales d'enclen35 chement et le dispositif fonctionnera 11 ms après avoir détecté un premier dépassement du seuil. Si le rapport entre le courant de défaut et la va- leur efficace du courant de seuil est suffisamment élevé (> 2), le dispositif fonctionne aussi rapidement Par contre, si ce rapport est inférieur à 2, son fonctionnement pourra être retardé de quelques périodes et dépendra aussi de la 5 constante de temps de l'installation (un L/R faible entraîne un fonctionnement plus rapide Dans la pratique, on constate que l'allongement du temps de réponse ne devient notable que lorsque la valeur efficace du courant de défaut est très peu supérieure à la valeur de seuil, ce qui repré10 sente un inconvénient mineur, le niveau de protection étant bas Dès que le rapport entre la valeur efficace du courant de défaut et la valeur efficace du courant de seuil dépasse 1,5, le temps de réponse redescend à une valeur de l'ordre de 15 ms pour un courant à 50 Hz. Le dispositif montré en Figure 4 sous forme de synoptique et dont un mode de réalisation, constitué en éléments statiques alimentés en tensions de + 15 V et -15 V, est donné en Figure 5, comporte un élément d'entréeconstitué par un circuit de détection et de redressement 12 qui reçoit 20 un courant d'entrée d'un transformateur de courant monté sur la ligne à surveiller Ce détecteur 12 comporte un amplificateur opérationnel 13 monté en différentiel et prévu pour fournir yn signal de sortie pendant les intervalles de temps o le courant dans la ligne à surveiller dépasse une 25 valeur de seuil ajustable à l'aide d'un potentiomètre 14 (Figure 6 A) Le seuil de tension choisi sera généralement très faible, typiquement compris entre O et 1 V En conséquence, le circuit de redressement associé doit être suffisamment élaboré pour que la tension directe des diodes 30 redresseuses n'introduise pas d'erreur. On peut en particulier utiliser le montage montré en Figure 6 A, à deuxbranches comprenant chacune une diode 16. Le circuit 12 redresseur et détecteur attaque un 35 circuit de détection complémenté sous forme logique 18. fournissant alternativement une tension de sortie nulle ou égale à la tension d'alimentation (+ 15 V dans le cas illustré), mais complémentaire Un circuit inverseur 20 situé à la sortie, comportant comme le précédent un transistor alternativement bloqué et saturé, permet de fournir sur sa sortie un signal logique de polarité adaptée à l'attaque d'un circuit mémoire 22 Ce circuit est encore réalisé à l'aide de transistors travaillant alternativement au blocage et à la saturation, par exemple des transistors NPN de type 2 N 2221 A montés en bascule Cette mémoire de verrouillage 22 attaque à son tour un temporisateur 24 de durée 1/2 T +a T Ce temporisateur 24 peut avoir la constitution montrée en Figure 6 B et comporter un transis10 tor 18 qui, selon qu'il est conducteur ou bloqué, courtcircuite le condensateur 20 ou permet sa charge à courant constant par l'intermédiaire d'un second transistor 22. Pour avoir par exemple une tension de 4 V aux bornes du condensateur 20, on adoptera une résistance 24 dans le circuit de charge, de 120 k Ohm Un potentiomètre 26 sera généralement placé dans le circuit de décharge du condensateur 20, pour éviter l'oscillation de transfert des charges 'L'amplificateur opérationnel de sortie 30, ayant une tension Zener de 5,1 V-par exemple, passe de l'état 20 -15 V à l'état + 15 V dès que la tension aux bornes du condensateur 20 prend une Valeur supérieure à une tension de référence ajustable à l'aide d'un potentiomètre 32. Le temporisateur 24 et le détecteur 20 attaquent un circuit ET 34 constitué par deux montages similaires à 25 ceux adoptés pour les circuits 18 et 20 Le transistor 36 de sortie de ce circuit ET est alternativement bloqué et saturé La sortie du circuit ET 36 est ramenée par un conducteur 38 à l'entrée de remise à zéro de la mémoire 22. La partie du dispositif constituée des circuits 20, 22, 30 24 et 34 peut être regardée comme destinée à assurer la discrimination Le relais électromagnétique de sortie 40 destiné à effectuer le déclenchement est commandé par une seconde branche qui comprend un circuit de temporisation d'entrée 42 identique au circuit 24 mais avec une temporisation T/2, et 35 d'un circuit de test 44 formé par un circuit ET ayant la même constitution que le circuit 34 Ce circuit ET 44 reçoit le signal direct provenant du circuit 18, avant temporisation, par un conducteur 46, et le signal de sortie du temporisateur 24, par un conducteur 50 Le circuit temporisé 42 a pour rôle de commander la remise à zéro d'une mémoire 52, identique à la mémoire 22, par un conducteur 54 Enfin, la sortie de la mémoire attaque le relais 40 par l'intermédiaire d'un transistor de commutation 56. Le fonctionnement du dispositif lors d'un courant de court-circuit en régime permanent, c'est-à-dire dans 10 le cas le plus favorable, est illustré sur la Figure 8. Les lignes situées de part et d'autre de l'origine de la trace déterminent le point de consigne de la protection. A l'instant t O o le courant dépasse pour la première fois le seuil s, il y a inversion des sorties des détecteurs 18 et 20 (lignes 1 et 2) Le changement de niveau logique au point 2 s'inscrit en mémoire 22 à l'instant to (ligne 3) Le changement de niveau à la sortie de la mémoire 3 provoque la charge à courant constant du condensateur 20 du temporisateur 24, dont le seuil de basculement est choisi pour correspondre à une durée de temporisation 1/2 T+ a T = 11 ms En conséquence, la sortie du temporisateur 24 change de niveau logique à l'instant to+'11 ms Entre temps, la sortie des circuits 18 et 20 est revenue dans son état initial pendant le laps 25 de temps au cours duquel la valeur du courant est inférieure au seuil, puis s'est à nouveau inversée, de sorte qu'à aucun moment la porte ET 34 n'a vu ses deux entrées excitées Elle ne fournit donc pas de sortie de retour à zéro sur la ligne 38. Parallèlement, le temporisateur 42, de durée T/2 = ms s'est trouvé mis en route à l'instant t O Mais la durée de charge du condensateur 20 de ce circuit 42 se limite à l'intervalle de temps pendant lequel le courant est inférieur au seuil (ligne 7) En conséquence, le cir35 cuit 42 ne peut à aucun moment fournir un signal de remise à zéro à la mémoire 52 et il en sera de même lors des alternances suivantes A la première alternance qui suit celle au cours de laquelle le courant a dépassé le seuil, -7 à l'instant t 01 ol/2 T + a T, le circuit ET 44 reçoit des signaux sur ses deux entrées, en provenance des points 1 et 5 (ligne 9) et excite le relais 40 Le déclenchement intervient et est maintenu jusqu'à l'élimination du défaut +T/2. Dans le cas, au contraire, d'un courant magnétisant en régime transitoire, ayant l'allure montrée sur la ligne du haut de la Figure 7, il y a remise à zéro de la mémoire 22 à l'instant to+l/2 T+ a T, comme le montre la ligne 3, à l'apparition d'une impulsion de sortie du circuit ET 34 (ligne 6). 10 A aucun moment il n'y a inscription dans la mémoire 52, le circuti ET 44 ne fournissant pas de sortie (ligne 9) du fait que ses deux entrées ne sont jamais simultanément excitées. En effet, un signal de détection n'apparaît à la sortie du détecteur (ligne 1) qu'à chaque alternance de courant magné15 tisant et le signal de sortie du temporisateur 24 (ligne 5) n'apparaît qu'après la fin de cette alternance. Enfin, en cas de courant de court-circuit en régime asymétrique, on voit que, même pour une forte asymétrie, il y a encore inscription en mémoire 52 sans remise à zéro même 20 pour une forte composante de courant magnétisant. REVENDICATIONS 1 Dispositif de protection ampèremétrique sélectif à surintensité de courant, destiné à fonctionner en courant alternatif, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de redressement de-l'alternance, des moyens pour comparer le courant redressé et une valeur de seuil (s) et pour effectuer, en cas de dépassement, une nouvelle comparaison au bout d'un temps égal à 1/2 r +a T, T étant la période nominale du courant alternatif et a T une fraction de T de l'ordre du 10 dixième, après le dépassement, et des moyens de déclenchement du dispositif en cas de renouvellement du dépassement lors de la nouvelle comparaison. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour effectuer une nouvelle comparaison 15 comprennent une mémoire ( 22) d'inscription du dépassement, un temporisateur ( 24) de durée égale à 1/2 T+ AT relié à la sortie de la mémoire, et un circuit ET dont la sortie est reliée à une entrée de remise à zéro de la mémoire ( 22) et les entrées reçoivent l'une un signal en cas de dépasse20 ment et, l'autre, un signai de sortie du temporisateur. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de déclenchement comprennent un second temporisateur ( 42) de durée approximativement égale à T/2, qui reçoit le signal représentatif de chaque dépassement 25 et dont la sortie est reliée à l'entrée de remise à zéro d'une seconde mémoire ( 52) dont l'entrée d'inscription reçoit le signal de sortie d'un circuit de test ( 44) appartenant aux moyens pour effectuer une nouvelle comparaison au bout du temps égal à 1/2 T +a T 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit de test est constitué par un second circuit ET ( 44) dont une entrée reçoit le circuit qui est également appliqué à l'entrée du second temporisateur ( 42) et dont la seconde entrée reçoit le signal de sortie du 35 premier temporisateur, de durée 1/2 T +A T. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif est constitué en composants statiques, à transistors fonction- 2550 02 ' 9 nant alternativement à l'état bloqué et à l'état saturé.