Brevet FR2634897A1 — publié le 19900202

Dispositif de mesure des courants de phase d'une installation triphasée La présente invention concerne un dispositif de mesure des courants de phase d'une installation triphasée, destiné notamment i équiper des cellules moyenne tension. La présente invention vise plus particulièrement un dispositif de mesure dans lequel le transducteur utilisé pour convertir le courant de chaque phase en un signal de mesure est une bobine de ROOWS[I. On rappelle qu'une bobine de ROGOWSKI est une bobine torique, sans noyau magnétique, entourant le conducteur dont on mesure l'inten- sité du courant. La force électromotrice E induite dans une telle bobine est proportionnelle-à la dérivée temporelle du courant I, ce qu'on exprime par la formule valable en première approximation, t a I avec fL (D+d)2 1 (D+d)2 S a N 4=8 (D+d)2 NI O -4 2-R 8 o avec: N nombre de spires de la bobine Xo perméabilité du vide D diamètre du mandrin de la bobine d diamètre du fil de la bobine (sur isolant) R distance du centre du conducteur au centre de la section du tore On appelle S la sensibilité de la bobine de ROGOWSKI. Enfin, on rappelle que le schéma électrique équivalent d'une bobine de ROGOWSKI, vu de la charge, est constitué par une source alternative E = S en série avec une inductance 1 et une résistance r. avec: 1 = N.S et: r = 4 r N (D+d) -2 - avec: do: diamètre du fil, sur métal. : résistivité du matériau du fil. Lorsqu'on mesure les intensités des trois phases d'un circuit triphasé, on dispose sur chacun des fils de phase une bobine de ROGOWSKI. Or, dans les applications industrielles comme l'équipement d'une cellule moyenne tension, les trois bobines peuvent être proches les unes des autres. Il en résulte que des influences d'une phase sur l'autre peuvent apparaître, en ce sens qu'un courant important circulant dans une phase peut induire, par couplage magnétique, une force électromotrice dans les bobines des phases voisines. Un but de l'invention est d'associer au dispositif de mesure un circuit permettant d'éliminer les effets perturbateurs des couplages mutuels. L'invention a ainsi pour objet un dispositif de mesure des courants de phase d'une installation triphasée, comprenant sur chacun des conducteurs de phase i, J, k disposés en triangle une bobine de ROGOWSKI, les trois bobines étant identiques, chaque bobine étant reliée à un amplificateur opérationnel dont la sortie fournit un signal proportionnel à la valeur du courant dans. la phase considérée, ledit amplificateur étant monté en intégrateur avec une première résistance sur l'entrée négative, une seconde résistance et un condensateur en parallèle, entre entrée négative et sortie, et une troisième résistance entre l'entrée positive et la masse, caractérisé en ce que chaque bobine de ROGOWSKI est reliée à l'entrée d'un amplificateur inverseur, la sortie d'un inverseur associé à une phase i étant reliée aux amplificateurs opérationnels correspondant aux deux autres phases (j, k) par des résistances riJ et rik, les résistances rij étant choisies pour vérifier les relations MiJ = o, les termes Mij étant les termes non diagonaux de la matrice [M] = [ y] S] o / S m12 m13 I s= ( m 1S m23 m13 m23 S -3- et I 1 1 El r21 r31 [Y] 1 1 ri2 i32 11 1 r13 r23 Ri o R1 est la valeur de la première résistance S est la sensibilité d'une bobine de ROGOWSKI vis-à-vis de sa propre phase mij est la sensibilité d'une bobine de ROGOWSKI placée dans une phase i, vis-àvis du courant qui passe dans la phase J voisine, En variante, l'invention concerne un dispositif de mesure des courants de phase d'une installation triphasée, comprenant sur chacun des conducteurs de phase i, J, k, disposés en triangle une bobine de ROGOWSKI, les trois bobines de ROGOWSKI étant identiques, chaque bobine étant reliée à un amplificateur opérationnel dont la sortie fournit un signal proportionnel à la valeur du courant dans la phase considérée, ledit amplificateur étant monté en intégra- tour avec une première résistance (R1) sur l'entrée négative, un condensateur (C) en parallèle, entre entrée négative et sortie, une seconde résistance R2 entre l'entrée positive et la masse, la sortie d'une bobine d'une phase i étant reliée en outre aux entrées positives des amplicateurs opérationnels relatifs aux autres phases J et k par des résistance respectivement riJ et rik, les résistanee riJ ayant une ayant une même valeur r très supérieure à celle de ladite seconde résistance R'2, le rapport R'2 étant voisin de m - 4 - o m est la sensibilité d'une bobine ROGOWSKI vis-à-vis du courant qui passe dans la phase voisine, S est la sensibilité d'une bobine de ROGOWSKI vis-à-vis de sa propre phase. L'invention est précisée par la description ci-après de deux modes de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 représente le schéma électrique d'un dispositif de mesure de courant selon un premier mode de réalisation de l'inven- tion, assurant une compensation parfaite; - la figure 2 est un schéma d'une variante de réalisation plus économique, assurant néanmoins une compensation suffisante;si m"s. Dans la figure 1, les rectangles référencés 1, 2 et 3 représen- tent symboliquement trois bobines de ROGOWSKI, identiques, supposées disposées respectivement sur l'une des phases d'une installation triphasée, dont les courants à mesurer sont désignés par I1, I2 et I3. A l'intérieur des rectangles, les bobines sont schématisées par leur circuit électrique équivalent e, 1, r, comme il a été indiqué plus haut. Chacune des bobines est associée à un amplificateur opérationnel (respectivement 10, 20 et 30) par l'intermédiaire d'une résistance de valeur R1 sur la borne d'entrée négative. En parallèle sur chaque amplificateur opérationnel sont placés une résistance de valeur R2 et un condensateur de capacité C. Enfin, la borne d'entrée positive de chaque amplificateur opérationnel est mis à la masse par une résistance de valeur R3. La sortie de la bobine 1 est relié à un amplificateur 100, du type inverseur ayant une grande impédance d'entrée et de gain égal à -1. La sortie de l'amplificateur 100 est reliée à travers une résistance r12 à l'entrée négative de l'amplificateur opérationnel 20 et par une résistance r13 à l'entrée négative de l'amplificateur opérationnel 30. De la même façon, la sortie de la bobine 2 est reliée à un inverseur 200 dont la sortie est connectée à l'amplicateur opération- nel 10, par une résistance r21 et à l'amplificateur opérationnel 30 par une résistance r23. Enfin, la sortie de la bobine 3 est reliée à un inverseur 300 dont la sortie est connectée à l'amplificateur opérationnel 10 par une résistance r31 et à l'amplificateur opérationnel 20 par une résistance 232. On désigne respectivement par VI1, V2, V3 les tensions aux sorties S1, S2, S3 des amplificateurs opérationnels. On va montrer que dans certaines hypothèses de choix des valeurs des diverses résistances du circuit, et si les bobines de ROGOWSKI sont identiques, l'influence mutuelle des bobines est annulée et les signaux VI, V2 et V3 sont respectivement proportionnels aux courants de phases I1, I2 et I3. On désigne par J1, J2 et J3 les valeurs des courants aux noeuds N1, N2 et N3 que constituent les groupes de 3 résistances reliées à l'entrée négative des amplificateurs opérationnels. - Les tensions à vide aux bornes des bobines de ROGOWSKI sont données par el a SpI1, + m12pI2 + m13pI3 e2 = ml2pI1 + S.p.I2 + m23pI3 e3 = m13pI1 + m23pI2 + SpI3 S: sensibilité des bobines de ROGOWSKI p: opérateur de Laplace: (dérivée par multiplication par p) ei: tensions (en notation complexe) Ii courants (en notation complexe) miJ = mji: sensibilité de la bobine placée sur la phase i vis à vis du courant circulant dans la phase J. - 6 - - Les courants J1, J2, J3 sont donnés par J1 = R el -j- e e2 e3 J2 = - el + e2 - e3 F12 Rl 1 J3 = - - el 1 e2 - R- e3 J3 r13 r23 e2 Rl e On a fait l'hypothèse que les capteurs sont identiques (R1 est identique pour les trois phases) et que R1 et très grand devant r, ce qui permet de négliger la chute de tension dans l'impédance interne des capteurs. On peut écrire ces relations sous forme matricielle. le] = [S. * ' I 1 p fJ] = y3 [el = [y]* [s * [] I p le] e2 II= I2- [J] = e3 (I3 J3 S m12 ml3 ( R1i r21 r31 = 12 $ m23 1 U30LSJ =ml S m2 z = r12 R1 r32 I i m13 m23 rl3 r23 R1 =úzm& S ZLHEZ + EL.' 0ú ZLm l 0 E LU + LJ, - ú 0= Zú LU + ELm - ZL rH úLm ztm S = ZLW ZLMS 0 s úzm L LZJ _ -LU O ELm LJ L3 _- LU Z 0 = [m s 3LM 4uvATns suoTinbgp emesgss np uoTInTosai l e' qTnpuoo Tnb 9D 0 z =:2' = úLW ZúE ZLH = l = LZW z: gUOTzu!Se set ellq;sso snb zuinn:eTTJTA.inod SeTsToqv quos ZúE 'ILú 'EZJ 'LtZ 'úL3 'Zl3' cOU9nsTog selS ELmL Z3L _ LL E= ZLMS ZZ H OLt LE. _ L Z' LU = LLi OA.y ELm ELm = (EEW EW 3LH' /{H LúH LZH LLN} D6it [A] 2 [ 3guosc Z6 88 -9Z L + donH do dOEH + L LA LdDEH __ ____ =i Dz LI L - LA oú : 'uo 'uoTfl9J8uT aeIdmTs sun.md 'ZE qus9TI9au ua '&ueuuseTqos aTIaos ap suoTsuez eaw ' a.sTIT nau ZuamoeIol;sa saulsToA sesuqd sap aouanl;UT;. SZ li _ m _ = úIdúúN = ú (úm -ELm-= Zid5:ZM-LE S ZIdZEW ZrE LidLem EL U = LIdLLN = Lr O a- d eauuop Jal8ETA sun quo úr &Zr 'Lr s-umJnoo s9T 's40[ gL Zim'úEm-úLm'S (ZLM;)m- S LU = ELeI zLm ELM-EZM SLU = 9ZJ g(ZLm) - ES úLm'úZm-ZLm'S = Za L ú;-úZM S LU = ZúL ú (TL - L (C[L)- 3 úLm'eLm-[ZrM'S LU = g[ Z úzm'ELm-ELm'S Lú = Li E(Em) - ESL :sauúATns suoTflnOS xnz qTnpuoz Tnb ao Z688ú9Z si R2cp>? 1, alors Vl J1 D'o les relations 1 = -M I1 H (p) M22 V2 = I2 H (p) V3 = M33 I2 H (p) C *10 R2Cp+1 avec H (p) R2Cp + 1 1 si R2Cp" 1 Le couplage parasite est bien neutralisé. Le mode de réalisation qui vient d'être décrit nécessite l'emploi de trois amplificateurs inverseurs. Une variante plus économique est décrite en référence à la figure 2. Elle fournit une compensation suffisante lorsque le couplage entre phases voisines et capteurs est faible. Les éléments communs aux figures 1 et 2 ont reçu les mêmes numéros de référence. On retrouve les bobines de ROGOWSKI 1, 2 et 3, les amplifica- teurs opérationnels 10, 20 et 30, leur résistance d'entrée R1, mais avec seulement une capacité C parallèle. La sortie de la bobine 1 est reliée par une résistance r12 à l'entrée positive de l'amplificateur opérationnel 20 et par une résistance r13 à l'entrée positive de l'amplificateur opération- nel 30. De même, la sortie de la bobine 2 est reliée par une résis- tance r21 à l'entrée positive de l'amplicateur opérationnel 10 et par une résistance r23 à l'entrée positive de l'amplificateur opérationnel 30. Enfin, la sortie de la bobine 3 est reliée par une résistance r31 à l'entrée positive de l'amplificateur opérationnel 10 et par une résistance r32 à l'entrée positive de l'amplicateur opérationnel 20. 263489? - 10 - Dans le cas o les phases sont symétriques et les bobines identiques, on a m12 = m13 = m23 = m. On va montrer pour la phase 1 seulement, que la compensation est effective. Si on désigne par r la valeur commune de r12, r13, r21, r23, r31 et r32., et par V+ et V- les tensions d'entrée de l'amplificateur opérationnel 10, il vient R'2 V+ = +R'2 (E2 + E3) v R'2 + f+R'2 o E2 et E3 désignent les tensions à la sortie des bobines de ROGOWSKI. Par hypothèse nous sommes dans le cas d'un couplage faible: m/s très inférieur à 1) Si on prend f très supérieur à R'2 il vient R'2 V+ R2- (E2 + E3) f d'o J1 = El R1-V+ Cp (V+ - V1) d'o il vient: V1 = 1 E1 + 1 + RlCp V+ RICp RlCp 1 E + R2 1 + RlCp (E2 + E3) RiCp R1Cp mais: E1 = SpI1 + mp (I2 + I3) E2 = SpI2 = mp (I1 + I3) E3 = SpI3 = mp (I1 + I2) - 11 - R1CpV1 * -SpIl-mp (I2+I3) + RR2 (1+RlCp) [Sp (12+I3) +mp (211I2+I3 R1CpV1 = - S-2m R (1+RCp + [RI (1+RlCp) (S+m) - mJ (I2+I3) Dans la pratique, RlCp = RICJ"1 (exemple: R1C3= 0,01) Si l'on choisit tel que o (Rt. {+RlCp) (S+M)-m= 0 C'est-à-dire: R2 m (en négligeant RlCp) Alors, Il vient À1= R1 1-2m (1+R1Cp) R I Puisque nous négligeons RlCp devant 1, ll vient V1 R1 1-2 m R2 L'influenoe des phases voisines est éliminée. Il convient de rappeler les hypothèses qui autorisent l'emploi de ce schéma: - faible couplage parasite: M - gain de l'intégrateur élevé: R1Cp " 1 Le oompensation, bien qu'imparfaite, est suffisante dans beaucoup de cas mais le montage est bien plus économique que celui de la figure 2. - 12 - REVENDICATIONS 1/ Dispositif de mesure des courants de phase d'une installation triphasée, comprenant'sur chacun des conducteurs de phase (i, j, k) une bobine de ROGOWSKI, les trois bobines de ROGOWSKI étant identiques, chaque bobine étant reliée à un amplificateur opérationnel dont la sortie fournit un signal proportionnel à la valeur du courant dans la phase considérée, ledit amplificateur. étant monté en intégrateur avec une première résistance (R1) sur l'entrée négative, une seconde résistance (R2) et un condensateur (C) en parallèle, entre entrée négative et sortie, une troisième résistance (R3) entre l'entrée positive et la masse, caractérisé en ce que chaque bobine de ROGOWSKI (1, 2, 3) est reliée à l'entrée d'un amplificateur inverseur (100, 200, 300), la sortie d'un inverseur (100) associé à une phase i étant reliée aux amplificateurs opérationnels (20, 30) correspondant aux deux autre phases (J, k) par des résistances rij et rik, les résistance rij étant choisies pour vérifier les relations mij = o, les termes Mij étant les termes non diagonaux de la matrice [MI [y)] [sI o S m12 m13 [s 1= (m12 S m23 m13 m23 S et I1 1 1 iR r21 r31l i1 i y Y - | r12 R- r32 1 1 r13 r23 R1 - 13- avec: ni est la valeur de la première résistance S est la sensibilité d'une bobine de ROGOWSKI vis-à-vis de sa propre phase mit est la sensibilité d'une bobine de ROGOWSKI placée dans une phase i, visà-vis du courant qui passe dans la phase J voisine, 2/ Dispositif de mesure des courants de phase d'une installation triphasée, comprenant sur chacun des conducteurs de phase i, J, k, disposés en triangle une bobine de ROGOWSKI, les trois bobines de ROGOWSKI étant identiques, chaque bobine étant reliée à un amplificateur opérationnel dont la sortie fournit un signal proportionnel à la valeur du courant dans la phase considérée, ledit amplificateur étant monté en Intégrateur avec une première résistance (Rl) sur l'entrée négative, un condensateur (C) en parallèle, entre entrée négative et sortie, une seconde résistance (R2) entre l'entrée positive et la masse, la sortie d'une bobine d'une phase i étant reliée en outre aux entrées positives des amplicateurs opérationnels relatifs aux autres phases j et k par des résistance respectivement riJ et rik, les résistance riJ ayant une ayant une même valeur f très supérieure à celle de ladite seconde résistance R'2, le rapport R'2 étant voisin de m _ m+S o m- est la sensibilité d'une bobine ROGOWSKI vis-à-vis du courant qui passe dans la phase voisine, S est la sensibilité d'une bobine de ROGOWSKI vis-à-vis de sa propre phase.