Brevet FR2554597A1 — publié le 19850510

La présente invention concerne tout d'abord un procédé de mesure d'un courant électrique alternatif, plus particulièrement dans le cadre de la protection d'installation* et équipements électriques. Il s'agit en fait de savoir quand un courant dépasse un seuil détermi- né, au-delà duquel ces installations et équipements seraient endommagés si ce courant de défaut se prolongeait, pour agir par exemple sur un disjoncteur et corriger le défaut. Le problème est d'ailleurs posé pour une grande plage de valeurs de courant. On connait déjà, pour résoudre ce problème, les relais à temps dépendant, qui assurent un déclenchement au bout d'un temps t, dépendant de l'inverse de la valeur du cou- rant I mesuré, selon *ne fonction normalisée et prédéter- minée. On conçoit donc que si la valeur mesurée n'est pas bonne, le déclenchement ne peut pas avoir lieu à un bon moment. En réalité la mesure d'un courant s'effectue à la sor- tie d'un réducteur de courant, un transformateurassurant une fonction d'isolation galvanique ainsi que, dans le cas de courants forts sous haute tension ou très haute tension, une fonction d'abaissement au secondaire du courant à une valeur réduite normalisée. La figure 1 annexée illustre un courant alternatif de défaut tel qu'il peut exister dans les installations élec- triques; elle représente plus précisément la courbe de la variation dans le temps de l'amplitude du courant. Le cou- rant normal 1N, avant défaut, a une amplitude crête AN, le courant de défaut ID, une amplitude crête AD, le courant de défaut établi ID n'apparaissant qu'après un courant de défaut transitoire apériodique IT. Il est un fait que l'amplitude maximale AM de la première crête du courant IT qui suit l'apparition du défaut est au plus égale à 2AD, AM dépendant de l'instant d'apparition du défaut. Pour mesurer un courant, on a jusqu'ici proposé de mesurer soit sa valeur efficace, soit sa valeur moyenne, soit sa valeur crête. Quand on effectue la mesure de la valeur efficace, on peut se heurter, en cas de défaut violent, à l'inconvé- nient de la saturation du réducteur de courant qui conduit & une valeur mesurée erronée. Et dans ce cas, le déclen- chement du relais à temps dépendant intervient donc à un mauvais moment. Il en est d'ailleurs de même si c'est la valeur moyenne qu'on mesure. Quand on mesure la valeur crête, on peut aussi se heurter à un inconvénient, mais d'une autre nature, sans parler de celui des harmoniques qui peut être résolu de façon satisfaisante par filtrage. Ce dernier inconvénient provient du courant transi- toire IT. En effet, si on mesure l'amplitude A de la première crête de IT suivant l'apparition du défaut, on risque de considérer A comme l'amplitude AD des alternan- ces du courant de défaut ID. Alors, on tiendrait compte d'un courant de défaut plus élevé qu'il ne serait en réalité, et l'intervention s'effectuerait trop tôt ce qui serait néfaste pour la cascade de relais & déclenchement sélectif. La présente invention vise donc à pallier ces incon- vénients. A cet effet, la présente invention concerne un procé- dé de mesure d'un courant électrique alternatif, caracté- risé par le fait qu'on redresse ce courant, on détermine l'amplitude crête des alternances d'au moins une paire d'alternances consécutives et on détermine la demi-somme des amplitudes crête de ces alternances. La demanderesse a proposé son invention à la suite de la constatation --_ selon laquelle l'amplitude crête à crête du courant transitoire IT, non redressé, ne varie pas entre l'apparition du défaut et l'établissement du courant de défaut établi. Ainsi, et grâce au procédé de l'invention, on peut connaitre aussi rapidement que possible et sans erreur l'amplitude crête du courant de défaut établi, par exem- ple avec les deux premières alternances du courant transi- toire, amplitude crête qui déterminera l'intervention appropriée. En d'autres termes, le procédé de mesure de 1'inven- tion permet de connaître l'amplitude du courant de défaut établi ID avant que ce courant n'ait atteint son régime établi. Pour améliorer la précision ou suivre une éventuelle évolution du courant de défaut, on préférera déterminer la demi-somme des amplitudes crête de plusieurs paires consécutives d'alternances voisines. En réalité, et si le procédé de mesure de l'invention est intégré à un processus de protection d'installations électriques, la mesure des amplitudes erête des alternan- ces et la détermination des dites demi-sommes s'effectuent jusqu'à l'intervention protectrice. La présente invention concerne également un appareil de mesure d'un courant électrique alternatif permettant notamment de mettre en oeuvre le procédé de l'invention. Il s'agit donc d'un appareil de mesure d'un courant électrique alternatif, caractérisé par le fait qu'il com- porte des moyens pour redresser le courant, des moyens pour hacher le courant redressé et ne le laisser passer qu'aux moments des crêtes des alternances positives non redressées et des crêtes des alternances négatives redres- sées, respectivement, deux éléments de mémoire agencés pour recevoir successivement les amplitudes crête des alternances positives non redressées et des alternances négatives redressées, respectivement, et des moyens pour effectuer la demi-somme des deux signaux de sortie des éléments de mémoire. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la des- cription suivante de la forme de réalisation préférée de l'appareil de l'invention, ainsi que de son fonctionne- ment, en référence aux dessins annexes, sur lesquels: - la figure 1 illustre un courant alternatif de défaut qui suit un courant sain; - les figures 2A-2M illustrent les différentes éta- pes du procédé de l'invention; - la figure 3 représente schématiquement l'appareil de l'invention dans sa généralité, et - la figure 4 représente le schéma détaillé de l'ap- pareil de l'invention. On supposera qu'on veut, à la suite de l'apparition d'un défaut dans un courant alternatif 1, à l'instant O (fig. 2A), déterminer l'amplitude crête AD des alternances du courant de défaut en régime établi ID succédant à un courant transitoire IT, afin de commander une cascade de relais à déclenchement sélectif destinée à assurer la protection d'une installation électrique. Bien entendu, l'invention pourrait être appliquée à d'autres fins et dans d'autres domaines que celui des courants forts. Pour la mesure de cette amplitude, on procède de la manière suivante, étant ici rappelé que l'amplitude crite à crête du courant I ne varie pas dans l'intervalle T de temps [0, to],to, traduisant la constante de temps de la composante apériodique du courant, étant l'instant o le courant de défaut ID atteint son régime établi, et que cette amplitude crête à crête est donc égale à celle 2A du D courant établi. Abordons d'abord la détermination graphique. On redresse le courant I pour obtenir le courant re- dressé double alternance IR de la figure 2B, à l'aide d'un pont de diodes classique. On isole ensuite des alternances de la courbe I de la figure 2B les seules portions montantes, pour obte- nir la courbe d'impulsions IM de la figure 2C, reprodui- sant ces portions montantes précédées et suivies respec- tivement de fronts avant et arrière verticaux. La courbe IM est ensuite mise en forme pour obtenir la courbe IC en créneaux de la figure 2D, les créneaux M ayant la même largeur que les impulsions de la courbe IM. On transforme ensuite la courbe IC en la courbe IQ de la figure 2E, qui ne reprend que les fronts arrière O10 de la courbe IC alternativement inversés en fronts mon- tants et fronts descendants. On notera ici que cette transformation s'effectue à l'aide d'une bascule divi- seur par 2. Les impulsions des courbes IA et IB, des figures 2F et 2G sont ensuite obtenues, celles de la courbe IA à partir des fronts montants de IQ et celles de la courbe BQ I à partir des fronts descendants de IQ. Ceci étant exposé, abordons maintenant la structure générale représentée sur la figure 3 des moyens destinés à la détermination de l'amplitude crête des alternances du courant de défaut établi ID. Le courant redressé I est envoyé sur deux interrup- I/dans le cas considér. teurs analogiques 2 et 3, du type 1406i e U -a rq A et un circuit 1, qui sera décrit en détail plus loin, et A B qui délivre les deux signaux I et IB. Ces derniers com- mandent les deux interrupteurs 2 et 3, respectivement. En position fermée de ces interrupteurs, le courant IR arrive sur deux éléments de mémoire 4 et 5, respectivement par les interrupteurs 2 et 3. Avant de poursuivre, examinons la nature des signaux A B IA et IB. D'après le développement précédent, on constate que les impulsions IA apparaissent au moment des crêtes des alternances positives non redressées du courant I ou du courant IR et que les impulsions IB apparaissent au moment des crêtes des alternances négatives redressées du courant I. Les impulsions. et I fermant leurs inter- rupteurs respectifs 2 et 3, les crêtes des alternances positives du courant I et les crêtes des alternances né- gatives du courant I sont donc successivement conservées dans les deux éléments de mémoire 4 et 5 qui délivrent les signaux IP et I des figures 2H et 2J. P N Le niveau de ces signaux I ou I en escalier ou en paliers correspond donc à chaque instant, à ltamplitude crête de la dernière alternance positive ou négative redressée du courant I. Les amplitudes crête des alternances positives I sont envoyées sur un amplificateur opérationnel 6 adapta- teur d'impédances et celles des alternances négatives IN sur un autre amplificateur opérationnel 7 également adap- tateur d'impédances. Les résistances 8, 9 de même valeur, sont reliées, d'une part, aux sorties des amplificateurs 6, 7, respectivement, et, d'autre part, à l'entrée posi- tive d'un dernier amplificateur opérationnel 10, dont l'entrée négative est bouclée sur sa sortie, et qui déli- vre la demi-somme recherchée des amplitudes crête des al- ternances IS (figure 2L). Pour faciliter la compréhension, on a représenté sur la figure 2K, le signal Is représentatif de la somme elle-même. En résumé, et en ne considérant toujours que le seul moyen général, il comporte, outre les moyens pour redres- ser le courant, des moyens 1 - 3 pour hacher le courant redressé e et ne le laisser passer qu'aux moments des crêtes des alternances positives et des alternances néga- tives redressées, respectivement - le circuit 1 et les interrupteurs 2 et 3 - deux éléments de mémoire 4, 5 pour recevoir successivement les amplitudes crête des alter- nances positives IA et des alternances négatives redres- sées IB, respectivement, et des moyens 10 pour effec- tuer la demi-somme de deux signaux de sortie des mémoi- res 4, 5 La figure 4 représente l'appareil de l'invention dans ses particularités électroniques qui vont mainte- nant être décrites. Le courant dont l'amplitude crête des alternances est à déterminer est en fait le courant de sortie I d'un réducteur de courant 11, c'est-à-dire un transformateur, dont on n'a représenté que le secondaire. Le courant I est redressé double alternance par un pont de diodes classique 12, branché à la sortie du transformateur 11. Le courant de sortie IR du pont 12 est envoyé, d'une part, sur le circuit I qui délivre les deux signaux 1A et I, précédemment évoqués, et, d'autre part, par l'intermédiaire d'une résistance 13 de faible valeur, sur deux interrupteurs analogiques 3, 2, montés en parallèle. A propos de ces interrupteurs, de préférence du type 14066 BCL de la marque MOTOROLA, on notera qu'ils pourraient être remplacés par an seul commutateur. On retrouve, sur le circuit de la figure 4, à la sortie de la résistance 13, le circuit de la figure 3. C'est à la sortie de l'amplificateur 10 qu'on récupère s le signal I. On remarquera que dans la forme de réalisa- tion préférée représentée, les éléments de mémoire 4,5 sont des condensateurs. On va maintenant décrire, avec son fonctionnement, le circuit 1 élaborant les impulsions A et IB commandant les interrupteurs 2 et 3, permettant de hacher le courant redressé IR et de ne le laisser passer qu'aux moments des crêtes de ses alternances. La sortie du pont 12 est reliée à deux amplificateurs opérationnels 14 et 15 qui reçoivent donc chacun le cou- rant redressé I, le premier 14 sur son entrée positive, le second 15 sur son entrée négative. La sortie de l'amplificateur 14 est bouclée sur son entrée négative par l'intermédiaire d'une diode 16. La cathode de la diode 16 est reliée, par une résistance 17, de faible valeur, à un interrupteur analogique 18, du même type que les deux autres précédemment mentionnés, qui est comandé par le signal de sortie de l'amplifica- teur 15. Un condensateur 19 est branché aux bornes de l'interrupteur 18. Jusqu'à l'instant o les alternances du courant IR atteignent leur valeur crête, le signal sur 1'anode de la diode 16, qui est conductrice, est le même que le signal d'entrée de l'amplificateur 14. L'amplificateur 14 fonctionne alors en suiveur et charge le condensateur 19 & travers la résistance 17, jusqu'à la valeur crête de ces alternances. Quand l'ampli- tude de ces alternances décroit, le potentiel de la ca- thode de l'anode 16 devient supérieur à celui de son anode, à cause de la charge du condensateur 19, et la diode 16 se bloque, ce qui, grAce au bouclage de l'ampli- ficateur 14, fait passer cet amplificateur 14 à l'état de saturation négative. Les portions montantes des alternances du courant redressé e sont donc "recopiées" à la sortie de l'am- plificateur 14. Pour que toutes les portions montantes de ces alter- nances puissent être recopiées, il est nécessaire qu'entre ces portions montantes, le condensateur 19 soit remis à zéro, c'est-A-dire déchargé. Cette remise A zéro s'effec- tue par l'ensemble amplificateur 15 - interrupteur 18. L'entrée négative de l!amplificateur 15 reçoit donc le signal. On injecte sur l'entrée positive de l'amplifi- cateur 15 par l'intermédiaire d'un pont de résistances , 21,un signalé de très faible amplitude par rapport aux amplitudes crête de IR, 20 mV dans le cas considéré, qui est donc comparé au signal IR. A la sortie de l'am- plificateur 15 on obtient donc des créneaux très étroits (signal de la figure 2), qui apparaissent aux courts (signal Is de la figure 2M), qui apparaissent aux courts R instants de passage à zéro des alternances du courant I. En d'autres termes, l'amplificateur 15 bascule en positif aux courts instants de passage de l'amplitude de I en dessous de celle de ú. Le signal de sortie IT de l'ampli- ficateur 15 commande l'interrupteur 18 qui, comme il est monté en parallèle sur le condensateur 19, le décharge à ces instants. A la sortie de l'amplificateur 14, on obtient donc le signal I. Ce signal IM est ensuite mis en forme pour être c utilisable, sous la forme du signal I. A cet effet, le signal IM est envoyé sur l'entrée négative d'un autre amplificateur opérationnel 22, dont l'entrée positive est raccordée au condensateur 19. Quand la diode 16 est con- ductrice et que les portions montantes des alternances sont reproduites à la sortie de l'amplificateur 14, donc à l'entrée négative de l'amplificateur 22, la tension à cette entrée négative étant supérieure à celle de l'en- trée positive, déterminée par la charge du condensateur 19, l'amplificateur 22 est dans son état de saturation négative. Quand la diode 16 est bloquée, la sortie de l'amplificateur 22 est positive. L'amplificateur 22 déli- c vre donc, à sa sortie, le signal IC. Il est ensuite procédé à la séparation des crêtes des alternances positives non redressées et des alternan- ces négatives redressées. A cet effet, la sortie de l'am- plificateur 22 est reliée à l'entrée d'une bascule 23 qui divise par 2 le signal IC et délivre sur ses deux sorties les signaux IA et IB, qui sont appliqués respectivement aux deux interrupteurs 2 et 3. Les valeurs crête de IR, la valeur de la résistance 13 étant faible, sont ainsi alternativement et successi- vement mis en mémoire dans les condensateurs 4 et 5. Les amplificateurs opérationnels 6, 7, montés en suiveurs, recopient les tensions crête mémorisées aux bornes des condensateurs 4 et 5 tout en les conservant, chacune, pendant une alternance complète, y compris d'ailleurs pour des fréquences industrielles très basses. Pour le cas o le courant I disparaitrait, il est prévu des moyens de remise A zéro de tout l'appareil, destinés à annuler le signal de sortie de l'amplifica- teur de sortie 10. En effet, si ce courant I et donc I disparaissent, les condensateurs 4 et 5 resteraient sinon chargés. Dans le cas de disparition, il est donc néces- saire de décharger rapidement ces condensateurs. L'ampli- ficateur 24 a été prévu à cet effet. Il reçoit sur son entrée négative le signal t. Quand à son entrée positive, elle est reliée à la sortie de l'amplificateur 15, par l'intermédiaire de la résistance 25 du pont de résistances 25, 26. Une diode 27 est branchée en parallèle sur la ré- sistance 25 et l'entrée positive de l'amplificateur 24 est reliée par ailleurs à un condensateur 28. Le condensa- teur 28, la résistance 27 et l'amplificateur 15 forment un dispositif de temporisation. Si le signal I est inférieur à E, si donc il y a coupure de courant, pendant plus, dans le cas considéré, de 10 ms, l'amplificateur 24 bascule alors en positif. Par l'intermédiaire des résistances 29, 30, il ferme alors les interrupteurs 2, 3, ce qui assure la décharge des condensateurs 4, 5 puisqu'il n'y a pas de courant. Celle-ci n'intervient donc qu'après temporisation, et ceci, afin qu'elle ne soit pas intempestive et n'inter- vienne pas à chaque passage à zéro du signal IR. C'est l'amplificateur 15 qui démarre la temporisation au moment o il bascule en positif. Cette temporisation est remise instantanément à zéro par la diode 27, lorsque le signal à l'entrée positive de l'amplificateur 24 devient supérieur à ú. Les résultats du tableau ci-dessous ont été obtenus à la suite de la mise en oeuvre du procédé et de il l'utilisation de l'appareil qui viennent d'Utre décrits, dans le cas, le plus défavorable, o l'amplitude crête de la composante apériodique du courant transitoire iT pratiquement estéégale l'amplitude crête à crête du courant de défaut établi, et o cette valeur crête a été atteinte 5 ms après l'apparition du défaut. instant de la esure 0 5 15 25 35 45 55 65 75 ten ms Àmplitude to= du sig2al 25ms00,91 1,14 0,91 1,06 0,975 1,03 0,98 1,0l úS, par rapport à to celle du 50ms 0 0,95 1,08 0,94 1,06 0,96 1,04 0, 97 1,03 régime -...-. - -- - établi t = égale à 1.A ms0 0,99 1,03 0,98 1,02 0,98 1,02 0,98 l,02 D'après ce tableau, on constate, et quelle que soit la valeur de la constante de temps t de la composante o apériodique du courant, que au bout de 35 ms, la valeur du signal IS est pratiquement égale à 1. En outre2 si on détermine la valeur moyenne du signal, on note queel1e est égale à 1, à 0,2 % près sur une durée de 75 ms. En pratique, un micro-processeur permettra d'intégrer les valeurs du signal fréquemment prélevées pour réaliser un relais à temps inverse qui ne commettra pas d'erreur, quelle que soit l'évolution du courant. Par ailleurs, on notera encore que le procédé et l'ap- pareil de l'invention ne sont pas sensibles, dans une lar- ge plage, aux variations de fréquence du réseau. Enfin, le procédé et l'appareil de l'invention, qui ont été décrits dans une application de protection d'ins- tallations électriques, pourraient aussi trouver d'autres applications dans d'autres domaines. REVENDICATIONS 1 - Procédé de mesure d'un courant électrique alter- natif, caractérisé par le fait qu'on redresse le courant, on détermine l'amplitude crête des alternances d'au moins une paire d'alternances consécutives et on détermine la demi-somme des amplitudes crête de ces alternances. 2 - Procédé de mesure selon la revendication 1, carac- térisé par le fait qu'on détermine la demi-somme des ampli- tudes crête de plusieurs paires consécutives d'alternances voisines. 3 - Procédé de mesure selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le.fait que pour déterminer l'am- plitude crête des alternances, on hache le courant redres- sé pour ne le laisser passer qu'aux moments des crêtes des alternances. 4 - Appareil de mesure d'un courant électrique alter- natif, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens (12) pour redresser le courant, des moyens (1, 2, 3) pour hacher le courant redressé et ne le laisser passer qu'aux moments des crêtes des alternances du courant redressé, deux éléments de mémoire (4, 5) agencés pour recevoir successivement les amplitudes crête des alternances, et des moyens (6-10) agencés pour effectuer la demi-somme des deux signaux de-sortie des éléments de mémoire (4, 5). 5 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les moyens (1-3) pour hacher le courant redressé comprennent des moyens (1) pour obtenir des si- gnaux impulsionnels, les impulsions de ces signaux et les crêtes des alternances du courant redressé étant concomittantes. 6 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les moyens (1) d'obtention des signaux impulsionnels comprennent des moyens (14, 16, 19, 15, 18) agencés pour recopier les portions montantes des alternan- ces et reliés aux moyens redresseurs (12). 7 - Appareil selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les dits moyens de recopie comprennent un amplificateur (14), relié par une entrée aux moyens re- dresseurs (12) et dont la sortie est bouclée sur son autre entrée par une diode (16), un condensateur (19), relié à la dite autre entrée de l'amplificateur (14), et des moyens (15, 18) pour décharger le condensateur (19). 8 - Appareil selon la revendication 7, caractérisé par le fait que lesdits moyens de décharge comprennent un deuxième amplificateur (15), relié par une entrée aux moyens redresseurs (12) et dont l'autre entrée reçoit un signal de très faible amplitude, et un interrupteur ana- logique (18), commandé par le deuxième amplificateur (15) et monté en parallble sur le condensateur (19). 9 - Appareil selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comporte un troisième amplificateur (22) relié par une entrée à la sortie du premier amplificateur (14) et par l'autre entrée au condensateur (19). - Appareil selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'il comporte une bascule diviseur (23) re- liée à la sortie du troisième amplificateur (22). 1l - Appareil selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé par le fait que les moyens pour hacher le cou- rant redressé comportent deux interrupteurs analogiques (2, 3) reliés aux moyens redresseurs (12) et aux éléments de mémoire (4, 5), respectivement, et commandés par les moyens (1) d'obtention des signaux impulsionnels. 12 - Appareil selon l'une des revendications 4 à 11, caractérisé par le fait que les éléments de mémoire sont des condensateurs (4, 5). 13 - Appareil selon l'une des revendications 4 à 12, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens (24-30) de remise à zéro des éléments de mémoire (4, 5), en cas de disparition de courant. 14 - Appareil selon la revendication 13, caractérisé par le fait qu'aux moyens de remise à zéro des éléments de mémoire (4, 5) est associé un dispositif de tempori- sation (27, 28, 15).