Brevet FR2646570A2 — publié le 19901102

FR 2646570 A2 19901102 FR 8905850 A 19890427 La présente addition concerne un interrupteur différentiel à courant de défaut, à accumulation d'énergie, avec, comme décrit au brevet principal NO 87 14802 un 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 indépendant du réseau, semblable à celui du brevet, comprenant un pont redresseur à la sortie duquel est branché par l'intermédiaire d'une résistance ohmique un condensateur de charge accumulant l'énergie nécessaire pour actionner le déclencheur, une vanne électronique réglable servant à libérer cette énergie en direction de la bobine d'excitation du déclencheur, ainsi que des moyens de commande de la vanne électronique en fonction de la tension accumulée dans le condensateur de charge, le noyau du transformateur de courant totalisateur consistant comme dans le brevet, en un alliage de fer de haute perméabilité avec courbe d'hystérie plate, la résistance ohmique formant avec le condensateur de charge un circuit RC, et les moyens de commande de la vanne électronique consistant en un diviseur de tension ohmique et en un transformateur MOS branché par sa broche "Gate" à la prise du diviseur de tension , et dont la broche "Source" est raccordée à la masse et la broche "Drain" à l'électrode de commande de la vanne électronique. Sous la dénomination interrupteurs différentiels à courant de défaut, à accumulation d'énergie, on comprend les interrupteurs à courant de défaut qui, lors de l'apparition de courants de défauts ne déclenchent pas aussi rapidement que possible, mais avec une temporisation, afin que tout d'abord en tenant compte des limites prescrites par les normes de déclenchement, un maximum d'énergie soit accumulée qui alors pourra garantir un fonctionnement fiable du déclencheur. Il n'y a donc ni utilisation d'une alimentation auxiliaire, ni fonctionnement par circuit de résonance lors de l'apparition d'un courant de défaut. Comme avantage supplémentaire, ces interrupteurs permettent l'emploi de déclencheurs à maintien magnétique, dont l'aimantation peut être réglée à un niveau supérieur, et qui sont moins sensibles aux courants parasites et aux chocs mécaniques.Un autre avantage significatif réside dans le fait qu'ils présentent, comme les interrupteurs sélectifs du brevet, une très bonne capacité de résistance aux phénomènes transitoires sous forme d'ondes de courant provenant de perturbations atmosphériques, en supprimant ainsi des déclenchements intempestifs. L'interrupteur différentiel à courant de défaut du brevet a pour objet, grâce à la temporisation du déclencheur, dans des distributions à dérivations dans lesquelles aussi bien la conduite principale que les distributions secondaires avec les composants d'installation interconnectés se trouvant englobés dans le montage de protection du courant de défaut, d'éviter une coupure de tous les appareils branchés sur la conduite principale en cas de defaut d'isolement en aval de la dérivation secondaire. Le courant de défaut nominal I n est en conséquence situé selon le cas d'espèce, vers 0,1 ou 0,3 ampère, et comme temporisations de déclenchement sont prévues des valeurs limites supérieures de 0,5s en cas de présence du simple courant de défaut nominal, jusqu'à 0,15s en cas de courant de défaut cinq fois supérieur, ou en cas de courant de défaut absolu de 500 ampères. Or, tandis que pour les interrupteurs différentiels sélectifs à courant de défaut, la préparation de l'énergie de déclenchement dans le condensateur d'accumulation ne pose pas de difficulté, d'une part à cause du courant de défaut nominal relativement élevé d'au moins 0,1 ampère, et d'autre part à cause des longues temporisations de déclenchement disponibles pour la charge de l'accumulateur d'énergie, de telles difficultés apparaissent dans de notables proportions dans le cas des interrupteurs différentiels à courant de défaut ordinaires, dans lesquels le courant de défaut maximum n'est que de 30 mA avec des temporisations bien plus courtes.Ces difficultés sont encore accrues du fait que depuis quelque temps on exige aussi pour les interrupteurs différentiels à courant de défaut ordinaires une temporisation de déclenchement de courte durée, de valeur dégressive en fonction du courant de défaut, afin de prévenir des déclenchements fortuits dûs à des influences atmosphériques ou aux suites d'opérations de commutation. La temporisation de déclenchement maximale demandée dans ce cas varie entre 0,2s pour un courant de défaut nominal simple selon par exemple la norme VDE 0664, et jusqu'à 0,3s selon le plus récent projet de l'IEC 23, tandis qu'en cas de courant de défaut quintuple de la valeur nominale ainsi que pour un courant de défaut de valeur absolue de 500 ampères, la temporisation ne doit plus atteindre au maximum que 0,04s. L'objet de l'addition est de perfectionner l'interrupteur différentiel à courant de défaut à accumulation d'énergie proposé et décrit dans le brevet, afin qu'il soit utilisable en tant qu'un interrupteur différentiel à courant de défaut ordinaire ayant une temporisation de courte durée exigée de nos jours. Conformément à l'addition, le problème est résolu du fait que le transformateur de courant totalisateur est dimensionné de telle façon qutil fonctionne, en cas de courant de défaut nominal, bien au-dessous de la saturation de son noyau, et qu'une diode est branchée en parallèle sur la résistance ohmique du circuit RC. Grâce au dimensionnement du transformateur de courant totalisateur conformément à l'addition, on obtient le résultat que - contrairement aux interrupteurs différentiels sélectifs à courant de défaut décrits et cités précédemment, dans lesquels le noyau du transformateur de courant totalisateur est déjà presque saturé en cas de courant de défaut nominal avec comme conséquence que la tension induite dans l'enroulement secondaire du transformateur de courant n'augmente plus que faiblement pour une valeur croissante du courant de défaut - cet accroissement de tension reste important, et de ce fait un raccourcissement plus rapide de la temporisation du déclencheur se produit lors d'un accroissement du courant de défaut.En outre1 la réduction de la temporisation est fortement influencee par la diode branchée en parallèle sur la résistance ohmique du circuit RC, cette diode n'étant conductrice qu'au-dessus d'un niveau de réponse déterminé et réduisant notablement dans cet état la constante de temps du circuit RC, du fait de sa résistance interne relativement faible.Ceci a comme conséquence qu'en cas de courants de défaut minimes, la diode se bloque, bien avant que soit atteinte la tension nécessaire à la commande de la vanne électronique au condensateur d'accumulation d'énergie dont la charge résiduelle s'effectue avec une constante de temps élevée uniquement déterminée par la résistance ohmique, tandis qu'en cas de courants de défaut élevés, la tension nécessaire à la commande de la vanne électronique est atteinte au condensateur accumulateur déjà bien avant le blocage de la diode, de sorte que dans ce cas, seule intervient la faible constante de temps déterminée par le branchement-en parallèle de la résistance ohmique et de la diode.Lorsque la tension de déclenchement est atteinte aux bornes du condensateur accumulateur, la diode du fait de sa résistance relativement faible contribue à un apport immédiat d'énergie électrique à partir de l'enroulement secondaire du transformateur de courant totalisateur par l'intermédiaire du pont redresseur ; ainsi malgré qu'il n'y ait que peu d'énergie dans le condensateur accumulateur lors de la commande de la vanne électronique, un déclenchement fiable de l'interrupteur est assuré. En outre on conserve les avantages de l'interrupteur différentiel sélectif à courant de défaut décrit dans le brevet. Egalement dans l'interrupteur différentiel à courant de défaut conforme à l'addition, le déclenchement a lieu indépendamment de l'importance du courant de défaut toujours à la même tension, ce qui signifie que la caractéristique du déclencheur peut se trouver dans de vastes limites de dispersion, sans influence de la temporisation du déclencheur, étant donné que l'excitation a lieu selon le principe de "tout ou rien Un autre avantage de l'addition consiste dans le fait que le déclencheur peut être réglé pour des puissances de déclenchement bien plus fortes (de l'ordre de 5 fois) que dans le cas des interrupteurs différentiels à courant de défaut usuels, et ainsi il peut être réalisé de façon notablement moins sensible quant aux déclenchements fortuits. Alternativement on peut aussi utiliser un déclencheur réglé pour une puissance analogue à celle des interrupteurs différentiels usuels, et utiliser des tores beaucoup moins performants ou volumineux. Comme dans le brevet, un autre avantage d'un tel interrupteur différentiel à courant de défaut consiste dans le fait que le système de déclenchement ne nécessite aucune énergie extérieure, mais que ses composants sont directement alimentés par le transformateur de courant totalisateur. Comme dans le brevet, selon une première caractéristique d'exécution avantageuse de l'addition, il est prévu que pour la limitation de la tension de sortie du circuit de pont redresseur, une diode Zener soit montée en parallèle avec le circuit RC, grâce à laquelle le montage électronique de déclenchement est protégé contre des surtensions. Selon une autre caractéristique, comme dans le brevet, au moins une des résistances du diviseur de tension ohmique peut être prévue réglable, afin de pouvoir de cette manière ajuster avec précision le transistor à effet de champ. Comme vanne électronique on pourra utiliser un thyristor, qui lors de l'excitation commute à l'état conducteur en libérant immédiatement l'énergie totale du condensateur de charge en direction de l'enroulement d'excitation, y compris l'énergie amenée à travers le redresseur à partir du transformateur de courant totalisateur. En variante, comme dans le brevet, la vanne électronique peut également consister en un montage en cascade d'un transistor PNP et d'un transistor NPN, avec leurs bases et collecteurs reliés réciproquement, la broche "Drain" du transistor effet de champ étant raccordée à la base du transistor PNP. Comme transistor NOS, il est recommandé d'utiliser un élément IG-FET à canal N, en technologie MOS. De façon analogue au brevet, l'addition sera décrite dans ce qui suit à l'aide des dessins annexés, dont Fig.1 représente la courbe B/H d'un matériau de noyau de transformateur de courant totalisateur pour interrupteur différentiel à courant de défaut, à accumulation d'énergie, conforme à l'invention, ce matériau étant caractérisé par une grande perméabilité et une courbe d'hystérésis plate, avec indication du point de fonctionnement A pour le courant de défaut nominal la n, Fig. 2 représente une courbe Tension/Temps avec l'allure de la tension secondaire du transformateur de courant totalisateur, lors de l'apparition d'un courant de défaut alternatif sinusoidal dans l'enroulement primaire, Fig. 3 représente une courbe Tension/Temps avec l'allure de la tension secondaire du transformateur de courant totalisateur sur chaque fois une demi-onde, en cas de courants de défauts de 30 mA et 150 mA dans l'enroulement primaire, Fig. 4 est le schéma de montage de principe d'un circuit intégrateur composé d'un condensateur de charge et d'une résistance d'alimentation, avec indication des courbes de principe des tensions à l'entrée et à la sortie, lorsque le montage est soumis à une tension redressée selon les fig. 2 ou 3, Fig. 5 est le schéma de montage du circuit électronique de déclenchement dans un interrupteur différentiel à courant de défaut de type bipolaire conforme à l'invention, et' Fig. 6 est une courbe Tension/Courant avec le tracé du temps de déclenchement en fonction de l'intensité d'un courant de défaut alternatif, en cas de montage selon la fig. 5. La fig. 1 représente sous forme de courbe B/H l'allure typique de l'induction magnétique B en fonction de l'intensité de champ H dans le cas d'un alliage de fer tel que celui utilisé dans l'interrupteur différentiel à courant de défaut conforme à l'invention pour le noyau du transformateur de courant totalisateur. Cet alliage est caractérisé par une grande perméabilité avec une courbe d'hystérésis plate. Un tel matériau se trouve dans le commerce sous la dénomination "Satimphy" ou "Permimphy". Lorsqu'un noyau torique réalisé dans cet alliage est parcouru du côté primaire par un courant alternatif sinusoidal (courant de défaut alternatif) ou un courant redressé pulsé, il se produit une aimantation selon la courbe d'hystérésis de la fig. 1 jusqu'aux valeurs de crete Bs ou respectivement Bst , lesquelles se situent toujours davantage dans la zone de saturation en fonction de l'accroissement de l'intensité de champ. Le point de saturation A se trouve dans le cas d'un courant de défaut nominal I À D bien au-dessous de la saturation. Une telle aimantation du noyau torique par un courant de défaut alternatif induit dans l'enroulement secondaire prévu sur le noyau torique une tension Vs, dont l'allure caractéristique est représentée sur la fig. 2. Plus grande est l'amplitude du courant de défaut alternatif, et d'autant plus loin s'étend la boucle d'hystérésis dans la zone de saturation, avec comme conséquence, que les plages non saturées de la courbe d'hystérésis seront parcourues d'autant plus vite. De ce fait, les crêtes de tension induites dans ces zones par le champ magnétique alternatif deviennent toujours plus élevées et en même temps plus étroites en fonction des courants de défauts alternatifs croissants du côté primaire, de sorte que le contenu énergétique ne s'accroit relativement que lentement. La fig. 3 donne à cet effet deux exemples de crêtes de tension de différentes hauteurs et durées au cours d'une demi-onde, pour des courants de défauts de 30 mA et 150 mA. L'impédance du montage électronique du côté secondaire du transformateur de courant totalisateur est élevée, de sorte que l'on peut prévoir un petit noyau torique avec un nombre élevé de spires dans l'enroulement secondaire, en vue de l'obtention d'une tension suffisante pour le montage électronique. Si alors la tension induite dans l'enroulement secondaire par un courant de défaut est appliquée, après redressement par un pont redesseur double alternance, à un condensateur C à travers une résistance ohmique R, comme représenté sur la fig. 4, on obtient à la sortie d'un tel montage intégrateur un accroissement en gradins de la tension Vc en fonction du temps t aux bornes du condensateur C, jusqu'à un niveau de tension correspondant finalement à la valeur de crête de la- tension secondaire.Cet accroissement en gradins est exploité par l'invention pour la commande du montage de déclenchement, dont la fig. 5 représente un exemple d'exécution recommandée. Dans la fig. 5 on a représenté par P et N le conducteur de phase et le conducteur neutre d'un réseau de distribution basse tension monophasé, lesquels cheminent par l'intermédiaire des contacts 10 d'un interrupteur différentiel à courant de défaut non représenté en détail quant à son montage mécanique. Ce dernier comprend entre autres une serrure d'interrupteur 12, qui lors du déverrouillage ouvre les contacts 10 sous l'action d'un ressort de rappel (non figuré) et qui de ce fait coupe l'alimentation de l'appareil branché au réseau. L'interrupteur représenté est un interrupteur différentiel à courant de défaut, à accumulation d'énergie, utilisable dans la distribution principale du réseau. Pour le déverrouillage mécanique de la serrure d'interrupteur il est prévu un déclencheur (non figuré) qui en combinaison avec l'invention est de préférence un déclencheur à maintien magnétique. Son enroulement d'excitation 14 est branché à l'enroulement secondaire 18 d'un transformateur de courant totalisateur 20 à travers un circuit électronique de déclenchement désigné globalement par 16, le noyau torique 22-simplement schématisé étant traversé du côté primaire par les conducteurs P et N, en aval des contacts d'interrupteur 10 en direction des appareils utilisateurs. Le circuit électronique 16 fonctionne dans l'exemple d'exécution représenté avec des polarités positives et possède à cet effet un circuit de pont redresseur 24 à quatre diodes 26, branché à l'enroulement secondaire 18 du transformateur de courant totalisateur. Sur la borne de sortie positive du circuit de pont redresseur 24 sont connectés à l'aide d'un conducteur isolé, une diode Zener 30 ainsi qu'un condensateur de charge 34 au travers une résistance 32. Les seconds raccordements de la diode Zener- 30 et du condensateur de charge 34 sont reliés à la masse, tout comme la borne de sortie négative du circuit de pont redresseur 24. La résistance ohmique 32 et le condensateur de charge 34 forment un circuit RC 36, dont le fil de sortie 38 est relié à une borne 40 sur laquelle sont raccordés d'une part une sortie de l'enroulement d'excitation 14 et d'autre part, un diviseur de tension comprenant un potentiomètre 42 et une résistance fixe 44, dont l'autre borne est reliée à la masse. Une diode 80 branchée en parallèle sur la résistance 32 permet un appoint de courant fourni par le transformateur de courant totalisateur, servant à renforcer la décharge du condensateur 34. A-la borne de sortie de l'enroulement d'excitation 14 est branchée une autre résistance ohmique 46, dont la sortie est reliée par un condensateur 48 à la vanne électronique désignée globalement par 50. Cette vanne électronique 50 consiste en un transistor PNP 52 et en un transistor NPN 54, dont les collecteurs et les bases sont reliés réciproquement par les conducteurs 56 et respectivement 58. Le conducteur 48 est connecté à l'émetteur du transistor 52. l'émetteur du transistor NPN 54 est relié à la masse. La base du transistor PNP 52 est en outre reliée par l'intermédiaire d'un point de jonction 60 du conducteur de raccordement 56 et par le conducteur 62, à la broche "Drain" d'un transistor à effet de champ 64 à "Gate" isolée (IG-FET), lequel consiste utilement en un élément IG-FET à canal N, en technologie MOS. La broche "Gate" de l'élément IG-FET 64 est raccordée par un conducteur 66 à la prise médiane du potentiomètre 42. La broche "Source" de l'élément IG-FET 64 est de façon usuelle, mise à la masse. Finalement, entre les conducteurs 48 et 62 sont prévus une résistance ohmique 68 servant au réglage de la tension émetteur/base du transistor PNP 52, et un condensateur 70 destiné à absorber les courants parasites. Le montage représenté fonctionne comme suit Aussi longtemps qu'il ne circule aucun courant de défaut du côté de l'appareil utilisateur de l'interrupteur différentiel 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 du transformateur de courant totalisateur 20. Si alors un courant de défaut apparait du côté de l'appareil utilisateur de l'interrupteur différentiel à courant de défaut, qu'il s' agisse d'un courant de défaut alternatif ou d'un courant de défaut continu par impulsions, ou encore des deux simultanément, l'équilibre entre les deux courants circulant en sens inverse dans les conducteurs P et N est perturbé. Le flux de circulation apparaissant de ce fait dans le noyau torique 22 induit dans l'enroulement secondaire 18 une tension de la forme indiquée sur la fig. 2, tension qui est redressée par les diodes 26 du circuit de pont redresseur 24 et qui parvient par le conducteur 28 tout d'abord à la diode Zener 30 sous forme de tension continue ondulée et ensuite à la résistance ohmique 32 et à la diode 80. La tension continue apparaissant sur le conducteur 28 contribue à la formation d'un courant de recharge à travers la résistance ohmique 32 et, tant que la tension appliquée est suffisamment élevée, parvient par l'intermédiaire de la diode 80 branchée en parallèle au condensateur de charge 34, lequel se trouve rechargé en gradins comme indiqué sur la fig. 4. La tension qui est ainsi engendrée aux bornes du condensateur est également appliquée par l'intermédiaire du conducteur 38 aux résistances 42, 44, et forme sur la prise médiane 66 du potentiomètre 42 une tension de niveau proportionnel pour la broche "Gate" de l'élément IG-FET 64, dont les broches "Drain" et "Source" sont également portées à la tension de charge du condensateur accumulateur 34 à travers la résistance ohmique 34. Dès que la tension sur la broche "Gate" de l'élément IG-FET 64 a atteint une valeur prédéterminée, celui-ci devient conducteur et envoie tout d'abord un courant de commande à partir du conducteur 38 à travers l'enroulement d'excitation, la résistance ohmique 46, le conducteur 48, la résistance ohmique 68 et la voie "Drain-Source" de l'élément IG-FET 64, ce courant de commande créant du fait de la chute de tension sur la résistance ohmique 68 la tension de commande nécessaire à la commutation, d'abord du transistor 52 puis par l'action de celui-ci celle du transistor 54, d'où ouverture totale de la vanne électronique 50. De ce fait, le condensateur de charge 34 peut se décharger à travers l'enroulement d'excitation 14 et la résistance 46 à très faible valeur ohmique, en vue de déverrouiller la serrure 14 et d'ouvrir ainsi les contacts de l'interrupteur 10. Aussitôt que le condensateur de charge 34 s'est déchargé, et que le courant d'appoint parvenant par la diode 80 montée en parallèle sur la résistance 32 s'arrête du fait de la coupure des contacts 10, la vanne électronique 50 se bloque d'elle-même et le courant dans l'enroulement d'excitation 14 s'effondre à travers une diode "roue libre" 72 montée en parallèle sur cet enroulement. Comme mentionné déjà plus haut, la diode 80 n'est à l'état conducteur lors de la recharge du condensateur de charge 34, qué lorsqu'une tension suffisamment élevée de l'ordre de 0,5 volts par exemple est appliquée à ses bornes. Ceci a pour conséquence conformément à ce qui est souhaité, qu'il y ait des durées de recharge très variables pour le condensateur de charge 34, selon que le courant de défaut est faible ou fort.En cas de faible courant de défaut, par lequel le condensateur de charge n'est rechargé que tout juste ou très peu au-dessus de la tension créant sur la prise médiane 66 du diviseur de tension 42, 44 le niveau de tension nécessaire à la commutation de l'élément IG-FET 64, la chute de tension aux bornes de la diode 80 va tomber en effet rapidement après le début de la recharge du condensateur d'accumulation 34, au-dessous de la valeur minimale nécessaire pour que la diode soit à l'état conducteur.Ainsi la diode va bloquer, et la faible constante de temps déterminée préalablement par le montage en parallèle de la résistance 32 et de la diode 80 dans le circuit RC formé avec le condensateur de charge 34, va grimper à une valeur élevée qui n'est plus déterminée que par la résistance 32, ce qui a pour conséquence un accroissement lent de la tension de recharge du condensateur 34 jusqu'à ce que l'élément IG-FET 64 commute.Si par contre le courant de défaut est élevé ainsi que la tension redressée dans le conducteur 28, la chute de tension minimale sur la diode 80 est maintenue jusqu'à la recharge du condensateur de charge 34 au niveau nécessaire à la commutation de l'élément IG-FET 64, et la constante de temps du circuit RC est exclusivement déterminée par le montage en parallèle de la résistance ohmique 32 et de la diode 80, dont la résistance interne ne représente qu'une fraction de la résistance 32. Le condensateur de charge 34 sera rechargé à une vitesse correspondante jusqu'* la tension nécessaire à la commutation de l'élément IG-FET 64. I1 est ainsi possible de retarder notablement le déclenchement pour Igt ou de l'accélérer en cas de surintensités, le tout en respectant les limites maximales telles qu'elles sont spécifiées par les normes, par exemple VDE 664, SEV 23 E, NF C 61-140, IEC 23 CO 62. La fig. 6 montre sur une courbe Temps/Courant l'allure de la temporisation tA pour un courant de défaut alternatif croissant I d par rapport au courant de défaut nominal I n, en tant que résultat de mesures sur un interrupteur différentiel à courant de défaut réalisé conformément à l'invention.Les limites de tolérance y sont indiquées en fonction des prescriptions qui découlent du tableau suivant Courant de Temporisation maximale en s défaut nominal I VDE 664 SEV 23 E NF C 61-140 IEC 23 CO 62 Id n 0,2 0,2 0,2 0,3 2 x I n 0,1 0,15 5 x I" n 0,04 0,04 0,04 10 x I!, n 0,04 500 A 0,04 0,04 0,04 (ou i6xI) En outre, on a designé par i la limite inférieure du courant de défaut alternatif pour lequel l'interrupteur différentiel sélectif de cournt peut déclencher selon le chap. 11.2 de la norme VDE 664 ; cette limite est de 0,5 I#, n. Comme le montre l'allure de la courbe de temporisation de déclenchement tA élaborée d'après les mesures effectuées, il est possible de respecter aisément les valeurs limites dans toute la plage Id I# n REVENDICATION 1. Interrupteur différentriel à courant de défaut selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 6 du brevet principal NO 87 14802 du 23/10/87, caractérisé par le fait que le transformateur de courant totalisateur (20) est dimensionné de telle sorte qu'il fonctionne dans le cas d'un courant de défaut nominal bien au-dessous de la saturation de son noyau (22), et qu'une diode (80) est branchée en parallèle sur la résistance ohmique (32) du circuit RC.