Brevet FR2622368A1 — publié le 19890428

L'invention concerne un interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut, avec transformateur de courant totalisateur et déclencheur dont la bobine d'excitation est branchée à l'enroulement secondaire du transformateur de courant totalisateur, par l'intermédiaire d'un circuit électronique de déclenchement comprenant un pont redresseur aux bornes de sortie duquel sont branchés directement un condensateur de charge et un condensateur de temporisation. Les interrupteurs différentiels sélectifs à courant de défaut ont en tant que réalisation spéciale la mission, basée sur la temporisation de déclenchement dans des distributions à dérivations dans lesquelles aussi bien la conduite principale que les distributions secondaires, y compris les composants d'installation qui s'y trouvent, sont pris en compte, afin d'éviter la coupure de tous les appareils branchés sur la conduite principale dans le cas d'un défaut d'isolement en aval de la dérivation secondaire. A cet effet, les interrupteurs différentiels sélectifs à courant de défaut doivent Otre dans certains pays conformes à des prescriptions déterminées, comme par ex. en R.F.A. à la norme VDE 0664. Dans cette dernière, des valeurs limites supérieures et inférieures sont définies, qui en fonction de valeurs croissantes du courant de défaut, diminuent par rapport au courant de défaut nominal. Dans une exécution connue d'interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut (Revue Siemens 42, 1968, fascicule 6, pages 492 - 494), la temporisation de déclenchement est obtenue par un circuit RC qui est branché aux bornes de sortie d'un circuit de pont redresseur prévu dans le circuit secondaire du transformateur de courant totalisateur. Etant donnée l'étendue de dispersion de tels circuits de temporisation à base de circuits RC purs, l'interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut du type connu présente une certaine imprécision de réponse du déclencheur monté à la suite. Un autre interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut (DE-AS 27 45 464) du type mentionné au début,remédie à cet inconvénient du fait que le circuit de charge du condensateur de temporisation est conçu sous forme d'un montage de commande électronique, dont le composant essentiel est un circuit de réglage de courant constant, consistant en un 2 2622368 transistor et une diode Zener. Ce circuit crée un courant constant et limité, avec lequel est chargé le condensateur de temporisation auquel est branché directement l'enroulement d'excitation du déclencheur. Le résultat est une temporisation de durée constante, indépendante de l'intensité du courant de défaut, ce qui toutefois est insuffisant pour les prescriptions relatives aux interrupteurs différentiels sélectifs à courant de défaut citées plus haut. Enfin on connaTt d'après le document DE-PS 31 27 331 un montage électronique de déclenchement pour interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut, dans lequel l'enroulement d'excitation du déclencheur est en série avec un contact à valeur-seuil, qui lorsqu'il est excité transmet l'énergie accumulée dans le condensateur de temporisation vers l'enroulement d'excitation du déclencheur. Même avec ce montage, la recharge du condensateur de temporisation se fait par l'intermédiaire d'un régulateur de courant constant, qui maintient la temporisation du déclenchement constante indépendamment pratiquement de l'importance du courant de défaut. L'objet de l'invention est de réaliser un interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut qui permette d'une façon simple et indépendante de toute énergie extérieure, provenant du réseau d'alimentation ou d'une autre source de courant, de respecter les prescriptions relatives aux valeurs limites de courant de défaut nominal décroissantes en fonction de courants de défauts croissants. En se basant sur un interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut du type spécifié au début, le problème a été résolu conformément à l'invention du fait que, - le condensateur de charge est dimensionné comme accumulateur de l'énergie nécessaire à l'actionnement du déclencheur ainsi que pour l'alimentation électrique du montage électronique, l'enroulement d'excitation du déclencheur est monté en série avec une vanne électronique contrOlable, et - le condensateur de temporisation est partie intégrante d'un circuit RC branché en parallèle sur la vanne électronique et l'enroulement d'excitation du 3 2622368 déclencheur, la vanne électronique étant commandée en logique CMOS lors de l'accroissement temporisé de tension durant la recharge du condensateur de charge. Le condensateur de charge de l'interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut conforme à l'invention forme ainsi en liaison avec l'impédance de l'enroulement secondaire du transformateur de courant totalisateur et avec le circuit de pont redresseur un premier circuit intégrateur, dans lequel s'accumule la tension engendrée lors de l'apparition d'un courant de défaut sur l'enroulement secondaire du transformateur de courant totalisateur, en vue de la préparation de l'énergie nécessaire pour le déclencheur ainsi que pour la logique CMOS. La tension apparaissant aux bornes du condensteur de charge est intégrée une seconde fois dans le condensateur de temporisation, afin de retarder 1;élévation tension à l'entrée de la logique CMOS. Cette dernière fonctionne comme comparateur et commute, lorsqu'elle atteint une valeurseuil à peu près égale à la moitié de la tension de fonctionnement usuelle de 5 volts, du signal logique 0 au signal logique 1 ou inversement à sa sortie, d'o excitation de la vanne électronique et du déclencheur au moyen de l'énergie disponible dans le condensateur de charge. Plus le courant de défaut est intense, et plus le condensateur de temporisation se charge rapidement, et plus la logique CMOS commute plus tôt. Celle-ci a une très faible consommation d'énergie et fonctionne avec une très faible dispersion de la tension de seuil. Comme la libération de l'énergie accumulée dans le condensateur de charge s'effectue brusquement dans l'enroulement d'excitation du déclencheur par la vanne électronique contrôlée en logique CMOS, il est possible d'utiliser des déclencheurs à maintien magnétique dont l'énergie de déclenchement varie dans de larges limites. Etant donné qu'en cas de courant de défaut nominal,-un courant très faible doit seulement circuler- dans l'enroulement secondaire, il est possible de prévoir de nombreuses spires pour l'enroulement secondaire sur un noyau torique même de faibles dimensions, de sorte que d'une part, la tension nécessaire pour le circuit électronique est assurée et d'autre part, les coûts de fabrication peuvent être maintenus bas. 4 2622368 Dans une réalisation avantageuse de l'invention est prévu dans le circuit RC même, le montage en parallèle avec une première résistance ohmique reliée en série avec le condensateur de temporisation, d'une seconde résistance ohmique, montée en série avec une diode Zener qui commute la deuxième résistance ohmique, lorsque la tension d'avalanche de la diode est atteinte. Ceci provoque dans le cas de courants de défauts plus importants, comme cela est souhaitable, une courbe plus raide de la caractéristique Courant/Temps relative à la temporisation et au courant de défaut, ce qui favorise encore davantage la possibilité de maintenir les limites prescrites. Selon une autre caractéristique d'exécution avantageuse de l'invention, une diode Zener est branchée en parallèle avec le condensateur de charge, la tension d'amorçage de cette diode correspondant au moins approximativement à la tension de sortie apparaissant sur le circuit de pont redresseur pour le courant de défaut quintuple de la valeur nominale. De cette façon, non seulement on évite que le montage électronique subisse des tensions élevées inadmissibles en cas de courants de défauts importants, mais on s'assure simultanément qu'en cas de courants de défauts supérieurs au courant de défaut nominal quintuple, la temporisation de l'interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut soit réduite davantage. Selon une autre caractéristique encore concernant l'exécution avantageuse de l'invention, la logique CMOS consiste en plusieurs portes ET ou NAND connectées en cascade avec leurs entrées reliées entre elles, les entrées de la première porte étant connectées par l'intermédiaire d'une troisième résistance ohmique au point de jonction entre le condensateur de temporisation et la première résistance ohmique du circuit RC, tandis que la sortie de la dernière porte est reliée à l'électrode de commande de la vanne électronique à travers une quatrième résistance ohmique. Il est précisé que la logique CMOS comporte avantageusement trois portes NAND. Par l'utilisation de telles portes, en particulier en triple montage en cascade, on assure une commande particulièrement précise de la vanne électronique. La vanne électronique peut, selon un autre mode d'exécution de l'invention, consister en un thyristor. A sa 2622368 place il est toutefois particulièrement avantageux d'utiliser un transistor PNP et un transistor NPN montés en cascade, les collecteurs et les bases étant reliés réciproquement entre eux, et la sortie de la logique CMOS étant connectée à la base du transistor PNP. Un tel emploi de transistors usuels à la place d'un thyristor est notablement moins coûteux et la réalisation est plus simple. Afin d'assurer que l'interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut soit aussi rapidement prêt au service que possible, après un premier déclenchement, une caractéristique spéciale d'exécution de l'invention prévoit que la logique CMOS est équipée d'une diode montée en parallèle, par laquelle le condensateur de temporisation peut de nouveau se décharger. Un exemple de réalisation de l'invention va être décrit dans ce qui suit à l'aide des dessins annexés, dont on a représenté en Fig.1 le schéma de branchement du circuit de déclenchement électronique dans un interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut bipolaire conforme à l'invention, Fig.2 la courbe TensionlTemps illustrant les processus de recharge du condensateur de charge et du condensateur de temporisation dans le montage de la fig.l, lors de l'apparition d'un courant de défaut, Fig.3 une courbe Temps/Courant avec le tracé de la temporisation en fonction de l'importance d'un courant de défaut alternatif, dans un montage selon la fig. 1, et Fig.4 la même courbe que dans la fig. 3 avec le tracé de la temporisation en fonction de l'importance d'un courant de défaut continu à pulsations, pour divers angles de commande prévus pour les essais de tels interrupteurs. Dans la fig. 1 on a désigné par P et respectivement N le conducteur de phase et le conducteur neutre d'un réseau de distribution basse tension monophasé, qui sont conduits par l'intermédiaire des contacts 10 vers l'interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut, non figuré en détail quant au 6 2622368 montage mécanique. Ce montage mécanique comprend entre autres une serrure d'interrupteur 12 indiqué seulement symboliquement, qui lors du déverrouillage, ouvre les contacts 10 sous l'action d'un ressort de rappel (non représenté), et qui coupe de ce fait l'alimentation en courant de l'appareil utilisateur branché sur le réseau. L'interrupteur représenté est un interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut utilisable dans la distribution principale, d'autres interrupteurs différentiels sélectifs à courant de défaut de mode de construction usuel étant branchés à la suite, dans la dérivation vers les appareils utilisateurs. Pour le déverrouillage mécanique de la serrure d'interrupteur il est prévu un déclencheur (non représenté), qui en liaison avec l'invention, est utilement un déclencheur à maintien magnétique. Son enroulement d'excitation est signalé par le repère 14. L'enroulement d'excitation 14 est branché, à travers un circuit de déclenchement électronique désigné globalement par 16, à l'enroulement secondaire 18 d'un transformateur de courant totalisateur 20, dont le noyau torique 22 simplement schématisé est traversé par les conducteurs P et N, du côté des appareils utilisateurs des contacts d'interrupteur 10. Dans l'exemple d'exécution représentée ici, le montage électronique fonctionne en polarités positives et comprend à cet effet, branché sur l'enroulement secondaire 18 du transformateur de courant totalisateur 20, un circuit de pont redresseur 24 à quatre diodes 26, dont la borne de sortie positive est raccordée à un conducteur commun isolé 28. La borne négative de sortie du circuit de pont redresseur 24 est reliée à la masse. Le conducteur commun 28 aboutit à l'entrée d'une vanne électronique , montée en amont de l'enroulement d'excitation 14 ainsi que d'une diode 32 en montage anti-parallèle. Les secondes prises de l'enroulement d'excitation 14 et de la diode 32 sont branchées à la masse. La vanne électronique 30 peut être un thyristor. Dans l'exemple de réalisation représenté, elle consiste par contre en un transistor PNP 34 et en un transistor NPN 36 montés en cascade, les collecteurs et les bases étant reliées réciproquement entre eux par les conducteurs 38, 40. L'émetteur 7 2622368 du transistor NPN 36 est raccordé à l'enroulement d'excitation 14 et respectivement à la diode Zener 32. Entre le conducteur commun 28 et la base du transistor PNP 34 est insérée en outre une résistance ohmique 42 servant à la polarisation de la base du transistor 34 en liaison avec la résistance 70. En outre, les composants de montage électronique suivants se trouvent entre le conducteur commun 28 et la masse: - une diode Zener 44, - un condensateur de charge 46, - un circuit RC 48. Le condensateur de charge 46 est dimensionné suffisamment pour que lors de l'apparition d'un courant de défaut, il puisse accumuler l'énergie nécessaire aussi bien pour l'excitation du déclencheur que pour l'alimentation des composants du montage électronique. Le circuit RC 48 comprend un condensateur de temporisation 50, auquel sont branchés en amont une première résistance ohmique 52 avec en parallèle avec celle-ci un montage en série d'une diode Zener 54 et d'une seconde résistance ohmique 56. La tension d'avalanche de la diode Zener 44 est adaptée approximativement à la tension qui apparaît pour un courant de défaut nominal quintuple (5 I r) aux bornes de sortie du circuit de pont redresseur 24. Elle empoche d'une part les surtensions aux composants du montage électronique 16 et d'autre part, elle veille à ce que, en cas de courants de défauts supérieurs à 5 Id n, la temporisation déterminée par la recharge du condensateur de temporisation 50 à travers les résistances ohmiques 52, 56 montées en parallèle, ne soit pas réduite davantage. Au point de jonction 58 entre les résistances 52, 56 et le condensateur de temporisation 50 est connectée une logique CMOS 60, qui comprend une résistance d'entrée 62, trois portes NAND branchées en cascade 64, 66, 68, et une résistance de sortie 70. La seconde prise de la résistance de sortie 70 est reliée par un point de liaison 72, à la base du transistor PNP 34, reliée au collecteur du transistor NPN 36 par le conducteur ainsi qu'à la résistance 42. 8 2622368 Toutes les entrées de chaque porte NAND sont connectées entre elles et raccordées en commun à la sortie des composants électriques situés en amont. Entre les points de jonction 58 et 72 est prévu en parallèle avec la logique CMOS 60, un conducteur 74 avec une diode 76 dont les p8les sont montés en direction avant et dont la fonction sera expliquée plus loin, tandis qu'en parallèle avec la résistance 42 est branché un condensateur de faible capacité 78 servant à l'absorption de courants parasites. Le mode de fonctionnement du montage de déclenchement décrit plus haut est le suivant: Aussi longtemps qu'il ne circule aucun courant de défaut du cOté des appareils utilisateurs de l'interrupeur différentiel sélectif à courant de défaut, le flux circulant dans le noyau torique 22 du transformateur de courant totalisateur 20 est "nul", et aucune tension n'est induite dans l'enroulement secondaire 18 du transformateur de courant totalisateur 20. - Si alors, du côté des appareils utilisateurs de l'interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut, il apparaît un courant de défaut qui peut *tre un courant de défaut alternatif ou un courant de défaut continu à pulsations, ou encore les deux, l'équilibre des courants circulant en sens inverse dans les conducteurs P et N est rompu. Le flux circulant de ce fait dans le noyau torique 22 induit une tension dans l'enroulement secondaire 18, tension qui engendre un courant redressé dans le circuit de pont redresseur 24 et conduit par le conducteur 28 vers le condensateur 46, et qui charge ainsi ce dernier. Cette recharge s'effectue comme indiqué par la courbe Vt de la fig. 2, selon une fonction exponentielle, et elle est essentiellement déterminée par l'impédance de l'enroulement secondaire 18 et du circuit de pont redresseur 24 en combinaison avec la capacité du condensateur 46. La hauteur du potentiel ainsi atteint sur le conducteur 28 dépend tout d'abord de l'intensité du courant de défaut et est finalement limité par la tension d'avalanche de la diode Zener 44, lorsque celle-ci est atteinte. La tension qui s'accumule aux bornes du condensateur de charge 46 est appliquée également au circuit RC 48 par l'intermédiaire du conducteur commun 28, et effectue également la charge du condensateur de temporisation 50. Cette recharge s'effectue toutefois, comme le montre la courbe V2 au condensateur de temporisation 46 sur la fig. 2, avec davantage de retard par rapport à la tension au condensateur de charge. Cette temporisation est due tout d'abord à la résistance 52, dont la valeur ohmique en combinaison avec la capacité du condensateur de temporisation 50 occasionne une première constante de temps T1. Ce n'est que lorsqu'une tension de charge relativement élevée aux bornes du condensateur de charge 46 atteint la tension d'avalanche de la diode Zener 54, que celle- ci branche la résistance ohmique 56 en parallèle avec la résistance 52, et la recharge du condensateur de temporisation 50 s'effectue sous une seconde constante de temps T2 qui est inférieure à T1, et qui par conséquent accélère la charge du condensateur de temporisation 50. La tension qui s'accumule aux bornes du condensateur de temporisation 50 est également appliquée à l'entrée du circuit CMOS 60. La première porte NAND 64 agit comme comparateur et, lorsqu'un certain niveau de tension est atteint à ses entrées, commute du niveau 1 au niveau 0. Bien entendu, les portes NAND 66 et 68 commutent également, plus précisément la porte NAND 66 passe du niveau 0 au niveau 1 et la porte NAND 68 passe de nouveau du niveau 1 au niveau 0, les commutations de porte à porte se faisant toujours plus marquées. La dernière commutation par la porte NAND 68 du niveau 1 au niveau 0 se traduit par le fait que le transistor 34 connecté à sa base se trouve en état conducteur et en conséquence également le transistor 36, c'est-à- dire que la vanne électronique s'ouvre, d'o possibilité pour le condensateur de charge 46 de se décharger dans l'enroulement d'excitation 14. Cette décharge actionne le déclencheur, qui déverrouille la serrure d'interrupteur 12 et ouvre les contacts de l'interrupteur. La commutation du potentiel, à la sortie de la porte NAND 68 et par suite au point de jonction 72, du niveau i vers le niveau O a comme autre conséquence, que le condensateur de temporisation 50 peut momentanément se décharger à travers la diode 76. Ainsi on a la certitude que le condensateur de temporisation est déchargé en cas de nouvel enclenchement de l'interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut. Les fig. 3 et 4 montrent en tant que résultat de mesures sur un seul et même interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut, que les limites de tolérances prescrites dans la norme allemande VDE 0664 pour les temporisations, en cas de courant de défaut alternatif (fig.3) et en cas de courants de défaut continus avec différents angles de commande de 0-, 90 et (fig.4), sont respectées. Ces limites sont fixées selon le ch. 25, tableau 4 de la norme mentionnée: Courant de défaut Courant de défaut Temporisation alternatif continu à impulsions IA (O A) IA tA en S I àAn 1,4 Ian 0,15 5 te nominal une temporisation de 250 ms soit assurée. h11 2622368 REVENDICATIONS 1. Interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut, avec transformateur de courant totalisateur et déclen- cheur dont la bobine d'excitation est branchée à l'enroulement secondaire du transformateur de courant totalisateur pa l'inter- médiaire d'un circuit électronique de déclenchement, comprenant un pont redresseur aux bornes duquel sont branchés un condensa- teur de charge et un condensateur de temporisation, caractérisé en ce que - le condensateur de charge (46) est dimensionné comme i0 accumulateur de l'énergie nécessaire à l'actionnement - du déclencheur ainsi que pour l'alimentation électrique du montage électronique (16), - l'enroulement d'excitation (14) du déclencheur est mon- té en série avec une vanne électronique (30) contrela- ble, et - le condensateur de temporisation (50) est partie inté- grante d'un circuit RC branché en parallèle sur la van- ne électronique (30) et l'enroulement d'excitation (14) du déclencheur, la vanne électronique (30) étant com- mandée en logique CMOS (60) lors de l'accroissement temporisé de tension durant la recharge du condensateur de charge (46). 2. Interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans le circuit RC (48) même, est prévu le montage en parallèle avec une premiè- re résistance ohmique reliée en série avec le condensateur de temporisation (50), d'une seconde résistance ohmique (56) montée en série avec une diode Zener (54). 3. Interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut selon une des revendications préédentes, caractérisé en ce que la logique CMOS (60) consiste en plusieurs portes ET ou NAND connectées en cascade (64, 66, 68) avec leurs entées reliées entre elles, les entrées de la première porte (64) étant connec- tées par l'intermédiaire d'une troisième résistance ohmique (62) au point de jonction (58) entre le condensateur de temporisation (50) et la première résistance ohmique (52) du circuit RC (48), 12.2622368 tandis que la sortie de la dernière porte (68) est reliée à l'électrode de commande de la vanne électronique (30) à travers une quatrième résistance ohmique (70). 4. Interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut selon la revendication 3, caractérisé en ce que la logique CMOS consiste en trois portes NAND (64, 66, 66). 5. Interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vanne électronique (30) est un thyristor. 6. Interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la vanne électronique est formée par un transistor PNP et un transistor NPN (34 et resp. 36) montés en cascade, les collec- teurs et les bases étant reliés réciproquement entre eux, et la sortie (72) de la logique CMOS (60) étant connectée à la base du transistor PNP (34). 7. Interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la logique CMOS (60) est équipée d'une diode (76) montée en parallèle. 8. Interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une diode Zener (44) est branchée en parallèle avec le con- densateur de charge (46), la tension d'avalanche de cette diode correspondant au moins approximativement à la tension de sortie apparaissant sur le circuit de pont redresseur (24) pour le cou- rant de défaut quintuple de la valeur nominale.