Brevet FR2616600A1 — publié le 19881216

261660C La présente invention concerne les appareils électriques de protection magnétothermique et différentielle, du type comprenant un dispo- sitif de détection de courants différentiels, associé à un interrupteur de protection magnétothermique. Les appareils électriques de protection ou type ci-dessus sont généralement destinés à des installations industrielles de distribution d'énergie électrique à basse tension triphasée. Dans un tel domaine d'application, on connait des appareils muraux constitués d'instruments de mesure installés en série par rapport à l'installation de distribution électrique et destinés à vérifier, avant l'installation d'un appareil de protection, la présence de courants diffé- rentiels dits de dispersion. De tels instruments de mesure, tout en répondant sensiblement au but visé et en intégrant diverses fonctions de détection de pannes élec- triques, sont dotés uniquement d'un avertisseur lumineux d'alarme actionné par le franchissement d'une valeur préfixée de seuil concernant la grandeur électrique à mesurer. De tels instruments ne permettent par conséquent pas une mesure quantitative du courant de dispersion et ne permettent pas non plus d'évi- ter des interventions intempestives de l'appareil de protection. La technique connue propose par ailleurs l'emploi d'instruments de mesure portables, du type dit contrôleur,au moyen desquels sont effectuées diverses vérifications de conformité de l'installation électrique aux normes de sécurité en mesurant aussi les courants de dispersion. - Toutefois, les instruments de mesure de ce dernier type ont l'inconvénient dû au fait qu'ils ne sont pas intégrables à l'appareil de protection, ce qui ne permet d'effectuer qu'un contrôle intermittent de l'état de l'installation électrique. Par ailleurs, les dispositifs électroniques de détection asso- ciés aux appareils de protection précédemment indiqués, sont branchés en aval de l'interrupteur de protection par l'intermédiaire d'un électro- aimant agissant sur les mécanismes d'interruption de l'interrupteur lui- même. Outre qu'il provoque l'ouverture de l'interrupteur, cet électroaimant permet de protéger le dispositif électronique de détection dans le cas de surtensions dans l'installation de distribution électrique ou dans le cas d'un court-circuit dans le dispositif lui-même, mais il présente toutefois l'inconvénient de ne pas être opérationnel dans le cas o survient une interruption de la phase électrique d'alimentation. C'est pourquoi la présente invention a pour but de fournir un appareil électrique de protection magnétothermique et différentielle qui ait des caractéristiques structurelles et fonctionnelles permettant d'ef- fectuer une détection et une mesure quantitative des courants différentiels d'une installation de distribution d'énergie électrique, en remédiant aux inconvénients cités à l'égard des appareils de la technique connue. A cet effet, l'invention a pour objet un appareil du type pré- cité, caractérisé en ce que -le dispositif de détection des courants diffé- rentiels comprend un détecteur de ces courants différentiels, un circuit amplificateur de signal à gain réglable relié à la sortie de ce détecteur et plusieurs voyants reliés à la sortie de ce circuit amplificateur et sus- ceptibles de s'allumer progressivement de manière asservie audit détecteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressor- tiront de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés sur lesquels: la fig. 1 représente un schéma-blocs d'un appareil de protection conforme à l'invention, la fig. 2 représente un schéma électrique d'une partie de cet appareil de la fig. 1 et la fig. 3 représente un schéma électrique d'une autre partie de cet appa- reil de la fig. 1. Sur ces figures, la référence 1 désigne dans son ensemble-et de manière schématique un appareil électrique de protection à courants diffé- rentiels Id, dits oe dispersion, présents dans une installation de distri- bution d'énergie électrique à basse-tension triphasée. Une telle installa- tion comprend des conducteurs de phase classiques R, S et T et un conduc- teur neutre N qui constituent une ligne tétrapolaire 44 pour un système de tensions triphasées destiné à alimenter des charges électriques, non repré- sentées dans la mesure o elles sont classiques, dans un domaine de valeurs de 50 à 500 volts en courant alternatif. L'appareil 1, branché en série avec l'installation de distribu- tion tétrapolaire, comprend un interrupteur automatique de protection magnétothermique et différentielle 3 interposé en série sur la ligne 44 et auquel est associé un dispositif 2 de détection des courants différentiels ld considérés. L'appareil 1 comprend de nombreux composants électroniques décrits de manière détaillée par la suite et alimentés par un circuit d'alimentation 4 relié à l'entrée aux conducteurs R, S et T du système tri- phasé de tensions. Le circuit d'alimentation 4 offre à la sortie deux pôles de tension respectivement positive et négative, indiqués par VC et VE et de valeurs égales à lU et -7,5 volts. Ce circuit d'alimentation 4 est réalisé de façon à maintenir non modifiée sa propre capacité de fonction- nement même si venait à manquer l'une des trois tensions de phase. Plus particulièrement, ce circuit d'alimentation 4 comprend à l'entrée un cir- cuit en pont IU triphasé constitué de six diodes formant deux circuits en pont de diodes 11 et 12 ayant en commun deux de ces diodes. Ce circuit d'alimentation 4 est relié à l'entrée aux conduc- teurs de phase R, 5 et T en aval de l'interrupteur 3 et par l'intermédiaire d'un électro-aimant 5 destiné à actionner les mécanismes d'interruption de l'interrputeur 3 lui-même par le jeu de son propre noyau mobile 6. L' électro-aimant 5 comprend un premier enroulement 7 et un second enroulement 8 indépendants l'un de l'autre sur le plan structurel et connectés respectivement entre le conducteur de phase R et une entrée 13 du premier circuit en pont 11 et entre le conducteur de phase S et une entrée 14 du second circuit en pont 12. La seconde entrée 15 de l'un et l'autre de ces circuits en pont de diodes 11 et 12 est directement reliée au troisième conducteur de phase T. Le dispositif de détection 2 comprend un transformateur toroï- dal 9 à caractéristiques magnétiques élevées qui entoure les conducteurs de phase R, 5 et T et le conducteur neutre N afin de détecter les déséqui- libres de courant entre ceux-ci en présence de courants de dispersion Id vers la terre. Ce transformateur 9 possède un enroulement 16 ayant une extrémité reliée au pâle positif VC par l'intermédiaire d'une résistance R1 et son extrémité opposée reliée par l'intermédiaire de résistances R2 et R3 à un contact 20 d'un bouton-poussoir d'essai 21 qui est articulé sur une borne 23 reliée au pôle négatif VE et est mobile d'une première position au contact de la borne centrale 18 d'un sélecteur 24 à une seconde position associée au contact 20. Un amplificateur opérationnel A1 a une sortie oupléoe à son entrée noninverseuse par l'intermédiaire de la résistance R2, cette entrée non-inverseuse étant en outre reliée au pôle VC par l'inter- médiaire d'une résistance k4 et au contact 2U par l'intermédiaire de la résistance R3. La sortie de l'amplificateur A1 est en outre couplée à son entrée inverseuse par l'intermédiaire d'une résistance R5; cette entrée inverseuse est en outre reliée à la borne 23 par l'intermédiaire du montage en parallèle d'une résistance R6 et d'un condensateur Cl. Le transformateur 2 616660 9 comprend en outre un enroulement secondaire 17 présentant environ mille spires et qui constitue un détecteur pour lesdits courants différentiels Id et a une extrémité reliée à un circuit amplificateur de signal 30. Une extrémité ae cet enroulement secondaire 17 est en outre reliée à la borne 23 du bouton-poussoir d'essai 21 par l'intermédiaire d'une première résistance RS1 d'un groupe de quatre résistances d'un divi- seur à résistances formant le sélecteur 24. Le circuit amplificateur 30 est du type à gain réglable de manière asservie à ce sélecteur-diviseur 24 dans lequel les résistances restantes HS2, RS3 et RS4 ont chacune une extrémité reliée à l'enroulement secondaire 17 et une extrémité opposée libre de recevoir le contact mobile 19 associé à la borne centrale 18 de ce sélecteur 24. La sortie du circuit amplificateur 30 est reliée soit à l'en- trée d'un circuit 32 détecteur de seuil des courants différentiels,soit à l'entrée d'un circuit 31 de détermination de crête du signal à la sortie. La sortie du circuit détecteur 3Z est reliée à l'entrée d'un circuit de commande de déclenchement 33 destiné à actionner à l'ouverture l'interrupteur 3 à la suite de la détection d'un courant différentiel de valeur supérieure à un seuil préfixé. La sortie au circuit de détermination de crête 31 est par contre reliée, par l'intermédiaire d'un diviseur de tension 34, à l'entrée a'un circuit pilote 35 de voyants à diodesélectroluminescentesindiqués par les références 36 à 4U. De manière plus précise, le circuit amplificateur 3U précité comprend un amplificateur opérationnel A2 ayant une entrée inverseuse reliée par l'intermédiaire d'une résistance R7 à une extrémité du secon- daire 17 du transformateur 9 et ayant en outre son entrée non inverseuse reliée à l'autre extrémité de cet enroulement 17, ainsi qu'à la masse. La sortie de l'amplificateur A2 est couplée l'entrée inver- seuse par l'intermédiaire du montage en parallèle d'une résistance R8 et d'une paire de diodes Zener Z1 et Z2 montées en opposition. Cette sortie de l'amplificateur A2 est en outre reliée à l'entrée d'un pont 41 de résis- tances R9, RiO, RIl et R12 relié à la sortie à un second amplificateur opé- rationnel A3. LEn parallèle sur la résistance Rll d.e ce Font 41,il est prévu un couple de diodes Dl et D2 entre lesquelles est branchée la sortie d'un troisième amplificateur opérationnel A4 ayant son entrée inverseuse bran- chée entre les résistances R9 et Rll du pont 41 et son entrée non- inverseuse à la masse. L'entrée non-inverseuse de l'amplificateur opérationnel A3 est aussi mise à la masse et sa sortie est directement reliée à la base Bl d'un transistor TI de type pnp ayant son émetteur El relié à cette base Bi par l'intermédiaire d'une diode D3 et à l'entrée inverseuse de ce même amplificateur A2. Le collecteur Cl du transistor Tl constitue la sortie du cir- cuit amplificateur 30 et est directement relié à l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel A5 faisant partie du détecteur de seuil 32. Cet amplificateur A5 est branché électriquement entre le pôle positif VC et le pôle négatif VE et a son entrée inverseuse elle-même reliée au pâle négatif VE par l'intermédiaire du montage en parallèle d'un condensateur C6 et d'une résistance RS.L'entrée non-inverseusede l'amplificateur A5 est reliée soit à la masse, par l'intermédiaire d'une résistance R13, soit au pôle négatif VE, par l'intermédiaire d'une résistance R14. La sortie de l'amplificateur A5 constitue la sortie du circuit détecteur de seuil 32 et est reliée par l'intermédiaire d'une résistance variable RT à l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel A6 fai- sant partie du circuit de commande de déclenchement 33. Cet amplificateur A6 a son entrée inverseuse reliée en outre soit au pôle positif.C par l'intermédiaire du montage en parallèle d'un condensateur C8 et d'une résistance R15, soit au pôle négatif VE par l'intermédiaire d'une résistance Kld. Par ailleurs, la sortie de cet amplificateur A6 est couplée sur son entrée non-inverseuse par l'intermédiaire d'une résistance R17; cette entrée est mise en outre à la masse par l'intermédiaire d'une résistance R18. La sortie de cet amplificateur est en outre reliée au pôle VC par l'intermédiaire d'une résistance N19 et à la base B2 d'un transistor T2 de type npn ayant son émetteur E2 relié au pôle VE et son collecteur C2 relié au pôle VC par l'intermédiaire d'une diode D5. Entre ce collecteur C2 et le pôle VC, il existe un circuit de commande 42 constitué par un redresseur commandé au silicium Scg qui est destiné à court-circuiter le circuit en pont triphasé 1U du circuit d'alimentation 4. Plus précisément,le redresseur 42 présente une entrée de grille G destinée à recevoir un signal de front de détection d'un courant différentiel Id de valeur supérieure au seuil d'intervention; à la récep- tion d'un tel signal sur l'entrée G, le redresseur 42 court-circuite les entrées du circuit d'alimentation 4. D'une manière avantageuse, le circuit de détermination de crête 31 comprend une diode D4 reliée au pûle négatif VE par l'intermédiaire d'un condensateur C7. Entre la diode D4 et-le condensateur C7 et une entrée Il du circuit pilote 35, il existe une résistance R20. Entre l'entrée I1 et le pôle négatif VE, il existe une autre résistance R21 qui constitue avec la résistance R20 précitée le diviseur de tension 34. Le circuit pilote 35 comprend d'autres entrées I2 et 13 respec- tivement reliées aux pôles positif VC et négatif VE et il présente en outre plusieurs sorties indiquées par les repères I4 à 18 et reliées chacu- ne à l'un des voyants à diode électroluminescente 36, 37, 38, 39 et 40. Ces voyants sont branchés en série entre eux, le dernier 4U étant eo outre relié au pôle négatif VE. L'appareil 1 conforme à l'invention est en outre pourvu d'un circuit sélecteur 43 constitué par un autre diviseur à résistances et à l'aide duquel s'effectue la régulation du retard d'intervention de l'interrupteur 3 à l'ouverture. Le fonctionnement de l'appareil conforme à l'invention est le suivant: Le secondaire 17 du transformateur 9 relève le déséquilibre de courant entre les conducteurs de phase,. S et I et le conducteur neutre N en présence d'une dispersion d'un courant différentiel Id vers la terre. Le signal détecté par le secondaire 17 se trouve amplifié à l'aide du circuit amplificateur 3U et envoyé à l'entrée du circuit détec- teur de seuil 32 qui, dans le cas o le courant différentiel dépasse un seuil préfixé, envoie un signal à l'entrée du circuit de commande de déclenchement 33 qui active le redresseur 42. A la suite de l'intervention de ce redresseur 42, le circuit en pont triphasé 10 du circuit d'alimenta- tion 4 se trouve court-circuité et la tension d'alimentation de phase se trouve directement appliquée sur les enroulements 7 et 8 de l'électro- aimant 5 qui actionne l'interrupteur 3 à l'ouverture. La structure particulière et les branchements des enroulements de l'électro-aimant 5 permettent à celui-ci de pouvoir travailler même si l'une des tensions de phase manque. C'est ainsi par exemple que, si, en raison d'une panne, il manque la tension de phase sur le- conducteur R, l'enroulement 8 de l'électro-aimant 5 demeurerait quoi qu'il en soit ali- menté, et par suite de même le circuit d'alimentation 4 du dispositif 2. La valeur de seuil du courant d'intervention est modifiable, à l'aide du sélecteur 24, en vue de détecter des courants différentiels de 3UmA; pour des courants d'une valeur aussi basse, on laisse le contact mobile 19 du sélecteur 24 en position d'ouverture. Le signal présent à la sortie du circuit amplificateur 30 est ensuite appliqué à l'entrée du circuit détecteur 31 qui extrait la valeur de crête de ce signal à envoyer, par l'intermédiaire au diviseur de tension 34, à l'entrée I1 du circuit pilote 35 qui commande l'allumage des voyants à diode électroluminescente. Le circuit 35 est conçu de façon telle que les voyants 36 à 40 s'allument progressivement avec l'augmentation du courant différentiel détecté, et par incréments d'environ 15% de celui-ci. Par conséquent, la première diode électroluminescente 36 s'allume pour des valeurs de Id LO égales à 155 de la valeur de seuil imposée à l'aide du sélecteur 24, tandis que la seconde diode électroluminescente 37 s'allumera pour des valeurs de courant différentiel égales à 30% de la valeur de seuil, et ainsi de suite jusqu'à ce que l'allumage de l'ensemble des cinq diodes électrolumines- centes indique qu'est atteinte une valeur de courant égale à 75% par rapport au seuil d'intervention. Les normes CgI (Comité Electrotechnique Italien) prévoient que l'intervention de protection différentielle se trouve commandée lors de la détection d'un courant de dispersion compris entre 50% et 100% du seuil préfixé.- Il en résulte que l'allumage des trois premières diodes élec- troluminescentes 36, 37 et 38 correspond à la détection d'un courant diffé- rentiel inférieur au seuil d'intervention de la protection différentielle établi par les normes CLI. L'allumage de la quatrième diode électroluminescente 39 signale la possibilité d'intervention de la protection, tandis que la cinquième diode électroluminescente 40 indique que l'appareil 1 a atteint les limites de la zone d'intervention de protection. En agissant extérieurement sur le sélecteur 24, on modifie la valeur de seuil du courant d'intervention en adaptant automatiquement la sensibilité de l'appareil 1 et du circuit pilote 35 des voyants. L'appareil conforme à l'invention a le grand avantage de permettre une mesure quantitative des courants différentiels en intégrant de manière homogène les fonctions de protection, de régulation et de signa- lisation. En donnant des couleurs appropriées aux voyants, on facilite en outre la tâche de l'installateur qui peut déterminer la valeur la plus appropriée du seuil d'intervention de la protection différentielle par rap- port aux caractéristiques de dispersion de l'installation électrique sur Par ailleurs, l'appareil conforme à l'invention a le grand avantage de maintenir ses pleines capacités de fonctionnement même si vient à manquer l'une quelconque des tensions de phase d'alimentation, tandis que le fait de placer l'électro-aimant de déclenchement en amont du dispositif de détection différentielle permet de maintenir protégé ce dispositif électronique en cas de surtensions dans la ligne d'alimentation électrique. 2 616600 REVENDICATION5 1. Appareil électrique de protection magnétothermique et dif- férentielle (1), du type comprenant un dispositif (2) de détection de courants différentiels (Id), associé à un interrupteur (3) de protection magnétothermique, caractérisé en ce que le dispositif (2) de détection des courants différentiels (Id) comprend un détecteur de ces courants différen- tiels (Id), un circuit amplificateur de signal (30) à gain réglable relié à la sortie de ce détecteur et plusieurs voyants (36, 37, 38, 39, 4U) reliés à la sortie de ce circuit amplificateur (j0) et susceptibles de s'allumer progressivement de manière asservie audit détecteur. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur est constitué par l'enroulement secondaire (17) d'un transfor- mateur toroïdal (9) branché à l'entrée d'un circuit amplificateur de signal (3U) asservi à un sélecteur (24) de la valeur de seuil d'intervention des- dits courants différentiels (Id). 3. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les voyants (36, 37, 38, 39 et 40) sont reliés à la sortie d'un circuit pilote (35) qui reçoit, sur une entrée (Ih) et par l'intermédiaire d'un circuit de détermination de crête (31)et d'un diviseur de tension (34), le signal présent à-la sortie du circuit amplificateur (30). 4. Apparell suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit d'alimentation (4), un circuit (32) de détection du seuil desdits courants différentiels (Id) et un circuit de commande de déclenchement (33) pour l'ouverture de l'interrupteur (3), le circuit de détection de seuil (32) étant relié à la sortie du circuit d'alimentation (4), ainsi qu'à la sortie du circuit amplificateur de signal (30), en étant en outre relié à l'entrée dudit circuit de commande (33). 5. Appareil électrique de protection magnétothermique et diffé- rentielle (1) du type comprenant un interrupteur automatique de protection (3) pourvu de mécanismes d'interruption commandés par un électro-aimant (5) asservi à un dispositif électronique (2) de détection des courants diffé- rentiels (Id) présents dans une installation de distrubition d'énergie électrique à basse tension triphasée, caractérisé en ce que l'électro- aimant (5) comprend un premier enroulement (7) et un second enroulement (8) indépendants sur le plan structurel et branchés respectivement entre une première tension de phase (R) et une seconde tension de phase (S) dudit système triphasé et une entrée correspondante d'un circuit d'alimentation (4) du dispositif électronique de détection (2). 6. Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que 26 1 6600 lu le circuit d'alimentation (4) comprend à l'entrée un circuit en pont triphasé (lu) constitué par un premier (11) et un second (12) circuits en pont de diodes présentant chacun une entrée (13, 14) reliée à l'un desdits enroulements (7, 8).