Brevet FR2651889A1 — publié le 19910315

La présente invention est relative à un réducteur capacitif de tension électronique, désigné dans la suite en abrégé par RCTE. La figure 1 est un schéma de principe d'un réducteur de tension capacitif comprenant un premier condensateur C1 relié d'une part à la ligne 1 dont on veut mesurer la tension et relié d'autre part à un second condensateur C2 mis à la terre. La tension aux bornes de C2 est adressée à l'entrée positive d'un amplificateur opérationnel A dont l'entrée négative est bouclée sur la sortie. On a alors la relation: v2/V1 = C1 / (C1 + C2) Ce montage présente un inconvénient lorsque le condensateur C2 et l'amplificateur A sont éloignées. La capacité du câble de liaison entraîne une erreur de mesure qui peut être importante. Aussi préfère-t-on utiliser le montage de la figure 2, dans lequel le condensateur C2 est en dérivation entre l'entrée négative de l'amplificateur opérationnel A et sa sortie, l'entrée positive étant mise à la terre. Le pied du condensateur C1 est alors à un zéro virtuel de tension et l'on a la relation: v2/V1 = - C1/C2 C'est le montage de la figure 2 qui est retenu dans le RCTE de l'invention. Le problème principal à résoudre dans la réalisation d'un RCTE du type précité est celui posé par les charges électriques qui restent piégées sur la ligne après l'ouverture des disjoncteurs. I1 est connu de décharger une ligne électrique dans une résistance reliée à la terre; si l'on veut que l'énergie dissipée soit faible, condition exigée par le dimensionnement de l'appareil et les exploitants de réseaux, on doit utiliser une résistance de grande valeur ohmique. Mais alors, le temps de décharge peut être très long, par exemple de l'ordre de la dizaine de minutes. En cas de réenclenchement rapide, les charges piégées ne sont pas écoulées et la mesure est complètement faussée. Un premier but de l'invention est de réaliser un RCTE fournissant une mesure avec une faible erreur en présence de charges piégées sur la ligne. Un autre but de l'invention est de réaliser un RCTE dans lequel le dimensionnement du transformateur de sortie est réduit. Un autre but de l'invention est de réaliser un RCTE fonctionnant avec précision dans une large bande de fréquence de manière à fournir un résultat de mesure correct en régime à fréquence variable. Un autre but est de réaliser un dispositif de mesure de tension pouvant être placé à l'intérieur d'un poste blindé isolé au gaz. L'invention a pour objet un réducteur capacitif de tension électronique comprenant pour chaque phase d'une ligne électrique dont on mesure la tension, un premier condensateur relié d'une part à une phase d'une ligne électrique et d'autre part, par un câble de liaison à un préamplificateur comportant un amplificateur opérationnel muni entre son entrée négative et sa sortie d'un second condensateur en parallèle avec une première résistance, le rapport des valeurs du premier au second condensateur constituant le rapport de réduction du réducteur, caractérisé en ce qu'il comprend une résistance de décharge de la ligne reliée entre le conducteur de phase et la terre ou entre le conducteur de phase et l'armature basse tension du premier condensateur, un troisième condensateur connecté entre l'armature basse tension du premier condensateur et la terre, un filtre passe-bas en amont du préamplificateur et un étage d'amplification de puissance asservi incluant un filtre passe-haut et alimentant des circuits de comptage et de protection et des organes indicateurs de la présence de tension continue (charges piégées) sur la ligne et des organes indicateurs de la polarité de la ligne. Selon une autre caractéristique de l'invention, un commutateur, commandé par un dispositif détecteur de tension continue en l'absence de signal alternatif, est inséré entre le préamplificateur et l'étage d'amplification de puissance. Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, les premier et troisième condensateurs et la résistance de décharge sont disposés, avec une partie du conducteur de la ligne, à l'intérieur d'une enceinte blindée à la terre remplie d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques. Dans un mode particulier de réalisation, le premier condensateur est réalisé par un élément de ligne entouré d'une couche métallique tubulaire constituant également une armature du troisième condensateur, l'autre armature du condensateur étant constituée par un tube métallique relié électriquement à la terre et séparé de la couche métallique par un diélectrique. Avantageusement, la résistance de décharge est constituée d'éléments connectés en série selon une chaîne enroulée en hélice autour dudit élément de ligne L'invention sera bien comprise par la description donnée ci-après d'un mode préféré de réalisation, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est un schéma de principe d'un réducteur de tension capacitif, - la figure 2 est un schéma d'un réducteur de tension capacitif selon une variante, - la figure 3 est un schéma d'un réducteur de tension selon l'invention, - la figure 4 est un schéma partiel d'un poste blindé à SF6 dans lequel sont disposés certains éléments du dispositif de l'invention. Les figures 1 et 2 ont déjà été commentées et on n'y reviendra pas. Dans la figure 3, on a référencé ll un conducteur de phase d'une ligne dont on veut mesurer la tension. Le dispositif qui sera décrit dans la suite concerne une seule phase et il est entendu qu'on retrouvera le même montage trois fois, pour chacune des trois phases d'une ligne. On utilise le montage de la figure 2 qui comprend, en utilisant les mêmes références, un condensateur Cl relié par un câble de liaison 2 à un amplificateur opérationnel A, constituant le préamplificateur de la chaîne de mesure, muni entre son entrée négative et sa sortie d'une résistance R2 en parallèle avec un condensateur C2. En amont du préamplificateur A est placé un filtre passe-bas 3 dont la fonction est de protéger le préamplificateur contre les surtensions de mode différentiel et de mode commun transmises par le câble. Selon une caractéristique de l'invention, une borne P du condensateur Cl est reliée à la terre par un condensateur C3. La présence du condensateur C3 permet l'écoulement naturel à la terre des hautes fréquences ( de 100kHz à plus de 100 MHz). Ce condensateur C3, qui possède une très faible inductance propre, procure une limitation naturelle des surtensions sur la ligne de mesure, en particulier si le câble de liaison au préamplificateur de mesure est déconnecté ou défaillant. La capacité du condensateur C3, associé à un procédé de mesure de type "courant" (présence d'un intégrateur), n'intervient pas de façon significative sur la précision de la mesure. La technologie du condensateur C3, en particulier la composition de son diélectrique, peut être quelconque. Selon une caractéristique de l'invention, une résistance RL est disposée entre la ligne ll et la terre, c'est-à-dire en parallèle sur l'ensemble Cl-C3, de manière à écouler les charges piégées sur la ligne après un déclenchement. En variante, on utilise une résistance R'L disposée en parallèle sur le condensateur Cl. La valeur de RL ou de R'L est de l'ordre de 1000 Mégohms; malgré cette valeur élevée, on montre qu'à tout moment, l'erreur relative sur la tension mesurée VS (t) au réenclenchement reste inférieure à une valeur donnée de l'ordre de quelques pour cents. Supposons en effet que la capacité CL entre la ligne et la terre soit de 1 microfarad, que la résistance RL soit de 1000 Mégohms, que R2 soit égal à 40 Gigohms et que le rapport du produit R2C2 au produit RlCl soit supérieur ou égal à 7,26; désignons par VL(t) la tension de la ligne; on montre que la valeur absolue du rapport VS(t) - VL(t).Cl/C2 VL(t).Cl/C2 reste inférieure ou égale à une valeur donnée e, par exemple choisie égale à 10%. En effet, l'erreur maximale e du rapport précité est égale à: emax= (y/(l - y)).(y puiss.(y/(l-y)) - ypuiss(l/(l-y))) avec y = RlCl/R2C2 Pour avoir emax inférieure ou égale à 10%, il faut avoir y Grâce au montage décrit plus haut, on obtient une série de quatre avantages: a) on dispose, à la sortie de l'amplificateur A, d'une information représentative de la polarité de la ligne au réenclenchement de cette dernière, b) au bout d'un laps de temps, après un déclenchement de la ligne, la ligne est déchargée, c) au réenclenchement de la ligne, l'erreur sur la mesure de la tension est voisine de e, qui peut être rendu par exemple égale à 10% au plus, d) au réenclenchement, la composante apériodique n'intervient plus que pour le poids e précité, voisin de 10%, qui est donc faible vis-à-vis de celui qu'il aurait si la résistance de décharge n'était pas branchée dans le circuit de mesure. Les condensateurs Cl et C3, les résistances RL ou R'L sont disposées dans une enceinte blindée remplie de gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre SF6. On verra plus loin comment ces éléments peuvent être installés dans un poste de type blindé existant. La composante apériodique du signal, pour faible qu'elle soit, ne doit pas être transmise aux circuits de protection dont elle pourrait détruire les transformateur d'entrée. Par ailleurs, la présence d'une composante apériodique nécessite un surdimensionnement du transformateur de sortie de l'amplificateur de puissance du dispositif. Le problème est résolu en insérant, en aval de l'amplificateur A, un filtre passe-haut 3'. Ce filtre 3' est placé soit immédiatement en aval de l'intégrateur, comme indiqué en traits tiretés dans la figure 2, soit à l'intérieur du circuit d'asservissement de l'amplificateur de puissance, comme on le verra plus loin. On obtient ainsi moins de composante asymétrique, à constante de temps de filtre égale, d'où la possibilité d'utiliser un transformateur plus petit. Alternativement, on pourra, à transformateur égal, admettre une constante de temps de filtre plus grande. On s'efforcera de choisir un filtre ayant une largeur de bande suffisante pour obtenir la précision désirée sur toute la plage d'excursion de fréquence de la ligne. On évitera la présence d'une composante continue, due aux charges piégées, sur l'étage d'amplification de puissance, lorsque le disjoncteur de ligne est ouvert, en disposant, en aval du préamplificateur, un commutateur 12 commandé par un circuit 13 de détection de tension continue en l'absence de tension alternative. A la sortie de l'amplificateur A est relié un amplificateur de puissance 5 asservi. On pourra utiliser le circuit d'asservissement du gain, corrigeant à la fois l'erreur sur l'amplitude et l'erreur sur la phase, qui a été décrit dans le brevet français n 89 1l 386, déposé le 30 août 1989, au nom de la Demanderesse. Ce circuit d'asservissement d'un système à contre-réaction, tel qu'un amplificateur, comprend un sommateur S élaborant un signal de commande adressé à l'amplificateur de puissance 5; le signal de commande est élaboré à partir d'un signal d'entrée provenant de la sortie du filtre passe haut 3' et d'un signal de correction fourni par un circuit de correction CC. Ce circuit de correction CC reçoit sur ses entrées le signal de sortie du filtre passe haut 3 et le signal de sortie d'un amplificateur d'erreur AE.Ce dernier reçoit sur son entrée positive le signal de sortie de l'amplificateur A et sur sont entrée négative un signal de contre-réaction élaboré par un circuit CR connecté à la sortie de l'amplificateur de puissance 5. Pour plus de détail sur le fonctionnement de l'amplificateur de puissance asservi, on renvoie le lecteur au brevet mentionné plus haut. La sortie de l'amplificateur A alimente un indicateur 7 de la présence de tension continue sur la ligne (charges piégées); on note que les voltmètres alternatifs utilisés dans l'art antérieur indiquent une tension nulle. La sortie de l'amplificateur A alimente également un indicateur 8 de la polarité de la ligne, pouvant notamment être utilisé pour effectuer une fermeture synchrone de la ligne. L'amplificateur de puissance 5 alimente des circuits de protection symbolisés par le rectangle 9 et des circuits de comptage symbolisés par le rectangle 10. La figure 4 montre comment les éléments essentiels du dispositif de l'invention peuvent être disposés à l'intérieur d'un poste blindé. La figure 4 représente en effet une extrémité d'un poste blindé isolé au SF6; on distingue une enveloppe métallique 20, à la terre, remplie de SF6 sous pression, des arrivées de câble 21, des sectionneurs de terre 22 et des sectionneurs de barre 23. Le conducteur de phase est prolongé, entre les sectionneurs de terre et les sectionneurs de barre; par une portion verticale cylindrique ou tubulaire 25, maintenue par un isolateur 26. Cette portion 25 constitue l'armature côté haute tension du condensateur Cl. Un tube 27, coaxial au conducteur 25 et relié mécaniquement et électriquement à l'enveloppe 20, constitue l'armature côté terre du condensateur C3. Le diélectrique de ce condensateur est une feuille de matériau plastique 28, servant de support à une couche métallique tubulaire 29 constituant une armature commune au condensateur C3 et au condensateur Cl. La résistance R1 est formée d'éléments de résistance 30, reliés en série; cet ensemble d'éléments forme une chalne enroulée en hélice autour du conducteur 25 et reliée électriquement au conducteur 20 et à l'armature 27. La référence 31 désigne le fil électrique de liaison reliant le condensateur Cl au câble 2 et sortant à l'extérieur de l'enveloppe 20 par une traversée 32 étanche. On notera que la place disponible à l'extrémité du poste blindé de la figure 4 permet de loger les condensateurs Cl, C3 et la résistance Rl (ou R'l) relatifs à chacune des trois phases du dispositif. L'invention s'applique principalement à l'équipement des postes blindés, mais peut trouver également application toutes les fois qu'une mesure précise de tension est nécessaire. REVENDICATIONS 1/ Réducteur capacitif de tension électronique comprenant pour chaque phase d'une ligne électrique dont on mesure la tension, un premier condensateur (Cl) relié d'une part à une phase d'une ligne électrique et d'autre part, par un câble de liaison (2) à un préamplificateur comportant un amplificateur opérationnel (A) muni entre son entrée négative et sa sortie d'un second condensateur (C2) en parallèle avec une première résistance (R2), le rapport des valeurs du premier au second condensateur constituant le rapport de réduction du réducteur, caractérisé en ce qu'il comprend une résistance de décharge de la ligne reliée entre le conducteur de phase et la terre (RL) ou entre le conducteur de phase et l'armature basse tension du premier condensateur, (R'L), un troisième condensateur C3 connecté entre l'armature basse tension du premier condensateur et la terre, un filtre passe-bas (3) en amont du préamplificateur et un étage d'amplification de puissance (AS) asservi, incluant un filtre passe-haut (3') et alimentant des circuits de comptage (9) et de protection (10) et des organes indicateurs (7) de la présence de tension continue (charges piégées) sur la ligne et des organes indicateurs (8) de la polarité de la ligne. 2/ Réducteur capacitif de tension selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un commutateur (12), commandé par un dispositif (13) détecteur de tension continue en l'absence de signal alternatif, est inséré entre le préamplificateur (A) et l'étage d'amplification de puissance (AS). 3/ Réducteur capacitif selon l'une des revendication 1 et 2, caractérisé en ce que les premier (Cl) et troisième (C2) condensateurs et la résistance de décharge (RL, R'L) sont disposés, avec une partie du conducteur de la ligne, à l'intérieur d'une enceinte blindée à la terre remplie d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques. 4/ Réducteur capacitif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier condensateur (Cl) est réalisé par un élément de ligne (25) entouré d'une couche métallique tubulaire (29) constituant également une armature du troisième condensateur (C3), l'autre armature du condensateur (C3) étant constituée par un tube métallique (27) relié électriquement à la terre et séparé de la couche métallique par un diélectrique (28). 5/ Réducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la résistance de décharge (RL, R'L) est constituée d'éléments (30) connectés en série selon une chaîne enroulée en hélice autour dudit élément de ligne (25).